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Otro fenómeno importante que provoca la degradación de los materiales es el desgaste. Este fenómeno se produce cuando dos superficies se encuentran en contacto en movimiento relativo. La ciencia que estudia los procesos de fricción y desgaste de los materiales es la tribología y es a partir de mediados de la década de los sesenta cuando se reconoce su importancia.

El desgaste es un fenómeno multi-disciplinar que depende de un gran número de variables, y que puede ocurrir por mecanismos diferentes. De ahí que la clasificación del desgaste sea todavía compleja. En la tabla II se recogen algunas de las clasificaciones establecidas por Lancaster en 1990 [65] de acuerdo a: los tipos de

desgaste, movimiento, geometría del contacto, mecanismo, carga aplicada, lubricación y/o material.

Tabla II. Clasificación de los tipos de desgaste.

Base de la clasificación Tipos de desgaste

1. General Adhesivo Corrosivo

Abrasivo Fatiga

2. Movimiento Deslizamiento Impacto

Recíproco

3. Geometría Bola sobre disco Bola sobre anillo

Cilindro sobre cilindro

4. Mecanismo

Delaminación Adhesión

Oxidación Deformación plástica Erosión

5. Carga aplicada Carga baja Carga elevada

6. Lubricación Lubricado No lubricado

7. Material Metal Cerámico

Polímero Compuesto

De forma general, el desgaste se define como la pérdida de material que se produce en la región más superficial de un sólido, como consecuencia del movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto bajo una determinada carga [63]. Dependiendo de cómo sea la configuración del contacto se pueden distinguir diferentes procesos de desgaste: por deslizamiento, rodamiento e impacto de partículas, figura 15.

El desgaste por deslizamiento ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre la otra. Si además estas superficies se deslizan al aire, el desgaste se denomina desgaste por deslizamiento en seco, aunque con frecuencia, la atmósfera que rodea a las superficies en contacto contiene un grado de humedad apreciable. Por el contrario, si entre las superficies existe lubricación, se reduce el coeficiente de fricción disminuyendo la degradación de las superficies respecto de la situación en seco, pero no supone la desaparición completa del desgaste.

El impacto de partículas sobre una superficie en un ambiente agresivo también puede provocar una degradación del material de tipo erosivo. Un ejemplo de procesos de erosión – corrosión es el que puede ocurrir en tuberías, válvulas, bombas, etc. En estos casos, la acción combinada del flujo de un medio agresivo (agua, gas, petróleo, etc.) con partículas en suspensión, puede causar daños mecánicos por impacto con la superficie, y provocar un fallo catastrófico del material.

Deslizamiento

Impacto de partículas

Rodamiento

En condiciones de rodamiento también se producen fenómenos de desgaste, como los que tienen lugar en rodamientos, cojinetes de bolas. En estas situaciones aun operando en condiciones lubricadas para prevenir los efectos de la corrosión y el desgaste, se pueden causar fenómenos de tribocorrosión debido a la contaminación del aceite con agua, lo que produce un aumento de la agresividad del medio.

Figura 15. Configuraciones de contacto en procesos de desgaste.

Para evaluar la resistencia al desgaste se emplean diferentes tipos de ensayos que se clasifican en función de la geometría de contacto empleada: disco sobre disco, punzón sobre disco, bola sobre disco, etc., figura 16; pero también, en función del movimiento relativo entre las dos superficies: deslizamiento, rodamiento, impacto/erosión; y finalmente también pueden clasificarse en función del movimiento: unidireccional o bidireccional [66, 67].

Un caso particular del movimiento bidireccional es el fretting, el cual conlleva la degradación de las propiedades del material debido a un movimiento bidireccional de muy pequeña amplitud, que suele producirse como resultado de la existencia de vibraciones [68].

Figura 16. Ensayos de desgaste por deslizamiento en función de la geometría de contacto.

El tipo de desgaste que se produce depende de los materiales en contacto y de las condiciones de deslizamiento, originando distintos mecanismos de degradación que se clasifican en desgaste por: abrasión, adhesión, erosión, fatiga, oxidación y tribocorrosión [62, 66, 67, 69].

El desgaste abrasivo se define como la eliminación o desplazamiento de material de una superficie por la acción de partículas duras atrapadas entre las superficies deslizantes. Existen dos tipos de abrasión [70]: abrasión por desgaste de dos cuerpos, cuando las protuberancias duras de una superficie son deslizadas contra la otra; y abrasión por desgaste de tres cuerpos, cuando las partículas tienen posibilidad de deslizarse o girar entre las dos superficies de contacto, figura 17.

De forma general, la resistencia a la abrasión aumenta con la dureza del material. Sin embargo, otros factores como la microestructura del material, juegan también un papel importante dado que influyen en la deformación que sufren los materiales en contacto. Por ejemplo, las cerámicas son materiales muy duros, pero frágiles de manera que las partículas desprendidas durante su rotura pueden aumentar el desgaste, ya que, al quedar atrapadas, actúan como un tercer cuerpo, ejerciendo un efecto abrasivo, aumentando la severidad del desgaste. Por tanto, para mejorar la resistencia al desgaste de un material no basta solo con aumentar su dureza, sino que también es necesario mejorar su tenacidad a la fractura.

