Desgaste Abrasivo

La norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras, que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella dejando un surco y removiendo material [22].

La "partícula dura" puede ser el producto del procesamiento, por ejemplo, minerales como sílice, alúmina u otros, o un fragmento de desgaste endurecido por trabajo en frío. Además, las partículas pueden provenir de la entrada accidental de tierra desde fuera del sistema tribológico. Los salientes o protuberancias producidas normalmente por el mecanizado de las superficies pueden actuar como "partículas duras", si la superficie es más dura que la superficie contraria [7].

En el caso de materiales dúctiles con alta tenacidad a la fractura (por ejemplo, metales y aleaciones), las asperezas o partículas duras producen la deformación plástica del material más blando. La mayoría de las superficies metálicas y cerámicas muestran una clara evidencia de flujo plástico durante el deslizamiento.

En el caso de materiales frágiles con baja resistencia a la fractura, el desgaste se produce por fractura frágil [5].

La abrasión se clasifica típicamente según el tipo y medio ambiente de contacto. Según el tipo de contacto, existen básicamente dos tipos de desgaste abrasivo, de dos o tres cuerpos (ver Fig. 2.13). La abrasión de dos cuerpos ocurre cuando un abrasivo o rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies en contacto deslizan sobre la otra superficie. Mientras que en la abrasión de tres cuerpos, el desgaste es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran en movimiento relativo. Como ejemplo de desgaste abrasivo de dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando una roca, mientras que de tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar superficies en contacto deslizante.

Los sistemas de dos cuerpos experimentan típicamente de 10 a 1000 veces más pérdida de material que los sistemas de tres cuerpos para una carga y longitud de deslizamiento determinada. En abrasión de tres cuerpos sólo una pequeña proporción de las partículas abrasivas causa desgaste, debido a variaciones en el ángulo de ataque. Las partículas que ruedan libremente o deslizan causan poca pérdida desgaste [5,7,22].

Fig. 2.13. Desgaste abrasivo: (a) dos cuerpos y (b) tres cuerpos.

Se han propuesto varios mecanismos para explicar cómo el material se retira de la superficie durante la abrasión. Estos mecanismos incluyen la deformación, fractura, fatiga y la fusión. Debido a la complejidad de la abrasión, ningún mecanismo representa completamente toda la pérdida. La Fig. 2.14 representa algunos de los procesos que son posibles cuando una sola punta abrasiva atraviesa una superficie. Incluyen el microsurcado, el microcorte, la microfatiga y la microfisuración [9,22].

Fig. 2.14. Interacciones físicas entre partículas abrasivas y superficies de materiales. (a)

microsurcado; (b) microcorte; (c) microfatiga; (d) microfisuración [7].

En el caso ideal, el microsurcado (en inglés, microploughing) debido a una sola pasada de una partícula abrasiva no resulta en desprendimiento de material de una superficie. En este caso, se forma una proa por delante de la partícula abrasiva y el material se desplaza continuamente hacia los lados para formar crestas adyacentes al surco producido. Durante el microsurcado, la pérdida de material puede ocurrir debido a muchas partículas abrasivas que actúan simultánea o sucesivamente. El material puede ser desplazado a un lado al pasar varias veces las partículas y puede romperse por fatiga de bajo ciclo (microfatiga) [7].

La microfisuración tiene lugar cuando las partículas abrasivas producen tensiones altamente concentradas, en particular en la superficie de materiales frágiles. En este

(a) (b)

caso, gran cantidad partículas de desgaste se separan de una superficie debido a la formación de fisuras y su propagación [7,9].

El mecanismo más efectivo de remoción de material en desgaste abrasivo para materiales dúctiles, es el corte. Aunque en función de determinadas variables del sistema y propiedades de los materiales involucrados, la eficiencia en la remoción de material bajo este mecanismo puede ser atenuada. El microcorte es el mecanismo por el cual un grano afilado o aspereza dura corta la superficie más blanda, eliminando el material como residuos de desgaste.

El microsurcado y microcorte son las interacciones dominantes en materiales dúctiles. La proporción de material del volumen del surco desplazado durante el proceso de abrasión de un material dúctil a los lados del surco, es decir la relación entre microsurcado y microcorte depende del ángulo de ataque de la partícula abrasiva. De acuerdo a Rulheram, Samuels y Sedriks, el material es sacado de la superficie por microcorte cuando el ángulo de ataque (α) de la partícula erosiva es mayor que un valor crítico (αc). Ese valor crítico del ángulo de ataque es función del material abradido y de las condiciones de ensayo. Teóricamente αc describe una transición aguda entre microsurcado y microcorte. En la práctica, se observa una transición más gradual de microsurcado o microcorte con el incremento del ángulo de ataque [7]. Esto se muestra esquemáticamente en la Fig. 2.15.

Fig. 2.15. Relación entre microcorte y microsurcado en función del ángulo de ataque para el

ángulo de ataque crítico [7].

Microcorte

Ángulo de ataque α Microsurcado

Ángulo de ataque crítico αc

R e la c ió n c o rt e /s u rc a d o

Varios autores como M. F. Stroud y H. Wilman (1962), T. C. Buttery y J. F. Archard (1970) y M. A. Moore y P. A. Swanson (1983) discutieron el hecho de que solo una parte del volumen del surco, es removido como partículas de desgaste, el resto se localiza en el borde en forma de proa (en inglés, wedge). El microcorte y el microsurcado están relacionados con altas deformaciones de la superficie desgastada. Se han logrado medir grandes deformaciones en el rango de 2,5 a 8 por diferentes métodos experimentales en superficies desgastadas [7].