Efecto de los parámetros del ensayo de desgaste micro abrasivo

En el ensayo de desgaste con esfera rotativa, son numerosos los aspectos del ensayo que afectan los resultados de desgaste. Gee, et al. (2003) los resume según se plantea a continuación:

• el material abrasivo; • el tamaño del abrasivo; • la forma del abrasivo;

• la concentración del abrasivo;

• el tipo de fluido utilizado en la suspensión; • la carga;

• la velocidad;

• el material de la bola;

• la condición de acabado superficial de la bola.

El material abrasivo tiene un efecto esencial, condicionado principalmente por su dureza. En general, cuanto más duro es el abrasivo, mayor es la tasa de desgaste. Sin embargo, es importante

31 considerar la relación relativa de dureza entre el abrasivo, el material de bola y la muestra, lo que determina el efecto de esta propiedad.

En cuanto al tamaño del abrasivo, se ha demostrado, basado en consideraciones de las fuerzas de fricción que actúan entre las superficies de ensayo y las partículas abrasivas, que hay un límite superior de diámetros del abrasivo para que este pueda ser arrastrado a la interface entre la bola y la muestra.

Claramente si no hay abrasivo en la interfaz, el mecanismo de desgaste cambia radicalmente. Para el tamaño de las bolas que se utilizan normalmente (25 mm de diámetro), este límite estará en el rango de 10-20 µm de diámetro. Esta es la razón principal por la que este ensayo es más apropiado para su uso con abrasivos finos. Generalmente se usan abrasivos de menos 5 µm de diámetro. Bajo ciertas condiciones, la medición de los diámetros de los cráteres hechos con abrasivos gruesos es menor, dado que el borde se hace más difuso debido al ranurado del abrasivo.

La forma del abrasivo es otro aspecto de importancia en los resultados de desgaste. Los abrasivos con formas más angulares imponen una carga más alta al deslizarse contra la muestra. Por esta razón el desgaste por abrasión es mayor para mientras mayor angulosidad tiene el abrasivo. El efecto de la carga aplicada y la concentración de abrasivo en la suspensión están unidos. A medida que aumenta la carga, se produce una transición desde un mecanismo de desgaste por rodadura de tres cuerpos a un mecanismo de ranurado de dos cuerpos. A la inversa, a medida que aumenta la fracción volumétrica del abrasivo, hay transición del ranurado de dos cuerpos a la rodadura de tres cuerpos. Estas transiciones se ven mejor expresadas en un mapa del mecanismo de desgaste obtenido por Trezona, et al. (1999), el cual se muestra en la figura 1.22. Las micrografías típicas de las superficies de las muestras producidas en estos diferentes regímenes se dan en la figura 1.23.

Figura 1.22. Mapa del mecanismo de desgaste en muestras de acero para herramientas, con abrasivo del tipo SiC (Trezona, et al.; 1999)

32 Figura 1.23. Superficies desgastadas en muestras de acero para herramientas ensayadas con abrasivo de SiC en: (a) régimen de desgaste por rodadura; (b) régimen de desgaste por ranurado (Trezona, et al.; 1999)

El acabado de los cráteres en el régimen de ranurado de dos cuerpos es típicamente brillante (figura 1.23b), con una serie regular de surcos sobre la superficie. Por el contrario, las superficies de las muestras en el régimen de rodadura son de aspecto opaco (figura 1.23a) con un daño mucho más aleatorio.

La concentración de la suspensión también afecta a la magnitud del desgaste que se produce, normalmente con un mayor desgaste en el régimen de desgaste de rodadura a mayores concentraciones de suspensión (figura 1.24).

Cambios en la concentración del abrasivo afectan el tipo de desgaste que se obtiene. A bajas concentraciones se promueve el desgaste por ranurado (dos cuerpos) mientras que a mayores concentraciones se obtiene desgaste por rodadura (tres cuerpos).

Figura 1.24. Variación en la magnitud del desgaste de la muestra de acero de herramienta con la concentración de la pasta abrasiva de SiC (Trezona, et al.; 1999)

33 Cuando la carga se incrementa adicionalmente se produce el fenómeno de la rendija (figura 1.25). Poco o ningún desgaste ocurre en el centro de la huella debido al bloqueo de la entrada abrasiva en el centro del contacto, debido a las altas presiones de contacto hertzianas en el centro. Esto evita que el abrasivo entre en esta zona de contacto y por lo tanto reduce o elimina el desgaste en esa zona. El efecto de rendija evita aumentos adicionales en el desgaste con carga creciente por encima de un valor de carga crítico.

Evidentemente, si la composición del fluido de suspensión promueve la corrosión o la reacción química con la muestra, es probable que se produzca un efecto sinérgico de la variación de la tasa de desgaste. Aunque existe alguna evidencia de que las propiedades físicas del fluido, tales como la viscosidad, pueden tener un impacto en los resultados, según Bethke (2001), para fluidos de alta viscosidad como la glicerina, para la mayoría de los fluidos de uso práctico (por ejemplo, agua), la velocidad del movimiento relativo entre la bola y la muestra es suficientemente baja y los efectos hidrodinámicos de la lubricación no son importantes. Puede haber efectos de lubricación debido a cambios en la forma en que el fluido de suspensión lubrica los contactos entre la bola, la partícula abrasiva y la muestra, pero realmente no hay evidencia clara de esto.

