El desgaste por fricción es una forma de desgaste causada por la adhesión entre superficies deslizantes. Cuando un material se desgasta, parte de él se tira con la superficie de contacto, especialmente si hay una gran cantidad de fuerza que comprime las superficies entre sí. [1] El desgaste por fricción es causado por una combinación de fricción y adhesión entre las superficies, seguida de deslizamiento y desgarro de la estructura cristalina debajo de la superficie. [2] Esto generalmente dejará algo de material pegado o incluso soldado por fricción a la superficie adyacente, mientras que el material desgastado puede aparecer agujereado con grumos de material hechos bolas o desgarrados pegados a su superficie.
El desgaste por agarrotamiento se encuentra con mayor frecuencia en superficies metálicas que están en contacto deslizante entre sí. Es especialmente común cuando hay una lubricación inadecuada entre las superficies. Sin embargo, ciertos metales generalmente serán más propensos al desgaste por agarrotamiento, debido a la estructura atómica de sus cristales. Por ejemplo, el aluminio es un metal que se desgasta muy fácilmente, mientras que el acero recocido (ablandado) es ligeramente más resistente al desgaste por agarrotamiento. El acero que está completamente endurecido es muy resistente al desgaste por agarrotamiento.
El desgaste por rozamiento es un problema común en la mayoría de las aplicaciones en las que los metales se deslizan en contacto con otros metales. Esto puede ocurrir independientemente de si los metales son iguales o diferentes. Las aleaciones como el latón y el bronce se eligen a menudo para cojinetes , bujes y otras aplicaciones deslizantes debido a su resistencia al desgaste por rozamiento, así como a otras formas de abrasión mecánica .
El agarrotamiento es un desgaste adhesivo que se produce por la transferencia microscópica de material entre superficies metálicas durante el movimiento transversal (deslizamiento). Ocurre con frecuencia cuando las superficies metálicas están en contacto, deslizándose unas contra otras, especialmente con una lubricación deficiente. A menudo ocurre en aplicaciones de alta carga y baja velocidad, aunque también puede ocurrir en aplicaciones de alta velocidad con muy poca carga. El agarrotamiento es un problema común en el conformado de chapa metálica , cojinetes y pistones en motores , cilindros hidráulicos , motores neumáticos y muchas otras operaciones industriales. El agarrotamiento se diferencia del rayado o raspado en que implica la transferencia visible de material a medida que se tira adhesivamente ( descascarillado mecánicamente ) de una superficie, dejándolo pegado a la otra en forma de un bulto elevado (agalla). A diferencia de otras formas de desgaste, el agarrotamiento no suele ser un proceso gradual, sino que ocurre rápidamente y se propaga rápidamente a medida que los bultos elevados inducen más agarrotamiento. A menudo puede ocurrir en tornillos y pernos, lo que hace que las roscas se atasquen y se desgarren del sujetador o del orificio. En casos extremos, el perno puede atascarse sin desgastar las roscas, lo que puede provocar la rotura del elemento de fijación, de la herramienta o de ambos. Los insertos roscados de acero endurecido se utilizan a menudo en metales como el aluminio o el acero inoxidable que se desgastan fácilmente. [3]
El agarrotamiento requiere dos propiedades comunes a la mayoría de los metales: la cohesión a través de atracciones de enlaces metálicos y la plasticidad (la capacidad de deformarse sin romperse). La tendencia de un material al agarrotamiento se ve afectada por la ductilidad del material. Normalmente, los materiales endurecidos son más resistentes al agarrotamiento, mientras que los materiales más blandos del mismo tipo se agarrotan más fácilmente. La propensión de un material al agarrotamiento también se ve afectada por la disposición específica de los átomos, porque los cristales dispuestos en una red cúbica centrada en las caras (FCC) normalmente permitirán la transferencia de material en mayor grado que una cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Esto se debe a que una cúbica centrada en las caras tiene una mayor tendencia a producir dislocaciones en la red cristalina, que son defectos que permiten que la red se desplace o se "deslice transversalmente", lo que hace que el metal sea más propenso al agarrotamiento. Sin embargo, si el metal tiene un gran número de fallas de apilamiento (una diferencia en la secuencia de apilamiento entre planos atómicos), será menos propenso a deslizarse transversalmente en las dislocaciones. Por lo tanto, la resistencia de un material al agarrotamiento está determinada principalmente por su energía de falla de apilamiento . Un material con alta energía de falla de apilamiento, como el aluminio o el titanio , será mucho más susceptible al agarrotamiento que los materiales con baja energía de falla de apilamiento, como el cobre , el bronce o el oro . Por el contrario, los materiales con una estructura hexagonal compacta (HCP) y una alta relación c/a , como las aleaciones a base de cobalto , son extremadamente resistentes al agarrotamiento. [4]
