Una de las principales misiones del lubricante es la de reducir el rozamiento entre las superficies con movimiento relativo entre ellas y con ello el desgaste que sufren a los valores mínimos posibles. Evidentemente las consecuencias que se derivan de un desgaste excesivo son: avería total, con lo que ello supone (indisponibilidad, reparación, etc), molestias al usuario (aumento de los gastos de explotación: consumos excesivos, pérdida de satisfacción o comodidad: ruidos), pérdidas de potencia, incidencias directas sobre la vida del vehículo.
De todas maneras, no hay que achacar únicamente al lubricante todo el papel de defensa del desgaste ya que otros factores van a afectar al mismo como son: la tecnología del conjunto y la de cada pieza considerada independientemente, la composición metalúrgica de estas últimas, las condiciones de utilización del motor y su grado de acuerdo con las previsiones que por diseño debía tener, el combustible empleado, la calidad de la combustión, etc.
Comencemos por definir qué entendemos por desgaste, y que para nosotros serán aquellos fenómenos que se manifiestan con una pérdida de materia en una pieza sometida a rozamiento. Los tipos de desgaste que pueden presentarse en un motor son los siguientes:
- Desgaste Adhesivo o por Contacto Metal-Metal:
Es el llamado “scuffing” en terminología anglosajona, y se presenta en todos los rozamientos cuando las superficies no están separadas completamente por una película lubricante; posiblemente éste sea el tipo de desgaste más importante y por ello también el menos deseado.
Este desgaste se debe a que las superficies, aún las mejores acabadas, contienen a escala micrométrica, numerosas asperezas superficiales.
En estas condiciones cuando dos superficies entran en contacto, la unión no se efectúa mas que por una serie de picos, sobre los cuales se ejercen presiones muy considerables, de tal forma que se producen deformaciones plásticas del metal hasta que las superficies reales de contacto sean lo suficientemente grandes para que puedan soportar la carga. En este momento las presiones locales de contacto son del orden de la dureza del metal más blando. En el nivel de las superficies reales de contacto por efecto de las elevadas presiones que allí se dan, los enlaces Inter metálicos son muy fuertes; se trata prácticamente de soldaduras; el esfuerzo de rozamiento resulta de la necesidad de romper estas soldaduras o adherencias para que tenga lugar un desplazamiento relativo de las superficies, y el mismo desgaste adhesivo es consecuencia de este mecanismo. A partir de este mecanismo resulta que, en función de los tipos de materiales, de las cargas aplicadas y de las velocidades de deslizamiento, el proceso puede evolucionar de distintas maneras, desde la mejora por eliminación progresiva de las asperezas (“incipient scuffing”, rodaje), hasta la degradación por un mecanismo auto acelerado, que provoca finalmente el gripado del mecanismo (“seizure”) y da lugar a graves averías.
En los motores, esta forma de desgaste tiene lugar naturalmente en las zonas de rozamiento en las que una lubricación defectuosa (difícil acceso del aceite, viscosidad baja, volatilización elevada del aceite, dilución, etc.), o la presencia de cargas específicas elevadas o de velocidades lentas hacen imposible la correcta formación de la película de aceite.
- Desgaste por Fatiga Superficial:
Esta forma de desgaste (“pitting”), interesa sobre todo a los mecanismos en los que interviene el rozamiento de rodamientos. En este caso la aplicación de las ecuaciones de Hertz para las deformaciones elásticas muestra que los esfuerzos máximos se producen a una determinada profundidad por debajo de la superficie.
La repetición cíclica de estos esfuerzos puede dar como resultado grietas profundas de fatiga y finalmente la aparición de picaduras y de escamas.
Fatiga térmica de superficies de fricción duras y frágiles sometidas a gradientes térmicos elevados. Este desgaste afecta sobre todo a las superficies en deslizamiento puro con elevada velocidad. El deterioro producido se presenta en forma de grietas repartidas uniformemente, de dirección perpendicular a la dirección de deslizamiento.
En la reacción de combustión en el motor se generan una serie de productos, algunos de los cuales tienen un carácter muy ácido, y la presencia de agua puede hacerlos muy agresivos frente a los metales. Incluso el mismo aceite cuando alcanza un cierto grado de alteración puede originar oxiácidos volátiles y corrosivos.
