Mecanismos básicos de desgaste

6 de agosto de 2014

Este artículo nos suministra la definición y el concepto básico de los principales modos o mecanismos de desgaste basados en la norma ISO 15243:2004, clasificación de modo de falla de rodamientos. Otros mecanismos de desgaste que ocurren en engranajes, chumaceras, bombas y pistones hidráulicos – que no ocurren en los rodamientos – serán analizados en este artículo.

La norma ISO establece los mecanismos de desgaste en 6 categorías principales y 15 sub-categorías.

  • Fatiga
    • 1.1 Sub-superficie
    • 2.2 Adhesivo
  • Desgaste
    • 2.1 Abrasivo
    • 1.2 Iniciado en la superficie
  • Corrosión
    • 3.1 Humedad
    • 3.2 Fricción
      • 3.2.1 Corrosión por rozamiento
      • 3.2.2 Falso Brinelling
  • Erosión Eléctrica
    • 4.1 Voltaje Excesivo
    • 4.2 Fugas de Corriente
  • Deformación Plástica
    • 5.1 Sobrecarga (Brinelling verdadero)
    • 5.2 Dentado por partículas
    • 5.3 Dentado por manejo inadecuado
  • Fractura
    • 6.1 Fractura Forzada
    • 6.2 Fractura por Fatiga
    • 6.3 Fractura Térmica

La clasificación ISO no contempla el desgaste por Erosión por partículas y la Cavitación

Se puede pensar que los mecanismos de desgaste también pueden ocurrir de dos maneras diferentes, por  contacto y no contacto. El desgaste por contacto requiere que los componentes entren en contacto directo metal-metal para que se genere el desgaste. En el modo de no contacto, no se requiere que las superficies entren en contacto directo para que se desgasten, en otras palabras, existe una película fluida gruesa de lubricante entre las superficies.

Fatiga en Sub-superficie

La Fatiga en Sub-superficie es una forma de desgaste que ocurre después de muchos ciclos de altos esfuerzos de carga flexionando sobre el metal. Esto causa grietas en la sub-superficie del metal, que luego se propagan hacia la superficie resultando en la remoción de un pedazo de metal de la superficie.

Comienza con inclusiones o defectos en el metal del rodamiento debajo de la superficie. Se forman micro-grietas en la sub-superficie debido a la repetición por largo tiempo de cargas y esfuerzos cíclicos (500 000 psi) causando una deformación elástica (flexión) del metal. Esto es típico en los elementos y pistas de los rodamientos, dientes de engranajes, y todo lo que opere en un régimen de lubricación elastohidrodinámica (EHD). El esfuerzo de contacto está concentrado en un punto por debajo de la superficie del metal.

Estas micro-grietas normalmente se propagan hacia la superficie lo que eventualmente resulta en el desprendimiento de material o delaminación. Aparecen como daños a la superficie o desgaste (grandes picaduras) conocidas como desconchado. Otros términos usados para fatiga en la sub-superficie son hojuelas, pelado y picaduras mecánicas. Si existe una película de lubricante gruesa donde no haya contacto metal-metal, la superficie no se desgasta. La fatiga de superficie no es una preocupación común si se utilizan metales de buena calidad en la fabricación de rodamientos. La mayoría fallará primero por otros mecanismos que por fatiga de la sub-superficie.

La falla por fatiga de la sub-superficie es el resultado de un rodamiento operando fuera del alcance de sus condiciones normales basadas en carga, velocidad y espesor de la película lubricante a las cuales está expuesto. El factor de vida por fatiga de un rodamiento L10 es el tiempo promedio (en horas o ciclos) para que falle el 10 por ciento de un juego de rodamientos idénticos bajo ciertas condiciones. Un estimado del L10 puede ser calculado, si se suministra el valor nominal de vida de un rodamiento.

fatiga en sub superficie Mecanismos básicos de desgaste

Fatiga Iniciada en Superficie

Esta comienza con la reducción del régimen de lubricación y una pérdida de la película normal de lubricante. La película de lubricante disminuye de fluida a límite o mixta. Entonces ocurre el contacto el metal-metal o una fricción por deslizamiento. Se genera daño sobre la superficie. Los puntos más elevados de las asperezas en la superficie del metal se eliminan lo que en principio da la apariencia de una superficie mate o esmerilada. Esto no es un desplazamiento, como en adhesión (se analizará más adelante). Este tipo de daño de la superficie es generalmente visible magnificándola de tres a cinco veces.

