Efectos de la capa superficial de muestras de acero después del bruñido con bolas sobre la fricción y el desgaste en deslizamiento alternativo en seco.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11315 (2023) Citar este artículo

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Aún no se han estudiado los efectos del bruñido con bolas sobre el comportamiento tribológico en el movimiento alternativo seco. Este trabajo intenta llenar este vacío. Las muestras de discos de acero después del fresado se pulieron con bolas. Debido al bruñido con bolas, la altura promedio de la superficie disminuyó al 85% y la microdureza aumentó al 20%. El bruñido también generó tensiones residuales de compresión que fueron el factor responsable de mejorar la dureza de la superficie del acero. Las pruebas trobológicas se llevaron a cabo en movimiento alternativo en condiciones de deslizamiento seco. Una bola cerámica de 10 mm de diámetro hecha de material WC entró en contacto con el disco de acero. Se descubrió que el bruñido de bolas conducía a mejoras en el desgaste del disco y la fricción del par deslizante. Las disminuciones máximas en el coeficiente de fricción y el volumen de desgaste en comparación con la muestra fresada fueron del 39% y 85%, respectivamente. Las muestras de menor amplitud y alta microdureza condujeron al mayor comportamiento.

El bruñido con bolas es un proceso de acabado que provoca la deformación plástica de una superficie en el que se mueve y presiona una bola dura sobre la superficie. Conduce a una mejora en el acabado superficial así como en las propiedades físicas y mecánicas de la pieza. Debido a que la contaminación ambiental es pequeña, este proceso es una alternativa interesante a la molienda. Normalmente, el diámetro de la esfera está entre 3 y 12 mm. En la mayoría de los trabajos, la calidad de la capa superficial se estimó en base a la rugosidad superficial caracterizada por el parámetro Ra (altura de rugosidad promedio), la microdureza y las tensiones residuales1. Normalmente, la carga de bruñido, la velocidad de avance y el avance eran los parámetros de entrada2. El bruñido con bolas generalmente provoca un alisado de la superficie, un aumento de la dureza y tensiones de compresión3.

Los investigadores estudiaron principalmente los efectos del bruñido con bolas sobre la disminución de la altura de la rugosidad4,5,6,7,8,9,10,11.

Attabi et al. 4 encontraron que el bruñido con bolas de acero AISI 316L conducía a una disminución del parámetro Ra de hasta un 93%.

Banh et al.5 alcanzaron una disminución en el parámetro Ra del cobre libre de oxígeno de 0,89 (después de la molienda) a 0,18 µm debido al bruñido con bolas.

Dzionk et al.6 obtuvieron una reducción en el parámetro Sa (extensión área del parámetro Ra) de casi el 50% debido al bruñido con bolas cerámicas del eje endurecido.

Jerez-Mesa et al.7 consiguieron una disminución del rms. Altura de rugosidad Sq de superficies de Ti-6Al-4 V debido al bruñido con bolas. También se consideraron los cambios en la asimetría Ssk y la curtosis Sku. El efecto de la vibración adicional sobre la reducción de la altura de la superficie fue positivo cuando el valor inicial del parámetro Sq era inferior a 2 µm.

Vaishya et al.8 lograron una disminución en la altura de la rugosidad del 95% del material utilizado en moldes ópticos debido al bruñido con bolas de carburo de tungsteno, la rugosidad superficial inicial determinada por el parámetro Sa (Ra) fue de 5 µm. Un aumento de la carga de bruñido condujo al alisado de la superficie.

Kanovic et al.9 obtuvieron una disminución en el parámetro Ra de la superficie del acero de 3,4–4,5 a 0,13 µm debido al bruñido con una bola de cerámica.

El-Tayeb et al.10 encontraron que una disminución en el diámetro de la bola causaba una reducción en la altura de rugosidad de la superficie de la aleación de aluminio en un 75%.

Swirad et al.11 lograron una disminución en el parámetro Sq de la muestra de acero martensítico debido al bruñido con bolas.

También se estudiaron los efectos del bruñido con bolas sobre el aumento de la dureza 12,13,14,15,16,17,18,19.

Hamadache et al.12 revelaron que el exponente de endurecimiento de la capa superficial aumentó en un 10% debido al bruñido de la bola de diamante de acero 36NiCrMo6.

Bourieba et al.13 descubrieron que el bruñido con bolas provocaba aumentos en la dureza y la resistencia a la rotura en casi el 30% de las muestras de acero S355JR. En 14 consiguieron un aumento de dureza del 45%.