En este tipo de desgaste, el desprendimiento de materia de una superficie ocurre cuando partículas duras o superficies rugosas se desplazan sobre una superficie más suave. Este tipo de desgaste no siempre es perjudicial, e incluso puede ser deseable en algunos casos de herramientas de corte, ya que el desgaste abrasivo también puede ser visto como una serie de micro-cortes. Centrándonos en el aspecto negativo de este tipo de desgaste; esta abrasión (“scoring” o “scratching”) puede tener lugar por dos mecanismos diferentes.
Si de las dos superficies rozantes, una tiene una dureza muy superior a la otra y una rugosidad suficiente, sus asperezas producen un verdadero “rastrillado” de la superficie más blanda. Sin embargo, si la superficie dura está bastante pulida, el desgaste es difícil. De todas formas, el fenómeno de la abrasión resulta lo más frecuentemente de la presencia entre las superficies rozantes de partículas extrañas, más duras que cualquiera de las superficies. La intensidad de la abrasión es función de las durezas relativas de las dos superficies y del abrasivo. Entre dos superficies de dureza semejante, la abrasión la sufre esencialmente la superficie más blanda. Si de las dos superficies, una es relativamente muy blanda, las partículas abrasivas se incrustan profundamente, pero si emerge una parte de ellas, la superficie antagónica más dura es la que se desgasta.
Este tipo de desgaste se produce cuando las superficies metálicas están “bañadas” por un fluido animado de gran velocidad y cargado de partículas sólidas y duras.
Este desgaste es muy semejante al abrasivo, pero mientras en este último, las partículas trabajan las superficies bajo el efecto de las fuerzas angulares en los juegos pequeños, en el caso de la erosión, es únicamente la energía cinética de las partículas la que puede, en los puntos de impacto sobre las superficies, provocar las deformaciones o arranque de materia.
Tabla Genérica de Tipos de Desgaste en las Diversas Piezas del Motor:
Análisis para Determinar el Desgaste del Motor:
Para poder obtener un Análisis correcto de los Desgastes Internos de un Motor, se puede utilizar diferente métodos ya que el aceite lubricante como fluido que está en contacto directo con las superficies rozantes del mecanismo que protege, arrastra en su seno las partículas que se forman debido a esa fricción y debe tener como misión llevarlas hasta los dispositivos empleados para su eliminación, tales como los filtros. Es por ello que el estudio detallado de las partículas que se encuentran en el aceite, tanto de forma cualitativa, en el sentido de conocer de qué materiales se trata, como cuantitativa para poder conocer su cantidad es muy interesante e importante, ya que a partir de ello se puede inferir si se están alcanzando niveles de fricción anormales y cuál es el origen más probable de estas partículas pudiendo así focalizar el problema en algún mecanismo concreto del motor o elemento que esté en estudio.
Existe una amplia gama de métodos empleados para conocer el estado de desgaste en que se encuentra un motor Diesel a partir del estudio de las partículas contenidas en el mismo, de las cuales se van a considerar:
- Ferrografia
- Espectrometría
- Recuento de Partículas
- Colectores Magnéticos
- Microscopia
Los dos primeros métodos son los más ampliamente utilizados, aunque el primero aún está muy por delante del segundo, el cual tiene un coste bastante superior [ASM Handbook, 1992]. La espectrometría proporciona resultados cualitativos y cuantitativos, esto es, metales presentes en el aceite y en qué cantidad. Los demás métodos no pueden dar directamente la composición de las partículas metálicas presentes en el aceite y se requiere de un análisis posterior si se quiere conocer dicha composición.
Espectrometría
Esta técnica está basada en la interacción que existe entre la radiación electromagnética y la materia cuando se produce un intercambio de energía, conociendo que los átomos de cualquier elemento producen espectros electromagnéticos característicos al ser excitados, con lo cual mediante la apariencia de los mismos va a ser posible la identificación del elemento.
La representación de la intensidad de emisión de las radiaciones frente a la longitud de onda es lo que se conoce como el espectro de emisión. Estos espectros de emisión presentan máximos de energía a diferentes longitudes de onda y con distinta intensidad en función de los diferentes elementos presentes en la muestra.
