ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA ABRASION SEVERA (GOUGING) EN MATERIALES EMPLEADOS PARA LA CONSTRUCCION NAVAL.

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA ABRASIÓN SEVERA “GOUGUING” EN MATERIALES EMPLEADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN NAVAL

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA

P R E S E N T A:

ING. IGNACIO ALBERTO SALAZAR VELÁZQUEZ

DIRECTOR

DR. MANUEL VITE TORRES

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(5)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI-ESIME-ZACATENCO INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI-ESIME-ZACATENCOINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI-ESIME-ZACATENCO INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI-ESIME-ZACATENCOINSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SEPI-ESIME-ZACATENCO

TRIBOLOGÍA

AGRADECIMIENTOS

A mi esposa a la que tanto amo, admiro y respeto, gracias por todo su apoyo y comprensión.

A mi madre le agradezco el infinito amor y cuidados que nunca me han faltado.

A mi padre que gracias a su gran ejemplo forjó en mi un hombre de logros.

A mis hermanos Juanin, Alex y Pedrin que siempre me han brindado su apoyo incondicional.

Al Dr. Manuel Vite Torres, director de tesis, que con su notable experiencia profesional y apoyo condujo al camino correcto el presente trabajo de tesis.

A la M. en C. Guillermina González M. responsable del Laboratorio de Microscopía Depto. IQM de la UNAM, por su apoyo brindado, gracias.

Al Instituto Politécnico por la formación que me ha dado.

(6)

TRIBOLOGÍA

ÍNDICE

RELACIÓN DE FIGURAS I

RELACIÓN DE TABLAS VII

RESUMEN VIII

ABSTRACT IX

INTRODUCCIÓN X

OBJETIVOS XII

General:

Específicos:

CAPÍTULO I 1

1. FRICCIÓN Y DESGASTE 1

1.1 Orígenes de la tribología 1

1.2 Concepto de tribología 2

1.3 Contacto mecánico 4

1.4 Fricción 8

1.5 Desgaste 12

1.5.1 Clasificación del desgaste 17

1.6 Desgaste en la industria 19

1.7 La industria marítima naval 24

1.7.1 Desgaste en embarcaciones navales 26

CAPÍTULO II 30

2. ABRASIÓN 30

2.1 Desgaste Abrasivo 30

2.2 Clasificación Del Desgaste Abrasivo 30

2.2.1 Desgaste abrasivo severo “gouguing” 35

(7)

TRIBOLOGÍA

2.4 Efectos del tribosistema sobre el desgaste abrasivo 42

2.5 Consideraciones para efectuar pruebas de desgaste 50

2.5.1 Niveles de simulación en las pruebas de desgaste 51

2.5.2 Parámetros básicos de pruebas de desgaste. 51

2.6 Medición del desgaste 54

2.6.1 Medición del desgaste por medio de pérdida de masa 55

2.6.2 Medición lineal del desgaste 55

2.6.3 Medición de área del desgaste 56

2.6.4 Medición de volumen del desgaste 57

2.7 Presentación de datos de las pruebas de desgaste. 58

2.7.1 Tribográficas 58

2.7.2 Diagramas de transición. 60

2.7.3 Tribomapas. 62

CAPÍTULO III 64

3. MÁQUINA TRIBOLÓGICA DE ABRASIÓN SEVERA “GOUGUING” 64

3.1 Características de la máquina de abrasión severa “gouguing” 64

3.2 Modificación a la tolva de alimentación 68

CAPÍTULO IV 70

4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL PARA PRUEBAS DE ABRASIÓN

SEVERA “GOUGUING” 70

4.2 Características de la roca (material abrasivo) 76

4.3 Características de los materiales a emplear 77

4.3.1 Dureza 77

4.3.2 Composición química 82

CAPÍTULO V 84

(8)

TRIBOLOGÍA

5.1 Roca morainal triturada en la máquina de abrasión severa “gouguing” 84

5.1 Resultados de los aceros sometidos a desgaste abrasivo severo

“gouguing”. 84

CONCLUSIONES 97

TRABAJOS A FUTURO 98

(9)

TRIBOLOGÍA

RELACIÓN DE FIGURAS

No. Figura Pág.

1 1.1 Tribología ciencia multidisciplinaria 2

2 1.2 Tribosistema 3

3 1.3 Área de contacto. a) Aparente; b) Real. 4

4 1.4 Efecto cuando se incrementa la fuerza sobre el área real de contacto. Z y d, son la penetración de las crestas, donde Z > d. (Bayer, 1994)

5

5 1.5 Esfuerzo de compresión de una superficie blanda por un cuerpo hemisférico

6

6 1.6 Superficie apoyada sobre asperezas y microasperezas. 7

7 1.7 Representación del ángulo de fricción 9

8 1.8 Mecanismo de fricción (Bayer, 1994) 10

9 1.9 Seis etapas del coeficiente de fricción en función de la distancia deslizada (Suh,1986).

10

10 1.10 Diferentes pruebas de fricción normalizadas por ASTM (ASM 18, 1992)

13

11 1.11 Resistencia al desgaste con respecto a la dureza. [3] 14

12 1.12 Factores que afectan el desgaste. a) Tasa de desgaste en función de la temperatura; b) Tasa de desgaste en función de la carga.

15

13 1.13 Fractura de un recubrimiento 16

14 1.14 Micrográficas de una superficie desgastada por adhesivo. (ASM 18, 1992)

17

15 1.15 Micrográfica de una superficie desgastada por abrasivo. (ASM 18, 1992)

18

16 1.16 Micrográficas de una superficie desgastada por fatiga. 19

(10)

TRIBOLOGÍA

18 1.18 Diferentes mecanismos de desgaste en baleros. a) Pista desgastada _{por fatiga; b) Pista desgastada por adhesión; c) Bola desgastada por}

abrasión.

21

19 1.19 Diferentes componentes de motores de combustión desgastados. a) Camiseta desgastada por abrasión; b) muñón rayado por abrasión; c) metal de biela rayado por abrasión.

22

20 1.20 Disco desgastado por delamincaión 22

21 1.21 Micrografía de una herramienta de corte fracturada, usada para el maquinado de aluminio. [2]

23

22 2.22, Embarcaciones de la flota naval de la Armada de México, a) Buque tipo patrulla oceánica; b) Interceptora de alta velocidad, c) Buque logístico de desembarco anfibio; d) Buque tipo auxiliar remolcador. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

24

23 2.23, Cronograma de la construcción naval en la Secretaria de Marina Armada de México (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

25

24 2.24, Localización de los astilleros y centros de reparación naval. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

26

25 2.25, Esquema y construcción de embarcaciones a) Partes y divisiones principales. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales): b) Cubiertas y casco; c) Cuadernas y mamparos. (Ship desing and construction. 1980)

27

26 2.26, Dibujo esquemático de una embarcación varada en un arrecife. a) Contacto en un costado, b) Contacto en la quilla, c) Vista frontal del varado con contacto en quilla. (Felix Arruti, 1968)

28

27 2.27, Barco turistico varado en las costas de Quintanarro; a) Vista aerea: b) fondo del barco en contacto con el arrecife. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

(11)

TRIBOLOGÍA

28 2.28, Proceso de varado de una patrulla interceptora. a) Interceptora aproximándose a la orilla; b) Interceptora varada.

