Aspectos básicos sobre la clasificación del desgaste

Conceptos y
definiciones

Si se analiza el concepto de desgaste en el sentido
amplio de la palabra existen varios significados:

1-Daño ocasionado por el exceso de uso, bajo
condiciones de fricción, o producto del agotamiento de las
propiedades del metal.

Webster-ll-New Riverside Diccionary.

2-Disminución de las dimensiones de una pieza o
elemento de máquina provocado por el uso prolongado en
diferentes medios.

Larousse, Diccionario Internacional.

3-Distribución de la superficie de un material
causado por el movimiento relativo de este respecto a
otro.

MC Graw-Hill, Diccionario Técnico

En el campo de la metalurgia y en la construcción
de maquinarias existen numerosas definiciones abordadas por
distintos autores e instituciones científicas que estudian
muchas veces desde puntos de vista diferentes los problemas del
desgaste. Por esta razón es que no existe una
clasificación universal del desgaste, fundamentalmente
respecto a los distintos tipos y formas en que puede
manifestarse. Sin dudas que definir el desgaste es difícil
y casi siempre constituye un problema de selección y
descripción del tipo de desgaste.

A pesar de las diferencias existen en cuanto a la
terminología utilizada para definir el desgaste, el
mecanismo mediante el cual este se produce, y las causas que lo
originan si están bien definidas y estudiadas hace varios
años. Además están establecidos los
fenómenos más significativos que actúan en
cada uno de ellos.

Una de las clasificaciones del desgaste más
antiguas que se conoce fueron establecidas por Siebel en el
año 1938 (8). En dependencia de la naturaleza de las
condiciones externas propuso una clasificación donde se
distinguen los siguientes tipos de desgaste:

-De superficies secas deslizante.

-De superficies lubricadas deslizantes.

-De superficies secas rodantes.

-De superficies lubricadas rodantes.

-Por contactos vibraciónal.

-Por partículas sólidas en movimiento
(Erosión).

-Por líquido en movimiento
(Cavitacion).

Según la clasificación de BURWELL (2) el
desgaste se caracteriza y se divide de acuerdo al mecanismo
mediante el cual este se produce. Por esta razón este
autor clasifica el desgaste en cuatro grupos que son los
siguientes:

1-Desgaste adhesivo

2-Desgaste abrasivo

3-Desgaste corrosivo

4-Desgaste por fatiga superficial

En la literatura (10) se plantea que el desgaste es la
disminución gradual de las dimensiones y el cambio de
formas de la superficie de las piezas debido al rozamiento y
según su clasificación el desgaste se divide de las
siguientes formas:

-Desgaste mecánico.

-Desgaste mecánico molecular.

-Desgaste mecánico por
corrección.

Según el punto de vista de Strett (11) el
desgaste se divide en 3 formas fundamentales:

-Erosión.

-Cavitación.

-Fricción.

Este autor hace una caracterización del desgaste
en función del medio que separa las superficies de las
piezas que se deterioran y de acuerdo a la acción de los
cuerpos que interactúan.

Strett representa el fenómeno del desgaste entre
dos cuerpos a partir de tres etapas:

A-Efecto de incubación de la partícula
dura.

B-Efecto de rotura frágil de la
superficie.

C-Deformación plástica.

De acuerdo a los criterios del científico
soviético A.K.Zailisev el desgaste se divide según
los fenómenos y procesos que se producen durante la
destrucción de las piezas superficialmente. Este autor
clasifica el desgaste de las formas siguientes:

1-Desgaste mecánico

2-Desgaste físico mecánico

3-Químico mecánico

4-Complejo

Streeter en sus trabajos relacionados con la
recuperación de piezas (12) da una clasificación
sobre la base los mecanismos en que se produce el fenómeno
del desgaste, su clasificación es la siguiente:

1-Abrasión.

2-Impacto.

3-Fricción.

4-Corrosión.

5-Calor.

6-Erosión.

7-Cavilación.