Bloque contra anillo Bola sobre disco

Bola sobre anillo

Bola sobre placa

A) B)

Figura 17. Tipos de abrasión: a) abrasión de dos cuerpos; b) abrasión de tres cuerpos.

El desgaste adhesivo fue descrito por primera vez por J, T. Burwell y C.D. Strang [71] como la transferencia de material de una superficie a otra como consecuencia del deslizamiento bajo una carga aplicada. La presión entre las protuberancias de los dos materiales en contacto puede ser lo suficientemente elevada como para provocar una deformación plástica y una soldadura en frío [72, 73]. En este tipo de desgaste las superficies que se encuentran en contacto se adhieren fuertemente formando auténticas uniones entre ellas dependiendo de la carga aplicada, la velocidad de deslizamiento y la temperatura, figura 18.

Figura 18. Esquema de desgaste adhesivo.

El desgaste erosivo se define como la pérdida de material de la superficie debido al impacto de partículas sólidas o líquidas a alta velocidad [62, 66, 67]. En la figura 19 se recogen algunas situaciones en las que se producen los fenómenos de desgaste por erosión [62]. En el desgaste erosivo un parámetro fundamental que determina la severidad del desgaste es la densidad de las partículas. Cuanto mayor es la densidad de las partículas, mayor será la erosión o deformación producida por los impactos de las mismas, ya que, a mayor masa, mayor será la energía del impacto. Análogamente, a igual velocidad y densidad de las partículas, el mayor tamaño de las mismas producirá un desgaste erosivo mayor. En este sentido, el impacto de líquidos influye de forma notable en la aceleración del desgaste, puesto que la velocidad de impacto del líquido suele ser una función exponencial de la velocidad de desgaste [74].

Pared de la tubería

Grandes partículas rodantes

Perfil de velocidades Impacto de líquidos

A) B) C)

Figura 19. Desgaste por erosión: a) partículas a altas velocidades; b) conducción de rocas en tuberías; c) impacto de líquidos.

El desgaste por fatiga es el resultado de esfuerzos cíclicos entre las asperezas de dos superficies en contacto [62, 66, 67, 75]. Este proceso de desgaste es el resultado de la acumulación de daños o defectos en la estructura cristalina, como el aumento de dislocaciones debido a las tensiones introducidas. Este apilamiento de dislocaciones origina la formación de grietas superficiales y sub-superficiales que acaban coalesciendo, figura 20. Este tipo de desgaste suele ocurrir en engranajes o cojinetes, donde los esfuerzos cortantes máximos que actúan sub-superficialmente, originan una grieta que en sucesivas deformaciones plásticas crece por fatiga, hasta alcanzar la superficie del elemento, y finalmente originar el fallo.

Figura 20. Desgaste por fatiga. Esquema de la formación de grietas superficiales y sub-superficiales.

Finalmente, el desgaste oxidativo se produce cuando hay un deslizamiento relativo de superficies metálicas, sin lubricación y en presencia de aire u oxígeno. El calor que se genera como resultado de la fricción en la zona de contacto provoca la oxidación, figura 21. En este tipo de desgaste la temperatura y la velocidad son dos parámetros importantes que determinan la velocidad de formación del óxido. Para el caso de aleaciones de base Fe, la temperatura y la velocidad pueden favorecer la formación de un tipo óxido u otro. A velocidades y temperaturas bajas se forma α-Fe2O3, mientras

Oxidación durante el calentamiento

que a velocidades y temperaturas medias se formará Fe3O4 y a altas velocidades y/o temperaturas predomina la formación de FeO [62, 66, 67].

En el desgaste oxidativo se pueden distinguir tres etapas: difusión del oxígeno hacia la superficie metálica; engrosamiento de la capa de óxido; y, por último, la ruptura del óxido durante el deslizamiento. Esta última etapa depende de la adherencia del óxido y de las tensiones generadas durante el deslizamiento [62, 66, 67].

Figura 21. Desgaste oxidativo. Esquema del crecimiento de óxido superficial.

La pérdida de volumen de material debida a la oxidación viene dada por la ecuación de Archard [76]. T Vc T W K V _oxidación oxidación desgaste_    3 [Ecuación 1]

Donde K oxidación es el coeficiente de desgaste químico que es directamente proporcional al volumen desgastado; W es la carga aplicada, σ es la tensión normal aplicada, Vc es la velocidad de desplazamiento y ∆T es el incremento de temperaturas. Cuanto mayor es la velocidad de reacción de oxidación, mayor es la K oxidación, y con ello, mayor velocidad de desgaste.

Los principales mecanismos de desgaste que se han descrito en aleaciones de base níquel son: el desgaste adhesivo, abrasivo y oxidativo [17, 37, 77-80].

El desgaste adhesivo se ha observado en procesos de moldeo de plásticos, donde hay presencia del contracuerpo empleado en los bordes de las huellas del molde fabricado en una aleación de níquel. No obstante, en determinadas situaciones, los mecanismos de desgaste suelen ser bastante complejos, dado que tras la transferencia del metal al contracuerpo, aparece también el desate abrasivo [81-83].