Las pruebas se llevaron a cabo en un banco de pruebas de fricción vertical (fig. 1) bajo las condiciones de prueba consignadas en la tabla 1, empleando rodamientos axiales de rodillos cilíndricos de acero (con un desarrollo cíclico y de deformación superficial más rápidos que las arandelas) y arandelas de acero o Si3N4 para representar la configuración de contactos enteramente de acero o híbridos. Para evitar el desgaste durante la prueba al usar una arandela plana de cerámica excesivamente rugosa, se utilizó una superficie pulida. Esto es aceptable debido a que la rugosidad típica de la superficie de los elementos rodantes de cerámica en un rodamiento híbrido es muy baja. En las simulaciones numéricas, se tuvo en cuenta la diferencia en rugosidad de la superficie entre las arandelas de acero y cerámica. Se realizaron cuatro pruebas con contacto de acero y cuatro con contacto híbrido durante un total de seis horas (con paradas intermedias al cabo de dos y cuatro horas). Para la cuantificación del área de deformación superficial, se hicieron mediciones con perfilómetro óptico y se utilizó software propio. Debido a la ausencia de daños claros en la superficie del rodillo de acero en el contacto híbrido en las seis horas de la prueba, también se efectuaron pruebas más prolongadas durante un período de 97 horas (con paradas intermedias a las 37 y 60 horas).

En la fig. 2, se muestra el principal resultado, en las condiciones antedichas, de la correlación entre las mediciones y la simulación numérica (usando el modelo basado en la fatiga [6] y el modelo combinado de fatiga-desgaste [5]) del área de deformación superficial de contactos híbridos y enteramente de acero. Puede observarse fácilmente una acumulación gradual de deformación superficial a lo largo del tiempo en el contacto enteramente de acero, mientras que el híbrido no presenta prácticamente deformación superficial. También puede verse que los resultados del modelo combinado de deformación superficial/desgaste con valores de desgaste típicos de contactos híbridos (curvas azules) concuerdan algo más con los datos experimentales que con los resultados del modelo que no supone ningún desgaste (curvas negras).

La correlación entre la simulación numérica y las mediciones del área micropicada de contactos híbridos y enteramente de acero parece indicar que, por término medio, hay una relación de 2 entre los coeficientes de fricción de los contactos enteramente de acero respecto de los híbridos, lo cual explica parcialmente su mejor rendimiento en cuanto a deformación superficial. Esta relación media también se obtuvo en experimentos anteriores [7, 8]. Además de una menor fricción de lubricación límite, las demás causas del mejor rendimiento de la superficie de los contactos híbridos ante la deformación son su rugosidad más fina y asimetría de rugosidad más negativa (es decir, las cavidades profundas predominan respecto de las cimas elevadas) de los elementos antagonistas de Si3N4 en comparación con los enteramente de acero.

Propiedades de autorrecuperación de la superficie en un entorno contaminado

Aun cuando se ha realizado una gran labor en los rodamientos enteramente de acero, la naturaleza aleatoria de la indentación constituye una importante complicación al estudiar los mecanismos de desarrollo de los daños y la fatiga de la superficie relacionados con las indentaciones. Es un reto controlar el número, la geometría y la ubicación de las indentaciones. Por ello, en muchos estudios, se han introducido indentaciones artificiales. Las indentaciones, realizadas en los caminos de rodadura mediante un indentador de bola Rockwell, se utilizaron para estudiar la reducción de la vida de fatiga y el proceso de deterioro en condiciones de rodadura/deslizamiento en rodamientos enteramente de acero. Se observó que se iniciaba el desconchado en los bordes de salida de una indentación con respecto a la dirección de rodadura. Un mayor deslizamiento o alta tracción friccional de la superficie fomentan una iniciación más rápida de grietas en la superficie. Favorecen las grietas la tensión cortante ortogonal máxima desarrollada en la proximidad de la superficie de los bordes de salida [7,8]. La magnitud de estas tensiones depende de la geometría de la indentación, la calidad de la lubricación, la presión nominal de contacto y la magnitud de la rodadura/deslizamiento. Además, se realizó una modelización del colapso de la película lubricante en el borde de ataque de la indentación, con  desgaste y otros daños en la superficie. Los artículos publicados sobre el rendimiento de los rodamientos híbridos en un entorno contaminado son pocos. La labor pionera realizada [3] ha mostrado un excelente rendimiento en cuanto a resistencia al desgaste en condiciones de lubricación de aceite fuertemente contaminada. Se formuló una propuesta de mecanismo de “autorrecuperación” relacionado con el mayor módulo de Young y dureza del Si3N4, que produjo una deformación plástica de los bordes elevados de las indentaciones en la pieza equivalente de acero, lo que impidió la deformación superficial, el desconchado y el desgaste destructivo.

