Tribología

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Tribología

08/11/2010
11-11-2010 Gijón
Proyección Térmica
INGENIERÍA DE SUPERFICIES.
Tribología: Fricción, Desgaste y
Lubricación
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Fricción
Desgaste
¿Cómo atenuar el desgaste y la fricción?
Tipos de desgaste y Recubrimientos
Técnicas de obtención de recubrimientos
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1. Introducción
Exigencias mecánicas sobre el volumen del material
Rotura
1
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1. Introducción
Exigencias sobre la superficie del material
- Mecánicas:
Desgaste
Fricción
- Electroquímicas:
Pareja de materiales
Movimiento relativo
Corrosión
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1. Introducción
TRIBOLOGÍA (Tribos + logos)
Es la ciencia y tecnología de las interacciones entre superficies
en movimiento relativo (fricción, desgaste, lubricación, …)
Lubricación
inadecuada
corrosión
Aumento de
exigencia de la
Deterioro
industria
a los
dimensional
sistemas
mecánicos
adhesión
abrasión
Límites
dede
Pérdida
solicitación de los
funcionalidad
materiales
empleados
2
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2. Fricción
Área real de contacto
La rugosidad superficial confina el contacto entre sólidos a una mínima
fracción del área aparente de contacto.
Aaparente  a  b  Areal   Ari
b
a
Contacto aparente
Contacto real
Independientemente de la calidad y acabado de las superficies, solamente se
producirán contactos en las regiones en que las asperezas se toquen y éstos serán
los que realmente soporten la totalidad de la carga aplicada
El área real de contacto normalmente varía entre 10-2 y 10-5 veces el área
aparente
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2. Fricción
.
Contacto elástico-plástico
Al aplicar una carga normal W, la tensión local en los puntos de
contacto excede los límites de elasticidad de los materiales y se
iniciará la deformación plástica , que crecerá aumentando así el
área real de contacto.
En este estado, la presión media en el contacto vale: pm  3y  H y no se altera
aunque la carga se incremente más
Se establecerá así un equilibrio entre la carga
aplicada y el área real de contacto:
pm 
W
H
ARE
3
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2. Fricción
Contacto elástico-plástico
ARE 
W
H
 El área real de contacto aumenta proporcionalmente al
hacerlo la carga aplicada
 El área real de contacto disminuye proporcionalmente
al aumentar la dureza (límite elástico) del material
(al aumentar el límite elástico, la deformación
plástica se inicia a cargas más altas)
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2. Fricción
Modelo simple de la fricción por deslizamiento
La elevada presión en los puntos de contacto
y la temperatura que se alcanza a causa de la
fricción en dichos contactos, generan
microsoldaduras (adhesión) en los mismos
Las fuerzas de adhesión físicas (fuerzas de
atracción de Van der Waals y electrostáticas)
y químicas (intercambio de electrones y
átomos, reacciones metálicas y covalentes)
contribuyen a incrementar este efecto
Para deslizar una superficie sobre la otra deben romperse a
cizalladura las mismas y para ello es necesario aplicar una
fuerza tangencial Fs (la fuerza de fricción).
s 
Fs
W
4
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2. Fricción
Este modelo no tiene en cuenta :
1.
La tensión de fluencia no es constante (los metales se endurecen por la
deformación plástica)
2.
La fuerza tangencial modifica el estado tensional, y ante tensiones
combinadas normales y tangenciales hay un crecimiento, hasta en un orden
de magnitud, del área real de contacto
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2. Fricción
3.
Choques de asperezas, que consumen energía y por ello incrementan la
fuerza de fricción
Deformación elástica
Q
a)
b)
c)
a)
b)
c)
Ft
2
Fr
Deformación plástica
1
N
Rotura
a)
Por ello el coeficiente de fricción es superior
a lo que predice el modelo descrito
b)
c)
Desgaste adhesivo
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2. Fricción
Otros factores que modifican el coeficiente de fricción:
 En vacío resulta casi imposible deslizar entre sí dos superficies metálicas
limpias, porque se produce una fuerte atracción atómica, que impide el
deslizamiento. La presencia de sólo trazas de oxígeno o vapor de agua crea
unas películas superficiales de óxido que dificultan la formación de una
microsoldadura perfecta, y el coeficiente de fricción disminuye
 La existencia de capas contaminantes (óxidos, capas adsorbidas, ...), reducen
considerablemente la fuerza de fricción por adhesión.
