Estudio experimental de la interacción sólido-líquido y la generación de partículas de desgaste esféricas en fisuras abiertas por FCR

Abstract

El daño por fatiga de contacto que involucra la formación y desprendimiento de fragmentos de la superficie en forma de “escamas” es una de las principales causas de degradación y falla en elementos sometidos a movimiento relativo de rodadura, tales como dientes de engranajes, componentes de cojinetes rodantes, árboles de levas, rieles de ferrocarril, etc. Este modo de daño llamado “fatiga de contacto por rodadura” ó por sus siglas “FCR” (en inglés “rollingcontact fatigue” ó “RCF”) es fenomenológicamente complejo, y su comprensión realizaría un gran aporte al área de la tribología. Además, la generación de partículas de desgaste de forma esférica es asociada a los fenómenos de FCR. En este trabajo de tesis se estudia el comportamiento de diferentes materiales sometidos a fatiga por rodadura de contacto. Esto involucra el análisis de penetración de diferentes fluidos en fisuras pre-existentesy el estudio de las partículas de desgaste esféricas generadas durante el mencionado proceso tribológico. Con este propósito se realizaron ensayos en un tribómetro de contacto lineal y otro de contacto puntual. Los ensayos lineales fueron realizados con materiales de contacto rueda/pista de SAE 4140/SAE 4140 y SAE 4140/CAMPLO 2005 T3 con cuatro lubricantes diferentes. Los lubricantes utilizados fueron glicerina pura, agua pura, y dos disoluciones de la glicerina con agua al 75% y 50%en peso. Los lubricantes fueron mezclados con una pequeña cantidad de elementos trazadores para ser reconocidos dentro de la fisura mediante análisis de composición química puntual. Asimismo, los ensayos de contacto puntual se realizaron sobre rodamientos comerciales tipo crapodina, con pista de SAE 52100 y bolillas de Nitruro de Silicio (Si3N4). Como lubricante se utilizó vaselina líquida, libre de aditivos. Por otra parte, las condiciones de contacto fueron modeladas mediante teorías termoelastohidrodinamicas TEHD, para conocer principalmente la distribución de presión sobre la superficie y el espesor de película lubricante generado en las diferentes condiciones de contacto. Los resultados obtenidos en ensayos de FCR con contacto lineal en probetas de aleación de base aluminio muestran que en el rango de velocidad y presión de contacto aplicados, la penetración fluido lubricante dentro de las fisuras no depende de la viscosidad del fluido (en un rango de 8x10-4 a 5.9x10-1Pa.s) y que el mecanismo produce una notable cantidad de partículas esféricas de desgaste en el interior de las fisuras. Por otra parte, en los ensayos de contacto puntualse forman partículas de desgaste esféricas cuyos elementos componentes están relacionados con el estado de las superficies de rodadura. Al desarrollarse fisuras por RCF aparecenpartículas esféricas con hierro, oxígeno y cromo. Globalmente, los resultados de esta tesis permiten concluir que la nueva metodología propuesta para el análisis de penetración de líquido en diferentes condiciones de ensayo, permite identificar experimentalmente el comportamiento de las fisuras por FCR para diferentes materiales y condiciones.Además, las conclusiones alcanzadas en este estudio representan un aporte al conocimiento tecnológico del área de mantenimiento predictivo facilitando la toma de decisiones respecto de acciones que prevengan la falla prematura severa en equipos industriales.

Damage by fatigue contact, which involves the formation and detachment of fragments of a surface in the form of "flakes", is one of the main causes of degradation and failure in rolling elements subjected to relative motion, such as gear teeth, rolling bearings, camshafts, railroad tracks, etc. This mode of damage,known as "rolling contact fatigue" or, by its acronym, "RCF", is phenomenologically complex, and its understanding would makes a great contribution to the area of tribology. Moreover, the generation of spherical wear particles is a phenomenon associated to FCR. In this thesis, the behavior of different materials subjected to rolling contact fatigue isstudied.This involves the analysis of the penetration of different fluids into pre-existing cracks and the study of the spherical wear particles generated during thistribological process. With this purpose, different tests were carried out in tribometersof linear and point contact. Linear tests were conducted with wheel/track contact based in SAE 4140/SAE 4140 and SAE 4140/CAMPLO 2005 T3 using four different lubricants. The lubricants were: pure glycerin, pure water, and two solutions with 50 and 75wt% of glycerinin water. Small amounts of tracers were added to the lubricants to determine their depths of penetration inside the cracksby elemental analysis using Energy-dispersive X-ray spectroscopy. On the other hand, the point contact tests were performed on commercial thrust bearings based on SAE 52100 raceways and Silicon Nitride (Si3N4) balls. Additive-free liquid vaseline was used as lubricant. Moreover, thermo-elasto-hydrodynamic (TEHD) theories were used, mainly to calculate the pressure distribution on the surface and the lubricant film thickness generated at the different contact conditions. The resultsobtained fromthe FCR line contact testson specimens of aluminum based alloy show that, in the range of speed and contact pressure applied, the penetration of the lubricant fluid inside the cracks does not depend on the viscosity of the fluid (in the range of 8 10-4 to 0.59 Pa.s) and that the wear mechanism produces a considerable amount of spherical particles inside the cracks. Furthermore, spherical particles are formed during the point contact wear tests, whose component elements can be associated with the state of the running surfaces. When RCF cracks appear, spherical particles are generated that contain iron, oxygen and chromium. Overall, the results from this thesis allowto conclude that the proposed new methodology for the analysis of liquid penetration under different test conditions allow to experimentally identify the behavior of RCF cracks of different materials and conditions. Furthermore, the conclusions reached in this study represent a contribution to technological knowledge for the area of predictive maintenance, facilitating making decisionson actions to prevent severe premature failure in industrial equipment.