2014-3 e-TRIBOS
Revista de la Asociación Argentina Tribología
Asociación Argentina de Tribología www.aatribologia.org.ar e-Tribos Octubre 2014
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e-TRIBOS INDICE PROCESAMIENTO DE MATERIALES POR PLASMA………………… páginas 6 a 10
RECUPERACIÓN DE COJINETES DE DESLIZAMIENTO………..……páginas 11 a 15
LUBRICACIÓN DE RODAMIENTOS……………………………………...páginas 16 a 23
Portada: Sólidos acumulados en un filtro de línea de gas natural, antes de la alimentación a la Turbina (cortesía Laboratorio Dr Lantos)
Editor: Roberto J. Leonetti e-TRIBOS es una publicación de la ASOCIACION ARGENTINA DE TRIBOLOGIA. La distribución de esta revista se realiza sin cargo a los socios de la AAT y personas relacionadas con la TRIBOLOGIA. Si Ud. desea ser incluido en el listado de distribución por favor envíenos sus datos a través de la página de www. aatribologia.org.ar Los editores no son responsables por lo expresado por los autores de los artículos publicados. Los datos, especificaciones y conclusiones son solo informativos. Prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos sin la expresa autorización del editor.
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JORNADAS DE TRIBOLOGÍA 2015 13 y 14 de MAYO – Hotel 13 de Junio – Mar del Plata
La ASOCIACIÓN ARGENTINA DE TRIBOLOGÍA informa que los días 13 y 14 de Mayo se realizara las JORNADAS de TRIBOLOGÍA 2015 en la ciudad de Mar del Plata. Estamos convocando a la presentación de trabajos técnicos para esas Jornadas por parte de profesionales de la TRIBOLOGÍA. Próximamente se enviara el llamado formal para las mismas y las instrucciones para inscribirse como asistentes. Reserve esa fecha para asistir a este evento.
COMISIÓN DIRECTIVA
Durante la reunión de la Comisión Directiva de la ASOCIACIÓN ARGENTINA DE TRIBOLOGÍA se aprobó las siguientes modificaciones en su composición para reemplazar al Ing. Oscar Entin cuyo lamentable deceso informamos.
La Comisión Directiva quedo compuesta de la siguiente forma: • • • • • • • • • • •
Presidente: José Luis Piña
Vicepresidente: Esteban Lantos
Secretario: Walter Roberto Tuckart
Tesorero: Roberto Joaquín Leonetti
Vocal Titular: Alfredo Enrique Eilenberger Vocal Titular: Esteban Pablo Echeverría Vocal Titular: Carlos Luis Romano
Vocal Suplente: Sonia Patricia Brühl
Revisor de Cuentas Titular: Germán Prieto
Revisor de Cuentas Titular: José Alberto Rossit
Revisor de Cuentas Suplente: Andrés Ramón Pereyra
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PROCESAMIENTO DE MATERIALES POR PLASMA Sonia P. Brühl - Doctora en Física de la Univ. Nac. de Rosario. Directora del Grupo de Ingeniería de SuperficiesFacultad Regional Concepción del Uruguay de la UTN – sonia@frcu.utn.edu.ar / sbruhl@gmail.com
Resumen El procesamiento por plasma se refiere a un número de técnicas que utilizan el "plasma", un tipo especial de gas ionizado, para la modificación superficial o volumétrica de materiales. El objetivo de la modificación o el recubrimiento es adaptar de la mejor manera posible las propiedades superficiales del material conforme a sus requerimientos de comportamiento funcional. Por ejemplo, se puede mejorar la resistencia al desgaste, a la fatiga y también a la corrosión, hacer barreras contra la penetración de determinados gases o evitar la difusión de ciertos elementos, mejorar su compatibilidad físico-química con determinados medios, y hasta mejorar su apariencia estética. En el caso de la modificación volumétrica de materiales se puede mencionar como ejemplo el tratamiento de residuos por plasma, la esterilización y el uso de plasmas para cortes o soldadura Introducción La ingeniería de superficies es una rama joven dentro de la Ingeniería Mecánica y de Materiales (no más de 30 años), sin embargo son viejos y conocidos los intentos en la industria y en la ingeniería por mejorar las propiedades superficiales de determinado material o hacerlo más compatible con otro (cromado, galvanizado, tratamientos electrolíticos). La ingeniería de superficies se podría definir como la aplicación de tecnologías tradicionales e innovadoras a piezas o componentes mecánicas con el objeto de obtener propiedades inalcanzables sobre la base del material en sí mismo. Por "superficie" se entiende un rango amplio de espesores que van desde varios milímetros, como los afectados en procesos de soldadura, hasta apenas décimas de micrones 1 como en el caso de los materiales tratados con implantación iónica. La Figura 1 presenta un detalle de varias técnicas teniendo en cuenta su tipo y los espesores involucrados en el proceso. Respecto de los tratamientos de superficie no mecánicos, se podría hacer una división general y simple de la siguiente manera: ♦ ♦ ♦ ♦
tratamientos térmicos tratamientos termoquímicos plateado y recubrimientos implantación
En nuestros días, los tres últimos procesos pueden ser asistidos por plasma. Vale aclarar que no hay determinado tratamiento mejor que otro, es tarea 1
Figura 1 - Espesores Típicos de diferentes tratamientos
del ingeniero o el técnico seleccionar la técnica de acorde a las necesidades funcionales de la componente a tratar. El objeto de este artículo es dar una breve descripción de los fundamentos de las técnicas de superficies que utilizan plasmas
micrón 1 µm = 1/1000 mm ó 10-3 mm.