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2. Fricción
Cuando un metal desliza contra un polímero, aunque la causa de la fricción
es la misma, el coeficiente de fricción disminuye porque el flujo plástico en
el polímero tiende a orientar sus cadenas en la dirección del deslizamiento
y en esa dirección éste tiene lugar con mayor facilidad
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3. Desgaste
¿Qué es el desgaste?
El desgaste se define como la pérdida progresiva del material de la superficie de la
zona de contacto de dos cuerpos sometidos bajo carga, en movimiento relativo.
Factores que favorecen el desgaste:
1.
Disimilitud de las propiedades del par de materiales en contacto (dureza,
composición química, acabado superficial, …)
2.
Presencia de terceros cuerpos (partículas de desgaste, óxidos, productos de
degradación del lubricante, polvo, gas y vapores agresivos, etc.)
3.
Condiciones de servicio por encima de las límites:
1.
2.
3.
4.
Presión
Velocidad relativa
Temperatura
Lubricante (ausente, inadecuado o degradado)
Controlando todos estos factores se puede reducir o controlar el
desgaste, pero NO se puede eliminar por completo
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3. Desgaste
La diferencia entre una pieza nueva y una desgastada, puede expresarse:
 mediante su diferencia de peso,
 o mediante la diferencia entre sus dimensiones.
Una diferencia de apenas un pequeño
porcentaje causa a veces, que deba
tirarse el componente usado a la
chatarra habiendo perdido casi todo
su valor, a menos que se haga una
recuperación dimensional
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3. Desgaste
Ventajas de aumentar la vida de los componentes expuestos al desgaste
1. Se aumenta la eficacia y el rendimiento
2. Se reduce el tiempo de paradas improductivo para reparaciones.
3. Se reduce el coste de montar y desmontar las piezas.
4. Posiblemente se reduce también el coste de producción ya que se reduce el
coste de los equipos.
5. Se reduce el stock de piezas de recambio.
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4. ¿Cómo atenuar el desgaste y la fricción?
•
Actuando sobre los factores que los favorecen:
– Las condiciones de servicio (carga, velocidad, temperatura)
– La presencia de terceros cuerpos (partículas del desgaste, óxidos, productos
de degradación del lubricante polvo gas y vapores agresivos, etc.
•
Evitando el contacto entre las superficies:
Lubricación
•
Configurando una estructura tribomecánica adecuada con capas
protectoras o con la modificación de las superficies (Dureza,
Composición química, Acabado superficial):
Capa fluida entre superficies
rugosas.
Recubrimientos y Tratamientos superficiales
Han de tenerse en cuenta los mecanismos de
desgaste que se espera que actúen.
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4.1 Lubricación
Los lubricantes líquidos
pueden verse desplazados
bajo elevadas cargas o bajas
velocidades relativas.
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4.2 Recubrimientos
Un recubrimiento es
una delgada capa de
un segundo material
(recubrimiento),
aplicada sobre la
superficie del material
base (substrato) y con
propiedades diferentes
a éste.
RECUBRIMIENTOS
FUNCIONES
REDUCCIÓN DE VARIOS
MODOS DE DESGASTE
OBJETIVOS
REEMPLAZAR SUPERFICIES
MODIFICAR SUPERFICIES
LUBRICAR SUPERFICIES
ABSORCIÓN DE LUBRICANTE
POR LOS POROS
INCREMENTO DE LA
CAPACIDAD DE CARGA DEL
LUBRICANTE
RECONSTRUCCIÓN DE LA
SUPERFICIE DE CONTACTO
CREACIÓN DE SUPERFICIES
ABRASIVAS
AISLAMIENTO ELÉCTRICO
IMPLANTES MÉDICOS
CAMBIOS EN EL COEFICIENTE DE
FRICCIÓN
PROTECCIÓN CONTRA LA
CORROSIÓN
BARRERA TÉRMICA
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5. Tipos de desgaste y recubrimientos
Recubrimientos frente al desgaste
Aspectos a considerar:
- Relación costo-beneficio
- La función técnica del sistema y condiciones de servicio (C, V, T)
- Mecanismo de desgaste esperable
Cojinetes de material
antifricción (babbit)
Recubrimientos duros de
TiC, TiN, Cr2C3, WC,..
(Ruedas de ferrocarril,
Palas mecánicas,
transport. de husillo,…)
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Tipos de desgaste
 Desgaste adhesivo
 Desgaste abrasivo
 Desgaste por fatiga
 Desgaste corrosivo
 Desgaste erosivo
 Desgaste por impacto
 Desgaste por cavitación
1.
No suele presentarse aislado un solo mecanismo de desgaste, resultando
difícil establecer cuál es el mecanismo de desgaste predominante.
2.
No se ha podido enunciar una ley general que englobe a todos.
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Desgaste adhesivo
 La presión de contacto y la temperatura
que causa la fricción en las pequeñas
áreas reales de contacto, generan
microsoldaduras en estos puntos
 Las fuerzas de adhesión físicas (fuerzas de
atracción de Van der Waals y
electrostáticas) y químicas (intercambio de
electrones y átomos, reacciones metálicas
y covalentes) contribuyen a incrementar
este efecto
 El desgaste adhesivo tiene lugar cuando
una superficie se adhiere a otra,
produciéndose la rotura de uno de los
materiales como consecuencia del
movimiento relativo
No se rompe la soldadura recién formada en virtud del
endurecimiento por deformación inducido en la región
más próxima a la unión
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Desgaste adhesivo
Transferencia de material
C
C
V
Dirección de fluencia
en máxima cortadura
C
V
Deslizamiento
de la grieta
V
Generación de
partículas con
una nueva
pasada
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Desgaste adhesivo
Los metales similares
sueldan juntos con
facilidad, por lo que son
más susceptibles de sufrir
desgaste adhesivo.
Por ello NO deben usarse
juntos en contactos
deslizantes bajo
condiciones que sean
susceptibles de causar
problemas de desgaste.
GRIPAJE
Grado de compatibilidad entre distintos metales
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Desgaste adhesivo
1.
El desgaste adhesivo disminuye si se reduce el área real de contacto Ar (Ar = W/H),
reduciendo la carga aplicada W, o aumentando el límite elástico (la dureza) de la
superficie, o separando las rugosidades.
2.
Los contaminantes superficiales y los óxidos dificultan el desgaste adhesivo
3.
En vacío no se forman y por eso se obtienen coeficientes de fricción y tasas de desgaste
elevadas
4.
Elementos de aleación como el S (en ppm) inhiben apreciablemente la adhesión
5.
Ciertos aditivos de los lubricantes (Cl y S) debilitan las soldaduras generadas, de modo que
sean éstas las que se rompan y no el metal base, disminuyendo el desgaste adhesivo.
6.
Las partículas sueltas de metal y óxidos de metal que resultan del desgaste por adhesión
pueden provocar desgaste adicional de la superficie por abrasión.
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Recubrimientos porosos frente al desgaste lubricado
La rugosidad actúa como un conjunto de
micro-depósitos favoreciendo la retención
de pequeñas volúmenes de lubricante así
como el confinamiento de partículas, más
aún cuando en vez de rugosidad se trata
de porosidad ya que esta última ejerce
ambos efectos con una menor incidencia
en fenómenos de desgaste abrasivo
Porosidad vs. rugosidad.
Hay técnicas que implican la existencia de porosidad, como la
proyección por plasma e incluso hay procesos posteriores de
tratamientos superficiales orientados única y exclusivamente a la
obtención de poros superficiales controlados en forma y distribución,
como el texturizado.