El agarrotamiento ocurre inicialmente con la transferencia de material de granos individuales a escala microscópica, que se pegan o incluso se sueldan por difusión a la superficie adyacente. Esta transferencia se puede mejorar si uno o ambos metales forman una capa delgada de óxidos duros con altos coeficientes de fricción , como los que se encuentran en el aluminio o el acero inoxidable. A medida que el bulto crece, empuja contra el material adyacente, lo que los separa y concentra la mayor parte de la energía térmica de fricción en un área muy pequeña. Esto, a su vez, provoca más adhesión y acumulación de material. El calor localizado aumenta la plasticidad de la superficie agarrotada, deformando el metal hasta que el bulto atraviesa la superficie y comienza a arar grandes cantidades de material de la superficie agarrotada. Los métodos para prevenir el agarrotamiento incluyen el uso de lubricantes como grasa y aceite , recubrimientos de baja fricción y depósitos de película delgada como disulfuro de molibdeno o nitruro de titanio , y el aumento de la dureza de la superficie de los metales mediante procesos como el endurecimiento superficial y el endurecimiento por inducción .
En la ciencia de la ingeniería y otros aspectos técnicos, el término "agallas" está muy extendido. La influencia de la aceleración en la zona de contacto entre materiales se ha descrito matemáticamente y se ha correlacionado con el mecanismo de fricción que se muestra en las pistas durante las observaciones empíricas del fenómeno de la agalla. Debido a problemas con definiciones y métodos de prueba incompatibles anteriores, mejores medios de medición en coordinación con una mayor comprensión de los mecanismos de fricción involucrados han llevado al intento de estandarizar o redefinir el término "agallas" para permitir un uso más generalizado. ASTM International ha formulado y establecido una definición común para el aspecto técnico del fenómeno de la agalla en la norma ASTM G40: "La agalla es una forma de daño superficial que surge entre sólidos deslizantes, que se distingue por una rugosidad microscópica, generalmente localizada, y la creación de protuberancias (por ejemplo, grumos) sobre la superficie original". [5]
Cuando dos superficies metálicas se presionan una contra la otra, la interacción inicial y los puntos de contacto son las asperezas , o puntos altos, que se encuentran en cada superficie. Una aspereza puede penetrar la superficie opuesta si hay un contacto convergente y un movimiento relativo. El contacto entre las superficies inicia la fricción o deformación plástica e induce presión y energía en un área pequeña llamada zona de contacto.
El aumento de la presión aumenta la densidad de energía y el nivel de calor dentro del área deformada. Esto genera una mayor adhesión entre las superficies, lo que inicia la transferencia de material, la acumulación de excoriación, el crecimiento de grumos y la creación de protuberancias sobre la superficie original.
Si el bulto (o la protuberancia del material transferido a una superficie) crece hasta una altura de varios micrómetros , puede penetrar la capa de óxido de la superficie opuesta y causar daño al material subyacente. El daño en el material a granel es un prerrequisito para el flujo plástico que se encuentra en el volumen deformado que rodea el bulto. La geometría y la velocidad del bulto definen cómo se transportará, acelerará y desacelerará el material que fluye alrededor del bulto. Este flujo de material es crítico para definir la presión de contacto, la densidad de energía y la temperatura desarrollada durante el deslizamiento. La función matemática que describe la aceleración y desaceleración del material que fluye se define por las restricciones geométricas, deducidas o dadas por el contorno de la superficie del bulto.
Si se cumplen las condiciones adecuadas, como las limitaciones geométricas del bloque, una acumulación de energía puede provocar un cambio claro en el comportamiento plástico y de contacto del material, aumentando la fuerza de fricción necesaria para la adhesión y un mayor movimiento.
En la fricción por deslizamiento, el aumento de la tensión de compresión es proporcionalmente igual a un aumento de la energía potencial y la temperatura dentro de la zona de contacto. La acumulación de energía durante el deslizamiento puede reducir la pérdida de energía de la zona de contacto debido a una pequeña área de superficie en el límite de la superficie, por lo tanto, una baja conductividad térmica. Otra razón es la energía que se fuerza continuamente hacia los metales, que es un producto de la aceleración y la presión. En cooperación, estos mecanismos permiten una acumulación constante de energía, lo que provoca un aumento de la densidad de energía y la temperatura en la zona de contacto durante el deslizamiento.
