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Comprender y evitar la deformación superficial

En muchas aplicaciones industriales con superficies lubricadas en contacto rodante/deslizante, como los rodamientos, la potencia por unidad volumétrica ha aumentado en el transcurso del tiempo debido a la necesidad de una mayor eficiencia, y una reducción de peso y de costes (es decir, de tamaño). Al mismo tiempo ha aumentado la severidad de las condiciones de funcionamiento, como cargas más pesadas en combinación con temperaturas más altas, películas de aceite más delgadas y/o condiciones de lubricación límite, y esto puede originar una deformación superficial en los componentes de las máquinas [1].

Investigación y teoría Servicio

Tecnología

Inicialmente la deformación superficial se manifiesta como un cambio de color/aspecto sin brillo de la superficie, que se intensifica a medida que los daños aumentan. Examinadas con un microscopio, las zonas afectadas muestran la presencia de microdesconchado, microfisuras o micropicaduras (fig. 1).

S. Way [2] fue uno de los primeros en estudiar la deformación superficial en zonas de contacto lubricadas. Observó que puliendo los discos en contacto se aumentaba sustancialmente su resistencia a la deformación superficial. Posteriormente, P.H. Dawson [3] identificó la importancia de una buena lubricación y mínima rugosidad para prevenir o retrasar la deformación superficial.

Ahora se admite que la deformación superficial es un fenómeno de daños en la superficie asociados con condiciones de lubricación deficiente [4], generando por ello una fricción local elevada y presiones en el nivel de las asperezas. Este fenómeno ha sido objeto de muchos estudios experimentales y numéricos [5–7]. Otros fenómenos en la superficie, como el desprendimiento suave de material (“mild wear” o desgaste suave) [8, 9] compiten con la deformación superficial durante la fase de rodaje y en etapas posteriores, originando el desprendimiento de capas de material dañado y haciendo la superficie menos propensa a desarrollar microfisuras superficiales. Recientemente, SKF ha desarrollado modelos de deformación superficial detallados [10] basados en la interacción entre la generación de microfisuras superficiales y pequeñas pérdidas de material a fin de investigar los parámetros críticos y pronosticar daños en la superficie.

En la secciones que siguen se describen elementalmente los aspectos mecánicos (lubricación, rugosidad y pequeñas pérdidas de material) que se cree desempeñan un papel importante en la deformación superficial, además de algunos consejos para mejorar las condiciones en el lugar de contacto y reducir el riesgo de esta deformación. La química (triboquímica) desempeña sin duda alguna un cometido decisivo [8, 9] ya que afecta al desprendimiento de material y/o al coeficiente de fricción de capa límite durante el rodaje y en etapas sucesivas.

Fricción superficial
Ya que la deformación superficial está muy relacionada con el régimen de lubricación, se ve notablemente afectada por los regímenes de lubricación de capa límite y/o lubricación combinada, por lo que la fricción “seca o de capa límite” de­sempeña un papel muy importante. Con un régimen de lubricación de película completa, la fuerza de fricción se introduce cortando la película lubricante mediante deslizamiento. El esfuerzo cortante (y por tanto la fuerza de fricción) depende de la reología del lubricante, siguiendo el trayecto esquemático descrito en la fig. 2a. Sin embargo, siempre que haya puntas de asperezas en contacto, la fricción “seca” (o fricción de lubricación de capa límite) se considera aproximadamente una fricción del tipo de Coulomb, es decir, fig. 2b, que tiene valor cero en rotación pura y un valor casi constante tan pronto como empieza el deslizamiento. Obsérvese que en ninguno de los casos un mayor deslizamiento significa necesariamente mayor fricción. En un contacto rugoso (de capa límite) o de lubricación combinada, los puntos “secos” no tendrán fuerzas de tracción en la superficie a menos que haya un cierto deslizamiento, independientemente de lo pequeño que sea, mientras sea distinto de cero, tal como se indica en la figura 2b. No obstante, no existen condiciones de “rotación pura”. Los contactos reales, incluso cuando se realizan bajo condiciones de “rotación nominal pura” siempre tienen un cierto grado de deslizamiento, lo cual conduce a una cierta fricción por deslizamiento y, en consecuencia, a la posibilidad de que haya riesgo de deformación superficial. En pruebas realizadas en el centro de ingeniería e investigación de SKF, en Nieuwegein, Países Bajos, se comprobó que las condiciones de rotación nominal pura también pueden presentar deformaciones en la superficie. Bajo unas condiciones y número de ciclos iguales también se ha comprobado que si se aumenta el coeficiente de fricción de capa límite, la deformación superficial es más intensa. Como conclusión, la fricción de capa límite es un factor muy importante para propiciar microfisuras superficiales cuando el contacto se realiza bajo lubricación de capa límite o combinada.