Para una mejor clarificación y cuantificación, el rendimiento se comparó directamente mediante experimentos y modelización de indentaciones artificiales en caminos de rodadura de acero expuestos a elementos rodantes de acero o Si3N4 [9]. Estas indentaciones se practicaron en el aro interior de rodamientos rígidos de bolas enteramente de acero y rodamientos híbridos (fig. 3). Luego, los rodamientos se sometieron a pruebas en las mismas condiciones operativas. Los ejemplos presentados en la fig. 4 eran de unas condiciones operativas con muy buena lubricación (película completa) y una presión de contacto media. Teniendo en cuenta el módulo de Young de las bolas de Si3N4, esto significa que el contacto híbrido trabaja a una presión de contacto nominal ligeramente más alta (p. ej., tabla 1). Una interrupción periódica de las pruebas para inspección y mediciones mostró una diferencia evidente entre los rodamientos enteramente de acero y los híbridos en el aspecto de la superficie y en los cambios en los bordes elevados de indentaciones (fig. 4a).

Los rodamientos enteramente de acero mostraron una deformación plástica limitada y un cambio de forma de los bordes de indentación elevados (fig. 4b). Esta reconformación limitada mantiene un determinado nivel de distribución de la presión local cuando el borde elevado de la indentación está sometido a rodadura tal como se muestra en la fig. 5b. Además, las superficies muestran unos daños claros. En los bordes de ataque de la indentación (fig. 4d), donde se prevé un colapso de la película, se observan dos mecanismos: un cierto desgaste adhesivo y deformación plástica superficial por microindentación de asperezas debido a que la superficie de las bolas de acero también se pone rugosa al someter la indentación a rodadura. En el borde de salida de la indentación, donde se prevé una mayor concentración de las tensiones, el rodamiento hecho completamente de acero mostró deformación plástica superficial por asperezas, lo que produjo microindentación en los bordes elevados de las indentaciones. A medida que discurre el tiempo de rodadura, el material se deforma y ­presiona hacia la indentación (fig. 4e), y se inicia una pequeña grieta en la superficie, que se propaga lentamente durante el continuado funcionamiento. La modelización de la deformación superficial [6, 7] muestra un círculo local de tensiones de tracción y deformación altas en la superficie (fig. 6a), y riesgo de iniciación de grietas correspondiente a la ubicación específica observada en las pruebas (fig. 4b y fig. 4e).

En una fase prematura del funcionamiento, el rodamiento híbrido desarrolló bordes de indentación mayores y más planos (fig. 4a y fig. 4c). En el borde de ataque, se observó desde un principio un ligero desgaste que eliminaba las marcas de acabado y mantenía una superficie muy suave (fig. 4f). La superficie de la bola de Si3N4 también permaneció en buenas condiciones y mantuvo su rugosidad inicial. La depuración prematura (estabilización plástica) con material forzado dentro de la indentación se justificó con simulación de elementos finitos elastoplásticos (fig. 5a), que muestra mayores tensiones y, por tanto, una mayor deformación local en el contacto híbrido. Con un tiempo de funcionamiento más prolongado (fig. 4g), también se observó un ligero desgaste en el borde de salida. Esta rápida y ligera reconformación del desgaste en los bordes de las indentaciones y el cambio en sus pendientes (fig. 4a) se estabiliza a lo largo del tiempo de funcionamiento, y la forma de la indentación cesa de evolucionar. Las presiones son lo suficientemente reducidas como para detener el suave mecanismo de desgaste.

En las condiciones de esta prueba, aun cuando en un principio las presiones locales fuesen más elevadas para el rodamiento híbrido, la reconformación de la forma de la indentación reducía la ­presión local a un nivel similar al del rodamiento enteramente de acero (fig. 5b). Además de esta reducción de la presión local, la modelización de la deformación superficial [9, 10] indicaba una reducción del gradiente de presión en los bordes de las indentaciones. Y, lo que era aún más importante, especialmente para la condición de la delgada película lubricante del borde de la indentación local, la modelización de la deformación superficial indicaba menores tensiones de tracción superficial y menos acumulación de fatiga o riesgo de iniciación de grietas (fig. 6b). Esto se debe al menor coeficiente de fricción límite en el contacto híbrido [6].

La vida de indentación se determinó en condiciones de carga iguales en los rodamientos enteramente de acero y los híbridos (fig. 3). El rodamiento híbrido, a pesar de funcionar a una mayor presión de contacto máxima y en unas condiciones de película más delgada, proporcionaba una mejor vida de indentación que el rodamiento enteramente de acero funcionando con película completa a una inferior presión de contacto máxima (fig. 7).