El daño a la superficie es acompañado con la carga cíclica de los elementos rodantes sobre la pista. Esto crea micro-grietas ásperas y micro-desconchado. Las grietas comienzan en la superficie y migran hacia abajo dentro del metal. Un pestaña de metal es creada en la superficie la cual flexiona en el borde de la superficie de la grieta. Esto crea un borde mecanizado en frío de un color más claro. La grieta se propaga y puede interceptar con el metal, liberando un pedazo de metal de la superficie. Desgaste en hojuelas, picado mecánico y micro-picado son otros nombres usados para describir el desconchado.

La fatiga de la superficie también puede ocurrir como resultado de una deformación plástica (descrita más abajo). Las partículas contaminantes en el aceite entran en el área de contacto rodante de mayor carga entre el rodamiento y la pista, o entre los dientes de los engranajes causando alguna forma de daño a la superficie, como por ejemplo una hendidura. Un manejo inadecuado de los rodamientos puede causar un daño superficial similar.

Estas hendiduras de fondo redondeado a menudo tienen como una especie de pestaña levantada alrededor de sus bordes. Esta pestaña de metal actúa como un punto donde se incrementa la carga y el esfuerzo, o crea un régimen reducido de lubricación (mixta o límite), lo que conduce a una disminución de la vida útil de la superficie por fatiga. Mejoras en el proceso de filtración reducen la deformación plástica, y de ahí que indirectamente reduzcan la ocurrencia de falla por fatiga.

Es de hacer notar que el término “contacto por fatiga” no es usado por ISO. Este es un término vago algunas veces usado para describir ambas formas de fatiga. No especifica si el daño por flexión del metal comienza en la sub-superficie o por algún daño inicial en la superficie. Abarca cualquier cambio en la estructura del metal causada por la repetición de cargas concentradas a escala microscópica en la zona de contacto entre los elementos rodantes y la pista, y entre los dientes de los engranajes.

Desgaste Abrasivo

Se estima que el desgate abrasivo es la forma más común de desgaste en las maquinas lubricadas. La contaminación con partículas y la rugosidad de las superficies causan cortes y daños a dos superficies que están en movimiento relativo una con respecto a la otra.

La Abrasión de Tres Cuerpos ocurre cuando un contaminante relativamente duro (partícula de polvo o de desgaste) y de un tamaño cercano a los claros dinámicos (espesor de la película lubricante) es embebida en una de las superficies y comprimida entre las dos superficies, que se encuentran en movimiento relativo. Cuando el tamaño de la partícula es superior al espesor de la película lubricante, ocurre un arañado, arado o ranurado en la superficie. Esto crea surcos paralelos en la dirección del movimiento, parecido a un lijado. Una abrasión suave con partículas finas puede causar un pulido satinado, con apariencia mate o pulida. Esto se puede evitar con una mejora en filtración, lavado y sello para evitar el ingreso de partículas pequeñas.

La Abrasión de Dos Cuerpos ocurre cuando las asperezas del metal (rugosidad, picos) de una superficie penetran directamente sobre el metal de una segunda superficie. No hay presencia directa de una partícula contaminante. El contacto ocurre en un régimen de lubricación límite debido a una inadecuada lubricación o una excesiva rugosidad de la superficie la cual pudo haber sido causada por alguna otra forma de desgaste. Alta viscosidad del aceite, incremento en la dureza de las superficies y la desmagnetización de los rodamientos después de inducir calentamiento durante su instalación, pueden ayudar a reducir la abrasión de dos cuerpos.

desgaste abrasivo Mecanismos básicos de desgaste

Desgaste Adhesivo

El desgaste adhesivo es la transferencia de metal de una superficie en contacto hacia otra. Ocurre cuando altas cargas, alta temperatura o alta presión hacen que las asperezas de las dos superficies metálicas, en movimiento relativo, entren en contacto, se suelden e inmediatamente se separen, rompiendo el metal en pequeñas y minúsculas secciones.

