Los valores de los coeficientes de fricción de los ensayos bloque-sobre-anillo en general mostraron patrones similares. En la Fig. 5.17 se presenta un conjunto típico de resultados para un ciclo de carga de un ensayo bloque sobre anillo. Como puede verse en este gráfico, tanto la carga normal, la fuerza de fricción y el coeficiente de fricción están representados gráficamente en función del tiempo. Se observó que los valores obtenidos del coeficiente de fricción están en concordancia con los publicados por Stewart et al. [23] y Le el al. [5], utilizando un ensayo de fricción del tipo cilindros cruzados, para el rango de presiones de contacto evaluadas en esta tesis.
Además, se observó una marcada disminución en el valor del COF con la finalización de los giros completos del anillo a los 5,2 s y 10,4 s (ver Fig. 5.17). Esta condición está en buen acuerdo con el proceso de asentamiento (en inglés, running- in), donde la fricción disminuye cuando se bruñen las asperezas superficiales.
Dado que la rugosidad superficial cambia rápidamente, especialmente al comienzo del ensayo, se evaluó la influencia de la rugosidad superficial en la fricción comparando el COF promedio de los dos primeros segundos del ensayo en función de la rugosidad inicial del anillo (Fig. 5.18). A partir de este análisis se observó un aumento del COF con la disminución de la rugosidad.
Fig. 5.17. Gráfico del comportamiento de la carga normal, la fuerza de fricción y el coeficiente
de fricción con el tiempo durante un ciclo de carga.
Fig. 5.18. COF promedio de los primeros 2 segundos de ensayo en función de la rugosidad
inicial.
Como se mencionó anteriormente, el mayor nivel de fricción existente en los ensayos con menor rugosidad produjo mayor grado de deformación plástica, y por
consiguiente el incremento de la severidad de los mecanismos de desgaste. Estos resultados sugieren que el aumento del COF es promovido por el crecimiento del área real de contacto, como consecuencia de la disminución de la rugosidad. Es decir, con superficies lisas, la fricción tiende a ser alta, debido al aumento del área real de contacto [24]. Por otra parte, la mayor fricción también está influenciada por la incapacidad de retención de lubricante de las superficies menos rugosas, provocando el contacto metal-metal e incrementando el coeficiente de fricción, y consecuentemente también el desgaste.
La evolución en el tiempo del comportamiento a la fricción en el primer ciclo de carga de los ensayos con mayor y menor rugosidad se ilustra en la Fig. 5.19. La comparación de estas curvas permite identificar una reducción en el valor del COF de aproximadamente 40 % al aumentar la rugosidad superficial en Ra de 1,43 µm a 2,96
µm.
Fig. 5.19. Variación del COF con el tiempo en el ciclo de carga inicial para los ensayos con la
mayor y menor rugosidad dentro del rango estudiado.
Otros autores [2,25] observaron una tendencia similar y señalaron que en condiciones no lubricadas, el mecanismo de desgaste predominante es abrasión y el COF se reduce al incrementar la rugosidad.
Por otra parte, los resultados de fricción obtenidos en el presente estudio difieren de los encontrados por Carper et al. [3] mediante el ensayo rotativo de pin-on-box
utilizando como lubricante la grasa API modificada. Ellos observaron pequeñas diferencias en el valor del COF al cambiar el valor de rugosidad en Ra de 0,37 µm a 1,5 µm y utilizando pines de contacto cónico; bajo estas condiciones mostraron que el coeficiente de fricción de los ensayos con menor rugosidad resultó ~15 % inferior a los ensayos con especímenes más rugosos. Además, Carper et al. [4] con el mismo tipo de ensayo informó un incremento en el valor del COF de ~30 % mediante el uso de pines de contacto toroidal, cuando la rugosidad Ra cambio de 0,5 µm a 1,5 µm. Las discrepancias entre el trabajo de Carper et al. con los resultados presentados en esta tesis, podrían explicarse por las diferencias en el diseño geométrico entre ensayos y la posible incidencia de la lubricación hidrodinámica en los ensayos de Carper y colaboradores.
También, se observó una diferencia en el comportamiento del COF entre los ciclos de carga y descarga, donde el COF fue constante y ligeramente inferior en los ciclos de descarga (ver Fig. 5.20). Esta diferencia en el COF contribuye a la explicación de la direccionalidad del flujo plástico, orientado en la dirección de deslizamiento durante el ciclo de carga y mostrado en las Fig. 5.9 y Fig. 5.10. Este comportamiento está en concordancia con Johnson [17] y Kapoor [18], quienes concluyeron que la mayor fricción aumenta la deformación subsuperficial y las deformaciones plásticas por ciclo, produciendo una mayor velocidad de desgaste.
Fig. 5.20 Comparación del COF entre los ciclos de carga y descarga de una prueba efectuada
En resumen, el mayor nivel de fricción observado en los ensayos con anillos de baja rugosidad, es causado por dos factores. Por un lado la insuficiente capacidad de retención de lubricante y aditivos por parte de superficie y por otra parte la elevada presión hidrostática subsuperficial, promovida por las tensiones de contacto, que provocaron un mayor grado de deformación plástica en la zona afectada por el desgaste en el bloque. Esto resultó en un incremento de formación de cavidades y acumulación de daño subsuperficial, lo cual finalmente produjo mayor desgaste por delaminación y fatiga de bajo ciclo.