El proceso y el contacto se pueden comparar con la soldadura en frío o la soldadura por fricción porque la soldadura en frío no es verdaderamente fría y los puntos de fusión exhiben un aumento en la temperatura y la densidad de energía derivada de la presión aplicada y la deformación plástica en la zona de contacto.
El agarrotamiento se produce a menudo entre superficies metálicas en las que se ha producido un contacto directo y un movimiento relativo. El conformado de chapas metálicas , la fabricación de roscas y otras operaciones industriales pueden incluir piezas móviles o superficies de contacto hechas de acero inoxidable, aluminio, titanio y otros metales cuyo desarrollo natural de una capa externa de óxido a través de la pasivación aumenta su resistencia a la corrosión, pero los vuelve especialmente susceptibles al agarrotamiento. [6]
En el trabajo de metales que implica corte (principalmente torneado y fresado), el término "excoriación" se utiliza a menudo para describir un fenómeno de desgaste que se produce al cortar metal blando. El material de trabajo se transfiere a la herramienta de corte y forma un "bulto". El bulto formado cambia el comportamiento de contacto entre las dos superficies, lo que generalmente aumenta la adhesión y la resistencia a un corte posterior y, debido a las vibraciones creadas, se puede escuchar como un sonido distintivo.
El desgaste por agarrotamiento se produce a menudo con los compuestos de aluminio y es una causa común de rotura de herramientas. El aluminio es un metal dúctil, lo que significa que posee la capacidad de fluir plásticamente con relativa facilidad, lo que presupone una zona plástica relativamente consistente y significativa.
Una alta ductilidad y fluidez del material pueden considerarse un requisito general para la transferencia excesiva de material y el desgaste porque el calentamiento por fricción está estrechamente vinculado a la estructura de las zonas plásticas alrededor de los objetos penetrantes.
La corrosión puede producirse incluso con cargas y velocidades relativamente bajas porque es la densidad de energía real en el sistema la que induce una transición de fase, que a menudo conduce a un aumento en la transferencia de material y una mayor fricción.
En general, dos sistemas de fricción principales afectan el desgaste adhesivo o el desgaste por rozamiento: el contacto con superficies sólidas y el contacto lubricado. En términos de prevención, funcionan de manera diferente y plantean diferentes exigencias a la estructura de la superficie, las aleaciones y la matriz cristalina utilizada en los materiales.
En el contacto de superficies sólidas o en condiciones no lubricadas, el contacto inicial se caracteriza por la interacción entre asperezas y la exhibición de dos tipos diferentes de atracción: energía superficial cohesiva o las moléculas conectan y adhieren las dos superficies entre sí, en particular, incluso si una distancia medible las separa. El contacto directo y la deformación plástica generan otro tipo de atracción a través de la constitución de una zona plástica con material que fluye donde la energía inducida, la presión y la temperatura permiten la unión entre las superficies en una escala mucho mayor que la energía superficial cohesiva.
En los compuestos metálicos y en la conformación de chapas metálicas, las asperezas suelen ser óxidos y la deformación plástica consiste principalmente en fractura frágil , lo que presupone una zona plástica muy pequeña. La acumulación de energía y temperatura es baja debido a la discontinuidad en el mecanismo de fractura. Sin embargo, durante el contacto inicial entre asperezas, los restos de desgaste o fragmentos de las asperezas se adhieren a la superficie opuesta, lo que crea una rugosidad microscópica, generalmente localizada, y la creación de protuberancias (en efecto, grumos) sobre la superficie original. Los restos de desgaste y los grumos transferidos penetran en la capa superficial de óxido opuesta y causan daños al material subyacente, empujándolo hacia adelante. Esto permite una deformación plástica continua, flujo plástico y acumulación de energía y temperatura. La prevención de la transferencia de material adhesivo se logra mediante los siguientes enfoques o enfoques similares:
El contacto lubricado impone otras exigencias a la estructura de la superficie de los materiales involucrados, y la cuestión principal es conservar el espesor de lubricación protectora y evitar la deformación plástica. Esto es importante porque la deformación plástica eleva la temperatura del aceite o fluido lubricante y cambia la viscosidad. Cualquier eventual transferencia de material o creación de protuberancias por encima de la superficie original también reducirá la capacidad de conservar un espesor de lubricación protectora. Un espesor de lubricación protectora adecuado puede ser ayudado o conservado por: