El origen de las partículas esféricas en los lubricantes

Jim Fitch, Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América Las partículas esféricas se han encontrado en análisis microscópicos en muchas máquinas diferentes. El fenómeno de estas esferas perfectamente redondas ha sido tema de gran interés desde que fueron descubiertas y se han formulado varias teorías acerca de su origen.

Figura 1. Mecanismo de falla por fatiga microscópica en un rodamiento de bolas

Aunque existe más de una teoría, su fuente puede simplificarse considerando ciertos factores como el tamaño y textura de la partícula, tipo de equipo, partículas circundantes, etapa de vida del equipo y condiciones ambientales. La tabla 1 resume las teorías predominantes del origen de las esferas en el análisis del aceite.

Tabla 1. Teoría del origen de las partículas esféricas

Desgaste por fatiga En un principio, se pensó que las partículas de desgaste esféricas se formaron principalmente del desgaste por fatiga de contacto rodante. En los años 70’s, Douglas Scott, William Seifert y Vernon Westcott describieron su teoría de la formación de las partículas esféricas de desgaste en rodamientos. De acuerdo con sus estudios, este comienza con la formación de una grieta por fatiga de superficie que se propaga en dirección casi paralela a la superficie. Esas grietas están sujetas a altas y bajas presiones conforme el elemento rodante pasa una y otra vez sobre ella. Como resultado la grieta se abre y cierra conforme la pista se flexiona con la carga. Cuando el elemento rodante termina de pasar sobre la grieta, el aceite sale y el proceso de repite una y otra vez (Figura 1). De acuerdo a su teoría, las hojuelas que se generar en la grieta (o que se introducen en la grieta con el lubricante) son roladas en una forma esférica después de numerosos ciclos. La figura 2 muestra un ejemplo de partículas de desgaste esféricas encontradas en una grieta de fatiga.

Figura 2. Partículas de desgaste esféricas descubiertas en grietas microscópicas en las bolas de rodamientos (amplificadas 3,500x).

Figura 2a. Partículas esféricas encontradas en un ferrograma junto con partículas suaves de desgaste por frotamiento (amplificadas 2,000x)

Figura 2b. La esfera encontrada en una grieta parece estar en proceso de formación. La superficie de la esfera no parece haber sido bien pulida aún (amplificada 3,500x)

En 1973, Scott y Mills ahondaron sobre la formación de partículas de desgaste esféricas en rodamientos. Utilizando las recientes observaciones de Seifert y Westcott’s publicadas acerca de un lubricante para motor de aviación antes de la falla por fatiga del rodamiento principal. Scott y Mills investigaron si la presencia de esas partículas pudiera utilizarse como una ayuda para diagnosticar el nivel de agotamiento en los rodamientos. De acuerdo a sus hallazgos, al 60 por ciento de la duración de la prueba (tiempo hasta la falla del rodamiento), encontraron evidencia inicial de partículas esféricas. Al 870 por ciento de la duración de la prueba, se localizaron partículas esféricas con regularidad en los ferrogramas. Justo antes de la falla, había una cantidad considerable de partículas de desgaste. Ellos concluyeron que, en la fatiga, hay una generación gradual de desgaste que inicia como una hojuela, partículas de desgaste laminares y que se volvieron esféricas posiblemente por la exposición por cargas cíclicas. Estas partículas parecieron disminuir conforme continuaba la fatiga; notaron que las partículas esféricas estaban casi ausentes en la falla. En 1982, Dan Anderson discutieron el significado de esas partículas. De acuerdo con él, su presencia brinda una alerta temprana de un problema ya que pueden detectarse antes de que se presente el desconchado (spalling). Sin embargo, también puntualizó que, en algunos estudios, los rodamientos analizados en cargas elevadas se habían fatigado sin generar cantidades significativas de esferas. Así, la posibilidad de fatiga en rodamientos no puede descartarse si no se encuentran esferas. Al identificar esferas, declaró que la fatiga de rodamientos típicamente no genera partículas esféricas mayores a tres micrones (figuras 3 y 4) mientras que las esferas se generan por soldadura, pulido y erosión comúnmente mayores a 10 micrones.