29

30 2.1 Clasificación del desgaste abrasivo por el tipo de contacto a) Abrasión de dos cuerpos; b) Abrasión de tres cuerpo; c) Erosión. (R.G. Bayer 1994)

30

31 2.2 Ejemplos del daño por desgaste abrasivo. a) Desgaste abrasivo de dos cuerpos; b) Desgaste erosivo.

32

32 2.3 Ejemplos del daño por desgaste abrasivo. a) Desgaste abrasivo de tres cuerpos; b) Impacto de una partícula a 90°, desgaste erosivo.

32

33 2.4 Clasificación del desgaste abrasivo por el contacto y medio ambiente a)Sistema abierto de dos cuerpos; b)Sistema cerrado de dos cuerpos; c) Sistema abierto de tres cuerpos; d) Sistema cerrado de tres cuerpos.

32

34 2.5 Mecanismo de desgaste abrasivo 33

35 2.6 Mecanismo de desgaste abrasivo. a) Rayado; b) Viruta fragmentada; c) Corte.

34

36 2.7 Efecto del ángulo de ataque en la formación de viruta. (N.P. Suh, 1986) 35

37 2.8 Modelo para el desgaste abrasivo. 36

38 2.9 Coeficiente de fricción abrasiva por rayado en función del radio y del diámetro de penetración a diferentes ángulos. (Suh, 1986)

38

39 2.10 Campo de líneas de deslizamiento por rayado debido a una aspereza con un ángulo negativo. (Suh, 1986)

39

40 2.11 Coeficiente de fricción por rayado, en función del ángulo de la aspereza y la relación i/k. a) máximo; b) mínimo. (Suh, 1986)

41

41 2.12 Coeficiente de desgaste por rayado, en función del ángulo de la aspereza y la relación i/k. a) máximo; b) mínimo. (Suh, 1986)

41

42 2.13 Resistencia al desgaste en función a la dureza. (Suh, 1986) 43 43 2.14 Coeficiente de desgaste relativo en fusión de la diferencia de durezas

del material entre la del abrasivo (Richardson, 1968).

(12)

TRIBOLOGÍA

44 2.15 Coeficiente de desgaste de partículas de óxido de zirconio en función de la tenacidad.

45

45 2.16 Resistencia al desgaste abrasivo de metales y cerámicos en función de la tenacidad. (Hutchings, 1992)

45

46 2.17 Coeficiente de desgaste en función de la reducción del área. (Suh, 1986)

46

47 2.18 Formas del abrasivo. a) alumina, b)arena silica. 47

48 2.19 Coeficiente de desgaste en función del tamaño del abrasivo. (Suh, 1983)

47

49 2.20 Hipótesis sobre la reducción del coeficiente de desgaste por partículas abrasivas grandes (Arnell, 1991).

48

50 2.21 Comportamiento del acero sobre papel abrasivo de carburo de silicio en función de la distancia deslizada.

49

51 2.22 Volumen perdido en un perno 56

52 2.23 Bloque desgastado 56

53 2.24. Imágenes para la medición de volumen del desgaste (a) Un UBM laserscan; (b) Imagen 3D de desgaste erosivo por partículas sólidas (c) proyección oblicua de la adhesión sobre una superficie.

58

54 2.25 Tribográficas de parámetros operacionales en función de : (a) carga y de la velocidad de deslizamiento; (b) Temperatura y velocidad de deslizamiento; (c) Tiempo o distancia de deslizamiento.

59

55 2.26 Tribográficas del coeficiente de desgaste en función de parámetros estructurales.

60

56 2.27 Determinación del valor critico de carga, para un sistema con contacto hertziano y lubricado. (ASM 18, 1992)

61

57 2.28 a) Diagrama de transición para el valor crítico de carga contra la velocidad de deslizamiento. (ASM 18, 1992)

62

58 2.28 b) Diagrama de transición para el valor crítico de carga contra la velocidad de deslizamiento y temperatura. (ASM 18, 1992)

(13)

TRIBOLOGÍA

59 2.29 Mapa de mecanismos de desgaste de acero en ensayos perno sobre disco (Rodríguez, 1999).

63

60 3.1 Configuración de máquina de abrasión severa “gouguing” diseñada según la norma ASTM G 81-97

64

61 3.2 Mordazas de trituración a) móvil b) estacionaria. 66

62 3.3. a) Probetas montadas en los portaprobetas de las mordazas móvil y estacionaria; b) Detalle de la figura 3.1 (placa de control); c) Detalle de la figura 3.1 (Eje excéntrico)

66

63 3.4 Palanca reguladora de las placas de control. 67

64 3.5. Motor de 7.5 hp. y arreglos de poleas para transmitir la potencia. 67

65 3.6. Volante de inercia para disminuir las vibraciones. 68

66 3.7. Tolva de alimentación a) diseño original b) diseño modificado. 69 67 4.1. a) marcas en portaprobetas, móvil y estacionario de izquierda a

derecha, respectivamente b) Probetas 1, 2, 3, y 4 correspondientes al lote de la prueba No. 4.

71

68 4.2. Probeta pesada antes de la prueba en balanza con 0.01 g. de precisión.

72

69 4.3. Probetas montadas en los portaprobetas de acuerdo al número correspondiente.

73

70 4.4. Interruptores termomagnéticos del motor de la trituradora. 73

71 4.5, 75 Kg. de roca correspondiente a un costal. 74

72 4.6, Suministro de roca a la tolva para ser triturada por la máquina de pruebas.

74

73 4.7, a) Esclerómetro DIGIMESS DP300 (Portable hardness tester), b) Martinete o sonda de prueba del esclerómetro, c) Ensayo de dureza.

75

74 4.8. Laboratorios de ESIME “CULHUACAN” IPN. Máquina MITUTOYO. a) Vista general, b) Palanca para aplicar la fuerza de prueba y dinamómetro para regular la misma.

(14)

TRIBOLOGÍA

75 4.9. Gráfica que muestra los resultados promedio de las durezas obtenidas con el Esclerómetro DIGIMESS DP300 y la Máquina MITUTOYO.

79

76 4.10. Probetas sometidas a prueba de dureza con Esclerómetro DIGIMESS DP300 y Máquina MITUTOYO.

80

77 4.11. Gráfica que muestra los resultados promedio de las durezas obtenidas con el Esclerómetro DIGIMESS DP300 y la Máquina MITUTOYO.