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Desgaste abrasivo (mat. dúctiles)
Tiene lugar cuando una protuberancia dura de la superficie de un material (dos
cuerpos) o una partícula libre e igualmente dura (tres cuerpos) es presionada contra
otra superficie, más blanda, a la que deforma plásticamente, produciendo en su
movimiento un rayado o surco.
Abrasión de
dos cuerpos
Abrasión de tres
cuerpos
(Partículas de desgaste,
polvo exterior de alta
dureza…)
Las partículas pueden temporalmente
embeberse en el material más blando y
tallar surcos en el otro, al que rayará.
La dureza relativa de la partícula abrasiva
respecto a ambas superficies, es la que
determinará si el abrasivo permanece libre
o si quedará incrustado en la superficie
más blanda.
Dureza y buenos acabados superficiales de las
piezas importantes suele ser la solución habitual
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Abrasión de dos cuerpos
Abrasión de tres cuerpos
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El desgaste abrasivo será suave si la tensión de fluencia del abrasivo (ya)
es menor que la tensión de fluencia del metal abrasionado (ym):
Correlación entre la dureza de un metal y su
límite de fluencia: H = 3 y
Se recomienda :
B)
A)
ya
El desgaste abrasivo depende de la
relación entre la dureza del abrasivo, Ha,
y la dureza del metal, Hm.
ya
Hm ≥ 1,2.Ha (Ha ≤ 0,8.Hm)
para reducir el desgaste abrasivo.
ym
ya>ym
ya<ym
Aumentar más Hm no mejora
significativamente la resistencia al desgaste
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Ley del Desgaste
Para materiales dúctiles, el desgaste adhesivo y
abrasivo se describen según una ley similar:
Volumen desgastado (mm3)
Carga normal aplicada
Índice de desgaste Q (mm3/m)
(Volumen total eliminado por unidad de
distancia deslizada):
Q
dV
W
K
dl
H
longitud de
deslizamiento
Dureza del material
más blando
Coeficiente de desgaste, (constante
característica adimensional)
El hecho de que el desgaste abrasivo siga aparentemente la
misma ley que el desgaste adhesivo, hace difícil la distinción
experimental entre este tipo de desgaste y el adhesivo, pero
simplifica su tratamiento cuantitativo a efectos de diseño.
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Recubrimientos frente al desgaste abrasivo
Los materiales que mejor resisten el desgaste por abrasión,
son aquellos de mayor dureza.
No obstante en general, cuanto más duros, menos tenaces
son, es decir, menos soportan los impactos
Si combinado con la abrasión existiera también erosión por
impactos, un recargue de gran dureza se desgastaría más de
lo previsto
Por ello es importante conocer al causa de desgaste de los materiales, a fin de
elegir el material y método de recargue más adecuado.
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Tienen una alta fracción de volumen de partículas finas y duras embebidas en una matriz más
blanda, que debe poseer una tenacidad adecuada.
Las partículas duras pueden ser composites sintetizados a partir de dos o más componentes distintos:
• carburos metálicos duros (VC, TiC, NbC, M3C, M6C, M7C3, etc.)
• constituyentes de los aceros duros, fundiciones blancas (Ni-Cr, alto %Cr o en Cr-Mo)
• aleaciones base cobalto (Stellites)
• cermets, (WC/Co, CrC-NiCr)
No interesa que las partículas duras sean
de gran tamaño.
(a)
(b)
Si la deformación causada por la partícula de
abrasivo es significativamente mayor que el
tamaño de la partícula dura, el material se
comportará prácticamente como un sólido
homogéneo.
En caso contrario se producirá el
desprendimiento de las partículas duras.
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A veces las superficies pueden ser protegidas de forma eficaz y con menor coste,
realizando cordones en forma de malla u otra distribución.
Ensayos prácticos determinan el
diseño más eficaz
Por ejemplo los dientes de una pala excavadora son desgastados por partículas
de tamaño muy variable. Con un buen diseño, las partículas pequeñas llenan los
intersticios de los cordones de recargue y protegen al metal base de las
partículas de desgaste mayores.
