Desgaste por fretting en utillajes y piezas de acero para herramientas
El fretting es lo que ocurre con dos superficies que debían permanecer inmóviles una respecto a la otra y no lo hacen. La vibración y una pequeña oscilación las mueven, el óxido que se forma no puede escapar del contacto, y el daño resultante se mide en fracciones de micrómetro mientras que la resistencia a la fatiga subyacente cae en un factor de dos a cinco. Esta página cubre cómo se reconoce el fretting en una pieza, la amplitud de deslizamiento a la que comienza y la amplitud a la que deja de ser fretting por completo, dónde causa daño real en maquinaria y utillajes, y qué medidas lo reducen realmente.
Qué es el fretting y cómo reconocerlo
El fretting es desgaste adhesivo que necesita movimiento relativo para producirse, y el movimiento es pequeño. Dos superficies ajustadas con precisión se someten a un movimiento relativo cíclico de amplitud extremadamente pequeña, normalmente resultado de la vibración de la máquina que las rodea, y el contacto entre ellas debe tener algo de deslizamiento para que se produzca daño. El fretting se acompaña con frecuencia de corrosión, y en piezas férreas en aire el producto es el óxido férrico de color marrón rojizo que da al proceso su otro nombre. Mezclados con aceite o grasa, esos residuos se conocen en los talleres como cacao, sangre o lodo rojo.
El indicio práctico es dónde aparece el residuo. En una unión lubricada lo suficiente como para que no se espere corrosión ordinaria, un polvo marrón rojizo es evidencia de fretting, y esa lectura se mantiene tanto si la unión es un ajuste a presión, un chavetero o una brida atornillada. En un componente sin lubricar el mismo polvo puede significar simplemente desgaste, porque allí el metal era libre de oxidarse de todos modos. El fretting también ocurre en materiales que no pueden oxidarse en el sentido ordinario, incluidos el oro, el platino y el óxido cúprico, y en una atmósfera inerte produce muy pocos residuos, por lo que la presencia de residuos es evidencia y su ausencia no es prueba.
| Término | Qué describe | Dónde se encuentra |
|---|---|---|
| Desgaste por fretting, o corrosión por fretting | Desgaste adhesivo impulsado por oscilación de pequeña amplitud, con residuos de óxido como producto visible | Cualquier unión que debía estar fija pero se mueve |
| Fatiga por fretting, llamada fatiga de contacto en la fuente | Daño por fretting en un contacto cargado que también inicia una grieta por fatiga | Ajustes a presión y por contracción, raíces de álabes, agujeros de remaches |
| Fretting por impacto, también llamado fatiga por impacto | La fuerza normal también oscila, por lo que las superficies pierden contacto en cada ciclo y el contacto martillea | Soportes de tubos, amortiguadores, conjuntos sueltos |
| Falso brinelling | Cráteres en una pista de rodadura con forma de impresiones Brinell, producidos por vibración mientras la pieza está estacionaria | Rodamientos en tránsito o en una máquina vibratoria |
| Óxido de ajuste | Residuos de fretting atrapados entre calibres o láminas sujetos con abrazaderas | Bloques patrón y paquetes de láminas |
| Reiboxydation, y corrosion de trepidation | Los nombres alemán y francés del mismo fenómeno | Bibliografía no en inglés |
Los nombres con los que se publica el daño por fretting, y el caso que describe cada uno. Recopilado de la sección inicial del artículo Fretting Wear Failures.
La amplitud lo decide todo
La pequeña amplitud del movimiento es la razón por la que el fretting daña una unión que un cálculo de desgaste normal consideraría segura. En un contacto analizado como una bola sobre un plano, el centro del contacto permanece bloqueado y el deslizamiento ocurre solo en un anillo exterior, por lo que el daño comienza como un anillo. A medida que aumenta la amplitud el anillo se ensancha, pero el radio exterior permanece fijo, y se necesita una amplitud mayor aún antes de que el deslizamiento cubra todo el contacto. Las mediciones siguientes son los umbrales que la fuente reporta sobre acero, y establecen la escala de todo el problema. El daño es detectable a una amplitud de 0,06 micrómetros, que es un movimiento lo bastante pequeño como para ser invisible, y la amplitud a la que el proceso se convierte en deslizamiento alternativo ordinario es más de mil veces mayor.
| Amplitud de deslizamiento | Lo que se observó a esa amplitud | Condición del ensayo |
|---|---|---|
| 0,06 µm (2,4 µin.) | El daño es detectable en acero | Bola sobre plano, carga de 88 N |
| 0,1 µm (4 µin.) | Aparece un anillo estrecho de daño | Bola sobre plano, carga de 88 N |
| 0,53 µm (21 µin.) | El daño es medible por perfilometría del plano | Bola sobre plano, carga de 88 N |
| 2,8 µm (110 µin.) | El daño se describe como severo | Bola sobre plano, carga de 88 N |
| aproximadamente 25 µm (1000 µin.) | El deslizamiento se vuelve total en todo el contacto, y por encima de esto el radio dañado crece linealmente con el número de ciclos | Bola sobre plano, carga de 135 N, amplitud de 8 a 25 µm, 50 Hz |
| por encima de 100 µm (0.004 in.) | La tasa de desgaste específica se vuelve constante y coincide con el deslizamiento unidireccional o alternativo | Varias geometrías de contacto, representadas como tasa de desgaste específica |
Umbrales de amplitud de deslizamiento medidos en contactos de acero, desde el primer daño detectable hasta la amplitud a la que el proceso deja de comportarse como fretting en absoluto. Fuente, la sección de amplitud de deslizamiento del artículo Fretting Wear Failures.
La baja velocidad relativa que acompaña a una amplitud pequeña también cambia el contacto. A una frecuencia de 25 hercios y una amplitud de 25 micrómetros, la velocidad media de las dos superficies es de 1,25 mm por segundo, frente a velocidades de deslizamiento del orden de 1 m por segundo en un rodamiento, por lo que los residuos que se forman permanecen donde se generaron en lugar de ser expulsados. Pueden compactarse bajo la carga de contacto y puede que nunca queden expuestos a la atmósfera, por lo que los residuos dentro de una unión con fretting a menudo parecen distintos del polvo suelto en el exterior. Las crestas también se imprimen en la superficie opuesta cuando esa superficie tiene el mejor acabado, de modo que la rugosidad de una parte de una unión aparece como un patrón en la otra.
Donde causa daño real
Los sitios comunes son aquellos donde una unión fija soporta una carga. Los contactos entre cubos, ajustes por contracción y a presión y alojamientos de rodamientos en ejes giratorios cargados son particularmente propensos, y en un eje el problema es más de fatiga que de desgaste, porque el movimiento que daña la superficie proviene de la tensión alterna dentro del eje y el daño se convierte entonces en el iniciador de grietas para el fallo por fatiga. En rodamientos de casquillo delgado, el ajuste de interferencia entre el casquillo y su alojamiento es lo que mantiene el conjunto inmóvil, y donde la presión de contacto es demasiado baja el casquillo se mueve, sufre fretting y el rodamiento falla de fuera hacia dentro. Los estriados y acoplamientos flexibles que existen para acomodar una ligera desalineación sufren fretting severo por diseño. En turbinas, la unión de disco a eje y la fijación de cola de milano o de abeto de los álabes son los sitios donde el fretting inicia grietas de fatiga, mientras que los amortiguadores en las puntas de los álabes pierden material y permiten que los álabes vibren con más fuerza.
Las uniones remachadas y atornilladas son el mismo problema en otra forma. No existe una unión estática en un avión, e incluso una sola unión remachada ofrece tres sitios de fretting separados, entre las chapas, entre la cabeza del remache y la chapa, y entre el vástago y el agujero. Los resortes de ballesta sufrieron fretting entre sus hojas, y un cable de acero sufre fretting en cada contacto entre alambres, donde en un cable de cordón cerrado los residuos tienen un volumen mayor que el metal del que provienen y separan los alambres, dejando salir el lubricante y entrar la atmósfera. Los tubos de generadores de vapor e intercambiadores de calor sufren fretting contra sus soportes bajo vibración inducida por el flujo. El fretting tampoco necesita un ciclo de carga para aparecer, ya que un rodamiento transportado en un camión o un tren sufre fretting entre las bolas y la pista mientras el eje está estacionario, que es el fallo que la industria llama falso brinelling.
El lado de la fatiga es el costoso
El daño por fretting y la fatiga se combinan, y la combinación es mucho peor que cualquiera de ellos por separado. Un ensayo reportado en 1941 encontró que las picaduras por fretting en la longitud de calibración de una probeta de fatiga de acero reducían la resistencia a la fatiga entre un 13 y un 17 por ciento. Trabajos posteriores sobre los dos actuando juntos, que es el caso habitual en la práctica, dieron factores de reducción de resistencia de 2 a 5 y mayores. La razón es visible en el reparto de la vida. En fatiga ordinaria, la iniciación de grietas puede representar alrededor del 90 por ciento de la vida total, por lo que una grieta que se inicia pronto cuesta poco de ese total. Cuando hay fretting, esa misma iniciación representa alrededor del 55 por ciento de la vida, lo que significa que casi la mitad de la vida a fatiga se consume antes de que exista una grieta detectable. Ese es el mecanismo por el cual una unión que soporta carga y se mueve acorta la vida de la pieza que sujeta, y es por lo que las medidas de rugosidad, recubrimiento y granallado importan más para la grieta que para la pérdida de metal.
Lo que realmente lo reduce
La primera pregunta a responder sobre un contacto con fretting es si el movimiento está controlado por fuerza o controlado por desplazamiento, porque los dos necesitan tratamientos opuestos. En el fretting controlado por fuerza, el contacto está en deslizamiento parcial, y aumentar el coeficiente de fricción o la carga normal reduce la cantidad de deslizamiento, lo que reduce el daño. En el fretting controlado por desplazamiento, el deslizamiento cubre toda la interfaz y la amplitud está fijada por el entorno, por lo que la forma de reducir el desgaste es reducir la carga normal y la fricción. Elegir la palanca equivocada de esas dos empeora el problema.
Más allá de eso, la fuente desarrolla diseño, condición superficial, recubrimientos, insertos y lubricantes, y cada uno tiene un límite que vale la pena conocer antes de especificarlo. Un detalle va contra la intuición y vale la pena declararlo claramente, que es que una superficie rugosa sufre menos fretting que una muy pulida, por lo que un acabado espejo en una cara de contacto no es una cura contra el fretting.
| Medida | Qué hace | El límite del mismo |
|---|---|---|
| Eliminar el movimiento relativo | Elimina la causa en lugar de tratar el síntoma, y es la única medida que lo hace | Una unión normalmente existe porque dos piezas tienen que ensamblarse, por lo que el movimiento rara vez puede eliminarse por completo en el diseño |
| Cambiar la presión de contacto | Bajo deslizamiento parcial a carga constante, una mayor presión de contacto reduce el área que desliza | Aumentar la presión añade un problema de fatiga propio en la misma unión |
| Rugosizar la superficie, mediante granallado con microesferas de vidrio o granalla de acero | Una superficie rugosa sufre menos fretting que una muy pulida, y el granallado también endurece la superficie por deformación | La tensión de compresión que deja el granallado hace poco por el desgaste en sí, pero hace mucho si una grieta de fatiga intenta iniciarse |
| Tratamiento de difusión o bombardeo, como cementación o nitruración | Endurece la superficie in situ, y la cementación y la nitruración del acero están establecidas contra el fretting así como contra el desgaste de engranajes | El tratamiento tiene que adaptarse al grado, y cualquier crecimiento debe preverse en el plano |
| Un recubrimiento duro aplicado sobre la superficie, o una capa depositada más blanda | Coloca un material resistente al desgaste en el contacto | Un recubrimiento más duro y más frágil que su sustrato se agrieta y se rompe cuando el sustrato cede, y un recubrimiento muy duro como el nitruro de titanio entonces abrasiona la contracara |
| Un inserto entre las superficies, una lámina de metal blando o un polímero de bajo módulo | El inserto absorbe el movimiento por deformación plástica o elástica, y una combinación de metal y polímero aporta la conductividad del metal con la conformabilidad del polímero | Necesita espacio en la unión, y el material tiene que adaptarse a la temperatura de servicio. El PTFE relleno de bronce contra acero ha mostrado una fricción muy baja y un desgaste indetectable |
| Un lubricante líquido o sólido | Reduce la fricción en el contacto y arrastra los residuos | Mantener el lubricante en el contacto es la dificultad, y una película sólida como el disulfuro de molibdeno se desgasta |
Las medidas que la fuente enumera contra el daño por fretting, con el mecanismo por el que actúa cada una y el punto en el que deja de ayudar. Fuente, la sección de prevención del daño por fretting del artículo Fretting Wear Failures.
Qué significa esto en un pedido de acero para herramientas
El fretting es un problema de diseño de uniones que termina siendo una cuestión de acero para herramientas cuando las medidas elegidas son metalúrgicas. Tres de ellas pertenecen a una discusión de compra. Una superficie nitrurada o cementada en las piezas que se mueven una contra otra, porque esos tratamientos están establecidos contra el fretting así como contra el desgaste, con la profundidad de capa elegida para el servicio y no para el plano. Un acero lo suficientemente limpio y sano como para iniciar tarde una grieta de fatiga, porque la grieta es lo que cuesta la vida y los residuos son solo la parte visible del daño. Y una combinación de dureza y tenacidad que se adapte a la unión y no a la herramienta, ya que un recubrimiento más duro que el sustrato sobre el que se asienta se agrieta y se rompe en cuanto el sustrato cede. La forma en que las picaduras y marcas dejadas por el fretting se interpretan frente a otros modos de daño está en el diagrama de identificación de modos de daño, la grieta por fatiga que sigue se cubre en Falla por fatiga en acero para herramientas, y los propios tratamientos superficiales se recogen en tratamiento con vapor para la vida útil de la herramienta y en Tratamiento térmico del acero para herramientas de trabajo en caliente. Las familias de grados resistentes al desgaste y sus datos de ensayo medidos se encuentran en Aceros para herramientas resistentes al desgaste abrasivo, aceros para herramientas resistentes al desgaste adhesivo y Datos de ensayo de desgaste abrasivo del acero para herramientas, el aspecto relacionado con el impacto está en Desgaste por impacto y desprendimiento de herramientas, y la forma en que se clasifica cualquier tipo de daño antes de explicarlo se establece en Análisis de fallas de herramientas y matrices. Cuando la unión es un ajuste por contracción en un eje endurecido, la tensión residual en la que se encuentra el ajuste se reporta como se describe en Medición de tensiones residuales en utillajes.
Antes de actuar sobre un diagnóstico de fretting
Es una página de referencia, no es una especificación de Aobo Steel, y las cifras anteriores son los valores publicados para los contactos de acero y las condiciones de ensayo indicadas. El daño por fretting depende de la amplitud, la carga, la frecuencia, el ambiente y el acabado de la unión real, y un umbral medido en un contacto bola sobre plano no se transfiere directamente a un ajuste por presión o a una estría. Los residuos de color marrón rojizo en una unión lubricada son evidencia de que el fretting está ocurriendo y no una medición de cuánto ha avanzado. Cuando la pieza también soporta una tensión cíclica, la grieta es el elemento que decide la vida útil, y merece su propio examen antes de reparar el desgaste.
Fuente: ASM Handbook, Volumen 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.