81

78 4.12. Probetas sometidas a prueba de dureza con Esclerómetro DIGIMESS DP300 y Máquina MITUTOYO.

82

79 5.1, Dimensiones de la roca antes y después de ser triturada en la máquina de abrasión severa “gouguing”

84

80 5.2, Grafica comparativa de la perdida de masa de las pruebas 1 y 2 de los acero CA1215 y TX10-T

85

81 5.3, Probetas de acero después de ser sometidas al desgaste abrasivo severo “gouguing”. a) acero CA1215, b) acero TX10-T.

86

82 5.4, Micrografías del acero CA1215 tomadas en el MEB-5900-LV, marca JOEL, con ampliaciones x 500, a) antes del desgaste, b) después del desgaste.

86

83 5.5, Micrografías del acero TX10-T tomadas en el MEB-5900-LV, marca JOEL, con ampliaciones x 500, a) antes del desgaste, b) después del desgaste.

87

84 5.6, Grafica comparativa de la perdida de masa de las pruebas 3 y 4 de los acero COLD ROLLED 1018 y TX10-T

88

85 5.7, Probetas de acero COLD ROLLED 1018 después de ser sometidas al desgaste abrasivo severo “gouguing”.

89

86 5.8, Micrografías del acero COLD ROLLED 1018 tomadas en el MEB-5900-LV, marca JOEL, con ampliaciones x 500, a) antes del desgaste, b) después del desgaste.

(15)

TRIBOLOGÍA

87 5.9, Grafica comparativa de la perdida de masa de las pruebas 5 y 6 de los acero A-36 y TX10-T

91

88 5.10, Probeta de acero A-36 después de ser sometidas al desgaste

abrasivo severo “gouguing”. 92

89 5.11, Micrografías del acero A-36 tomadas en el MEB-5900-LV, marca JOEL, con ampliaciones x 500, a) antes del desgaste, b) después del desgaste.

92

90 5.12, Grafica comparativa de la masa perdida de las pruebas 7 y 8 del aluminio 6061-T y el acero TX10-T

94

91 5.13, Probeta de aluminio 6061-T6 después de ser sometidas al desgaste abrasivo severo “gouguing”.

95

92 5.14, Micrografías del aluminio 6061-T6 tomadas en el MEB-5900-LV, marca JOEL, con ampliaciones x 500, a) antes del desgaste, b) después del desgaste.

(16)

TRIBOLOGÍA

RELACIÓN DE TABLAS

No. Tabla Pág.

1 4.1, Composición química de la roca morainal dura. 76

2 4.2, Valores promedios de durezas, obtenidos con el Esclerómetro DIGIMESS DP300.

79

3 4.3, Valores promedios de durezas, obtenidos con la máquina MITUTOYO

81

4 4.4, Valores promedios de durezas empleados para fines de cálculo. 81 5 4.5, Composición química del aluminio 6061-T6. 82 6 4.6, Composición química del acero Cold Rolled 1018. 82

7 4.7, Composición química del acero TX10-T. 82

8 4.8, Composición química del acero A-36. 82

9 4.9, Composición química del acero CA-1215. 82

10 5.1, Resultados de la prueba No. 1 del acero CA1215 contra el acero _TX10-T 84

11 5.2, Resultados de la prueba No. 2 del acero CA1215 contra el acero _TX10-T 85

12 5.3, Resultados de la prueba No. 1 del acero COLD ROLLED 1018 _{contra el acero TX10-T.} 87

13 5.4, Resultados de la prueba No. 2 del acero COLD ROLLED 1018 _{contra el acero TX10-T.} 87

14 5.5, Resultados de la prueba No. 1 del acero A-36 contra el acero TX10-T 90 15 5.6, Resultados de la prueba No. 2 del acero A-36 contra el acero TX10-T 90

16 5.3, Resultados de la prueba No. 1 del aluminio 6061-T contra el acero _TX10-T 93

(17)

TRIBOLOGÍA

RESUMEN

(18)

TRIBOLOGÍA

ABSTRACT

(19)

TRIBOLOGÍA

INTRODUCCIÓN

La tribología forma parte de la vida del hombre desde los inicios, es un fenómeno tan importante que debería ser estudiado a conciencia. Grandes científicos lo han estudiado y han aportado avances significativos a la tecnología pero, actualmente la industria a rebasado lo imaginable, y de ella se desprende la mayor parte de casos tribológico, mismos que generan pérdidas de material, herramienta, y tiempo con paros innecesarios de las máquinas para hacer cambios de herramientas o refacciones.

La línea de investigación de la SEPI-ESIME-ZAC-IPN, de la Maestría de Ingeniería Mecánica, se ha encargado en los últimos años de desarrollar máquinas capaces de reproducir ciertos fenómenos tribológicos, y con ellas llevar a cabo el estudio de la fricción y desgaste. La solución de estos problemas solo se da entendiendo su comportamiento para así proponer soluciones viables.

El diseño y construcción de una máquina de abrasión severa “gouguing” se llevó a cabo por alumnos de la Maestría de Ingeniería Mecánica de la SEPI-ESIME-ZAC-IPN, misma que fue empleada para realizar pruebas de desgaste abrasivo severo “gouguing” en materiales metálicos y no metálicos, de acuerdo a la NORMA ASTM G 81 – 97. (Norma para realizar la prueba de abrasión severa utilizando una mordaza de trituración).

El presente trabajo tiene la finalidad de presentar resultados experimentales apoyados y validados por la literatura, y su contenido se divide de la forma siguiente.

Capítulo I, da un bosquejo del concepto de tribología, su historia y su impacto en la industria.

(20)

TRIBOLOGÍA

Capítulo III, describe en forma general la máquina de abrasión severa “gouguing”

Capítulo IV, muestra la metodología para llevar a cabo las pruebas de abrasión severa “gouguing”.

Capítulo V, presenta los resultados obtenidos de las pruebas de desgaste abrasivo severo “gouguing” en aceros CA1215, TX10-T, Cold rolled 1018, A-36 y aluminio 6061-T6.

(21)

TRIBOLOGÍA

OBJETIVOS

General:

Evaluar el alcance del desgate abrasivo severo “gouguing” en materiales metálicos empleados en la construcción naval, mediante el empleo de una máquina tribológica de reciente elaboración.

Específicos:

• Validar experimentalmente y calibrar el funcionamiento de la máquina tribológica de abrasión severa construida por el grupo de tribología de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional.

• Estudiar la naturaleza del desgaste abrasivo severo “gouguing” y la fricción, para así identificar adecuadamente el fenómeno de abrasión.