La fricción de capa límite depende en gran parte del tipo de lubricante usado y de su conjunto de aditivos. El valor del coeficiente de fricción de capa límite puede extraerse de las curvas de Stribeck medidas con tribómetros de bola en disco. Normalmente esto se hace con una magnitud fija de deslizamiento nominal en el punto de contacto (2 – 5 %) e incrementando gradualmente la velocidad de arrastre de lubricante. En un tribómetro de bola en disco el coeficiente de capa límite de la fricción es el primer punto en la curva de Stribeck (fig. 3). Obsérvese que los coeficientes de fricción aquí medidos representan valores medios en el lugar de contacto. En investigaciones futuras será interesante estudiar la fricción de capa límite en lugares de contacto de aspereza local.

Importancia de la lubricación y rugosidad
En los rodamientos la lubricación desempeña un importante papel en el rendimiento durante su vida de servicio. Por ello, los modelos de vida de servicio de SKF explican el efecto del parámetro de lubricación, к. La importancia de la lubricación y la rugosidad en los daños superficiales guarda una gran relación con el efecto de la concentración de tensiones y fuerzas de fricción local (en el nivel de aspereza). En la lubricación de capa límite o combinada, la existencia de irregularidades (rugosidad o indentaciones, fig. 4) en la superficie influirá en la forma de distribución de los puntos secos y lubricados en el lugar de contacto. Además, también deben tenerse en cuenta las discontinuidades en la tracción superficial y posible concentración de tensiones (fig. 5). Una alta rugosidad (o pendientes de rugosidad elevadas) contribuirá al colapso de la película local, y a presiones y tracciones de contacto elevadas. Esto aumentará la concentración de tensiones en las zonas críticas de discontinuidades de tracción.

A partir de resultados de ensayos y maquetaciones teóricas en SKF, la deformación superficial aparece primero en zonas con discontinuidades en la presión (gradientes de presión alta) asociadas con un incremento en la rugosidad. Esto puede verse fácilmente en los bordes de hendiduras o en las cumbres de asperezas o elevaciones por indentación en la superficie (fig. 4). Inesperadamente, en general de dos superficies en contacto es la más lisa la que primero iniciará el proceso de deformación. A continuación se exponen algunos razonamientos que pueden contribuir a explicar esas observaciones.

Interacción entre la orientación de la rugosidad y la dirección de fricción
Los experimentos realizados demuestran que bajo condiciones de lubricación de capa límite o combinada, una orientación transversal de la rugosidad (en la dirección de rodadura/deslizamiento) es más propensa a deformación superficial que una orientación longitudinal (fig. 6); la misma conclusión se describe en [5]. Esta es una observación interesante ya que en condiciones de lubricación elastohidrodinámica de película completa (EHL), la rugosidad transversal puede crear una mejor formación de película, pero probablemente también más ondas de presión. Con todo, bajo lubricación de capa límite o combinada actúan mecanismos diferentes.

Los investigadores de SKF han comprobado que el componente de la fuerza de fricción perpendicular a la orientación de la rugosidad puede incrementar sustancialmente la concentración de tensiones en la zona “original” de la rugosidad en la superficie más áspera, y en los bordes de microcontacto de la superficie más lisa (fig. 5). Este efecto puede acentuar los daños y la deformación superficial, pero su gravedad depende de la microgeometría que entonces tenga la rugosidad. No obstante, hay otro aspecto relacionado con el historial de las tensiones. La rugosidad transversal inducirá un mayor número de ciclos de microtensión en el lugar de contacto que la rugosidad longitudinal (con o sin la presencia de lubricante). Ya que la fatiga es sensible al número de ciclos de tensión, se prevén más daños en la superficie de contacto opuesta. Para mostrar este efecto (fig. 6), además de simulaciones numéricas se llevaron a cabo experimentos en los que se hicieron ensayos en iguales condiciones con superficies muy similares, cambiando solamente la orientación de la rugosidad. En el modelo, la misma muestra de rugosidad se ha usado a 0o y 90o. Se ha comprobado una buena concordancia entre los modelos de SKF y los resultados experimentales.

