Desgaste en materiales: definición, tipos y procesos de la tribología

Descubre qué es el desgaste, sus tipos y procesos en tribología: causas, mecanismos y soluciones para proteger materiales y mejorar el rendimiento.

En la ciencia de los materiales, el desgaste es la erosión del material de una superficie sólida por la acción de otro sólido. El estudio de los procesos de desgaste forma parte de la disciplina de la tribología. Existen cuatro procesos principales de desgaste:

• Desgaste abrasivo: Ocurre cuando partículas duras (externas o desprendidas del propio par de contacto) arrancan material al deslizarse o rodar sobre una superficie. Se manifiesta en surcos, rayas y pérdida de material. Es frecuente en entornos con polvo, arena o partículas duras y en procesos de mecanizado.
• Desgaste adhesivo: Se da cuando en el contacto entre dos superficies hay formación de uniones locales (adhesiones) que se rompen al deslizar, arrancando fragmentos de material. Produce transferencia de material entre las superficies,ateces y a veces formación de "pitting" o microfracturas.
• Desgaste por fatiga de contacto: Provocado por esfuerzos cíclicos repetidos en la superficie o subsuperficie; aparecen grietas y finalmente fallos por desprendimiento de material en forma de escamas o partículas (pitting o spalling). Es típico en rodamientos, engranajes y componentes sometidos a contactos repetidos y cargas alternas.
• Desgaste químico/triboquímico (incluye corrosión): Implica reacciones químicas o electroquímicas en la superficie que alteran la microestructura y favorecen la pérdida de material. Puede combinarse con acciones mecánicas (tribocorrosión), por ejemplo oxidación acelerada por fricción o ataque químico facilitado por la eliminación de capas protectoras.

Principales mecanismos y características

• Mecanismos combinados: En la práctica, los mecanismos raramente actúan aislados: el desgaste adhesivo puede producir partículas que generan abrasión; la fatiga puede iniciarse por concentraciones de esfuerzo creadas por rugosidades abrasivas; la triboquímica puede debilitar capas protectoras y favorecer la adhesión.
• Mapas de desgaste: Herramientas gráficas que relacionan régimen de contacto (presión, velocidad, temperatura, lubricación) con el tipo y severidad del desgaste, útiles para el diseño y selección de materiales.
• Efectos superficiales: Cambios en rugosidad, dureza, microestructura y aparición de capas tribológicas (por ejemplo óxidos compactados o películas de transferencia) que pueden proteger o acelerar el desgaste.

Factores que influyen en el desgaste

• Propiedades de los materiales: Dureza, tenacidad, resistencia a la corrosión, microestructura y compatibilidad entre pares en contacto.
• Condiciones de carga y movimiento: Carga normal, presión de contacto, velocidad de deslizamiento, frecuencia de ciclos y tipo de movimiento (deslizamiento, rodadura, impacto).
• Condiciones ambientales y presencia de partículas: Temperatura, humedad, agentes químicos, presencia de abrasivos o lubricantes y contaminación.
• Superficie y acabado: Rugosidad inicial, tratamientos superficiales, recubrimientos y geometría del contacto.

Medición y modelado

• Ensayos comunes: Pruebas pin-on-disk, ball-on-flat, tribómetros reciprocantes, pruebas de erosión por partículas y ensayos de rodadura para rodamientos y engranajes.
• Magnitudes medidas: Pérdida de masa o volumen, profundidad de desgaste, coeficiente de fricción, distribución y tamaño de partículas desprendidas.
• Modelos: Una relación empírica usada frecuentemente es la ecuación de Archard: V = k · (W · s) / H, donde V = volumen desgastado, k = coeficiente de desgaste, W = carga normal, s = distancia de deslizamiento y H = dureza del material. Esta ecuación da una primera aproximación del comportamiento en muchos sistemas.
• Técnicas de análisis: Microscopía (óptica, SEM), análisis químico (EDS, XPS), perfilometría y difracción para caracterizar mecanismos y origen de las partículas.

Prevención y control del desgaste

• Lubricación: Uso de lubricantes adecuados (hidrodinámicos, oleo-reductores, sólidas como disulfuro de molibdeno) para minimizar contacto directo y adhesión. Considerar régimen de lubricación (boundary, mixed, hydrodynamic) y filtrado/renovación de lubricante.
• Selección de materiales: Elegir pares materiales compatibles, aumentar dureza o usar aleaciones resistentes al desgaste.
• Tratamientos superficiales y recubrimientos: Nitruros, cementación, cromo duro, PVD/CVD, recubrimientos cerámicos o poliméricos para proteger la superficie.
• Diseño y control de condiciones de servicio: Reducir concentraciones de esfuerzo, optimizar geometría de contacto, controlar cargas y velocidades, y evitar la entrada de partículas abrasivas.
• Mantenimiento predictivo y monitoreo: Inspección de condición, análisis de aceite, mediciones de vibración y control de temperatura para detectar desgaste incipiente y planificar intervenciones.

Aplicaciones y ejemplos

• Rodamientos y engranajes (fatiga de contacto, adhesión).
• Herramientas de corte y superficies de máquinas (abrasión por partículas).
• Sistemas automotrices: frenos, ejes, sistemas de transmisión (combinación de mecanismos).
• Implantes biomédicos (tribocorrosión y desgaste por articulación).
• Equipos industriales en ambientes con polvo/abrasivos (minería, construcción).

La tribología, al estudiar la fricción, el desgaste y la lubricación, aporta métodos y soluciones para aumentar la vida útil de componentes, mejorar la eficiencia energética y reducir costes de mantenimiento. Comprender los mecanismos y condiciones que favorecen el desgaste es esencial para diseñar materiales, recubrimientos y estrategias de operación que minimicen la pérdida de material y las fallas prematuras.

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