Según los estudios realizados por Jaedor (7) el
desgaste esta dividido en 2 grupos diferentes. Estos grupos
están diferenciados en función del mecanismo de
desgaste bajo el cual este se produce.

Desgaste
mecánico

Abrasión: – baja fuerza

– alta fuerza

Fricción: – metálico

– oxidación

Impacto. Choques con alta carga (alta energía
cinética).

Cavitacion. Baja energía cinética y alta
frecuencia en un medio liquido.

Erosión. Acción de partículas finas
actuando con ángulos diferentes sobre una
superficie.

Calor. -Efecto térmico que afecta las propiedades
mecánicas estructurales o químicas del
material.

Desgaste
corrosivo

Disolución – Reacción química o
disolución de la superficie.

Acción Galvanica – Dos o más componentes
metálicos reaccionando con uno u otro en una
solución con conductividad eléctrica.

Corrosión por picadura- Disolución
localizada.

Corrosión intergranular- Disolución
localizada entre los granos de la estructura de un
metal.

Efecto de hidrogeno– Formación de Hidrides de
hidrogeno como consecuencia de una alta presión
interna.

Corrosión bajo carga – Fuerzas o cargas
combinadas.

La norma TGL 0-50320 expresa el concepto de desgaste de
la siguiente forma:

"Desgaste en el sentido de la técnica se entiende
por el cambio de las superficies producto del desprendimiento o
pérdida de material como consecuencia de causas
mecánicas." (3).Esta norma divide el desgaste en
función de la forma de interacción de los cuerpos
que intervienen durante el proceso.

-Desgaste friccional.

-Desgaste por rodadura.

Desgaste por
deslizamiento de metal – metal

La norma soviética Gost 16420-70 define el
desgaste de forma general de la siguiente forma. "El desgaste es
el proceso de variación constante de las dimensiones de un
cuerpo o superficie durante el período de trabajo." Esta
norma plantea además que el desgaste en los elementos de
máquina se clasifica según las causas principales
que lo producen:

-Desgaste mecánico.

-Mecánico molecular.

-Abrasivo.

-Hidro abrasivo.

-Gaso abrasivo.

-Otros tipos.

Otros autores como Avery (1) ha estudiado el problema
del desgaste de forma combinada púes sin dudas que la
mayoría de los problemas prácticos de deterioro de
los elementos de máquina no esta presente de forma aislada
un solo tipo de desgaste púes casi siempre existe la
influencia de varios fenómenos originan al mismo tiempo un
efecto destructivo.

Este investigador ha estudiado las formas más
frecuentes que según sus criterios puede manifestarse el
desgaste así como distintas formas en que
comúnmente se desarrolla el fenómeno destructivo
sobre la superficie de las piezas.

-Cavitación-Erosión.

-Impacto-Abrasión.

-Erosión-Corrosión.

-Erosión con impacto de partículas con
alta energía.

-Erosión baja acción abrasiva.

-Abrasión con alta fuerza de
fricción.

Para el estudio de cada uno de los tipos de desgaste es
imprescindible según consideraciones de Avery conocer una
serie de factores que influyen de forma significativa en el
mecanismo destructivo de las piezas. Estos factores son los
siguientes:

1-Velocidad de la partícula abrasiva.

2-Ángulo de ataque.

3-Concentración de la carga.

4-Tamaño del grano abrasivo.

5-Naturaleza del grano abrasivo.

6-Intensidad y forma del impacto.

7-Temperatura.

Como se ha podido apreciar el estudio de los
fenómenos del desgaste es estudiado muchas veces de
acuerdo a criterios propios y en cada caso se analiza factores
diferentes. En la práctica se han presentado muchas veces
dificultades para explicar sistemáticamente los procesos
relacionados con el desgaste, púes además de la
complejidad que lleva implícito los procesos del desgaste
existen también impresiones referidas al término
"desgaste". Como se observan en las diferentes definiciones y
clasificaciones referidas al desgaste abordadas en el trabajo
existen distintas denominaciones desarrolladas por distintos
autores y normas. Por esta razón es imprescindible un
esquema de clasificación del desgaste en el cual se
conserven los términos prácticos, precisando
unívocamente su significado.