La superficie puede quedar áspera y dentada o relativamente suave debido al desplazamiento/deformación del metal. El metal es transferido de una superficie a otra. La adhesión ocurre en los regímenes de lubricación mixta o limite debido al poco abastecimiento de aceite, a una viscosidad inadecuada, a unas incorrectas tolerancias internas, a una instalación incorrecta o a desalineación. Esto puede ocurrir en anillos y cilindros, cojinetes y engranajes.

El desgaste durante el periodo inicial de asentamiento es una forma de desgaste suave, como hojuelas. El rayado generalmente se refiere como un desgaste adhesivo moderado, mientras que el raspado, desplazado y agarrotado resultan de una adhesión severa. La adhesión puede ser prevenida disminuyendo las cargas, evitando las cargas de choque y asegurando que se esté utilizando el aceite con el grado de viscosidad correcto. Si es necesario, se pueden utilizar aceites con aditivos extrema presión (EP) y antidesgaste (AD o AW) para reducir el daño a las superficies.

desgaste adhesivo Mecanismos básicos de desgaste

Corrosión

La Corrosión Húmeda comprende la pérdida o remoción de material por una reacción química oxidativa de la superficie del metal en presencia de humedad (agua). Es la disolución de un metal en un líquido eléctricamente conductivo de bajo amperaje y que también puede deberse a un debilitamiento y posterior fractura por hidrógeno. Se acelera, como todas las reacciones químicas, por incrementos en temperatura. No se requiere de un contacto metal-metal para que se genere. Puede ocurrir hasta en presencia una lubricación a película gruesa.

La corrosión es a menudo causada por la contaminación o degradación del aceite en servicio. La mayoría de los lubricantes contienen inhibidores de corrosión para proteger contra este tipo de ataque. Cuando el aditivo en el lubricante comienza a agotarse debido a un servicio prolongado o a una excesiva contaminación con agua, con gases de combustión u otros gases o con fluidos de proceso, el inhibidor de corrosión pierde la capacidad de continuar protegiendo la superficie contra la acidez (o basicidad) corrosiva del fluido, ocurriendo entonces picadura inducida por corrosión. Las picaduras aparecen sobre la superficie del metal que está expuesto a dicho ambiente corrosivo.

Estas pueden estar sobre toda la superficie del metal o justo en la porción más baja del metal que puede haber estado sumergida en agua que no ha sido drenada del depósito de aceite, o en los puntos de contacto de los elementos rodantes y la pista. Leves formas de corrosión por humedad resultan en un manchado o grabado de la superficie. Las formas más severas se definen como picado por corrosión, electro-corrosión, desconchado por corrosión o herrumbre.

La corrosión por fricción es una forma general de desgaste causada por micro-movimientos cargados o vibración entre partes en contacto, sin que la contaminación con agua este presente, a pesar que la presencia de humedad es necesaria. También se conoce como corrosión por rozamiento. Esto incluye tanto la corrosión por rozamiento como la de falsa fractura Brinell (apariencia de desgaste por sobrecargas), la cual en el pasado, fue a menudo considerada como generada por el mismo mecanismo.

Corrosión por Rozamiento es el desgaste mecánico causado por el rozamiento de las asperezas de la superficie acompañado y acelerado por corrosión, principalmente por oxidación con aire húmedo. Ocurre debido a muchos micro-movimientos oscilantes entre las interfaces en contacto de las superficies cargadas y adheridas, en las cuales el lubricante no ha sido repuesto (un contacto no lubricado). Ocurre entonces la adhesión y esta es generalmente considerada más severa que la falsa fractura Brinell. 

Por lo general aparece como un oxido de color marrón (café) rojizo (herrumbre sin la presencia de agua) sobre acero y negro sobre el aluminio. Se generan o desprenden virutas de desgaste en forma de hojuelas.

La corrosión por rozamiento ocurre sobre muchos dispositivos mecánicos tales como dientes de engranajes y acoples estriados (chavetas) y no solo en elementos rodantes, y puede ocurrir sobre superficies diferentes a las de contacto por rodamiento. En rodamientos, está asociada con el ajuste del rodamiento sobre el eje y el alojamiento. Esto ocurre cuando no hay un gran movimiento relativo entre las partes adheridas tal como entre el eje y la pista interior y entre el alojamiento y la pista exterior. La corrosión por rozamiento puede ocurrir sobre los materiales que no se oxidan.