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fríos, como ser recubrimientos por plasma CVD y PVD, y tratamiento termoquímico por plasma, descartando el uso del cañón de plasma para implantación, las torchas para corte o soldadura y el plasma spray. Como primer ejemplo de la amplia difusión que tienen estas técnicas en diversas áreas, en la Tabla 1 se presenta un listado
general de tratamientos y aplicaciones más comunes de estos procesos. En segundo lugar se presentará al Grupo de Ingeniería de Superficies, de la UTN-FRCU, que se dedica a la investigación aplicada en esta área del conocimiento.
Tabla 1 APLICACIONES DEL PROCESAMIENTO POR PLASMA AREA DE APLICACIÓN
USO ESPECÍFICO
Recubrimientos protectores
Recubrimientos decorativos
Utensilios de cocina Bandas y pulseras para relojes Marcos para anteojos Bijouterie / joyería Cúpulas de edificios
TiN, TiCN, TiO2, .... TiN, TiCN TiN, TiCN TiN, DLC (a:C) TiN
Recubrimientos ópticos
Antirrayado transparente para lentes orgánicas Filtros ópticos Antireflectantes Conductores eléctricos transparentes Decorativos para edificios (vidrios coloreados)
SiO2 , DLC a:C (♦) Dieléctricos (MgF, Al2O3,...) Al, Ag, Au, Cu, dieléctricos SnO2, In2O3 comp. In-Sn-O Metales, dieléctricos
Microelectrónica
Antidesgaste Anticorrosión Lubricación sólida Barrera de difusión Barrera térmica
Resistencias y capacitores de películas delgadas Contactos eléctricos para circuitos integrados Circuitos integrados Memorias magnéticas Endurecimiento superficial
Modificación superficial
(♦)
MATERIALES O TÉCNICAS USADOS
Limpieza superficial Control de topografía superficial
TiN, TiC, TiCN, TiAlN, ... TiN, BN, CrN, TiB, ... TiN, TiC, MoS, ... TiN, Ti, ... ZrO2
In2O3:Sn, Ta, ... Siliciuros de metales nobles (PdSi) Ataque químico seco (SF6+Cl2,..), sputtering garnets (Y-Fe-O), aleaciones de tierras raras Nitruración, carburización, carbonitruración, borado. Ataque químico y sputtering Ataque químico y sputtering
DLC significa "Diamond-like Carbon" y a:C significa amorfo, es decir se trata de una deposición de carbono que si bien es amorfa, cristaliza en forma parcial y tiene dureza similar al diamante.
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Conceptos básicos sobre plasmas y descargas gaseosas a baja presión. Se suele decir que el plasma es el "cuarto estado de la materia", dado que así como se calienta un sólido para pasar a líquido, y éste, para pasar a gas, de igual manera se puede calentar a un gas, de forma tal que la cantidad de energía entregada sea suficiente para ionizar los átomos y moléculas, es decir arrancar electrones de la órbitas externas. De esa manera queda formado un fluido que es una mezcla de partículas neutras y cargadas, positivas (los iones) y negativas (los electrones). Si el número de partículas cargadas es suficientemente grande, el comportamiento del sistema queda determinado por fuerzas de tipo electromagnética (de largo alcance) y no por colisiones binarias entre partículas neutras (como el gas ideal), entonces decimos que el gas se ha transformado en plasma. Debe notarse que no hay una transición de fase entre gas y plasma sino que es una variación continua, aunque también brusca, en el grado de ionización, por eso no hay una única temperatura en que el gas se transforma en plasma. Otra característica que identifica a un plasma es su comportamiento colectivo (de ahí procede su nombre, “plasma” significa gelatina, en griego). Un plasma es un gas cuasi-neutro, es decir desde un punto de vista macroscópico el número de cargas positivas y negativas es aproximadamente igual. Pero las cargas libres tienen la capacidad de distribuirse espacialmente cuando se produce una perturbación electrostática en el gas, de modo de aislar al plasma de dicha perturbación y conservar su neutralidad. Por ejemplo, si se introduce un cuerpo cargado negativamente, se produce un flujo de iones positivos hacia el cuerpo y un flujo de electrones en dirección opuesta. Como resultado se genera una lámina alrededor del cuerpo con carga espacial positiva que cancela la perturbación y mantiene la neutralidad eléctrica del plasma (ver Fig. 2). Esta lámina se denomina "lámina de plasma" y tiene una importancia práctica: si ese cuerpo cargado negativamente fuera un electrodo, se genera un flujo de iones positivos hacia él, que puede usarse para limpieza
o tratamientos superficiales como se verá más adelante.
Figura 2 – Potenciales en un plasma
El plasma y el tratamiento de superficies Ventajas del uso de plasmas Las ventajas del uso de plasmas en los tratamientos de superficie se basan en dos aspectos fundamentales, esquematizados en la Figura 3:
el bombardeo iónico la activación de especies
El efecto del bombardeo de un sustrato a potencial negativo con iones positivos tiene varias consecuencias, que se pueden resumir de la siguiente manera: ♦ limpieza del sustrato antes y durante la deposición o el tratamiento; ♦ aporte de energía térmica (con el choque) utilizada para aumentar la movilidad de las especies depositadas o favorecer su difusión dentro del sustrato; ♦ influencia en la solidez de la estructura del recubrimiento que se va formando, y mejora consecuente de su adherencia.
La activación de especies se debe al estado de "'no-equilibrio" termodinámico del plasma, es decir debido a las diferentes temperaturas de las especies pesadas (los iones) y las livianas (los electrones). Si bien la temperatura de los iones puede mantenerse baja (equivalente a la temperatura promedio del gas), los electrones, debido a su menor masa, tienen velocidades muy altas, por lo tanto también es alta su temperatura o energía. Por consiguiente, por colisiones con las otras especies (los iones o las neutras) pueden excitarlas y favorecer reacciones químicas que en procesos ordinarios demandarían temperaturas muy altas.
♦ tiempos de proceso significativamente menores, derivando en un ahorro energía; ♦ posibilidad de depositar una amplia variedad de materiales orgánicos e inorgánicos; ♦ ausencia de residuos gaseosos o líquidos.
Técnicas de procesamiento por plasma La primera división de las técnicas de procesamiento por plasma se realiza teniendo en cuenta el tipo de plasma utilizado en el proceso. En una clase de procesos se utilizan plasmas térmicos o plasmas de alta densidad, donde todas las especies (electrones, iones, átomos y moléculas neutras) tienen la misma temperatura y el grado de ionización es alto (la “densidad” se refiere a la densidad de carga). A este grupo pertenecen los procesos de deposición "plasma spray", con un chorro de plasma, la implantación iónica y los procesos de corte y soldadura por plasma. Ver esquema de la Figura 4.
Figura 3 -Plasma en Procesos Reactivos con potencial Negativo
De estas dos características se desprenden las principales ventajas del procesamiento de materiales por plasma: ♦ posibilidad de controlar el proceso de deposición mediante los parámetros eléctricos e hidrodinámicos, como efecto se logran recubrimientos con composición química y estructura controlada; ♦ posibilidad de realizar una limpieza fina de la superficie antes y durante la deposición, lo que aumenta la adherencia de los recubrimientos; ♦ reproductibilidad y controlabilidad de los procesos; ♦ uso de temperaturas menores que los proceso tradicionales, por lo tanto aumenta el rango de materiales a tratar;
Figura 4 - Procesos asistidos por plasma
Un segundo grupo de procesos utiliza plasmas fríos, o plasmas de baja densidad, donde los electrones libres no están en equilibrio termodinámico con las especies pesadas y el grado de ionización es bajo. Aquí se encuentran inscriptos todos los procesos de deposición o modificación de superficies en vacío: CVD y PVD asistidos por plasma, difusión o endurecimiento superficial asistidos por plasma.
La primera subdivisión de este grupo proviene de considerar los procesos que realizan recubrimientos, es decir depositan una película sobre un sustrato y los procesos que realizan una modificación de las primeras capas superficiales mediante la difusión de ciertas especies dentro del material. Al primer subgrupo pertenecen los procesos PACVD (Plasma Assisted CVD o CVD asistido por plasma) y PAPVD (PVD asistido por plasma). CVD y PVD son las siglas de Chemical y Physical Vapour Deposition, es decir deposición química y física en fase vapor, respectivamente. Al segundo grupo pertenecen los tratamientos termoquímicos asistidos por plasma: la nitruración iónica, carbonitruración, carburación o cementación y borado, asistidos por plasma. En estos casos el endurecimiento se produce por difusión de átomos en las capas superficiales que tensionan la red o forman compuestos más duros.
Grupo de Ingeniería de Superficies - GIS UTN Facultad Reg. C. del Uruguay El Grupo GIS se dedica a la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico en el área de tratamientos superficiales de metales a través de técnicas que involucran plasmas. El proyecto actual (2014-2016) se titula “Películas delgadas de base carbono para aplicaciones tribológicas y anticorrosivas”, y su objetivo fundamental es diseñar procesos de deposición de recubrimeintos tipo DLC para obtener películas sólidas con muy bajo coeficiente de fricción, en aceros de media y alta aleación, así como en aceros inoxidables. Se investigan también procesos de difusión termoquímica asistidos por plasma como nitruración, nitrocarburación y oxidación, para usarlos como pre tratamientos para los DLC e incrementar su adhesión y propiedades mecánicas. El Grupo GIS trabaja en conjunto con la empresa IONAR SA (Buenos Aires) en el desarrollo de un equipo industrial que combina técnicas de difusión y recubrimientos. También trabaja en conjunto con dos Institutos del CONICET y de las Universidades de Buenos Aires y Mar del Plata, dos Grupos de Brasil y dos europeos, en Austria y Alemania. El GIS ha construido enteramente un equipo de nitruración iónica, y trabaja en conjunto con otras instituciones que realizan recubrimientos asistidos por
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plasma. El laboratorio cuenta con equipos para estudios metalográficos, mediciones de dureza y perfiles de dureza en profundidad (con microdurómetro), ensayos mecánicos para evaluar la adhesión de recubrimientos y rugosímetro para la topografía superficial. La resistencia al desgaste se ensaya en tres máquinas diferentes que representan tres condiciones de servicio o solicitación: desgaste abrasivo, degradación por erosión-corrosión y desgaste por frotamiento o fretting (estos dos últimos en máquinas de diseño propio). También se realizan ensayos de corrosión por inmersión, en cámara de niebla salina y ensayos electroquímicos mediante convenio con otras instituciones. De la misma forma, para complementar los estudios de microestructura y de desgaste, se cuenta con la posibilidad de realizar análisis de difracción de RX y microscopía electrónica, por convenio con otras Instituciones. El equipamiento disponible permite trabajar en servicios a terceros cubriendo las áreas de análisis metalográfico de materiales, medidas de dureza, análisis de resistencia al desgaste y corrosión, así como la consultoría en temas de tratamientos térmicos y superficiales, selección de materiales y análisis de fallas. Sitios de Internet (información y empresas): Grupo de Ingeniería de Superficies (UTN-FRCU) http://www.frcu.utn.edu.ar/cyt/gis/ IONAR S.A. (Argentina) http://www.ionar.com.ar/index.html Plasma Science and Technology http://www.plasmas.org/ WIS Plasma Lab: http://plasmagate.weizmann.ac.il/ Society of Vacuum Coaters http://www.svc.org/ Balzers Ltd. http://www.balzers.co.uk/ y www.bus.balzers.com Advanced Heat Treatment Corp. http://www.ahtweb.com/ Ipsen International Inc. http://www.ipsen-international.com/ Plasma Technik Grün GmbH http://www.plateg.de/ Pye Metallurgical Consulting Inc. http://www.pyemet.com/ Hauzer Techno Coatings http://www.hauzertechnocoating.com Surface Technology Coatings http://www.surftech.com.au/ Fused Metals Inc. http://www.fusedmetalsinc.com Goldstar Coatings Inc. http://www.goldstarcoatings.com Vapor Tech Coatings http://www.vaportech.com
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RECUPERACIÓN DE COJINETES DE DESLIZAMIENTO Dr. Sebastián Laino – Fricare Ingeniería de Superficies S.R.L.
Resumen El proceso de recuperación o remetalado de cojinetes consiste básicamente en la remoción de la capa de metal blanco existente y el posterior aporte de una nueva capa. Los motivos que conducen a la necesidad de aplicar este proceso pueden ser varios, entre los más usuales se encuentran la fatiga, la deformación plástica (saca al cojinete de tolerancia dimensional) y la fusión del metal blanco entre otros.
Introducción Siempre que dos piezas tengan movimiento relativo entre ellas, sin importar su forma o configuración, constituyen por definición un cojinete. Generalmente, la lubricación se utiliza para reducir la fricción y eliminar el calor del cojinete. Se conoce como cojinete simple o de deslizamiento a un par de superficies cilíndricas en contacto conforme. En general uno de los elementos es un árbol o eje, fabricado en un material estructural con una resistencia adecuada para transmitir potencia, y el otro, usualmente llamado cojinete, fabricado o recubierto en un material más blando y con buenas propiedades frente al deslizamiento. Entre los materiales más conocidos para cojinetes se encuentran el bronce, las aleaciones de metal blanco “Babbitt” y algunos polímeros.
bolas o rodillos de acero endurecido confinados entre pistas de un material similar. Se utilizan generalmente para alcanzar fricciones muy bajas. Los cojinetes de deslizamiento pueden clasificarse, de acuerdo con el tipo de carga que soportan, en radiales, axiales, o radiales-axiales, Figura 1. Los cojinetes radiales cilíndricos han sido diseñados y utilizados satisfactoriamente mucho tiempo antes de que su funcionamiento haya sido completamente comprendido y calculado. Actualmente existen numerosos diseños especiales, que permiten disponer del cojinete plano óptimo para un amplio rango de cargas y velocidades de rotación. Entre ellos se encuentran los cojinetes no cilíndricos (ovalados, con lóbulos), los cojinetes asimétricos y los cojinetes de almohadillas basculantes (“tilting pads”). Materiales para cojinetes En la gran mayoría de los casos los árboles y ejes están fabricados en acero, de manera tal de ser capaces de transmitir potencia. Por el contrario los cojinetes, más precisamente la zona de deslizamiento de los mismos, son generalmente fabricados en materiales relativamente blandos (dureza al menos tres veces inferior a la del eje, de manera tal de no rayarlo y además permitir la incrustabilidad de terceros cuerpos), pero que posean a la vez una resistencia razonable, buena maquinabilidad y resistencia a la corrosión.
Figura 1. Cojinete de deslizamiento tipo radialaxial. Otro tipo de cojinete es el de elementos rodantes, más conocido como rodamiento, consistente en e-Tribos Octubre 2014
Entre los materiales poliméricos para cojinetes, los utilizados en la mayoría de los casos son los Nylons, acetales y PTFE, dado su bajo coeficiente Página 11
de roce contra acero en condiciones de deslizamiento en seco. Entre sus principales desventajas se encuentran la baja resistencia, baja temperatura de fusión y mala conductividad térmica. Sin embargo, son los cojinetes de menor costo. Los Metales Blancos o Aleaciones Babbitt (en honor al apellido de su creador) consisten en familias de aleaciones base estaño, aleado principalmente con cobre y antimonio, o base plomo, aleado con estaño y antimonio. Son las aleaciones para cojinetes por excelencia, caracterizándose por su baja dureza (buena incrustabilidad de terceros cuerpos), buena resistencia a la adhesión y baja resistencia a la fatiga. Se utilizan aplicadas en capas de 0,1 a 10 mm sobre respaldos de acero, fundición de hierro o bronce, que confieren la resistencia estructural al cojinete. Entre las aleaciones de cobre utilizadas en cojinetes, se destacan los bronces y, ocasionalmente, los latones. Presentan una mayor dureza y resistencia a la corrosión que los metales blancos, soportando mayores cargas y temperaturas. Sin embargo, las propiedades frente al deslizamiento contra acero son inferiores a las de los metales blancos. La tendencia hacia la reducción de tamaños de las máquinas y aumento de la potencia, hace necesaria la utilización de cojinetes más compactos con mayor capacidad de carga. Aquí es donde aparecen las aleaciones de aluminio, ampliamente utilizadas para cojinetes de la industria automotriz. Se caracterizan por una mayor resistencia que los bronces, y se alean con estaño y plomo para mejorar sus propiedades frente a la fricción. Otro tipo de tecnología utilizada es la de cojinetes trimetálicos, consistentes en una capa de metal blanco depositada sobre una capa de bronce, separadas entre ambas por una barrera de níquel para evitar la difusión del estaño. Estas capas están soportadas por un respaldo de acero.
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Aleaciones Babbitt Actualmente son utilizadas sólo las de base estaño, por encontrarse el plomo prohibido por cuestiones ambientales. Pequeñas variaciones en la composición química, provocan grandes variaciones en la micro estructura, disponiéndose de aleaciones para un amplio rango de condiciones de trabajo. Existe una gran variedad de normas, cada una aplicable en distintos ámbitos o países, que especifican las composiciones (y sus rangos) de las diferentes variantes de Babbitts. Algunas de ellas son la ASTM B23, QQ-T-390A, SAE J460, SABS, entre otras. Los distintos grados proveen un amplio rango de características, como alta capacidad de carga del cojinete, alta velocidad del eje o capacidad de soportar más altas temperaturas.
La microestructura de las aleaciones Babbitt en general presenta precipitados duros dispersos en una matriz blanda. Por ejemplo, en una de las aleaciones más comunes como la ASTM B23 N°2, Figura 2, la microestructura consiste en dendritas gruesas segregadas de solución sólida rica en estaño (fase blanda) y partículas dispersas del compuesto Cu6Sn5 (fase dura), que se presenta también en forma de agujas dispuestas en “estrella”.
Figura 2. Microestructura típica de la aleación Babbitt ASTM B23 N°2. Página 12
Remetalado de cojinetes Se denomina “remetalado” al proceso de recuperación o restitución de la capa de metal blanco de un cojinete. Los motivos de falla que conducen a la necesidad de remetalar un cojinete pueden ser varios, entre los más usuales se encuentran la fatiga, la deformación plástica (saca al cojinete de tolerancia dimensional), la fusión del metal blanco, entre otros. El proceso de remetalado consiste básicamente en la remoción de la capa de metal blanco existente y el posterior aporte de una nueva capa. La calidad del proceso impacta directamente sobre la resistencia de la interfaz metal blanco-respaldo del cojinete, lo cual se ve reflejado en la vida útil del mismo. Además, debe obtenerse una calidad tal que la tasa de desgaste sea predecible y constante, minimizando así la probabilidad de ocurrencia de fallas catastróficas del cojinete. El proceso consta de una serie de etapas básicas que, realizadas adecuadamente, garantizan la calidad del trabajo:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Limpieza Remoción metal blanco Preparación de la superficie del respaldo Estañado Aporte del metal blanco Limpieza del cojinete Mecanizado final
por soplete. Cualquiera sea el caso, el metal blanco fundido escurre y es recolectado sobre una bandeja. Aunque más laboriosa, costosa y con ciertas desventajas técnicas, la remoción del metal blanco también puede hacerse por arranque de viruta en un torno o fresa. La preparación del respaldo tiene la finalidad, por un lado, de aumentar la superficie de contacto con el metal blanco, lo cual se logra mediante granallado o ataque químico. El ataque químico se realiza usualmente sumergiendo la pieza en una solución acuosa de ácido clorhídrico (Tamb) o sulfúrico (T=80 °C). Por otra parte, se busca promover la reacción del material del respaldo con el estaño, de manera tal que este último cubra o “moje” toda la superficie de interés. Esto se logra sumergiendo la pieza en una solución acuosa de ácido clorhídrico y algunas sales, en el momento inmediato anterior al estañado. El propósito del estañado del respaldo, es el de proveer un puente metalúrgico entre el mismo y el metal blanco. El respaldo, sometido a todos los procesos anteriores de limpieza y preparación, se sumerge en un baño de estaño fundido, donde se producen reacciones entre éste y el hierro dando lugar a la formación de compuestos (unión metalúrgica). El resultado es una capa continua de estaño sobre la superficie de interés, Figura 3.
La etapa de limpieza consiste básicamente en la remoción de restos de aceite, grasa, suciedad en general, e incluso grasa proveniente de la piel al manipularlo. Se utilizan diversos métodos, entre los que se encuentran el desengrasado por solventes, desengrasado por vapor, limpieza alcalina, limpieza por emulsión y limpieza por ultrasonido. Este último método es el de mayor calidad, generando altas tasas de limpieza, incluso en lugares inaccesibles por otras técnicas.
Figura 3. Respaldo de cojinete estañado.
La remoción del metal blanco se realiza generalmente por calor, ya sea disponiendo el cojinete en una mufla eléctrica (proceso de mayor calidad y menos laborioso) o bien mediante llama
En ciertas situaciones, por ejemplo cuando la pieza es de grandes dimensiones, el estañado puede realizarse mediante la aplicación de estaño en polvo directamente sobre la superficie del
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respaldo, previamente preparado y calentado a una temperatura adecuada. Cuando existe cierto riesgo de que la resistencia de la unión metalúrgica entre el estaño y el material del respaldo no sea óptima, como es el caso de respaldos de fundición de hierro, se practican sobre este último ranuras circunferenciales tipo cola de milano, Figura 4, a fin de que el metal blanco ingrese en las mismas al momento de la colada y provea un anclaje mecánico de la capa depositada.
Figura 4. Respaldo de fundición de hierro, con colas de milano para anclar mecánicamente la capa de metal blanco. El aporte de la aleación de metal blanco, etapa central del proceso, puede realizarse mediante diferentes métodos, dependiendo del tipo y tamaño de cojinete. Entre estos métodos se encuentra la colada centrífuga, colada estática y spray térmico.
La colada centrífuga es la técnica de mayor calidad, mediante la cual se obtiene una óptima resistencia de la unión y una capa libre de defectos (porosidad, impurezas, entre otros). En esta técnica se utiliza la fuerza centrífuga para confinar el metal blanco en estado líquido contra las paredes interiores del respaldo, mientras éste se encuentra rotando a una velocidad acorde a su tamaño y a una temperatura adecuada.
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El cojinete debe estar adecuadamente centrado en una máquina centrifugadora, Figura 5, la cual además de la rotación provee la fuerza de cierre para contener el metal líquido. Una vez colado el metal blanco, se somete al cojinete a un ciclo de enfriamiento controlado, de manera tal que la solidificación avance desde el respaldo hacia el diámetro interior, eliminando así la presencia de defectos. En estas condiciones, la solidificación se produce bajo una fuerza de aproximadamente 20 G.
Figura 5. Cojinete montado sobre máquina centrifugadora. La colada estática, técnica de inferior calidad que la anterior (menor resistencia de la unión y control de porosidad), se emplea cuando las otras técnicas no son aplicables o bien no se justifican. Tal es el caso de aros o segmentos de empuje axial, cojinetes con formas anormales o cojinetes de gran tamaño (falta de disponibilidad de equipamiento). Al no existir en este caso la fuerza centrífuga para confinar el metal líquido, debe generarse un molde capaz de contenerlo hasta que solidifique. Esto puede lograrse de diversas maneras, por ejemplo utilizando un eje o tubo cuyo diámetro sea algo inferior al del cojinete. El resto de las consideraciones, tales como temperatura del respaldo y ciclo de enfriamiento, son las mismas que para el caso de colada centrífuga.
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Por su parte, el método de pulverizado térmico consiste en la fusión mediante llama o arco eléctrico de un alambre o polvo de la aleación a aportar, y su posterior atomización y proyección en estado plástico (semifundido) contra el respaldo del cojinete (previamente preparado) por medio de un chorro de aire comprimido. Esto se logra con un equipo diseñado específicamente para tal fin. La resistencia de la unión por esta técnica resulta inferior que por colada centrífuga, pero es un método mucho más versátil. Por su parte, el control de la porosidad es superior que para la colada estática y el espesor de capa posible de aportar es superior que en las dos técnicas de colada, dado que no existe el efecto de la segregación. En función de la técnica de aporte del metal blanco que se haya empleado, los trabajos
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posteriores pueden diferir, pero en general se debe desmontar el ensamblaje armado sobre el respaldo y posteriormente limpiar y preparar a este último para el mecanizado final. La preparación previa al mecanizado consiste básicamente en el rectificado, generalmente mediante lima manual, de las caras de cierre. Finalmente, como control de calidad es indispensable realizar mínimamente un ensayo de ultrasonido. En el mismo se busca encontrar, además del eco de la interfaz respaldo-metal blanco, el eco de fondo. De esta manera, al verificar que la onda de sonido atraviesa la interfaz, se puede corroborar la adherencia del metal blanco al respaldo. En caso de falta de adherencia, no se observará el eco de fondo, existiendo diversos criterios de aceptación / rechazo del cojinete remetalado.
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LUBRICACIÓN DE RODAMIENTOS Horacio Azzaro / Resp. Ingeniería de la Plataforma Lubricación / SKF Argentina
Resumen Para que los rodamientos funcionen de un modo fiable deben estar adecuadamente lubricados, con el fin de evitar el contacto metálico directo entre los elementos rodantes, los caminos de rodadura y las jaulas. El lubricante también evita el desgaste y protege las superficies contra la corrosión. Por tanto la elección del lubricante y del método de lubricación adecuado para cada aplicación, así como del mantenimiento apropiado, son de gran importancia.
1. INTRODUCCIÓN
Existe una extensa gama de grasas y aceites disponibles para la lubricación de los rodamientos como así también lubricantes sólidos para aplicaciones especiales. La selección del lubricante depende fundamentalmente de las condiciones de funcionamiento, es decir, del margen de temperaturas y velocidades, como así también de la influencia del entorno. El régimen de lubricación presente en los rodamientos es el de Lubricación Elastohidrodinámica (EHL). Esta es un estado de lubricación hidrodinámica que se caracteriza por la deformación elástica de las irregularidades de ambas superficies, debido a la carga que actúa sobre ellas. En este caso, la presión hidráulica de la película lubricante es lo suficientemente alta como para separarlas. El aumento de la viscosidad del aceite debido a la presión y el aplastamiento de la superficie, se combinan para "atrapar" el lubricante en el momento en que éste penetra en la zona de contacto.
El espesor mínimo de la película lubricante oscila entre 0,05 y 2 µm y es menor que en el caso de la teoría clásica hidrodinámica. La viscosidad del aceite puede llegar a límites de magnitud mayor que la viscosidad de entrada y la película lubricante puede desarrollar presiones hasta 350000 psi. e-Tribos Octubre 2014
2. SELECCIÓN DEL TIPO DE LUBRICANTE El primer paso para tener una correcta lubricación
de los rodamientos es seleccionar el tipo de lubricante adecuado.
2.1 LUBRICACIÓN CON GRASA Bajo condiciones normales de funcionamiento, es posible utilizar grasa para lubricar los rodamientos en la mayoría de las aplicaciones. La ventaja de la grasa con respecto al aceite, es que es más fácil de retener en la disposición de rodamientos, particularmente con ejes inclinados o verticales, ayudando también obturar la disposición contra los contaminantes, la humedad o el agua. Como contrapartida, la grasa puede provocar un aumento de temperatura en el interior del rodamiento cuando este funciona a altas velocidades. Cuando la velocidad es muy elevada es posible que no pueda lograrse una buena lubricación utilizando grasa ya que no se podrá evitar el efecto de centrifugado de la grasa que hará que la misma no llegue al punto a lubricar. Otra limitante de la grasa es la mala capacidad de disipar calor, motivo por el cual no es posible utilizarla en aplicaciones que generen altas temperaturas. Página 16
2.2 LUBRICACIÓN CON ACEITE Normalmente, la lubricación con aceite se emplea cuando las elevadas velocidades o las altas temperaturas de funcionamiento no permiten el uso de grasa, cuando es necesario evacuar del rodamiento el calor producido por la fricción o de origen externo, o cuando los componentes adyacentes (engranajes, etc.) están lubricados con aceite. Con el fin de aumentar la vida útil del rodamiento, es necesario el uso de una lubricación con aceite limpio, es decir, la lubricación por circulación de aceite bien filtrado, el método de inyección de chorro de aceite y el método de proyección de gotas de aceite con una filtración del aire y del aceite. Cuando se utilizan los métodos de lubricación por circulación de aceite y por proyección de gotas de aceite, se deben proporcionar conductos con unas dimensiones adecuadas que permitan que el aceite que circula por el rodamiento pueda salir de la disposición por gravedad. 2.3 LUBRICANTES SÓLIDOS La lubricación con lubricantes sólidos se emplea sólo en casos especiales, cuando alguna de las condiciones reinantes impide el uso de grasa o aceite. El caso más representativo es cuando la temperatura de operación es tan alta que no existen grasas o aceites capaces de soportarla.
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Entonces, en esos casos se recurre a la lubricación con lubricantes sólidos como el grafito. 3
SELECCIÓN DEL LUBRICANTE: VISCOSIDAD DEL ACEITE BASE Existen gran variedad de aceites y grasas lubricantes en el mercado. Los aceites están compuestos por: Aceite base: puede ser mineral o sintético. Dentro de los sintéticos existen varios tipos. El aceite base define la principal propiedad de los aceites: la viscosidad. También influye de manera determinante en otras propiedades como el rango de temperaturas de uso, resistencia a contaminantes, compatibilidad con sellos y pinturas, etc. Aditivos: Modifican las propiedades del aceite o le dan propiedades nuevas que no tiene. Los aditivos necesarios dependen de la aplicación, debiendo estar presentes sólo aquellos necesarios. Las grasas están compuestas por: Aceite base (ídem aceites lubricantes) Aditivos (ídem aceites lubricantes) Espesante: Es lo que contiene al aceite y le da la dureza a la grasa (consistencia). Existen varios tipos de espesantes (jabones metálicos, inorgánicos y polímeros). El espesante define algunas propiedades de la grasa como resistencia al agua, temperatura de operación, etc.
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En ambos casos, lubricación con grasa o aceite, el primer parámetro que debe calcularse es la viscosidad necesaria del aceite base. Para ello debemos recordar que la función principal de la lubricación es disminuir el desgaste reduciendo la fricción entre las dos superficies que están en movimiento relativo. Esto se logra formando una película que separe las superficies de manera que no haya contacto entre ellas, evitando así el desgaste. Para una determinada carga, y fluido lubricante, la formación de esta película depende de la velocidad de deslizamiento entre las superficies, de manera que dependiendo de la misma se pueden determinar tres tipos de fricción: Fricción límite: cuando la velocidad es muy baja, de manera que el espesor de la película lubricante es muy bajo. En este estado aún existe un elevado rozamiento entre las superficies metálicas y el desgaste es muy grande. Fricción mixta: Cuando la velocidad relativa entre ambas superficies es suficiente para formar una película lubricante que separa parcialmente las superficies, dejando un contacto mucho menor entre ellas. En este estado el desgaste es acotado y si se aplican los aditivos adecuados es posible que el rodamiento trabaje. Fricción fluida: Cuando la velocidad relativa entre las superficies permite la formación de una película lubricante lo suficientemente gruesa como para separar totalmente las superficies. En este estado el desgaste es mínimo, pudiendo incluso con cargas bajas evitar la aparición de la fatiga en el rodamiento. Estos estados de fricción se representan, para un lubricante con una viscosidad determinada, mediante la curva de Striebek. Cada lubricante, según tipo y viscosidad, tiene una curva característica que conserva la misma forma. En esta curva se puede observar que existe una velocidad para la cual la fricción es mínima. Esa sería la velocidad ideal teórica a la cual se debería utilizar ese lubricante.
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Ahora bien, como en la práctica la velocidad de giro de un rodamiento está dada por la aplicación y no podemos modificarla para adaptarla al lubricante, debemos hacer el camino inverso: determinar que lubricante nos ofrece la menor fricción, y por ende el menor desgaste, a la velocidad de giro de la aplicación. Para ello se recurre a un gráfico como el que se representa a continuación, en el cual ingresando con el tamaño del rodamiento (diámetro medio) y la velocidad de giro se determina que viscosidad debería tener el lubricante para ofrecer la menor fricción. A esta viscosidad se la denomina viscosidad mínima necesaria ν1.
En el ejemplo mostrado en el gráfico, si tenemos un rodamiento con diámetro externo de 420 mm y diámetro de agujero de 340 mm (resultando un diámetro medio de 380 mm) girando a 500 RPM, necesitaríamos un aceite con una viscosidad mínima necesaria de aproximadamente 11 cSt. La teoría de vida de los rodamientos demuestra que se obtiene la mayor vida útil de los mismos cuando se emplea un aceite con una viscosidad ν mayor que la viscosidad mínima necesaria ν1 calculada antes. Al cociente entre ν1 / ν se lo denomina factor κ(kappa) y se recomienda que tome valores entre 1 y 4 para maximizar la vida de los rodamientos. Ahora bien, comercialmente los lubricantes son clasificados por su viscosidad a 40°C (clasificación ISO VG) ya que la viscosidad de todos los aceites disminuye a medida que aumenta la temperatura. Es por esto que se deberá tener en cuenta la temperatura de operación para determinar que aceite deberá utilizarse para que se Página 18
cumpla con el requerimiento de viscosidad buscado a la temperatura de operación. Para ello se recurre a un gráfico como el siguiente, con el cual se determina un aceite con qué clasificación ISO VG es necesario. Estas curvas dependen de índice de viscosidad del aceite (grado de variación de la viscosidad con la temperatura) por lo que hay curvas específicas para cada tipo de aceite base. Las aquí representadas son únicamente para aceite mineral. Del gráfico se desprende que para el ejemplo anterior y a 70°C es necesario un aceite ISOVG32 para obtener un kappa de aproximadamente 1 (viscosidad aproximadamente igual a la viscosidad mínima necesaria) y es necesario un aceite ISOVG 150 para obtener un kappa de
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aproximadamente 4 (viscosidad 4 veces mayor que la viscosidad mínima necesaria). Esta viscosidad encontrada es aplicable tanto a lubricación por aceite como por grasa. En este último caso se utilizará como referencia y complementará a los demás requerimientos del lubricante, ya que no existe en la práctica una variedad de grasa que incluya todas las viscosidades de aceite posibles. Una vez obtenida la viscosidad apropiada de lubricante, se deberá seleccionar el más adecuado según la aditivación necesaria para cumplir con las exigencias de la aplicación. Existen gran variedad de aditivos, siendo los más comunes los siguientes:
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ADITIVO EP
FUNCIÓN EJEMPLO Aditivo extrema presión, para Aceite para reductores velocidades bajas y/o cargas muy altas.