Existen evidencias contradictorias sobre el efecto de la dosis de suspensión. Algunos trabajos sugieren que siempre que haya suficiente suspensión en la interfaz de desgaste no habrá ningún efecto en los resultados, mientras que otros reportan una alta influencia y establecen la necesidad de dosificar la suspensión con precisión.

Figura 1.25. Estría formada en el centro del cráter sobre una muestra de acero para herramientas recubiertas de TiN bajo condiciones de deslizamiento seco de alta carga (Gee, et al.; 2003)

El volumen de desgaste (a una distancia de deslizamiento constante) es en gran medida independiente de la velocidad de deslizamiento, pero aumenta ligeramente para velocidades muy

34 bajas, según Gachon (2001). Por otra parte, plantea Bethke (2001) que, para el equipo de bolas libres, la tendencia de la bola a deslizarse sobre el eje aumenta a medida que la velocidad se incrementa. Esto puede conducir a una aparente disminución del desgaste a medida que aumenta la velocidad de la bola.

Hay dos efectos de cambiar el material de la bola, ambos debido a los cambios en la dureza relativa, según refiere Gee, et al. (2003). Una bola más suave fomentará la incorporación de partículas abrasivas en ella, reduciendo la separación entre las superficies y aumentando el desgaste por ranurado. Si se utilizan bolas muy suaves, la suposición normal en el cálculo de los volúmenes de desgaste de que la huella de desgaste es conforme a la forma no estresada de la bola puede no ser verdad. La bola se deforma bajo la carga aplicada de manera que el área de contacto se hace mucho más grande de lo que se esperaría de otro modo. Esto hace que el análisis de los resultados de los ensayos sea mucho más complejo. A menos que haya razones especiales para usar otros materiales, las bolas más usadas son de acero endurecido.

En cuanto a condición superficial de la bola, se ha demostrado que su estado tiene un efecto importante en el desgaste que se produce. Con el uso en los ensayos las bolas se vuelven ásperas, debido a la abrasión y daños potencialmente corrosivos. A medida que avanza el ensayo y gradualmente la bola se vuelve áspera, el abrasivo queda atrapado de una manera aleatoria irregular. Con las bolas más ásperas usadas la captura se produce casi inmediatamente después de la prueba. Esto influye en el modo de desgaste.

Aunque se han desarrollado tratamientos superficiales para las bolas para eliminar la variabilidad introducida por este efecto, según refiere Allsop, et al. (1998), un mejor procedimiento está dado por acondicionar bolas nuevas realizando un asentamiento de estas, en una parte de sacrificio de la muestra.

Además de reducir la variabilidad en los resultados, el uso de bolas tratadas o usadas aumenta el desgaste. Sin embargo, es importante asegurarse de medir la bola a intervalos regulares y reemplazarla si se desgasta demasiado.

En cuanto a los factores que afectan la reproducibilidad de los resultados, entre ellos se encuentran los siguientes:

- la dificultad en la resolución de los bordes del cráter - el método de medición del tamaño de la huella. - las formas de cráter no circulares

- la teoría para analizar los resultados puede no ser apropiada para todos los materiales y condiciones de prueba

35 A menudo puede haber dificultades en la definición de los bordes de los cráteres. La figura 1.26 muestra el borde de un cráter hecho en un revestimiento de TiN sobre acero para herramientas. En este ensayo se produjo un desgaste por ranurado, pero algunas de las ranuras son tan profundas que en este caso no era posible realizar la medición del diámetro interno del cráter. La figura también muestra que hay una región de arrastre que ha ocurrido alrededor del borde del cráter. Esto puede causar dificultades en la determinación del borde real del cráter.

Figura 1.26. Cráter pobremente definido (Gee, et al.; 2003)

Los diferentes métodos de medición que utilizados para medir el tamaño del cráter son: • Microscopía óptica mediante análisis de imágenes o microscopía móvil;

• Profilometría mediante microscopía de interferencia, técnicas ópticas de láser o dispositivos de sonda mecánica.

El uso de la profilometría a veces supera las dificultades antes mencionadas, pero claramente el límite entre la porción del cráter en el recubrimiento y la porción en el sustrato no puede distinguirse por este método, ya que la profilometría sólo puede ser usada para las pruebas donde no ocurre perforación.

En la figura 1.27 se puede observar que la microscopía óptica sobrestima el tamaño de los cráteres en comparación con la medición profilométrica directa del volumen de desgaste.

36 Figura 1.27. Cráteres gemelos (mismas condiciones de prueba) en una muestra de acero para herramientas: (a) micrografía óptica; (b) mapa de altura de la medición profilométrica (Gee, et al.; 2003)

1.3.2. Aplicaciones del ensayo micro abrasivo con esfera rotativa en la caracterización