Figura 3. Partículas esféricas vistas al microscopio óptico

Figura 4. Partículas esféricas vistas bajo SEM

Desgaste deslizante Se han hecho cierta cantidad de referencias al deslizamiento como contribuidor a la formación de partículas esferoides. En 1988 Jim Yuanseng y Wan Chenbiao de la Universidad Tsingjua de Beijing investigaron la incidencia de partículas de desgaste esféricas en un motor diésel después del periodo de asentamiento. Para comparar las esferas generadas en un motor diésel, emplearon una máquina de desgaste deslizante Timken para producir esferas en una fuente de aceite no circulante. Aun cuando Yuanseng y Chenbiao no percibieron que el deslizamiento fuera la causa raíz de generación de esferas, establecieron que las esferas generadas en su motor diésel eran muy similares a las generadas en la máquina Timken. En 1977, Ernest Rabinowicz (entonces profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts) sugirió igualmente que las partículas esféricas de desgaste atrapadas en las cavidades podían originarse del pulido en deslizamiento uniaxial oscilatorio del desgaste por frotamiento además de la reciente teoría de la formación dentro de las grietas propagadas por la fatiga. También, como se reportó en una publicación previa de la revista Practicing Oil Analysis por el tribólogo Dr. Jian Ding, en donde discutió los orígenes generalmente aceptados de las partículas de desgaste esféricas. De acuerdo con Ding, las pequeñas partículas de desgaste esféricas de menos de cinco micrones de diámetro se encontraban frecuentemente en aplicaciones cercanas a los rodamientos. El plantea en motores diésel, pequeñas esferas en este rango de dimensiones generalmente asociadas con desgaste por frotamiento normal o desgaste deslizante. Ding también notó que esferas mayores a 10 micrones en aplicaciones de rodamientos se creía que eran generadas del deslizamiento, soldadura o erosión. Si esas partículas se encontraban junto con otras más partículas más grandes (50 a 100 micrones) laminares o de descascarillado, era más probable que se generaran durante una etapa de desconchado profundo. Típicamente muestran signos de sobrecalentamiento o fundido (figura 5).

Figura 6. Filtrograma de partículas esféricas grandes (amplificación 500x)