Revenkar et al.15 obtuvieron mejoras en la altura de la rugosidad superficial y la dureza de la aleación de titanio del 77 y 17%, respectivamente, debido al bruñido con bolas.

Buldum y Cagan16 lograron una reducción en la altura de la rugosidad de la superficie y un aumento en la microdureza de la aleación de magnesio debido al bruñido con bolas.

Rodríguez et al.17 así como Swirad y Pawlus18,19 revelaron que una gran carga de bruñido conducía a un aumento en la dureza superficial; sin embargo, una fuerza demasiado alta puede provocar un crecimiento en la amplitud de la superficie.

También se analizaron los efectos del bruñido con bolas sobre las tensiones residuales20,21,22,23.

Chomienne et al.20 estudiaron el efecto de los parámetros de bruñido sobre el perfil de tensiones residuales y encontraron que la fuerza normal influye principalmente en el espesor de la capa afectada.

Alshareef et al.21 estudiaron la relación entre los factores de bruñido y las tensiones residuales del acero AISI 8620 bruñido con bolas. La presión de bruñido y la velocidad de avance afectaron considerablemente las tensiones residuales.

Zhang et al.22 encontraron que el bruñido con bolas transformaba las tensiones residuales de tracción después de convertirse en tensiones de compresión.

Han et al.23 optimizaron la altura de la rugosidad de la superficie y las tensiones residuales después del bruñido con bolas.

Los investigadores estudiaron el efecto del bruñido en la calidad de la superficie cambiando la carga, la velocidad y el avance2,20,21,22,23, Jerez-Mesa et al.7 cambiaron el avance y la velocidad, El-Tayeb et al.10 la velocidad y la carga del bruñido, Swirad et al.11, Rodríguez et al.17 y Swirad y Pawlus18,19 fuerza de bruñido.

La topografía de la superficie está relacionada con las propiedades tribológicas de los elementos de la máquina. Desempeña un papel importante en el período inicial de vida útil de la máquina, que frecuentemente está asociado con el período de rodaje. Sin embargo, el efecto de la topografía de la superficie se puede extender al funcionamiento normal de los pares deslizantes, especialmente para durezas y tensiones residuales similares de las capas superficiales24. La topografía de la superficie afectó los comportamientos tribológicos de los pares deslizantes en deslizamiento seco25,26,27,28,29,30,31,32.

Elwasli et al.25 probaron una placa de aleación de aluminio con varias topografías de superficie contra rodamientos de bolas de acero en deslizamiento seco alternativo. Se encontró que para superficies de disco rugosas y superficies de disco especialmente lisas, los niveles de fricción y desgaste del disco eran mayores cuando la pendiente media del perfil era mayor.

Menezes et al.26 estudiaron el efecto de la topografía de la superficie de la placa de acero sobre la coacción con el pasador de plomo. En condiciones secas, el coeficiente de fricción estuvo fuertemente correlacionado con la pendiente del perfil de la placa de acero.

El disco de hierro fundido WC-CoCr se coaccionó con un pasador comercial de un material de baja fricción metálica en deslizamiento unidireccional seco27. El desgaste del pasador aumentó al aumentar la altura de rugosidad del disco, a diferencia de la fricción, que fue mayor para la superficie lisa del disco. El desgaste del disco fue marginal.

Wen et al.28 probaron la coacción entre un disco de acero de menor dureza y una bola de acero de mayor dureza bajo deslizamiento unidireccional en seco. Los discos se mecanizaban mediante rectificado, fresado y torneado, por lo que tenían diferentes topografías superficiales. Se encontró que la topografía de la superficie de los discos afecta el coeficiente de fricción sólo durante el rodaje. La superficie más lisa provocó una mayor fricción durante el rodaje, sin embargo, obtuvo una fricción estable más rápidamente.

Dzierwa et al.29 encontraron que la mayor rugosidad superficial de un disco de acero conducía a una mayor distancia para obtener condiciones de estado estable en ensayos de deslizamiento unidireccional en seco. Una mayor rugosidad del disco condujo a un menor desgaste volumétrico.

Khun et al.30 obtuvieron una menor fricción y desgaste de las muestras de niobio al aumentar la altura de rugosidad en pruebas de fricción seca en configuración de bola sobre disco.