AW
Aditivo antidesgaste, para reducir el Aceite hidráulico desgaste en régimen de lubricación mixta o límite
Antiespumante
Evitar que se genere espuma con el agitado del aceite
Demulsificante
Para separar más fácilmente el agua Aceite de turbinas que pueda ingresas
Mejorador de índice Para disminuir la variación de viscosidad viscosidad con la temperatura Detergente/dispersante
Aceite hidráulico
de Fluidos ATF
Para mantener los contaminantes en Aceite para motores de suspensión combustión interna
Depresor del punto de Para permitir el uso del aceite a bajas Aceites para compresores escurrimiento temperatura de frío
4 FRECUENCIA DE RELUBRICACIÓN y CANTIDAD DE LUBRICANTE . Durante el funcionamiento del rodamiento, la grasa va agotando su capacidad de lubricar, ya sea por la contaminación externa como por el agotamiento del aceite lubricante disponible. Es por ello que antes de que la relubricación resulte inadecuada (presentándose entonces una falla en el rodamiento) será necesario proceder a realizar una relubricación. Por lo tanto, es importante determinar con qué frecuencia y cantidad de grasa
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hacer esta relubricación, ya que una falta de grasa producirá un daño en el rodamiento por escasez de lubricante. Por otro lado, contrariamente a lo que se piensa, un exceso de lubricante también genera fallas en la lubricación, ya que se generará un aumento de temperatura que hará caer la viscosidad del aceite por debajo de los valores calculados. Para calcular la frecuencia de relubricación, se parte del gráfico mostrado a continuación:
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Referencias: tf: tiempo de funcionamiento básico A: V x dm, donde V=velocidad (RPM) dm=(D+d)/2 bf: factor del rodamiento (según tabla) C/P: Factor de carga del rodamiento. Un valor de C/P=4 representa carga alta, C/P=8 representa carga media y C/P=15 representa carga baja.
Veamos un ejemplo: Rodamiento: 22236 CC/W33 D=320 d=180 Velocidad: 500RPM Carga aplicada: media Calculando tenemos que dm=250, por lo que resulta A= V x dm = 125000. Del gráfico obtenemos un bf=2 por lo que resulta Axbf=250000. Ingresando con este valor en el gráfico hasta la curva de carga media obtenemos un período de relubricación de 1800hs. Este valor corresponde a 70°C y en condiciones óptimas de funcionamiento. Se deberán tener en cuenta farios factores que influyen con el período de relubricación, que son:
FACTOR Ft
DESCRIPCIÓN
VALOR
Corrección por temperatura
Ft = 2
70 −T 15
T: temperatura en °C Válido a partir de 55°C. Para valores menores tomar 55°C para el cálculo.
Fc
Corrección por contaminación
Fc=1 sin contaminación Fc=0,5 contaminación media Fc=0,2 contaminación alta
Fv
Corrección por vibraciones
Fv=1 sin vibraciones Fv=.5 vibraciones medias Fv=.25 Vibraciones altas
Fp
Corrección por disposición del eje
Fp=1 eje horizontal Fp=0,5 eje vertical
Fg
Corrección por aro giratorio
Fg=1 giro aro interior Fg=0,5 giro aro exterior
Resulta entonces el período de relubricación: t=tf x Ft x Fc x Fv x Fp x Fg Para determinar la cantidad de grasa a aplicar, se utiliza la fórmula mostrada en el siguiente gráfico: e-Tribos Octubre 2014
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Siendo: G: cantidad de grasa en gramos B: ancho del rodamiento en mm D: diámetro exterior del rodamiento en mm
(*) Utilizar esta fórmula sólo si la grasa ingresa al rodamiento por la ranura central W33, disponible en los rodamientos de doble hilera de rodillos a rótula.
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CONCLUSIÓN
La lubricación de un rodamiento es de vital importancia para la vida del mismo. Los estudios demuestran que el 50% de los rodamientos presentan fallas prematuras (fallan antes de lo previsto) por malas prácticas de lubricación. La selección del lubricantes adecuado (viscosidad, tipo de grasa, etc.), como también la cantidad de grasa (inicial y de relubricación), son una parte importante para trabajar bajo las normas de buenas prácticas de lubricación. Pero no son lo único, la contaminación del lubricante (con el medio ambiente, con otros lubricantes, etc), es decir el tratamiento adecuado del lubricante desde su fabricación hasta el punto de lubricación es
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también de vital importancia. Pero este es otro capítulo que podemos desarrollar más adelante. Existen softwares para el cálculo de lubricantes, frecuencias, etc., pero siempre es necesario que
quien opere el software tenga experiencia en lubricación y de campo para que los valores cargados reflejen con la mayor precisión posible las condiciones a que están sometidos los rodamientos. Aunque la frase sea muy trillada, no deja de ser una realidad: “La lubricación es al rodamiento lo que la sangre es a nuestro cuerpo”
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