Se trata de una técnica analítica que permite la separación de las partículas pequeñas (1-20 μm) de las muestras de aceite usado, con la suficiente resolución espacial que permite estudiar su morfología en detalle. La Ferrografia separa magnéticamente las partículas y por esta razón sólo sirve para estudiar los contenidos de materiales ferromagnéticos, incluidos los muy débiles y algunos como el aluminio o bronce que, no siendo magnéticos, al desgastarse contra materiales ferrosos adquieren trazas de ellos y se comportan como ligeramente magnéticos. De esto deriva una de las características más valiosas para la aplicación de la Ferrografia al monitorizado de los aceites usados: ignora todas las impurezas que contiene el aceite, excepto las partículas de desgaste. Puesto que estas son entidades únicas, con atributos individuales que identifican las condiciones que las produjeron, un cuidadoso examen de su morfología y composición suministra información específica sobre las superficies y el tipo de desgaste que las originó.
Este método proporciona la distribución de tamaños de las partículas presentes en la muestra, pero no suministra información sobre los elementos que las componen. Los contadores de partículas dan el número de partículas encontradas en categorías de tamaños especificadas. Habitualmente esto se indica con un número mayor que el tamaño indicado. La normativa usualmente empleada para calificar el recuento de partículas es la norma ISO 4406, en la cual se califica con un rango numérico el número de partículas aparecidas de tamaños superiores a unos valores predeterminados, que en la última modificación de esta norma son: partículas superiores a 4 μm, superiores a 6 μm y superiores a 14 μm, que dan la calificación R4 / R6 / R14. La normativa antigua solamente consideraba dos grupos de evaluación, partículas mayores de 5 μm y partículas mayores de 15 μm, con la correspondiente calificación R5 / R15.
Existen básicamente dos tipos de contadores de partículas: los que utilizan la dispersión de la luz por láser para efectuar las mediciones y los que se basan en el bloqueo u oscurecimiento de la luz. En este último tipo, el más comúnmente utilizado, las partículas son iluminadas por un rayo láser que produce un pico de corriente proporcional al tamaño de la partícula en un fotodiodo. Un sistema electrónico, clasifica las señales en distintas categorías y va contando el número de picos que se van produciendo.
Microscopia
La técnica de la microscopía resulta totalmente complementaria con el resto de técnicas aquí descritas, ya que permite la inspección de las partículas previamente detectadas. El tipo de microscopía a utilizar vendrá dado por el tamaño de las partículas que se quiere inspeccionar, así para tamaños superiores a 1 μm, la utilización de un microscopio convencional o bicromático será suficiente, pero para tamaños menores a este habrá que pasar a la utilización de la microscopía
electrónica.
Para un examen más extenso de las superficies o partículas de desgaste se utiliza el microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscopy SEM). La gran profundidad de campo y su alta resolución comparada con los microscopios ópticos y su capacidad para determinar la composición del espécimen observado si se asocia un equipo de análisis mediante rayos X han hecho de este tipo de equipos los más ampliamente utilizados en la investigación del desgaste en superficies o de las mismas partículas producto de este desgaste. Si se requiere de un mayor detalle en la información de la microestructura cabe la posibilidad de utilización del microscopio electrónico de transmisión (Transmission Electron Microscope TEM). Podemos encontrar además otros tipos como el microscopio electrónico Auger o el Scanning Tunnelling Microscope.
Colectores Magnéticos
Los colectores magnéticos son dispositivos que permiten la recolección, por atracción magnética, de las partículas presentes en el aceite en función de su tamaño. Para partículas mayores de 300 μm se consiguen eficiencias hasta del 60%, siendo menor dicha eficiencia para tamaños menores. Las partículas recogidas, magnéticas o paramagnéticas, pueden ser importante fuente de información como indicador de la tasa de desgaste que está sufriendo el elemento lubricado, así como del tipo de desgaste que éste está sufriendo, ya que en un posterior paso puede recurrirse al análisis de las partículas atrapadas por el colector mediante la utilización de microscopio de bajo aumento para identificar el origen de las mismas. Existen atlas y tablas de partículas de desgaste que permiten la identificación de dichas partículas.
En la utilización de esta técnica es fundamental el posicionamiento del colector, procurando que el mismo sea capaz de realizar una máxima captura de partículas. Posiciones como los codos de los conductos pueden ayudar con la actuación de la fuerza centrífuga a la deposición de dichas partículas. No en todos los casos se permite el posicionamiento en estas zonas y es necesario recurrir a la utilización de campos magnéticos más potentes.
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