Entre los más conocidos esquemas de
clasificación del desgaste se encuentran los
siguientes:

1-La clasificación según el tipo de
movimiento relativo.

2-La clasificación según el tipo de
mecanismo de formación del desgaste.

Si se hace un análisis del desgaste ocasionado en
un sistema mecánico dado, las pérdidas deben estar
relacionadas con el tipo de movimiento, trabajo, carga aplicada,
así como por la estructura (los elementos del sistema, las
propiedades mecánicas de sus elementos, etc.).

Existe una definición unívoca del desgaste
conociendo en un sistema las siguientes características.
(11).

a) El tipo de movimiento relativo.

b) Los elementos que interactúan.

c) El mecanismo fundamental del desgaste.

Estas tres características determinan el tipo de
desgaste, sin embargo para dar una descripción
cuantitativa es necesario considerar además los siguientes
factores:

1-El trabajo aplicado al sistema, para lo cuál es
preciso conocer la fuerza normal, el coeficiente de
fricción, y la temperatura o camino de
deslizamiento.

2-Las propiedades del material.

3-La intensidad del desgaste.

4-Las características de la superficie de
contacto.

En la tabla 1, se muestra una de las formas de
clasificación del desgaste más universal (11) (3)
(6), basado en la característica a, b y c mencionadas
anteriormente.

Tabla 1 . Clasificación de los
mecanismos de desgaste

Esta clasificación de desgaste se hace sobre la
base del movimiento relativo, en analogía con los tipos de
fricción. Este constituye el modo más
práctico de agrupar los tipos de desgaste, púes
generalmente es muy difícil distinguir los verdaderos
procesos que ocurren en las superficies gastadas.

En los elementos de máquinas el desgaste
está relacionado con cuatro formas fundamentales de
movimiento relativo: deslizamiento, rodadura, choque, y
vibración. Los mecanismos de formación del desgaste
se dividen en los siguientes grupos:

a) Por fatiga superficial.

b) Abrasivo.

c) Adhesivo.

d) Corrosivo mecánico.

En cada una de las formas de movimiento relativo, puede
actuar uno o varios mecanismos fundamentales de desgaste como se
muestra en la tabla 1.

Desgaste por
fatiga superficial

El desgaste por fatiga superficial generalmente se
considera debido a la acción de tensiones o esfuerzo
superficiales, sin existir necesariamente otras interacciones
físicas entre las superficies de los cuerpos
sólidos. Este proceso de desgaste esta relacionado con
ciclos de tensiones repetitivas en el contacto por rodadura o por
deslizamiento. En este caso el deterioro del material se produce
por la existencia de tensiones variables, es decir, la superficie
de trabajo se encuentra sometida en el transcurso del
período de trabajo tanto a tensiones de tracción
como de compresión.

Se ha demostrado que desde el punto de vista
físico, el estudio de la fatiga por contacto concite
fundamentalmente en elevar la concentración de tenciones,
determinante en los procesos de nacimiento y propagación
de grietas por fatiga. Los modelos que se emplean para la forma
clásica del desgaste por fatiga pueden emplearse
además para comprender las recientes teorías del
desgaste, basadas precisamente en la formación y
propagación de grietas, como se puede observar en la
figura 1.

Figura 1. Surgimiento del desgaste por
Fatiga superficial.

Basándose en la teoría de las
dislocaciones, pueden elaborarse algunos mecanismos del
nacimiento de las grietas. Estos mecanismos del nacimiento de
grietas fueron concebidos inicialmente para los fenómenos
de fatiga volumétrica, pero pueden en alguna medida ser
empelados en el análisis de los fenómenos que
ocurren cerca de la superficie.

Las formas fundamentales del nacimiento de grietas son
las siguientes:

-Acumulación de las dislocaciones en los planos
de deslizamiento contra las fronteras de los granos.