El contacto de dos super­ficies rugosas
En aplicaciones industriales el contacto siempre se realiza entre dos superficies reales que tienen una cierta rugosidad. Este es el caso en los ensayos realizados en SKF utilizando un banco de pruebas de deformación superficial (SDTR), el cual va provisto de una barra rotativa en contacto con tres discos (todo ello fabricado de acero para rodamientos templado). Se observó que cuando la rugosidad de la barra de ensayo era superior a la de los discos de aplicación de carga, la deformación superficial no se presentaba en un plazo razonable ni durante las condiciones más duras (fig. 7a). Sin embargo, cuando la rugosidad de los discos era superior a la de la barra (fig. 7b), la deformación superficial aparecía entonces fácilmente en la superficie de la barra. Esta es también una observación común en otros sitios [9]. La explicación de ello probablemente sea el historial de carga de los ciclos de microfatiga impuestos por la rugosidad.

Ya que las condiciones del lugar de contacto en general se asemejan más a una lubricación de capa límite o combinada, la superficie más rugosa dominante se impone a la más lisa por el historial de tensiones, siempre que haya algo de deslizamiento. La fig. 8 representa esta situación esquemáticamente (es decir, superficies rugosas y lisas en contacto en un movimiento deslizante relativo). Puede observarse que la superficie lisa “registra” una fluctuación en presiones (microciclos de carga) mientras que todos los puntos de la superficie rugosa siempre “sienten” las mismas tensiones (que son superiores en las zonas de contacto e inferiores en las zonas sin contacto). Este ejemplo muestra que la superficie rugosa domina al imponer la variación de carga sobre la lisa. En contactos reales, ambas superficies serán rugosas y en movimiento (con algún deslizamiento), pero si tienen diferente rugosidad, la superficie más rugosa predominará sobre la más lisa en cuanto a la imposición de los microciclos de carga. Por consiguiente, la superficie más lisa será más propensa a la deformación superficial en presencia de un cierto deslizamiento, siempre que las propiedades mecánicas de ambas sean las mismas. Sin embargo, en condiciones de película completa con la presencia de presiones hidrodinámicas de la lubricación, en el historial de carga este efecto puede ser muy diferente. Con deslizamiento, las ondas de presión hidrodinámica se propagan a diferente velocidad.

La fig. 9 muestra los resultados de la simulación del contacto de una superficie rugosa sobre una lisa. Describe la zona deformada en función de la presión de contacto hertziana máxima. Puede verse que la deformación superficial avanza con mucha mayor rapidez en la superficie lisa, y que con la carga este riesgo aumenta en ambas superficies.

Desprendimiento suave de material
Las observaciones hechas en ensayos con un SDTR muestran que si la viscosidad del lubricante es demasiado baja (por ej. 1 cSt) no siempre aparece deformación superficial sino que puede darse un desprendimiento suave de material (es decir, “mild wear” o desgaste suave) en la superficie. Por consiguiente se cree que disminuyendo la calidad de la lubricación, representada por el parámetro к, o la relación de lambda Λ (Λ = h/Rq) en lugares de contacto con una lubricación más generalizada, el desprendimiento de material adquiere importancia. La deformación superficial y el desgaste suave compiten entre sí [8, 9], tanto durante la fase de rodaje como en la de estado estable. Por consiguiente, la simulación de la deformación superficial es una tarea compleja, debido a la interacción de varios fenómenos.