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Desgaste por fatiga superficial
Es típico de
los contactos
por rodadura
En rodamientos, engranajes, levas y ruedas de metal que giran sobre rieles, se generan
esfuerzos de contacto cíclicos pulsatorios (con cada revolución de un cojinete o engrane).
Aunque durante algún tiempo el material no parece verse afectado, las tensiones de Hertz
pulsatorias acaban nucleando microfisuras que con el tiempo se propagan hasta la superficie, y
se unen a otras grietas hasta que pequeñas porciones de material se desprenden, produciendo el
picado de la superficie (“pitting”) o el desconchamiento de la misma.
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Las picaduras se originan a
partir de grietas superficiales
El desconchamiento es
consecuencia de grietas
originadas bajo la superficie
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Este proceso de desgaste aparece
incluso con la mejor lubricación posible
Las partículas de desgaste
formadas suelen ser mayores
que las formadas en el
desgaste adhesivo (1000 µm
frente a 30 µm) y pueden a su
vez dar lugar a una "abrasión
de tres cuerpos".
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Actuaciones para reducir el desgaste a fatiga:
1.
Una buena lubricación:
1) Reduce la fuerza de fricción que contribuye con la carga normal, a originar y propagar las grietas.
2) Reduce los esfuerzos térmicos al evacuar mejor el calor.
3) Produce una distribución más favorable de la presión sobre el área de contacto.
2.
Al aumentar la dureza superficial, se incrementa la resistencia a la fatiga de la superficie.
3.
La precisión geométrica y un buen acabado superficial inducen grandes beneficios.
5.
Las tensiones residuales a la compresión de las superficies en contacto aumentan la
resistencia al fallo por fatiga de la superficie.
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Desgaste corrosivo y triboquímico
El desgaste corrosivo se define como un
proceso en el que se producen reacciones
químicas o electroquímicas del material
con el medio ambiente, en combinación
con algunos de los procesos mecánicos de
desgaste existentes.
El índice de desgaste de una superficie
corroída es a menudo más elevado que
el de una superficie no corroída
La corrosión de una superficie
desgastada puede ser asimismo, más
elevado que el de una superficie no
desgastada
Tª
La pérdida de material puede
ser bastante elevada.
Vd
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Recubrimientos frente a la corrosión
Protección catódica
•Menos nobles que el substrato.
•Aleaciones de Zn, Al y ZnAlMg.
•Baja resistencia mecánica.
•Elevada protección electroquímica.
Zn+2 O2 OH- Nobles
e-
Zinc
Acero
Barrera
+2
+ Nobles Fe
Acero
O2 OHCr3C2-NiCr
e-
•Más nobles que el substrato.
•Acero Inox, cermets y aleaciones
base Ni y Co.
•Mayor resistencia mecánica.
•Más utilizado en componentes que
sufren corrosión/erosión.
•Protección en función de la
integridad del recubrimiento.
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Desgaste erosivo
De naturaleza análoga a la abrasión, es
producido por el impacto de partículas
abrasivas (sólidas o líquidas) en
suspensión en un fluido (líquido o gas).
Es el mecanismo de desgaste típico de:
•ángulo de incidencia
•velocidad
•concentración, forma y dureza
flujo del fluido
tipo de material y su historial (trat
superficiales, tensiones previas, etc.)
• Tuberías, turbinas hidráulicas y asientos de válvulas que están en contacto con el agua de
los ríos con sólidos en suspensión
• Rodetes y carcasas de bombas centrífugas de fluidos abrasivos
• Ventiladores y válvulas que mueven gases con partículas sólidas en suspensión
• Palas de los helicópteros y álabes de los turbo-reactores de los aviones por la arena
suspendida en el aire.
• Calderas de centrales térmicas, donde las cenizas y el propio carbón en forma de polvo
impacta sobre las superficies interiores.
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Desgaste Erosivo. Efecto del ángulo de incidencia
abrasión
impacto
Materiales dúctiles el mayor daño se produce
cuando el ángulo de impacto es pequeño
(abrasión)
Materiales frágiles, el mayor daño se produce
para un ángulo de impacto de 90º (impacto).