-Empalme de las dislocaciones, con la formación
de grietas a lo largo del plano de división.

-Formación de grietas en las
fronteras.

Otro mecanismo de nacimiento de grietas superficiales se
basa en la influencia de las inclusiones. Las grietas pueden
organizarse a partir de defectos tales como inclusiones de
óxidos y por la existencia de carburos en la superficie
del metal que posibilitan la unión de las dislocaciones y
el surgimiento de la grieta superficial.

Por la acción de otros mecanismos, pueden
formarse grietas de dimensión atómicas que
posteriormente pueden propagarse y dar como resultado el desgaste
por fatiga superficial.

Desgaste
abrasivo

Se llama desgaste abrasivo el que sufre la superficie de
un elemento de maquina como resultado de la acción
cortante o por ralladura de un cuerpo o partículas duras
(3) (8).

A igual que en los procesos de fatiga superficial, el
desprendimiento de porciones de metal en el proceso desgaste
abrasivo también esta ocasionado en lo fundamentas a los
procesos de deformación por contacto (11).

El desgaste abrasivo esta determinado por la presencia
de partículas abrasivas en la zona de fricción y la
destrucción de la superficie o como resultado de la
deformación plástica local, microrrayaduras y
microcortes cuando en el medio en que trabaja la pieza existen
elementos que tienen o desprenden partículas de alta
dureza (4).

El mecanismo de separación de las
partículas de la superficie de contacto se origina debido
a que las irregularidades del material mas duro se introducen en
la estructura del mas blando mediante el deslizamiento
plástico .En presencia de un movimiento tangencial, la
superficie dura se deslizaría formando surcos en la
superficie de menos dureza, pudiendo desprender al mismo tiempo
material de este.

La destrucción del metal producto de microcortes
o debido a la deformación plástica esta
estrechamente relacionada con las condiciones de trabajo de la
pieza y de la naturaleza de las partículas abrasivas ha
establecido experimentalmente (12) (13) que el mecanismo de
desgaste abrasivo queda determinado fundamentalmente por la
relación entre los valores de dureza del material (Hm.) y
la dureza de las partículas abrasivas (Ha).

En la figura 2 , se represente la superficie de
fricción para el caso del desgaste abrasivo por
microcortes y por separación plástica.

Figura 2. Representación
esquemática para el caso del desgaste abrasivo por
microcortes y por separación plástica.

Algunos autores (7) consideran que el desgaste abrasivo
de los elementos de maquina puede ocurrir solamente por la
acción mecánica de un cuerpo al actuar sobre la
superficie del otro, en este caso lo denominan desgaste por
destrucción mecánica.

Cuando además de existir la interacción
mecánica de dos cuerpos se presenta también la
acción de un medio que reacciona químicamente sobre
la superficie, se considera desgaste por destrucción
mecánico química .Este ultimo caso es el
fenómeno de la corrosión de los metales en la forma
mas frecuente de la acción química del medio
exterior sobre las superficies de las piezas de
máquina.

Según el carácter del medio exterior la
corrosión se puede dividir en tres tipos fundamentales,
admofisica, gaseosa, y corrosión en un medio
electrolítico.

Cuando existe en una superficie el desgaste
mecánico químico este es mucho mas intenso, pues la
acción mecánica destructiva es favorecida por el
medio ambiente.

Se considera que en el medio abrasivo durante el periodo
de trabajo existe por ejemplo H2O u otro medio líquido el
desgaste abrasivo se complementa notablemente. Este es como
resultado de que dos fluidos favorecen el efecto cortante de la
articula dura. (2)

Desgaste
adhesivo

Adhesión o desgaste adhesivo se denomina en
muchas ocasiones como desgaste severo y constituye el punto de
partida para desarrollar el proceso de deterioro entre las
superficies de los metales al producirse un rozamiento sobre
ellos (3).