(22)

TRIBOLOGÍA

CAPÍTULO I

1. FRICCIÓN Y DESGASTE

1.1 Orígenes de la tribología

La tribología es un fenómeno inherente a todas las actividades que desempeña el

hombre, ya que gracias a ella nuestros antepasados fueron capaces de generar fuego,

así como el desgaste en piedras para decoración y construcción de herramientas,

además, desarrolló métodos para regular el desgaste y emplearlos en su beneficio, un

ejemplo claro es el uso de grasas de origen animal empleadas como lubricantes para

desplazar grandes bloques de piedra.

A través de la historia, el estudio de la tribología se ha tornado complejo. Ha sido

necesario involucrar diferentes disciplinas científicas, tales como la física, ciencia de

materiales, química, ingeniería mecánica, etc. obteniendo de ellas las herramientas

necesarias para poder estudiar y entender más ampliamente las diferentes reacciones y

consecuencia que traen consigo los fenómenos tribológicos.

Gracias a ello y a las necesidades que actualmente la industria en crecimiento

demanda, se tiene el interés de conocer el comportamiento de los materiales en un

tribosistema, donde se pretende evaluar los fenómenos de fricción y desgaste, para así

poder diseñar elementos mecánicos que en conjunto sean más eficientes y durables, o

bien con un tiempo de vida predeterminado.

Muchas de las manifestaciones tribológicas son benéficas e indispensables, como es el

simple hecho de caminar o frenar un automóvil, que sin la ayuda de un elevado

coeficiente de fricción sería imposible; pero por otro lado, constituyen un gran reto a

enfrentar, la reducción de los coeficientes de fricción y tasas de desgaste, debido a que

requieren de grandes cantidades de energía, por ende despilfarro de recursos

(23)

TRIBOLOGÍA

1.2 Concepto de tribología

La palabra Tribología, proviene del griego (τριβοσ) que significa fricción o rozamiento y (λογοσ) que significa estudio. Etimológicamente significa estudio de los fenómenos de fricción o rozamiento. El concepto de tribología fue usado por primera vez en un informe

elaborado por la Comisión del Ministerio de Educación y Ciencia de la Gran Bretaña,

por el profesor Peter Jost el 09 de Marzo de 1966, y definiéndola como: “LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA QUE ESTUDIA LAS SUPERFICIES QUE ESTÁN EN CONTACTO Y MOVIMIENTO RELATIVO ASÍ COMO LOS FENÓMENOS QUE DE ELLO SE DERIVAN” [1]. Por lo que la fricción, desgaste y lubricación son tópicos fundamentales

de esta ciencia.

Física

Química

Ingeniería Ciencia de materiales

(incluye la metalurgia)

[image:23.612.243.391.329.487.2]

Mecánica Fig. 1.1 Tribología ciencia multidisciplinaria.

Estos tres aspectos deben ser entendidos en su totalidad, lo que involucra un grupo

multidisciplinario, que se muestra en la figura 1.1; donde la fricción está ligada

directamente con la ingeniería mecánica y la física; el desgaste es parte de la ciencia de

materiales y/o metalurgia así como la física; y la lubricación es una rama de la química.

En conjunto se puede resolver las diferentes problemáticas industriales; donde las tasas

de desgaste no solo dependen de las propiedades del material, sino que es un

comportamiento conjunto entre el medio ambiente y el material; lo que se conoce como

(24)

TRIBOLOGÍA

Pérdida de material intermedia

Cambios en la superficie Sustancia

Medio ambiente Base

Contra cuerpo

Factores combinados carga/fatiga Estructura

(Inicio del desgaste) (Tasa de desgaste)

[image:24.612.190.437.114.319.2]

Desgaste característico

Fig. 1.2 Tribosistema.

La Ingeniería Mecánica, ayuda al diseño y construcción de equipo que permite

caracterizar materiales o simular las condiciones de desgaste o fricción. Esta disciplina,

hace uso de las ventajas tribológicas, para ser aplicadas en el diseño y construcción de

dispositivos mecánicos con la finalidad de seleccionar el material óptimo que tenga una

vida útil predeterminada, así como proponer medios menos agresivos para los

materiales.

Cuando se logra consolidar y utilizar todos estos conocimientos científicos en un fin

específico, se puede estar seguro de que no sólo se está desarrollando un par

cinemático óptimo, sino que también se impacta positivamente en el aspecto

económico, donde es utilizado y el país al que pertenece. Lo anterior lo respalda el

hecho de los países industrializados, que han tenido un ahorro económico considerable,

del orden de 7 y 8% del PIB al aplicar adecuadamente sus conocimientos tribológicos.

(25)

TRIBOLOGÍA

1.3 Contacto Mecánico

El comportamiento de los fenómenos de fricción y desgaste que se manifiestan en las

superficie de los sólidos que se encuentran en contacto y movimiento relativo, es

consecuencia del tribosistema donde se localizan, así como de las propiedades

geométricas, mecánicas, físicas y químicas de los mismos. Las primeras, involucran lo

referente a las forma y al contacto de las superficies así como a la distribución y

configuración de las asperezas en la superficie. En tanto que las segundas, incluyen los

módulos de elasticidad, dureza, parámetros de fatiga, etc. Mientras las terceras se

ocupan principalmente de las características de endurecimiento y las constantes de

difusión en materiales. Por último las propiedades químicas hacen referencia a la

composición y polaridad de las superficies.

El contacto mecánico se encuentra dentro de los parámetros geométricos, se presenta

cuando dos superficies se encuentran deslizando una con respecto a otra, donde

existen dos áreas de contacto, la aparente y la real, donde la primera es el área de las

superficies que están en contacto, como lo muestra la figura 1.3.(a)

Figura 1.3 Área de contacto. a) Aparente; b) Real.

En cambio para el área real, es necesario considerar que las superficies no son

completamente planas y presentan rugosidades, lo que ocasiona que el contacto solo

(26)

TRIBOLOGÍA

superficies. Para determinar a ésta, es necesario sumar todos los microcontactos, los

cuales son una pequeña parte del área aparente de contacto de dichas superficies;

como se muestra en la figura 1.3. Por otra parte, en la figura 1.4, se observa como

varían el área real de contacto cuando se incrementa la fuerza normal. [5]

Figura 1.4 Efecto cuando se incrementa la fuerza sobre el área real de contacto. Z y d, son la penetración de las crestas, donde Z > d. (Bayer, 1994)

En 1896, Hertz demostró que para un contacto elástico de un cuerpo hemisférico duro y

liso que se desliza sobre una superficie suave y lisa, ambos sometidos a la acción de

una carga; se puede calcular el esfuerzo de compresión σr a cualquier distancia radial r

del centro del área circular de diámetro 2 a:

σr= σmáx. 1 - r

2

a2

½

(27)

TRIBOLOGÍA

Figura 1.5 Esfuerzo de compresión de una superficie blanda por un cuerpo hemisférico

Esto, significa que si no se excede el esfuerzo de fluencia del material blando, el

esfuerzo máximo de compresión se localiza en el centro del círculo de contacto,

disminuyendo hasta cero en los bordes del área, esto sucede cuando r = a. En la figura

1.5 se muestra la variación de esfuerzos de compresión sobre la superficie blanda.