Se cree que en algunos casos el desgaste suave en la superficie puede reducir o inhibir la presencia de deformación superficial modificando la topografía de la superficie o desprendiendo capas de material dañado, haciéndola así menos propensa a deformación [8, 9]. Un desprendimiento suave de material también puede actuar en interacción con las condiciones de lubricación en el lugar de contacto. La fig. 10 describe un ejemplo del efecto de la lubricación, pronosticado por el modelo de SKF: el porcentaje de la zona deformada en relación con el parámetro de la calidad de la lubricación (Λ) para dos casos, con y sin desgaste suave. Tal como puede verse, en el caso sin desprendimiento de material la deformación superficial disminuye gradualmente con el incremento de Λ, debido a que la superficie queda más protegida por una película lubricante más gruesa. En el caso de fatiga combinada y con desprendimiento suave de material, el comportamiento es más complejo. Por tanto, con unos valores muy bajos de Λ la deformación superficial queda completamente suprimida por el desprendimiento de material en la superficie. No obstante, el efecto neutralizante del desprendimiento de material desaparece rápidamente al incrementar Λ, lo que causa un crecimiento temporal de la deformación superficial, y alcanza su máximo en Λ≈ 1,1. En el ejemplo, más allá de este punto la influencia del desgaste suave es insignificante y las dos curvas se fusionan.

Efecto del deslizamiento
Éste es un aspecto importante ya que recientemente el efecto del deslizamiento en la deformación superficial de los rodamientos ha atraído de nuevo el interés. Muchos estudios, partiendo de conceptos sobre propagación de fisuras, sostienen que un aumento del deslizamiento incrementaría la deformación superficial. Sin embargo, para que una fisura se propague primero es preciso que se genere. Gracias al programa de simulación de SKF y a los experimentos cuidadosamente realizados en el laboratorio, se revela que un incremento del deslizamiento no significa necesariamente un aumento de la deformación superficial; de hecho, más bien sucede lo contrario. La fig. 11 muestra el efecto del deslizamiento sobre el modelo (curva) de SKF cuando se considera un desgaste suave. En la misma figura se muestran fotografías de la superficie del rodillo procedentes de los resultados experimentales con un incremento del deslizamiento, S=0,01, S=0,02 y S=0,1, respectivamente (es decir, S = velocidad de deslizamiento/velocidad de arrastre), que muestran claramente que los daños de deformación superficial son máximos con valores de deslizamiento bajos (S≈0,01). El valor de deslizamiento presente típicamente en cualquier tipo de rodamiento. Por tanto, en cuanto a resistencia a la deformación superficial en relación con el deslizamiento, no hay diferencias de rendimiento entre, por ejemplo, rodamientos de rodillos rectos y curvados, o incluso rodamientos de bolas.

Este mecanismo tiene dos explicaciones, basadas en conceptos de generación de fisuras.

Fricción: no incrementa necesariamente con el deslizamiento en los dos casos, lubricados y secos (=> fricción superficial). En contacto seco (lubricación de capa limite) la fricción sigue la ley de Coulomb; por tanto basta con un deslizamiento de una magnitud muy pequeña para que se active este mecanismo y casi alcance su valor máximo. Si a pesar de ello el deslizamiento aumenta, la fuerza de fricción en la superficie no se incrementa (después de haber superado la elasticidad de la superficie). En lugares de contacto lubricados, la fricción sigue la ley reológica del lubricante; en condiciones de EHL el comportamiento del lubricante es no newtoniano y cerca de las condiciones de esfuerzo cortante límite. Por ello, un aumento en el deslizamiento no incrementa sustancialmente la fricción en la superficie.

Desgaste suave: aumenta con el deslizamiento, desprendiendo de la superficie las capas de material dañado, y esto retrasa los daños por fatiga.

Conclusiones
Las conclusiones relacionadas con la deformación superficial son varias. En primer lugar, la calidad de la lubricación (y la rugosidad) son extremadamente importantes en lo que respecta a la generación (y control) de la deformación superficial. La lubricación combinada y de capa límite produce puntos en los que básicamente el contacto es “seco”. Esto introduce un incremento local en las tracciones, concentración de tensión (las zonas húmedas tienen menos fricción que las secas) y ciclos de microtensión de la superficie, lo cual puede facilitar la fatiga. La fricción desempeña un papel importante en la generación de la deformación superficial. Incluso en condiciones de rodadura pura “aparentemente ideales”, puede producirse deformación superficial ya que en las aplicaciones reales siempre hay un cierto deslizamiento. Debido a la importancia de la fricción en la generación de deformación superficial, para el desarrollo de tracción superficial y daños superficiales se necesita la presencia de un cierto deslizamiento. Sin embargo, el crecimiento del deslizamiento a más del 1 o 2% (típico para cualquier tipo de rodamiento) no incrementa el riesgo de deformación superficial, ya que la fricción no aumenta y el desgaste suave contribuye a evitar la fatiga de la superficie.