Erosión por descarga eléctrica Yuansheng y Chenbiao también generaron esferas por arco eléctrico. Encontraron que micro chispas podrían causar que partículas se junten y formen pequeñas gotas de acero fundido que toman forma esférica debido al rápido enfriamiento bajo la acción de la tensión superficial. De acuerdo con Doyle en 1974, él observe que la partícula original (no esférica) se vuelve esférica por calentamiento a temperaturas por debajo del punto de fusión. Explica, “La tasa de autodifusión en las partículas de desgaste es alta debido a su elevada estructura por defecto. Las fuerzas conducentes podrían ser una reducción de la energía de la superficie”. Parafraseando a Doyle, este fenómeno natural puede compararse al agua o nieve que se transforma en granizo. Hay varias explicaciones para la causa del granizo; una teoría es que el granizo se forma en las nubes en donde las gotas de agua congelada se acumulan alrededor de polvo o nieve. Conforme el agua se solidifica, al descender también toman una forma esferoide para la menor superficie interfacial con el aire. En otras palabras, como el acero fundido se enfría rápidamente, a nivel molecular, las propiedades de la superficie permiten que las moléculas se adhieran unas a otras con tamaño suficiente para solidificarse en esa forma (bajo las fuerzas intermoleculares típicamente asociadas con la tensión de la superficie. Deslizamiento/alta temperatura De las investigaciones de Yuansheng y Chenbiao, ellos hicieron teorías de que el mecanismo de formación de esferoides en aplicaciones motor diésel ocurre principalmente en estado líquido. Ellos corrieron pruebas en un motor diésel durante un periodo de asentamiento y compararon las partículas generadas a las que se formaron en la máquina de desgaste Timken y por arco eléctrico. Durante la etapa de asentamiento de un motor diésel, los tipos de partículas esféricas encontradas variaron por tipo, tamaño y apariencia superficial. Las partículas de desgaste esféricas más pequeñas, de superficie lisa (de uno a tres micrones) estaban presentes de principio a fin. Ellos reconocieron que esas partículas parecían estar asociadas con la fricción y desgaste. A pesar de que establecieron a la fatiga como la causa raíz podría no ser la regla, también propusieron que las partículas de superficie lisa también podrían haberse fundido como resultado de las altas temperatura durante el deslizamiento y asentamiento porque esas partículas con frecuencia coexistieron con partículas de desgaste esféricas de superficie áspera. Ellos sugirieron que las partículas esféricas de superficie áspera se formaron principalmente debido al fundido. De acuerdo con los autores, esas partículas esféricas eran similares a las esferas normales generadas con la máquina Timken de desgaste deslizante y arco eléctrico. Basado en su análisis metalúrgico, las esferas se originaron en la camisa del cilindro. Concluyeron que las altas temperaturas en la superficie ocurren cuando las asperidades en las superficies opuestas interactuaban. Las temperaturas locales instantáneas en la superficie pueden alcanzar el punto de fusión y causar que las partículas de desgaste casi se fundan. Así, conforme la camisa del cilindro se torna progresivamente más lisa, el número de partículas de desgaste esféricas disminuyó. Casi no se encontraron partículas de desgaste esféricas al final del periodo de asentamiento. Las partículas esferoides también se obtuvieron de los depósitos de carbón en la parte superior del pistón. Ellas estaban más distorsionadas y rugosas, probablemente por los efectos corrosivos de los cases de CO₂ y SO₂. Bolas de aceite En 1978, Magan Patel examinó rodamientos de un motor diésel que había fallado después de sólo 320,000 kilómetros de servicio debido a desgaste del revestimiento del rodamiento. Después de la examinar los rodamientos que fallaron, se encontraron partículas esféricas blancas que contenían principalmente los siguientes elementos aditivos: 50 por ciento de calcio, 15 por ciento de fósforo, 6 por ciento de azufre y 20 por ciento de oxígeno. Patel llamó a esas esferas “bolas de aceite” y encontró que esas partículas estaban en el rango de cinco a cuarenta micrones en tamaño. Investigaciones posteriores mostraron que el glicol /refrigerante) puede reaccionar con ciertos aditivos (sulfonato de calcio o ZDDP, por ejemplo) para formar un precipitado muy duro. Es posible que muchas esferas observadas en estudios anteriores a esta fecha eran realmente bolas de aceite. Se ha encontrado que esas bolas de aceite tienen una dureza Rockwell C de 40 Rc, la cual es casi la misma dureza que tiene una herramienta de acero. Esas partículas no solo se embebieron en la superficie del rodamiento, sino que son lo suficientemente duras para recubrir las superficies de los rodamientos (Figura 6).

Figura 6. Bolas de aceite encontradas en el revestimiento del rodamiento (amplificación 1,000x)

Otros contaminantes Algunos orígenes de las esferas no están relacionados con partículas de desgaste, sino que se debe a contaminantes externos. En equipo nuevo, es posible encontrar cuentas de vidrio de martilleo (un proceso de que dispara ráfagas de cuentas de vidrio a las superficies de la máquina para incrementar la vida de fatiga). Estas son fácilmente reconocibles debido a su apariencia cristalina. También pueden ingresar partículas esféricas del proceso de manufactura asociadas con el maquinado, pulido corte y soldadura (chisporroteo) (figura 7). También, la ceniza volátil es común en plantas de generación a carbón (figura 8).