Zhu y Huang31 realizaron pruebas en seco entre muestras de acero de diferentes topografías superficiales y bolas pulidas de cerámica de corindón. Descubrieron que para asimetrías y curtosis similares se observaba un aumento en la altura de la rugosidad.

En 32, el bloque de material compuesto coaccionó con el anillo de acero en condiciones de fricción seca. El nivel de desgaste del bloque fue generalmente mayor cuando la altura de rugosidad de la contramuestra del anillo era mayor.

Los experimentos se llevaron a cabo en una configuración de pasador sobre disco en condiciones de fricción seca33. Tanto el pasador como los discos estaban fabricados en acero. La altura de la superficie, determinada por el parámetro Sq, disminuyó a medida que avanzaba la prueba. El parámetro Sq y rms. La pendiente Sdq se correlacionó positivamente con el coeficiente de fricción.

La dureza se considera una propiedad primaria del material que define la resistencia al desgaste34. La superficie más dura condujo a una reducción del desgaste35,36,37,38.

Jeong et al.35 encontraron que la resistencia al desgaste abrasivo era linealmente proporcional a la dureza de los recubrimientos.

Jiang et al.36 revelaron que cuando aparecía un desgaste predominantemente adhesivo, la resistencia al desgaste de la muestra de acero era proporcional a la dureza en las pruebas de deslizamiento en seco.

Mendikos et al.37 obtuvieron un menor desgaste de resinas compuestas más duras.

Debido al aumento de la dureza, la reducción del desgaste en deslizamiento seco se logró en 38 en condiciones de contacto seco.

Las tensiones residuales de compresión contribuyen a la prolongación de la vida útil de los elementos de la máquina 38. También afectaron positivamente la resistencia al desgaste39,40,41,42,43.

Luo et al.39,40 descubrieron que las tensiones de compresión en los recubrimientos de WC-Co rociados con HVOF tenían efectos positivos significativos sobre la resistencia al desgaste, a diferencia de las tensiones de tracción.

Liu et al.41 revelaron que altas tensiones residuales de compresión podrían mejorar la resistencia al desgaste del acero al carbono medio endurecido por inducción.

Dancer et al.42 obtuvieron un aumento en la resistencia al desgaste severo de compuestos de dos capas de alúmina-carburo de silicio debido a la presencia de tensiones residuales de compresión.

Alanazi et al.43 lograron un aumento de la resistencia al desgaste de los recubrimientos nanocristalinos debido a un aumento de las tensiones residuales de compresión sólo hasta un cierto valor de tensión.

Se estudiaron los efectos tribológicos del bruñido con bolas4,10,18,44,45.

El bruñido con bolas provocó la mejora en el comportamiento a la fatiga de las muestras sometidas a pruebas de fatiga rotacional 1.

Attabi et al.4 lograron, gracias al desgaste por bruñido de bolas, una reducción de la fricción seca de hasta un 53,4% en deslizamiento unidireccional en configuración de bola sobre disco. Sin embargo, se obtuvo una disminución en la fuerza de fricción sólo para la superficie bruñida más lisa de la pieza de trabajo.

El-Tayeb et al.10 obtuvieron una reducción de la fricción y el desgaste en ensayos de deslizamiento en seco debido al bruñido con bolas, en comparación con la probeta torneada.

Swirad y Pawlus18 redujeron la fricción y el desgaste debido al bruñido con bolas en deslizamiento seco unidireccional, en comparación con la superficie fresada.

El bruñido con bolas de acero resultó en un aumento de la dureza del 31% y una disminución en el parámetro Ra del 80%, lo que llevó a una reducción en el volumen de desgaste por impacto entre el 53 y el 62%44.

Revankar45 logró gracias al pulido con bolas una disminución en la tasa de desgaste en un 52% y el coeficiente de fricción en un 64% de la aleación de titanio en pruebas en seco unidireccionales en comparación con la superficie torneada.