Los elementos que aumentan las tensiones superficiales y el historial de tensiones (microciclos) en condiciones de lubricación combinada o de capa límite son probablemente los factores con más responsabilidad en las diferencias en el comportamiento de la rugosidad respecto a la deformación superficial. No obstante, cuando existe una película lubricante completamente separadora, puede prescindirse del efecto de la rugosidad. En los ensayos, el “contacto” entre una superficie rugosa y otra lisa ha mostrado que ésta última es siempre la más propensa a deformación superficial. Finalmente, en general el desgaste suave puede inhibir o retardar la presencia de microfisuras reduciendo las grandes asperezas durante el rodaje, y eliminando las capas de material fatigado cerca de la superficie. Sin embargo, un desgaste sustancial o localizado puede conducir a cambios en la macrogeometría de componentes que a su vez puede influir negativamente en la vida útil.

Formas de prevención
De estos estudios se desprenden varios pasos prácticos para reducir la deformación superficial, a saber:

  • Asegurar una buena lubricación (condiciones de película completa) dependiendo de la aplicación, p. ej. lubricante de mayor viscosidad, mayor velocidad de rotación, temperatura más baja, etc.
  • Reducir la fricción de capa límite (lubricante, espesante, revestimientos de baja fricción, etc.).
  • Reducir los elementos que aumentan las tensiones (contaminación, impurezas, marcas de montaje en la superficie, etc.). Uso de topografía optimizada.
  • Reducir los movimientos dinámicos bajo carga (p. ej. mediante precargas, o reduciendo al mínimo las holguras).
  • Asegurar niveles iguales de rugosidad en los distintos elementos en contacto (p. ej. mediante rodaje).
  • En ciertos casos puede estar justificada una cierta eliminación suave controlada de material superficial (interacción de aditivos-lubricante) para reducir el nivel de deformación superficial.
  • Usar rodamientos SKF ­Explorer que tengan equilibrio de ­topografía de superficie para ­evitar el riesgo de deformación superficial.

Referencias

[1] ISO Standard 15243, “Rolling Bearings – Damage and Failures – Terms, Characteristics and Causes”, 2004.

[2] Way, S., “Pitting due to Rolling Contact”, J. of Appl. Mech., vol. 57, págs. A49-A58, 1935.

[3] Dawson, P.H., “Effect of Metallic Contact on the Pitting of Lubricated Rolling Surfaces”, J. Mech. Eng. Sc., vol. 4(1), págs. 16-21, 1962.

[4] Olver, A.V., “The Mechanism of Rolling Contact Fatigue – an Update”, Proc. Instn. Mech. Engrs., Part J, J. of Eng. Trib., Vol. 219, págs. 313-330, 2005.

[5] Oila, A., Bull, S.J., “Assessment of the Factors Influencing Micropitting in Rolling/Sliding Contacts”, Wear, Vol. 258, págs. 1510-1524, 2005.

[6] Brandão, J.A., Seabra, J.H.O., Castro, J. “Surface Initiated Tooth Flank Damage Part I: Numerical Model”, Wear, Vol. 268, págs. 1-12, 2010.

[7] Brandão, J.A., Seabra, J.H.O., Castro, J. “Surface Initiated Tooth Flank Damage Part II: Prediction of Micropitting Initiation and Mass Loss”, Wear, Vol. 268, págs. 13-22, 2010.

[8] Lainé, E., Olver, A.V., “The effect of Anti-wear additives on fatigue damage”, Extended abstract, 62nd STLE Annual Meeting, 2007.

[9] Lainé, E., Olver, A.V., Beveridge, T.A., “Effect of lubricants on micropitting and wear”, Tribology International, 41, págs. 1049-1055, 2008.

[10] Morales-Espejel, G.E., Brizmer, V., “Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings”, Tribology Transactions, en prensa.

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