Figura 7. Partícula de soldadura

Figura 8. Partículas no ferrosas asociadas con ceniza volátil

El tribólogo Trevor Hunt observe también que se encontraron partículas esféricas en aceite nuevo como resultado del proceso de formulación y mezclado. Las caracteriza por tener un “color diferente” y se colapsan fácilmente calentándolas externamente. De acuerdo con A.W. Ruff en 1977, él también estableció que los polímeros en el aceite lubricante pueden aglomerar pequeñas partículas esferoides. Para auxiliar en la determinación de la fuente de partículas esféricas, pueden emplearse instrumentos analíticos como microscopía de escaneo de electrones (SEM) con energía dispersiva de rayos X (EDX). Estos aparatos permiten a los analistas determinar el tamaño de la partícula, forma, textura y composición elemental para ayudar a identificar el componente de la máquina o fuente contaminante.

Figura 9. Numerosas esferas pequeñas en una muestra de aceite de rodamientos (amplificación de 1,000x)

Significado de las partículas esféricas A pesar de que los investigadores han avanzado en la determinación del número de orígenes posibles de la fuente de las esferas, hay un consenso general de que el tamaño y cantidad de partículas de desgaste esféricas puede revelar la severidad del desgaste por fatiga por contacto rodante, Se estima que millones de partículas esféricas se forman durante las fallas de los elementos de los rodamientos. Debido a que las partículas esféricas grandes a menudo son producto de contacto metal-metal y alta temperatura friccional, su presencia con frecuencia es considerada un síntoma de apoyo para evaluar los niveles de severidad del desgaste. Por ejemplo, el desgaste deslizante con partículas esféricas grandes se considera más avanzado que el desgaste deslizante sin partículas esféricas ya que las partículas esféricas indican que se han alcanzado altas temperaturas. Por ejemplo, Yuansheng y Chenbiao encontraron que conforme incrementó la carga en su motor diésel de prueba, aumentó el número de partículas esferoides. Sin embargo, este no siempre es el caso. Anderson puntualizó que, en algunos estudios, los rodamientos analizado en cargas de trabajo más altas de lo normal experimentaron fatiga significativa sin generar las altas cantidades de partículas esféricas correspondientes. También vale hacer notar que Scott y Mills observaron que casi no había esferas al fallar los rodamientos del motor de aviación, y Yuansheng y Chenbiao también indicaron que las esferas casi desaparecieron por completo al final del periodo de asentamiento de un motor de combustión interna. Referencias

1. Scott, D., Seifert, W. y Westcott, V. The Particles of Wear. Scientific American Offprints, May 1974, p. 10-11.
2. Scott, D. y Mills, G. Spherical Debris: Its Occurrence, Formation y Significance in Rolling Contact Fatigue. Wear, vol. 24, 1973, p. 235-39.
3. Anderson, D. (1982) Wear Particle Atlas (Revised). Report NAEC. Naval Air Engineering Center, Advanced Technology Office, Support Equipment Engineering Department. pp. 92-163.
4. Yuansheng, J. y Chenbiao, W. Spherical Particles Generated During the Running-in Period of a Diesel Engine. Wear, vol. 131, 1989, p. 315-28.
5. Samuels, L., Doyle, E. y Turley, D. “Sliding Wear Mechanisms.” Fundamentals of Friction and Wear of Materials. Pittsburg: ASM, 1981.
6. Ding, J. “Determining Fatigue Wear Using Wear Particle Analysis Tools.” Revista Practicing Oil Analysis. Septiembre-octubre, 2003.
7. Hunt, Trevor M. Handbook of Wear Debris Analysis and Particle Detection in Liquids. London: Elsevier Applied Science, 1993.
8. McGeehan, J. y Ryason, P. “Million Mile Bearings: Lessons from Diesel Engine Bearing Failure Analysis.” Serie de estudios técnicos de la SAE 1999-01-3576.
9. Noria Corporation/Noria Latín América. Seminario Oil Analysis II.