El esfuerzo máximo normal se localiza sobre la superficie, el esfuerzo cortante máximo

τmáx. se localiza en el interior del material a una distancia 0.5a por debajo de la superficie, por lo que el esfuerzo cortante está dado por:

τ máx. = 0.31 σmáx. 1.2

Mientras que el área de contacto elástico Ae se calcula a partir de la siguiente

expresión:

3 2

4 3

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ =

E WR

(28)

TRIBOLOGÍA

Donde:

W = Carga aplicada

R = Radio del cuerpo semiesférico

Ei = Modulo de Young

Ri = Radio de curvatura de la superficie

2 2 2 1 2 1 1 1 1 E v E v E − + − = 2 1 1 1 1 R R

R = +

A partir, de ello se determina que el área elástica se puede expresar como:

3 2 W

A_e ≈ 1.4

Las superficies usadas en las interfaces, nunca son perfectamente lisas, como se

consideró en el caso anterior. Las superficies tienen asperezas, que a su vez están

cubiertas por microasperezas, por lo que el área de contacto descansa sobre unas

cuantas asperezas, tal como lo muestra la figura 1.6.

Figura 1.6 Superficie apoyada sobre asperezas y microasperezas.

Archard, demostró que si se consideran las asperezas y rugosidad, y si este análisis se

realiza en forma sucesiva, se llega a una etapa en que el área de contacto elástico llega

(29)

TRIBOLOGÍA

Ae = const x We 1.5

Durante el deslizamiento inicial de dos cuerpos, la forma de desgaste en su mayoría es

en forma plástica. Donde el área real de contacto plástico depende directamente de la

carga y es independiente de la distribución de alturas de las asperezas; por lo tanto, el

área plástica Ap es directamente proporcional a la carga aplicada e inversamente

proporcional a la dureza. Dado que ésta última es una constante, se tiene que el área

plástica se puede expresar como:

H A W

p p ₌

1.6

o sea

Ap≈ W

1.4 Fricción

La palabra fricción proviene del latín “Fricare” que significa rozamiento o frotamiento. Se

manifiesta como una pérdida gradual de energía cinética cuando dos cuerpos se

encuentran en contacto y movimiento relativo. Definiéndose como: “la fuerza de

resistencia al movimiento de un cuerpo cuando se desplaza sobre otro, siendo ésta

tangencial en la interfase y en sentido contrario al desplazamiento”. [2] Ocasionando un

consumo de energía, por ello es que a dicha fuerza se le puede definir, basándose en la

primera ley termodinámica, como; “EL TRABAJO REALIZADO DEBIDO A LA FUERZA DE FRICCIÓN, ES IGUAL A LA SUMA DEL INCREMENTO DE LA ENERGÍA INTERNA Y LA ENERGÍA DISIPADA”. [4]

El físico francés Guillaume Amontons en 1699 estableció cuantitativamente las leyes de

(30)

TRIBOLOGÍA

de fricción estático y dinámico, pero no fue hasta 1785 que José Marie Coulomb

estableció la tercera ley fundamental de este fenómeno.

1ª ley: la fricción es independiente del área aparente de contacto.

2ª ley: la fuerza de fricción, es proporcional a la carga normal W aplicada.

3ª ley: la fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento.

Cabe señalar que el coeficiente de fricción para metales, como lo indica la 3ª ley de

fricción, es independiente a la velocidad de deslizamiento, pero solo hasta 10 m/s, ya

que después de este valor, el coeficiente de fricción disminuye cuando aumenta la

velocidad de deslizamiento. [6]

El coeficiente de fricción estático μs, se obtiene mediante la colocación de un cuerpo sobre un plano inclinado, como se muestra en la figura 1.7.

Figura 1.7 Representación del ángulo de fricción

Al incrementarse el ángulo de inclinación φ, hasta donde comienza a desplazarse el

objeto; en esta posición se determina dicho coeficiente, obtenido de la siguiente

relación.

φ φ

φ

μ tan

cos =

=

W Wsen

(31)

TRIBOLOGÍA

Existen tres mecanismos para la fricción, que son adhesión, abrasión y fatiga; En el

caso que exista entre ellas un lubricante, se considera un cuarto mecanismo, el de

lubricación.

La fuerza de fricción total resulta de la suma de las fuerzas generadas por cada uno de

los cuatro mecanismos, que se indica en la figura 1.8. La fricción adhesiva es la fuerza

requerida para desprender las uniones formadas entre dos superficies. Mientras que el

concepto de fricción abrasiva, es la fuerza necesaria para deformar la superficie en

forma elástica o plástica, o bien por el corte y desprendimiento de viruta. Sin embargo,

para el caso de la fricción por fatiga o histéresis, es un poco diferente a las anteriores,

debido a que ésta se genera por la aplicación de cargas cíclicas, que tienen efectos

sobre la deformación de las asperezas, que pueden ser en forma micro o macro escala.

[5]

Esfuerzo

Tiempo

[image:31.612.186.466.372.622.2]

Fluido

Figura 1.8 Mecanismo de fricción (Bayer, 1994)

Dividiendo cada una de estas fuerzas de fricción entre la carga aplicada, se obtienen los

(32)

TRIBOLOGÍA

que éstos varían con respecto al tiempo y son una combinación entre los mecanismos

mencionados, como se muestra en la figura 1.9. [4]

Figura 1.9 Seis etapas del coeficiente de fricción en función de la distancia deslizada (Suh, 1986).

Etapa I: El coeficiente de fricción dinámico es en gran medida el resultado del rayado de

la superficie por las asperezas, así como la deformación de éstas; generalmente, es

independiente de la combinación de materiales, así como de las condiciones

superficiales y del medio ambiente. La adhesión tiene un papel despreciable en esta

etapa.

Etapa II: La fuerza de fricción se incrementa debido a la presencia de la adhesión.

Cuando se presenta una adecuada lubricación, la etapa I, puede tener un periodo de

duración mayor.

Etapa III: Se caracteriza por el aumento de la pendiente de la fricción, debido al rápido

incremento de partículas desprendidas por el desgaste en la interfase y al aumento de

la adhesión; lo que incrementa las tasas de desgaste. Los residuos de desgaste, son

generados por la deformación subsuperficial, algunos de ellos quedan atrapados entre

(33)

TRIBOLOGÍA

Etapa IV: Se presenta cuando las partículas de desgaste permanecen atrapadas entre

las superficies, asimismo la presencia de la adhesión contribuye a mantener un alto

coeficiente de fricción.