Falso Brinell (falsa sobrecarga) ocurre debido micro-movimientos bajo vibraciones cíclicas en contactos estáticos o rotativos en condiciones de lubricación limítrofe. Ocurre una adhesión ligera de las asperezas del metal. Se generan ligeras depresiones o hendiduras en el lugar donde las marcas originales de mecanizado se han desgastado y que ya no son visibles debido al daño causado por el desgaste del metal. La falsa fractura Brinell (falsa sobrecarga) ocurre en los elementos rodantes y en las pistas, muy parecida a deformaciones plásticas a pequeña escala o brienlling (sobrecargas) (ver abajo) y de ahí provienen el nombre de “falsa fractura Brinell (falsa sobrecarga)”.

La falsa fractura Brinell (falsa sobrecarga) es usualmente asociada con equipos estáticos no rotativos, donde el desgaste aparece en los contactos rodantes con el mismo espaciado exacto de los rodillos. Las hendiduras en el metal pueden aparecer brillantes con virutas negras de desgaste alrededor de los bordes. Si el equipo está rotando, el desgaste aparece de un color gris, en forma ondulada como la de una tabla de lavar en la superficie de la pista. Esto reduce la vida del rodamiento y al final puede ocurrir una falla, que en algunas oportunidades puede resultar catastrófica, mediante la fatiga de la superficie, la cual se ha iniciado en las capas dañadas de dichas superficies.

Un ejemplo de falso Brinell (falsa sobrecarga) ocurre en motores eléctricos y bombas (y otros) de respaldo, los cuales se mantienen en mínimo (ralentí) por periodos de tiempo, estando sujetos a vibraciones a través del piso de la planta llegando a través de los elementos rodantes cargados de los rodamientos. El uso de aditivos antidesgaste puede ser beneficioso en reducir este tipo de desgaste.

corrosion Mecanismos básicos de desgaste

Erosión Eléctrica

Este tipo de desgaste ocurre cuando la corriente eléctrica pasa entre dos superficies metálicas (por ejemplo, el elemento rodante y la pista) a través de la película lubricante de aceite o grasa. Se subdivide basada en la severidad del desgaste. La erosión eléctrica no debe ser confundida con la erosión causada por partículas (analizada más abajo).

Voltaje Excesivo (picadura eléctrica) es causado por una elevada corriente eléctrica o amperaje que pasa a través de alguna de las asperezas de la superficie del metal. La elevación del voltaje origina arcos, que causan calor/fundición y vaporización  en áreas localizadas en la superficie del metal. Esto causa cráteres grandes y profundos o picaduras en la superficie del metal, que pueden ser equivalentes al espacio entre los elementos rodantes de los rodamientos. Esto es posible debido a soldaduras en el área y a un inadecuado aislamiento o aterramiento. También se conoce como picaduras, arcos o chispas.

Fugas de corriente (acanalado eléctrico) es una forma menos severa de daño causado por una corriente continua de baja intensidad. El daño puede ser en forma de cráteres superficiales estrechamente colocados y de una coloración gris oscura. Si la descarga eléctrica ocurre mientras el rodamiento está en movimiento, con una lubricación a película gruesa, el efecto de tabla para lavar u ondulaciones aparece en el total de la pista del rodamiento y es llamado acanalado o tela tipo corduroy (pana).

Deformación Plástica

Estas son las incisiones, hendiduras o depresiones en la pista o elementos rodantes causadas por impacto o sobrecargas. La superficie del metal fluye, causando una deformación irreversible (no desgaste). Las marcas del maquinado de la pieza están aún visibles en el fondo de la incisión. Estas a menudo tienen una especie de labio levantado el cual incrementa el esfuerzo lo que conlleva a una fatiga iniciada en la superficie (grieta superficial) y a una eventual formación de picadura o desgaste adhesivo. La deformación plástica tiene tres categorías:

Sobrecarga o Brinelling verdadero – caracterizado por cargas estáticas o de choque, o impactos por un abuso operacional que causa incisiones permanentes en el metal sin la presencia de cortes o soldaduras. Un ejemplo es lo que ocurre en los rodamientos de rodillos cuando cargas de impacto causan que se formen una serie de incisiones en la superficie de la pista a intervalos que corresponden exactamente al espaciado entres los rodillos. Algunas personas consideran como sobrecarga las incisiones que se producen por el impacto de martillar sobre los rodamientos, otras consideran esto como hendiduras por mala manipulación del rodamiento.