Del análisis de la literatura se puede ver que los resultados de los estudios sobre los efectos de la altura de la textura de la superficie sobre la fricción en condiciones de deslizamiento en seco fueron a veces contradictorios. Normalmente, los aumentos de dureza y la presencia de tensiones residuales mejoraron la resistencia al desgaste de los elementos deslizantes. La mayoría de las pruebas tribológicas bajo el régimen de fricción seca se llevaron a cabo en deslizamiento unidireccional. La prueba alternativa es uno de los métodos de prueba de desgaste de laboratorio comúnmente utilizados para determinar el comportamiento de desgaste de materiales de ingeniería, utilizados en componentes cuyo funcionamiento normal resulta en inversiones periódicas en la dirección de deslizamiento relativo. Sin embargo, rara vez se llevaron a cabo pruebas en seco en movimientos alternativos. Específicamente, los autores de este artículo no encontraron resultados del efecto del bruñido con bolas sobre la fricción y el desgaste en pruebas alternativas en seco. Este trabajo intenta llenar este vacío. La novedad de este trabajo es el estudio de los efectos de unión de la topografía superficial, la dureza y las tensiones residuales de los discos después del bruñido con bolas sobre la fricción y el desgaste en deslizamiento alternativo en seco. Las pruebas alternativas de bola sobre plano son funcionalmente importantes porque simulan las acciones conjuntas de componentes en fricción cuyas operaciones normales resultan en inversiones periódicas en la dirección de deslizamiento.

Las investigaciones se realizaron en configuración de bola sobre disco con un movimiento alternativo seco. Se colocó una bola de cerámica de 10 mm de diámetro hecha de material WC en contacto con un disco de 25 mm de diámetro hecho de acero 42CrMo4 de dureza 44 ± 2 HRC. Las pruebas se llevaron a cabo utilizando el tribotester Optimol SRV5 a una temperatura de 30 °C, la humedad relativa fue del 40 al 50 %, la frecuencia se ajustó a 50 Hz, la carrera se ajustó a 1 mm y el número de ciclos se ajustó a 45.000. Se aplicaron las siguientes fuerzas normales: 20, 40 y 60 N. El número de repeticiones del ensayo fue tres. La Tabla 1 presenta los parámetros de prueba. Las cargas normales y la frecuencia de oscilación fueron similares a las utilizadas en investigaciones anteriores en condiciones brutas de fricción por los autores de este artículo 19. Los parámetros de trabajo aseguraron operar en deslizamiento alternativo seco, sin fricción. Se seleccionaron tres cargas normales para estudiar el efecto tribológico del bruñido con bolas en diversas condiciones.

La Figura 1 presenta el esquema del tribotester.

El esquema del tribotester.

Antes de las pruebas tribológicas, las muestras de disco después del fresado se pulieron con la aplicación del Centro de fresado vertical CNC VF-1 de Haas. La Tabla 2 presenta los parámetros de bruñido. Las presiones de bruñido utilizadas comprenden el abanico de posibilidades disponibles.

Antes y después de las pruebas tribológicas, las topografías superficiales de los elementos deslizantes se midieron utilizando el interferómetro de luz blanca Talysurf CCI Lite con resolución vertical de 0,01 nm. Las superficies medidas de los discos solo se nivelaron y no se utilizó filtración digital. Antes de realizar los cálculos de los parámetros, se eliminaron los picos y se rellenaron los puntos no medidos.

Antes de las pruebas tribológicas, las mediciones de tensión residual se llevaron a cabo mediante difracción de rayos X utilizando un difractómetro de rayos X PROTO iXRD Combo (Proto Manufacturing Ltd., Oldcastle, Canadá). El método sin2ψ y la geometría ω se aplicaron de acuerdo con la norma EN 15305. :2008 estándar. Se utilizó como fuente de radiación un tubo de rayos X con ánodo de Cr (λCrKα = 0,2291 nm) y una abertura redonda de 1,00 mm de diámetro. En las mediciones se utilizaron los picos de difracción del plano de la red de ferrita{211} y el ángulo de Bragg 2θ = 156,00°. Se utilizaron los siguientes valores de ángulo ψ: ± 37,00°, ± 32,60°, ± 27,85°, ± 23,80°, ± 15,74°, ± 13,00°, ± 12,00°, ± 8,60°, ± 8,26°, ± 3,85° y ± 0,20. °. Las posiciones de los picos de difracción se analizaron utilizando la función de ajuste de picos gaussiano. Las constantes elásticas de rayos X utilizadas en la investigación fueron: 1/2S2 = 5,92 × 10−6 MPa y − S1 = 1,27 × 10−6 MPa. El resto de las condiciones de medición fueron las siguientes: tiempo de exposición - 2 s, número de exposiciones por ángulo ψ - 10, ganancia de material β-Ti. Las mediciones se realizaron en dos direcciones perpendiculares (Fig. 2). El gradiente de tensión residual se determinó mediante mediciones a las siguientes profundidades debajo de la superficie de la zona bruñida: 25, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700 y 800 μm. La eliminación de la capa superficial para las mediciones del gradiente de tensión residual se llevó a cabo mediante pulido electrolítico utilizando una pulidora electrolítica Proto 8818-V3 (Proto Manufacturing Ltd., Oldcastle, Canadá).