Etapa V: En algunos casos cuando sobre un material duro se desliza un material suave,

las asperezas del material duro son gradualmente removidas, creando un acabado tipo

espejo, y reduciéndose el rayado y deformación de asperezas; con lo que decrece el

coeficiente de fricción.

Etapa VI: Dado que la superficie dura adquiere un acabado tipo espejo, la superficie

suave lo comienza adquirir, y disminuye el coeficiente de fricción para luego mantener

un valor constante.

La medición de las fuerzas de fricción y el cálculo de los coeficientes de fricción son

frecuentemente respaldados por los diferentes tribómetros. Las diversas pruebas que

existen para determinar los coeficientes de fricción van desde el plano inclinado

diseñado por Leonardo da Vinci; así como las diferentes pruebas estandarizadas, como

por ejemplo las establecidas por American Standard Testing Materials (ASTM),

resumidas en la figura 1.10, o bien, otras organizaciones, tales como American National

(34)

[image:34.612.164.508.68.447.2]

TRIBOLOGÍA

Figura 1.10 Diferentes pruebas de fricción normalizadas por ASTM (ASM 18, 1992)

1.5 Desgaste

El desgaste es el desprendimiento de partículas que ocurre en la superficie de sólidos,

que se encuentran en contacto y movimiento relativo, sometidos a una carga. El

movimiento puede ser en forma unidireccional o de vaivén, ya sea deslizante, rodante o

una combinación de ellos. [5]

El desgaste al igual que la fricción, es complejo, generalmente involucra varios

mecanismos en la forma como se remueve el material, lo que genera cambios

(35)

TRIBOLOGÍA

funcionamiento correcto de los sistemas; de igual forma, afecta el aspecto económico.

[6] Una de las formas de aumentar la resistencia al desgaste en los componentes o

elementos mecánicos es incrementando su dureza. En la figura 1.11, se muestra que el

incremento de la dureza del material implica una mayor resistencia al desgaste. Esto se

logra, generalmente, por medio de tratamientos superficiales en los metales, que al

depositar, difundir o alterar la microestructura superficial de los aceros, se logra obtener

[image:35.612.135.507.238.483.2]

una capa con mayor dureza que en el núcleo.

Figura 1.11 Resistencia al desgaste con respecto a la dureza. (Archard)

Cabe señalar que el comportamiento del desgaste no solo depende de la dureza, la

temperatura y carga; además existen otros factores de igual importancia que afectan o

determinan las características del desgaste, que son [5]:

1. Variables relacionadas con la metalurgia:

• Dureza

• Tenacidad

• Constitución y estructura

(36)

TRIBOLOGÍA

2. Variables relacionadas con el servicio:

• Materiales en contacto

• Presión

• Velocidad

• Acabado de la superficie 3. Otros factores que contribuyen:

• Lubricación

[image:36.612.103.529.73.448.2]

• Corrosión

Figura 1.12 Factores que afectan el desgaste. a) Tasa de desgaste en función de la temperatura; b) Tasa de desgaste en función de la carga.

Experimentalmente se ha demostrado la influencia de la temperatura en el desgaste; en

la figura 1.12(a) se observa que el material “A” es más resistente que un material “B”,

pero esto, hasta antes de llegar a la temperatura “T” donde empieza a reblandecerse;

mientras que el material “B” se mantiene casi constante en su tasa de desgaste.

La carga es otro factor de gran importancia que es considerado, junto con la dureza y la

distancia de deslizamiento para poder determinar la pérdida de volumen, como lo

muestra la ecuación semiempírica general de desgaste propuesta por el profesor

(37)

TRIBOLOGÍA

H kWL V

3

= 1.8

Donde:

V - Pérdida de volumen por unidad de distancia deslizada.

k - Constante, usualmente llamada constante de desgaste.

W - Carga aplicada.

L - Deslizamiento.

H - Dureza.

Cabe resaltar que el comportamiento del desgaste ante la variación de la carga es

directamente proporcional, como lo confirma la ecuación de Archard. Pero sin olvidar

que los materiales que han sido sometidos a tratamientos superficiales, tienen dos

módulos de elasticidad, uno para la capa y otro para el sustrato; dependiendo de la

intensidad de la carga que se aplica sobre ellos se pueden generar esfuerzos en su

interfase, haciendo que sufran agrietamientos o fracturas del recubrimiento, como lo

ilustra la figura 1.13.

Figura 1.13 Fractura de un recubrimiento

Existen diferentes formas de mostrar el comportamiento del desgaste, generalmente se

presentan por medio de graficas, dentro de las más comunes son la pérdida de volumen

contra distancia deslizante, número de ciclos, o bien contra tiempo. Donde el material

que tiene menor pérdida de volumen, es el que mejor resiste el desgaste, en las

(38)

TRIBOLOGÍA

1.5.1 Clasificación del desgaste

Existe una variedad de mecanismos que generan el desgaste; en 1957 Burwell, publicó

en la revista Wear, una clasificación de los mismos, más aceptada hasta la actualidad,

para la comunidad científica:

1. Desgaste por adhesión. Ocurre cuando se encuentran en contacto dos

superficies y se desplazan una sobre otra, donde las crestas de las superficies

en contacto fluyen plásticamente, formando fuertes uniones endurecidas

(soldadura en frío), a medida que se rompen por la tracción tangencial, por lo que

los sólidos desprenden material. Existe una gran influencia de varios parámetros

sobre este mecanismo entre los que se encuentran:

• Estructura electrónica.

• Estructura cristalina.

• Orientación del cristal.

• Fuerza cohesiva.

En la figura 1.14, se muestra el proceso del desgaste adhesivo, donde se observa el

desprendimiento de las asperezas al unirse con el material que se desliza sobre estas.

La fuerza de las uniones depende en gran parte de la naturaleza física y química de las

superficies en contacto.

(39)

TRIBOLOGÍA

2. Desgaste por abrasión: Cuando permanecen atrapadas partículas duras entre las

superficies que se deslizan; provocan el desprendimiento de material en forma

de viruta y la formación de surcos, como lo muestra la micrográfica 1.15. Las

partículas pueden deberse a la contaminación de la interfase o bien por residuos

propios del desgaste. También es posible ocasionar abrasión cuando las

asperezas duras de un material penetran a otro de menor dureza, generando el

desprendimiento de material. Este proceso es similar al maquinado de

materiales, donde las asperezas funcionan como herramienta de corte, solo que

a nivel microscópico. La naturaleza de este tipo de desgaste se describe con

[image:39.612.263.392.310.440.2]

mayor detalle en el siguiente capítulo.

Figura 1.15 Micrográfica de una superficie desgastada por abrasivo. (ASM 18, 1992)

3. Desgaste por fatiga: Surge como resultado de constantes deslizamientos,

rodamientos o impactos sobre la superficie, lo que genera un ciclo de esfuerzos.