Hay materiales que se erosionan combinando
estos dos mecanismos de desgaste.
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Desgaste por impacto
– Este tipo de desgaste es muy común
en elementos de máquinas
sometidos a golpes constantes
(matrices de forja, embutición, corte,
uñas de palas mecánicas)
– El continuo aplastamiento que sufre
el material, produce un recalco de
los granos hacia todas direcciones y
se produce el desprendimiento del
material deformado
Aleaciones de acero autoendurecibles
en frío
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Recubrimientos frente al desgaste erosivo
En el desgaste erosivo pueden actuar simultáneamente la
abrasión y el impacto de las partículas a alta velocidad
El recargue tendrá tenacidad para los impactos, y alto límite
elástico (dureza) a fin de evitar la deformación plástica
Materiales adecuados:
Aleaciones de acero austenítico al Mn o al Cr-Mn,
de dureza  20 HRc al recargar, pero que se autoendurecen
rápidamente hasta  50 HRc por trabajo
El mallado en este caso no ha lugar porque no se puede
predeterminar dónde impactarán las partículas
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Desgaste por cavitación
Consiste en la formación de burbujas de gas en el
seno del líquido cuando pasa por zonas donde la
presión de éste es inferior a su presión de vapor.
La corriente arrastra las burbujas hasta una zona
de presión más alta, donde se vuelven inestables y
se colapsan implosionando en o cerca de la
superficie. Las ondas de presión golpean la
superficie provocando esfuerzos locales que
pueden ocasionar deformación plástica.
El recargue tendrá alto límite elástico (dureza)
a fin de evitar la deformación plástica
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Desgaste por cavitación
Se produce en turbinas
hidráulicas, bombas
hidráulicas, tuberías y
hélices de embarcaciones
La cavitación se incrementa con la rugosidad o con cualquier imperfección de
la superficie del metal (poros, cordones de soldadura con deficiente ejecución
de la pasada de raíz (por exceso o por defecto de penetración)), ya que
propician la formación de turbulencias en la zona del defecto, y éstas favorecen
la formación de zonas de alto vacío (baja presión).
El desgaste por cavitación tiene la forma típica de cavidades en el
material, logrando en algunos casos atravesar espesores de más de
100 mm en menos de un año de servicio.
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6. Técnicas de obtención de recubrimientos
Tratamientos con transformación estructural
 No se aplica material
 Modificación de estructura metalúrgica
Tratamientos de conversión
 Material aplicado reacciona con la
superficie
Tratamientos de difusión
 Material aplicado se integra en el substrato
Recubrimientos
 Material aplicado no reacciona con la
superficie
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Por modificación superficial
Estructural
Química por difusión
Temple superficial
Cementación
Nitruración
Carbonitruración
Borurización
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Por unión de materiales sólidos
A partir de metales y
aleaciones sólidas
Mecánico
Por laminado
Soldadura por explosión
De difusión por inmersión
en metal fundido
(punto fusión < 800 ºC)
Galvanizado (Zn)
Aluminizado (Al)
Emplomado (Pb+Sn)
Hojalata (Sn)
Utilizan partículas en suspensión
Pinturas
Mecánica
Térmica
Pulverización
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Utilizan iones, átomos o moléculas
CVD
PVD
Diferentes fuentes de vapor
Evaporación catódica al vacío
Sputtering
Deposición electrolítica
Implantación iónica
Cromado (Cr)
Niquelado (Ni)
Cincado (Zn)
Anodizado (Al2O3 en Al)
Deposición Química
Electroless o Niquelado químico
Cromatación
Fosfatación
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Utilizan partículas sólidas o líquidas
Recubrimiento por
Metalización por llama
Arco eléctrico
Plasma
Detonación
HVOF
Cold Spray
Recubrimiento por fusión Soldadura a la llama
Soldadura por arco
Soldadura por plasma
Soldadura por haz de electrones
Recubrimiento por láser
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Espesores de capa típicos que se pueden
obtener con diferentes procedimientos
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Dios creó los sólidos,
pero las superficies
las hizo el demonio
(Wolfrang Pauli)
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