Esquema de medidas de tensiones residuales.

La dureza de la superficie se midió utilizando microindentadores Reicherter Brivisor KL2 Vickers.

Después de las pruebas tribológicas, las imágenes SEM se adquirieron con el microscopio electrónico de barrido de escritorio Phenom ProX equipado con una fuente termoiónica CeB6 (hexaboruro de cerio) y un detector de retrodispersión multimodo (BSD) de alta sensibilidad. La medición SEM se realizó a un voltaje de 10 kV, las ampliaciones de imágenes se fijaron comúnmente entre 200 y 2100 veces. Es común el análisis de la superficie desgastada mediante perfilómetros y SEM46,47,48.

La Tabla 3 presenta los resultados de las mediciones de textura superficial de los discos antes de las pruebas tribológicas. Se analizaron parámetros de la norma ISO ISO 25178:249. La superficie fresada tenía un carácter determinista, la curtosis de Sku era menor que 3 y la relación de aspecto de la textura Str era pequeña (0,03). Después del bruñido con bolas, los parámetros de amplitud disminuyeron: rms. altura Sq, altura promedio aritmética Sa, altura máxima del pico Sp, profundidad máxima del valle Sv, altura máxima Sz; habitaciones. La pendiente Sdq y la curvatura máxima promedio Spc también disminuyeron. La altura de la superficie disminuyó cuando la presión de bruñido aumentó de 10 a 30 MPa y aumentó para la presión de bruñido más alta. La asimetría Ssk disminuyó debido al bruñido con bolas y obtuvo el valor negativo más pequeño para la presión de bruñido más baja. La curtosis de Sku aumentó y obtuvo valores similares a 3, lo que demostró que el contenido del componente aleatorio aumentó debido al proceso de bruñido con bolas. La menor disminución en los parámetros Sdq y Spc se produjo para la presión de bruñido más baja. Los parámetros de la familia Sk: profundidad de rugosidad del núcleo Sk y altura de pico reducida Spk disminuyeron debido al bruñido, los cambios relativos en el parámetro Spk fueron mayores. La profundidad reducida del valle Svk aumentó para presiones de bruñido de 10 y 20 MPa y disminuyó para presiones más altas. Estos resultados demostraron mayores cambios en la textura de la superficie en las partes del pico y del núcleo en comparación con la parte del valle. Los parámetros de la familia V: volumen de material del núcleo Vmc, volumen de material pico Vmp, volumen de huecos del núcleo Vvc y volumen de huecos del valle Vvv disminuyeron. El parámetro Str aumentó debido al bruñido hasta 0,74, la presión de bruñido fue de 30 MPa. Esta superficie tenía un carácter isotrópico. La longitud de correlación Sal y la relación de aspecto de la textura Str aumentaron como resultado del bruñido. La densidad máxima Spd disminuyó a medida que aumentó la presión de bruñido. En la literatura técnica se informó una disminución en la altura de la rugosidad debido al bruñido con bolas4,5,6,7,8,9,10,11,15,16.

La Figura 3 presenta imágenes en pseudocolor y vistas isométricas de la superficie analizada antes de las pruebas tribológicas. La Figura 4 presenta perfiles típicos de las superficies mecanizadas. Se puede ver en el análisis de las Figs. 3 y 4 que la superficie fresada tenía un carácter periódico con una pequeña cantidad de componente aleatorio. Debido al bruñido con bolas con presiones de 20, 30 y 40 MPa, las alturas de los perfiles disminuyeron y las texturas superficiales obtenidas tuvieron un carácter aleatorio. El componente periódico fue visible en la superficie después del pulido con bola con una presión mínima de 10 MPa.

Vistas en 3D (izquierda) e imágenes en pseudocolor (derecha) de la superficie del disco fresado (a) y de las superficies del disco bruñidas con presiones de 10 (b), 20 (c), 30 (d) y 40 MPa (e).

Perfiles típicos de la superficie del disco después del fresado (a) y de superficies bruñidas con las siguientes presiones: (b), 20 (c), 30 (d) y 40 MPa (e).