En el mecanismo de desgaste adhesivo el papel principal
lo juega la interacción entre los materiales, y surge como
resultado de la destrucción superficial de uno o de ambos
materiales en contacto. En la figura 3, se muestra la forma
clásica mediante el cual se desarrolla el desgaste
adhesivo.

Figura 3. Características del
desgaste adhesivo.

Este tipo de desgaste puede originar el deterioro en
forma adhesiva o desgarramiento en las superficies de las piezas
de los mecanismos.

En muchos casos se observan porciones relativamente
grandes de material trasladados al cuerpo opuesto y firmemente
adheridas a su superficie por soldadura en
frío.

Si se analiza el mecanismo físico del desgaste
adhesivo es necesario considerar los procesos y parámetros
de adhesión y de ruptura de las capas superficiales,
así como la influencia del medio. Sobre este último
aspecto se han realizado trabajos investigativos (6) en los que
se ha demostrado la influencia de la temperatura en el
comportamiento de los materiales respecto a la resistencia del
desgaste adhesivo en una situación dada.

Por otra parte el desgaste adhesivo al estar provocado
por los parámetros de adhesión y ruptura de las
capas en contacto es característico en pares de
deslizamiento metal metal.

La unión metálica adhesiva en la
superficie de separación o borde en cualquier par
metálico sin existir relación directa entre la
solubilidad (volumétrica) de los metales de el par y en su
enlace adhesivo (superficial) (11).

La estructura cristalina de los materiales en contacto
tiene influencia considerable en el desgaste adhesivo. Los
metales con estructura cristalina hexagonal tienen menos
tendencias al desgaste adhesivo que los de estructura
cúbica centrada. Esto sin dudas esta relacionado con la
forma diferente de deformación plástica de las
irregularidades y la cantidad de sistemas aptos para el
deslizamiento (planos de deslizamiento) en los sistemas
cristalinos.

La orientación de los cristales determina en la
intensidad del desgaste adhesivo. De forma general una alta
densidad de átomos y orientación de granos
característicos de poca energía superficial trae
consigo menores fuerzas adhesivas y menor desgaste que en otra
formas de orientación.

Cuando las superficies en contacto son de metales de
diferentes naturalezas, el proceso de desgaste adhesivo se
caracteriza por el traspaso de partículas del material de
menos cohesión al de mayor.

La presencia de elementos de aleación influyen en
el proceso de desgaste adhesivo, por ejemplo el carbono disminuye
significativamente la adhesión de las aleaciones
metálicas. El calor desprendido producto de la
fricción provoca la difusión del carbono hacia la
superficie alcanzándose en la misma una mayor
concentración que en el interior del material.

Desgaste
corrosivo mecánico

El desgaste corrosivo mecánico se produce como
resultado de la interacción mecánica de las
superficies en contacto por la influencia de las condiciones del
medio en que se produce. En este caso particular existen
diferencias respecto a los mecanismos de desgaste por fatiga
superficial, desgaste abrasivo, y desgaste adhesivo, pues este se
desarrolla producto de la interacción de
deformación y de adhesión de las superficies en
contacto (12).

Cuando se habla de desgaste corrosivo solamente se
considera como un proceso en que la destrucción ocurre
debido a la acción química o electroquímica
del medio exterior. Este efecto ocurre teniendo en cuenta las
siguientes características:

Primero la destrucción del metal siempre comienza
a partir de la superficie, segundo el aspecto exterior de la
pieza se modifica, tercero como resultado de la corrosión
el metal comúnmente se transforma en oxido u oxido
hidratado.

Según el carácter del medio exterior la
corrosión se puede dividir en tres tipos
fundamentales:

Atmosféricas, Gaseosa, Corrosión en medio
electrolítico.

La corrosión atmosférica se desarrolla a
presión normal y temperatura no superior a los 80ºC.
Las piezas de maquinas en este caso se encuentran en contacto con
el aire atmosférico el cual siempre contiene alguna
cantidad de humedad.