Estos, llegan a la superficie donde se desprenden partículas. En la figura 1.16 se

muestra la micrográfica, que presenta el desprendimiento de material por este

(40)

TRIBOLOGÍA

Figura 1.16 Micrográficas de una superficie desgastada por fatiga.

4. Desgaste por corrosión. Es las reacciones químicas que ocurren en gran

cantidad de metales produciendo una capas de oxido, que al incrementar su

espesor, se torna demasiado frágil, facilitando el desprendimiento de material,

por medio de cualquiera de los mecanismos de desgaste ya mencionados. El

desgaste corrosivo se define como la degradación de material en el que la

corrosión y algún mecanismo de desgaste están involucrados. [2]. En la figura

1.17 se muestra el deterioro de la superficie, cuando es atacada por el desgaste

corrosivo.

(41)

TRIBOLOGÍA

1.6 Desgaste en la planta productiva

El desgaste, es un fenómeno inevitable, se presenta en todo momento cuando dos

superficies se encuentran interactuando. Normalmente, los efectos del desgaste no

ocasionan fallas violentas, pero generan consecuencias funcionales, tales como:

• Reducción de la eficiencia.

• Mayor consumo de energía.

• Pérdidas de potencia

• Generación de calor en los componentes debido al aumento de los coeficientes de fricción.

• Incremento del consumo de lubricantes.

• Tiempos muertos en reemplazos de componentes desgastados.

Al considerar las pérdidas de eficiencia y el aumento en el consumo de energía, así

como el tiempo perdido en reemplazo de piezas, se puede determinar el impacto

económico que se genera. Por tal motivo, la industria se ha inclinado hacia el estudio de

los fenómenos tribológicos, buscando resultados que logren dar solución a los

problemas de desgaste y a la vez puedan ser aplicados en el campo productivo.

En la industria los elementos rodantes o baleros, son los elementos más usados, y su

desgaste puede ser controlado, con un medio ambiente, uso y mantenimiento

adecuados. El principal mecanismo que se genera en ellos es la fatiga, como lo muestra

la pista del balero de la figura 1.18(a). Asimismo, se presenta la adhesión, ver figura

1.18b) y abrasión ver figura 1.18c), donde las partículas se mantienen atrapadas entre

las superficies respectivas, ya sea debido al mal sellado o bien por encontrarse en un

(42)

TRIBOLOGÍA

a) b) c)

Figura 1.18 Diferentes mecanismos de desgaste en baleros. a) Pista desgastada por fatiga; b) Pista desgastada por adhesión; c) Bola desgastada por abrasión.

Otro de los componentes más empleados son los engranes, cuyo diseño es demasiado

complejo, debido a que contemplan aspectos de geometría, materiales, tratamientos

térmicos, métodos de manufactura y lubricación. Debe considerarse que un buen

diseño, generalmente, contribuye a una mejor resistencia al desgaste. [2]

La tribología en la industria automotriz, no sólo busca reducir el desgaste en sus

sistemas de producción, sino determinar las características tribológicas de sus

productos; con la finalidad de determinar el tiempo en que éstos deben ser

reemplazados. Por ello, la venta de “refacciones” desempeña un papel económico muy

sustentable para este tipo de industria; obteniéndose enormes beneficios económicos

solamente por los estudios tribológicos previamente realizados y adecuadamente

aplicados.

Los motores de combustión interna, son la parte más importante para esta industria,

siendo los más afectadas por los daños por abrasión, dado que el tribosistema

respectivo resulta ser muy agresivo, debido a los residuos sólidos del lubricante y

contaminantes como son el polvo, además, de encontrarse en un medio hostil a

elevadas temperaturas, así como los inadecuados programas de mantenimiento en

filtros de aceite y aire. En la figura 1.19, se ilustran los resultados del desgaste abrasivo

(43)

TRIBOLOGÍA

a) b) c)

Figura 1.19 Diferentes componentes de motores de combustión desgastados. a) Camiseta desgastada por abrasión; b) muñón rayado por abrasión; c) metal de biela rayado por abrasión.

No sólo los motores de combustión interna son motivo de estudio, por ejemplo las

balatas requieren de un adecuado estudio tribológico, dado los altos coeficientes de

fricción que existen entre estas y el disco que gira, además de tener bajas tasas de

desgaste ante las elevadas temperaturas que producen por el rozamiento. Como se

observa en la figura 1.20, el disco sufre de desgaste debido a delaminación, motivo de

las altas temperaturas, además de la presencia de surcos ocasionados por las

partículas desprendidas, así como de agentes contaminantes.

(44)

TRIBOLOGÍA

En la industria del formado de materiales, el desgaste en herramientas de corte es

elevado debido a las fuerzas aplicadas y al desplazamiento rápido sobre la superficie

del material, lo que genera un incremento de temperatura, acelerándose los procesos

químicos y físicos que afectan a dicho fenómeno. Cuando la herramienta entra en

contacto con la superficie a cortar, las asperezas de las superficies generan un área de

contacto pequeña, donde los esfuerzos y la temperatura son intensificados en la

aspereza e inicia la parcial remoción debido a la fractura o fusión de la aspereza. Con lo

que se varía la rugosidad, incrementándose a la vez el área de contacto mecánico de

dichos elementos. Posteriormente se continúan presentando fenómenos de fractura y

fusión, además de la abrasión ocasionada en ambas superficies, o sea, el desgaste

más significativo en la herramienta. El control de la temperatura es determinante en el

tiempo de vida de la misma, dado que incrementa significativamente el desgaste. En la

figura 1.21, se ejemplifica el desgaste por fatiga de una herramienta de corte, utilizada

sobre aluminio.

(45)

TRIBOLOGÍA

1.7 La industria marítima naval

La misión principal de las embarcaciones navales es salvaguardar las leyes marítimas

nacionales e internacionales. Actualmente, la armada de México cuenta con diversos

tipos y tamaños de embarcaciones, de baja y alta velocidad, algunas de ellas son

mostradas en la figura 2.22.

a) b)

c) d)

Figura 2.22, Embarcaciones de la flota naval de la Armada de México, a) Buque tipo patrulla oceánica; b) Interceptora de alta velocidad, c) Buque logístico de desembarco anfibio; d) Buque tipo auxiliar remolcador. (Cortesía de la Dirección General de

Construcciones Navales)

Con ellas se llevan a cabo diversas tareas como son:

• Intercepción de narcotráfico y contrabando de armas e indocumentados

• Protección de recursos pesqueros

• Protección de instalaciones mar a dentro

• Protección de las vidas marítimas

Gran parte de la flota naval mexicana esta compuesta por embarcaciones de

construcción extranjera que se han adquirido a lo largo de estos años, sumado a esto,

(46)

TRIBOLOGÍA

Constricciones Navales, ha construido desde 1960 un número considerable de

remolcadores, buques e interceptoras para ser empleados en las fuerzas armadas. La

figura 1.23, muestra el cronograma de la Construcción naval en la Secretaria de Marina.

