Evaluación del desgaste por deslizamiento bloque sobre anillo (ASTM G77)

El desgaste por deslizamiento es la pérdida progresiva de material que se produce cuando dos materiales deslizan uno contra otro en la zona de contacto bajo carga. Aparece inevitablemente en muchas industrias donde funcionan máquinas y motores, como la automoción, la aeroespacial, el petróleo y el gas, y muchas otras. Este movimiento de deslizamiento provoca un desgaste mecánico importante y transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de producción y el rendimiento de la máquina, o incluso dañarla.

El desgaste por deslizamiento suele implicar mecanismos complejos en la superficie de contacto, como el desgaste adhesivo, la abrasión a dos cuerpos, la abrasión a tres cuerpos y el desgaste por fatiga. El comportamiento frente al desgaste depende en gran medida del entorno de trabajo, como la carga normal, la velocidad, la corrosión y la lubricación. Un tribómetro versátil, capaz de simular distintas condiciones reales de trabajo, es ideal para evaluar el desgaste.

El ensayo bloque sobre anillo (ASTM G77) es una técnica muy utilizada que evalúa el comportamiento frente al desgaste por deslizamiento de los materiales en distintas condiciones simuladas y permite clasificar de forma fiable pares de materiales para aplicaciones tribológicas concretas.

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El comportamiento frente al desgaste por deslizamiento de un bloque H-30 sobre un anillo S-10 se evaluó con el tribómetro de NANOVEA y el módulo bloque sobre anillo. El bloque H-30 es de acero de herramientas 01 con una dureza de 30HRC, y el anillo S-10 es de acero 4620 con una dureza superficial de 58 a 63 HRC y un diámetro de ~34,98 mm. Los ensayos bloque sobre anillo se realizaron en entornos seco y lubricado para estudiar su efecto en el desgaste. Los ensayos lubricados se realizaron en aceite mineral pesado USP. La huella de desgaste se examinó con el perfilómetro 3D sin contacto de NANOVEA. Los parámetros del ensayo se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste, K, se calculó con la fórmula K = V/(F × s), donde V es el volumen desgastado, F la carga normal y s la distancia de deslizamiento.

La Fig. 2 compara el coeficiente de fricción (COF) de los ensayos bloque sobre anillo en entornos seco y lubricado. El bloque presenta mucha más fricción en seco que en entorno lubricado. El COF fluctúa durante el periodo de rodaje de las primeras 50 revoluciones y alcanza un valor constante de ~0,8 durante el resto del ensayo de 200 revoluciones. En cambio, el ensayo bloque sobre anillo lubricado con aceite mineral pesado USP muestra un COF bajo y constante de 0,09 a lo largo de las 500.000 revoluciones. El lubricante reduce notablemente el COF entre las superficies, unas ~90 veces.

Las figuras 3 y 4 muestran las imágenes ópticas y los perfiles 2D transversales de las huellas de desgaste de los bloques tras los ensayos en seco y lubricado. Los volúmenes y tasas de desgaste se recogen en la Tabla 2. El bloque de acero tras el ensayo en seco a la menor velocidad de 72 rpm durante 200 revoluciones presenta un gran volumen de desgaste de 9,45 mm³. En cambio, el ensayo realizado a la mayor velocidad de 197 rpm durante 500.000 revoluciones en el aceite mineral genera un volumen de desgaste mucho menor, de 0,03 mm³.

Las imágenes de la Fig. 3 muestran un desgaste severo en condiciones secas frente al desgaste leve del ensayo lubricado. El calor elevado y las vibraciones intensas del ensayo en seco favorecen la oxidación de los residuos metálicos y provocan una abrasión severa a tres cuerpos. En el ensayo lubricado, el aceite mineral reduce la fricción y enfría la cara de contacto, además de arrastrar los residuos abrasivos generados durante el desgaste. Esto reduce notablemente la tasa de desgaste, en un factor de ~8×10⁵. Una diferencia tan grande en la resistencia al desgaste según el entorno muestra la importancia de simular correctamente el desgaste por deslizamiento en condiciones reales de servicio.

El comportamiento frente al desgaste puede cambiar drásticamente con pequeños cambios en las condiciones de ensayo. La versatilidad del tribómetro de NANOVEA permite medir el desgaste en condiciones de alta temperatura, lubricación y tribocorrosión. El control preciso de velocidad y posición del motor avanzado permite realizar ensayos de desgaste a velocidades de 0,001 a 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para los laboratorios de investigación y ensayo que estudian el desgaste en distintas condiciones tribológicas.

El estado superficial de las muestras se examinó con el perfilómetro óptico sin contacto de NANOVEA. La Fig. 5 muestra la morfología superficial de los anillos tras los ensayos de desgaste. Se ha eliminado la forma cilíndrica para mostrar mejor la morfología y la rugosidad generadas por el desgaste por deslizamiento. La abrasión a tres cuerpos durante el ensayo en seco de 200 revoluciones produjo un aumento notable de la rugosidad. El bloque y el anillo tras el ensayo en seco presentan una rugosidad Ra de 14,1 y 18,1 µm respectivamente, frente a 5,7 y 9,1 µm en el largo ensayo lubricado de 500.000 revoluciones a mayor velocidad. Este ensayo demuestra la importancia de lubricar correctamente el contacto entre segmento de pistón y cilindro. Sin lubricación, el desgaste severo daña rápidamente la superficie de contacto y provoca un deterioro irreversible de la calidad de servicio, e incluso la rotura del motor.

En este estudio mostramos cómo se utiliza el tribómetro de NANOVEA para evaluar el comportamiento frente al desgaste por deslizamiento de un par de aceros con el módulo bloque sobre anillo según la norma ASTM G77. El lubricante desempeña un papel decisivo en las propiedades de desgaste del par de materiales. El aceite mineral reduce la tasa de desgaste del bloque H-30 en un factor de ~8×10⁵ y el COF unas ~90 veces. La versatilidad del tribómetro de NANOVEA lo convierte en una herramienta ideal para medir el desgaste en distintas condiciones de lubricación, alta temperatura y tribocorrosión.

El tribómetro de NANOVEA ofrece ensayos de desgaste y fricción precisos y repetibles en modos rotativo y lineal conformes a ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión en un único sistema preintegrado. La gama sin igual de NANOVEA es la solución ideal para determinar todas las propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.