Las porciones pequeñas de agua son electrolitos
(debido a la segura presencia en ella de sales y ácidos)
las que se adhieren a la superficie de el metal y crean
condiciones para el surgimiento de elementos micro
galvánicos.

La corrosión gaseosa constituye el caso mas
frecuente de corrosión. El medio exterior puede ser gas,
aire caliente o vapor. En la mayoría de los casos la
corrosión gaseosa es el resultado de la interacción
de el hidrogeno del aire con el metal formando en la superficie
del metal una capa de oxido la cual presenta las mayores
condiciones deformación a temperaturas superiores a los
300ºC.

La corrosión de los metales en medio
electrolítico se presenta en el caso de la
corrosión electroquímica correspondiente a la
acción constante del agua sobre el metal conteniendo una
cantidad considerable de sales, ácidos y
alcalinos.

Algunos investigadores plantean que el desgaste
corrosivo se pone de manifiesto siempre que las piezas de los
elementos de máquina tengan su superficie en un medio
donde existe la posibilidad de interacción
química.

Cuando en una superficie determinada de una pieza
además de existir la influencia del medio sobre el
deterioro se presenta la acción de otro cuerpo, estamos en
presencia del desgaste corrosivo-mecánico. En este tipo de
desgaste interactúan tres elementos
fundamentales:

-Cuerpos 1y 2 y el medio. Figura 4.

Figura 4. Comportamento del desgaste
Corrosivo Mecánico.

Este proceso puede considerarse como un proceso
cíclico por etapas.

Durante la primera etapa las superficies 1 y 2
reaccionan con el medio obteniéndose un producto
complementario producto de esta reacción. Segundamente se
produce el desprendimiento de los productos de la reacción
provocando como resultado la formación de grietas que
pueden originar a la vez el desgaste abrasivo debido a la
interacción de los cuerpos 1 y 2(contacto
mecánico). Al producirse desprendimiento de
partículas en la capa superficial aparecen zonas nuevas y
por lo tanto la repetición del proceso.

En este tipo de desgaste interviene también la
energía de fricción debido a la activación
calórica y mecánica se producen en las
irregularidades superficiales diferentes cambios. Al aumentar la
temperatura en las irregularidades se incrementa también
la actividad química y como resultado se acelera la
formación de capas superficiales.

En otros casos se modifican las propiedades
mecánicas de las capas superficiales por ejemplo el
aumento de la fragilidad lo que acelera el proceso de
desprendimiento de partículas.

Conclusiones

• Existen en la literatura diversas formas de
  calificación del desgaste , donde se tienen en cuenta
  de forma general los siguientes aspectos :

1-La clasificación según el tipo de
movimiento relativo.

2-La clasificación según el tipo de
mecanismo de formación del desgaste.

• La forma de clasificación del desgaste
  más universal para la clasificación del
  desgaste se basa en las siguientes
  características.

a) El tipo de movimiento relativo.

b) Los elementos que interactúan.

c) El mecanismo fundamental del desgaste.

• Sobre la base de los aspectos anteriores la forma
  mas extendida para clasificar el desgaste se basa en el
  mecanismo fundamental que determina el deterioro y es la
  siguiente :

ABRASIÓN.

ADHESIÓN.

FATIGA SUPERFICIAL

CORROSIVO MECÁNICO.

• Es importante considerar que muchas veces en el
  desgaste de una superficie pueden estar presente
  simultáneamente varios mecanismos de desgaste, por
  ejemplo: ABRASIÓN Y CORROSIÓN,
  ABRASIÓN Y ADHESIÓN etc.

Bibliografía

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• 13- Tenembuam.M.M. Desgaste de los materiales
  de construcción y los elementos de máquina
  .Editorial Maschinoestronie, Moscú, 1966, Pag.
  114.

Autor:

Manuel Rodríguez
Pérez

Facultad de Ingeniería
Mecánica, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas,
Carretera a Camajuaní km 5½, Santa Clara, Villa
Clara, CP. 54830, Cuba.

Mayo del 2013