Dentado por partículas es una forma de deformación plástica que es causada por una partícula que ha sido atrapada entre los claros dinámicos de dos elementos de máquina y sometida a un proceso de sobre-laminado. Le fuerza causa una incisión con el fondo redondeado en la pista o en el elemento rodante. Las grietas se propagan hacia abajo dentro del metal.

Dentado por manejo inadecuado tiene la forma similar a la hendidura por virutas pero con la atenuante de que este resulta por dejar caer o martillar el rodamiento causando sobrecargas puntuales. También puede deberse a golpes o mellas ocasionada con objetos duros o puntiagudos.

Es común encontrar erosión causada por partículas o cavitación, a pesar de que estas formas de desgaste no están incluidas en los estándares ISO para rodamiento.

Erosión

La erosión puede ser considerada como una forma de desgaste abrasivo. Ocurre principalmente a alta velocidad, donde las partículas sólidas en la corriente y que han entrado al fluido (aceite), golpean sobre la superficie, erosionándola. Los sistemas hidráulicos son un buen ejemplo donde podemos encontrar este tipo de desgate. La velocidad del fluido tiene una significativa influencia en esta tasa de desgaste, la cual es proporcional al menos al cuadrado de la velocidad del fluido. La erosión típicamente ocurre en bombas, válvulas y toberas (boquillas). No ocurre un contacto metal-metal. El mecanismo de erosión tiene sus ventajas en el maquinado de piezas por chorro de agua a presión.

Desgate Erosivo

desgate erosivo Mecanismos básicos de desgaste

Cavitación

Esta es una forma especial de erosión en la cual burbujas de vapor formadas en el fluido en las regiones de baja presión, colapsan (implotan) cuando entran en las zonas de alta presión en los sistemas de lubricación. La implosión puede ser tan poderosa que puede crear huecos o picaduras, aun en metales endurecidos si esta implosión ocurre sobre la superficie del metal. Este tipo de desgaste en muy común en bombas hidráulicas, especialmente aquellas en las cuales existen restricciones en la entrada del fluido o están operando en alturas elevadas.

Restringiendo la entrada de aceite en la succión de la bomba se disminuye la presión sobre el aceite generando así una mayor formación de burbujas de vapor. La cavitación también puede ocurrir en chumaceras, donde la presión del fluido se incrementa en la zona de carga del cojinete. No se necesita que exista un contacto metal-metal pata que se presente cavitación.

Para estar claros, picadura es un término general usado en análisis de fallas para describir casi cualquier hoyo circular o fondo áspero, por pequeño, ubicado en la superficie del metal. Las picaduras pueden ser causadas por efecto mecánico (fatiga o cavitación), por efecto químico (corrosión) o por efecto eléctrico (arco o chispa), los cuales fueron descritos anteriormente.
El análisis de falla se usa para asignar un mecanismo de desgaste a una falla específica. Si se llega a determinar el mecanismo de desgate, entonces se pueden tomar acciones correctivas que pueden ser implementadas para prevenir la recurrencia de dichas fallas. A menudo, es útil en el proceso de eliminación para determinar cuál mecanismo de desgaste no se ha producido y así reducir el número de los posibles mecanismos. Desafortunadamente, existen combinaciones de mecanismos de desgaste en la mayoría de las situaciones, complicando de esta manera la selección del mejor sistema para la resistencia contra el desgaste.

cavitacion Mecanismos básicos de desgaste

Reconocimiento

Algunas secciones de este artículo pueden contener fragmentos de un artículo original escrito por Rees Llewellyn del Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá, seccional Alberta, de la Sociedad de Tribología e Ingenieros de Lubricación (STLE).

Robert Scott, Noria Corporation. Traducido por Francisco J. Páez Alfonzo, Noria Latín América

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