Fig. 2.23, Cronograma de la construcción naval en la Secretaria de Marina Armada de México (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

(47)

TRIBOLOGÍA

1.7.1 Desgaste en embarcaciones navales

La construcción y mantenimiento de las embarcaciones navales se lleva a cabo en los

astilleros y centros de reparación de marina, los cuales se encuentran localizados a lo

largo de toda la republica como lo muestra la figura 2.24.

Figura 2.24, Localización de los astilleros y centros de reparación naval. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

Para llevar a cabo la construcción del casco y estructuras de las embarcaciones

navales, principalmente se emplea acero estructural ASTM A-36 y aluminio 6061-T6, la

(48)

TRIBOLOGÍA

a)

b) c)

Figura 2.25, Esquema y construcción de embarcaciones a) Partes y divisiones principales. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales): b) Cubiertas y casco; c) Cuadernas y mamparos. (Ship desing and construction. 1980)

Generalmente para embarcaciones superiores de 30 metros de longitud, el Acero A-36

es el material principal con el que se construye el casco, mamparos, longitudinales,

transversales, cubierta principal y demás cubiertas que se encuentren por debajo de

ésta. El acero ofrece estructuras con adecuada ductilidad y resistencia para soportar

impactos, evitando deformaciones y fracturas, para asegurar la integridad física de la

tripulación y operatividad de la embarcación.

El aluminio 6061-T6, es empleado en la fabricación de la superestructura de estas

embarcación, para así disminuir el peso en la parte superior de la embarcación, y

obtener una mejor estabilidad en la misma.

En embarcaciones de grandes dimensiones, ya sean navales, mercantiles de transporte

o turisticas, es poco probable que se genere desgaste erosivo o abrasivo severo

“gouguing”, debido a que navegan en aguas profundas donde el único contacto que se

(49)

TRIBOLOGÍA

frecuente, aún contando con programas de mantenimiento adecuados y completos; esto

debido a que el medio ambiente, o mejor dicho, el sistema tribológico es propicio para

ello.

Cuando dichas embarcaciones, entran en aguas poco profundas, debido a un mal

cálculo en la ruta o por marea baja, pueden quedar varadas en el momento en que la

quilla o parte del costado del casco toquen el fondo donde hay arena o algún arrecife.

[23]

a) b) c)

Fig. 2.26, Dibujo esquemático de una embarcación varada en un arrecife. a) Contacto en un costado, b) Contacto en la quilla, c) Vista frontal del varado con contacto en quilla. (Felix Arruti, 1968)

El acero entra en contacto directo con agentes abrasivos, que rayan su superficie. Este

proceso de desgaste se debe en gran parte a la fuerza que el peso del barco ejerce en

ellos y al movimiento continuo que el oleaje transmite a la embarcación.

No se cuenta con casos documentados de barcos navales que hayan sido varados,

pero la figura 2.27, muestra un barco turístico que se encontró en esta situación en las

costas de Quintanarro,

(50)

TRIBOLOGÍA

b)

Figura 2.27, Barco turistico varado en las costas de Quintanarro; a) Vista aerea: b) fondo del barco en contacto con el arrecife. (Cortesía de la Dirección General de Construcciones Navales)

Las embarcaciones con longitudes inferiores a los 30 metros, podrían ser fabricadas

igualmente con acero A-36, pero para disminuir el peso y aumentar la velocidad, son

construidas en su totalidad con aluminio 6061-T6, esto debido a que generalmente se

emplean para intercepción de objetivos con velocidades iguales o superiores a los 50

nudos (92.6 Km/h).

Al igual que las embarcaciones de gran tamaño, estas también pueden ser varadas por

accidente, pero para cumplir con la misión que desempeñan, ejecutan esta acción

constantemente a altas velocidades en las orillas de ríos o costas marinas;

presentándose en estos casos un tribosistema menos severo que con los barcos mas

grandes pero sin dejar de estar presente el desgaste. En la figura 2.28 se exhibe una

patrulla interceptora varada en las orillas de un río.

a) b)

(51)

TRIBOLOGÍA

CAPÍTULO II

2. ABRASIÓN

2.1 Desgaste abrasivo

El desgaste abrasivo es considerado por la ASTM como la pérdida de masa o rayado

de un material debido a partículas o protuberancias duras que son forzadas y movidas a

lo largo de una superficie de un sólido más blando [9]. Las partículas abrasivas pueden

ser las asperezas que presenta la superficie o bien el producto del desgaste de las

mismas; que tienden a cortar y/o arrancar material de la superficie, generando virutas

y/o causando deformación plástica severa (superficial y subsuperficial) [10, 11, 12, 13].

Otro mecanismo del desgaste abrasivo es la erosión y se produce cuando las partículas

sólidas impactan las superficies.

El fenómeno de abrasión se presenta cuando dos superficies están en contacto y

movimiento relativo, donde una de ellas resulta más dañada que la otra, esto se debe

principalmente a las propiedades del material y a las condiciones superficiales; pero

además, también depende de la velocidad de contacto, medio ambiente, tipo de carga

así como la presencia y naturaleza del abrasivo utilizado. [9,12]

2.2 Clasificación del desgaste abrasivo

De acuerdo al tipo de contacto entre las superficies, el desgaste abrasivo se puede

clasificar como abrasión de dos o tres cuerpos y erosión. Como lo muestra la figura 2.1.

a) b) c)

(52)

TRIBOLOGÍA

El desgaste abrasivo de dos cuerpos se produce cuando únicamente interactúan las

asperezas de las superficies en contacto. Las superficies son presionadas entre si y al

mismo tiempo se genera un movimiento relativo entre ambas, como resultado de esto,

el material más duro ocasiona daños sobre el más suave, ya sea deformación o

desprendimiento de material por rayado. Cuando entre ambas superficies se

encuentren presentes partículas duras, estas se encargan de transmitir las cargas entre

las superficies generando daños; esto se conoce como un desgaste abrasivo de tres

cuerpos, ocasionando daño superficial o desprendimiento de material en áreas

localizadas sin deberse únicamente al rayado, ya que en éste tipo de desgaste la

presión entre ambas superficies es lo que más influye. El desgaste erosivo se produce

al impactar partículas duras, líquidos o una mezcla de estos, sobre una superficie

sólida, generando un desprendimiento de material, donde los ángulos de incidencia

entre 15° a 30°, muestran una mayor tasa de desgaste para materiales dúctiles.

Generalmente el daño en la superficie con este tipo de desgaste es producido por el

rayado o desprendimiento del material, como se observa en las figuras 2.2 y 2.3. La

superficie del material antes y después del desgaste ya no se considera la misma,

razón por la cual se debe determinar el cambio de forma y la pérdida de volumen para

estar en condiciones de realizar medición del desgaste.

(a) (b)