La Figura 5 presenta el resultado de las mediciones de microdureza de superficies mecanizadas. El bruñido con bolas provocó un aumento de la microdureza. El bruñido con bolas funciona por deformación plástica de la superficie y sin eliminación de material. Esto da como resultado una nueva integridad superficial caracterizada por un aplanamiento del perfil de rugosidad y un endurecimiento de las capas superficiales13,14. Un aumento en la presión de bruñido provocó un aumento en la dureza17,18,19 El aumento fue marginal cuando se aplicó la presión de bruñido más pequeña de 10 MPa. Una presión de bruñido de 20 MPa provocó un aumento de la microdureza de casi un 9%. La aplicación de presiones de 30 y 40 MPa aumentó la microdureza en aproximadamente un 18 y un 20%, respectivamente.

Valores de microdureza de muestras de discos mecanizados.

Los resultados de la medición de la tensión residual de las muestras bruñidas se presentan en la Tabla 4. La Figura 6 presenta las distribuciones promedio de la tensión residual versus la profundidad del material. Para la pieza fresada, la tensión residual media fue de 383 ± 13 MPa.

Distribuciones promedio de tensión residual σ versus profundidad del material para muestras bruñidas.

Debido al bruñido con bolas, las tensiones residuales de tracción se transformaron en tensiones residuales de compresión. El proceso de bruñido generó tensiones residuales de compresión en ambas direcciones perpendiculares σx y σy, que fueron factores responsables de mejorar la dureza superficial del acero. La presencia de tensiones de compresión residuales en la capa superficial también se encontró en20,21,22,23. El espesor de la capa afectada fue el más pequeño (0,4 mm) para la presión de bruñido más baja de 10 MPa. En otros casos, este espesor fue de 0,7 a 0,8 mm. Chomienne et al.20 también revelaron que la fuerza normal influye principalmente en el espesor de esta capa. Para profundidades menores a 75 µm, el bruñido con la presión más pequeña provocó la tensión de compresión más baja; sin embargo, el bruñido con la presión más alta provocó la tensión más alta. La presión de bruñido afectó las tensiones residuales también en21,22.

La Figura 7 muestra los cambios en los coeficientes de fricción versus el tiempo para varias cargas normales. Las fluctuaciones iniciales en la fuerza de fricción ocurrieron durante los primeros 10 s. Entonces la fuerza de fricción aumentó. Este aumento fue el mayor para la carga normal más baja, aproximadamente 1,7 veces; para cargas más altas, la fuerza de fricción aumentó 1,2 veces a medida que avanzaba la prueba. El coeficiente de fricción disminuyó cuando la fuerza normal aumentó. La fuerza normal más baja se asoció con la mayor variación de fricción. En este caso, la mayor fuerza de fricción se produjo al ensamblar la muestra bruñida con la mayor presión; sin embargo, la presión de bruñido de 20 MPa provocó la fuerza de fricción más baja. En la parte de prueba inicial, se obtuvo un valor bajo del coeficiente de fricción para la muestra de disco después del bruñido con una presión de 30 MPa; sin embargo, en el período de prueba final, este coeficiente aumentó dramáticamente. Cuando la fuerza normal aumentó a 40 N, la presión de bruñido de 30 MPa condujo a la más pequeña, mientras que la presión de 40 MPa y la muestra molida condujeron a la fuerza de fricción más alta. Cuando la carga normal era la más alta, la muestra de disco después del fresado correspondía a la fuerza de fricción más alta, seguida de las muestras bruñidas creadas por presiones de 40, 10, 20 y 30 MPa. En el último caso, el coeficiente de fricción se mantuvo estable después de 200 s.

El coeficiente de fricción en función del tiempo, para la fuerza normal de 20 (a), 40 (b) y 60 N (c).

La Figura 8 presenta los valores medios y las barras de error del coeficiente de fricción de varios pares deslizantes y condiciones de operación. Para la carga normal más baja de 20 N, el coeficiente de fricción más bajo se produjo para conjuntos que tenían discos bruñidos con presiones de 20 y 30 MPa. La mayor presión de bruñido conducía al mayor coeficiente de fricción. Cuando se aplicó la carga normal media de 40 N, el coeficiente de fricción más pequeño se logró para pares deslizantes con muestras bruñidas con una presión de 30 MPa, seguida de presiones de 20 y 10 MPa. La muestra de disco después del fresado y la bruñida con la máxima presión correspondieron a los mayores coeficientes de fricción. Cuando se aplicó la carga normal más alta de 60 N, la mayor fuerza de fricción se produjo en la muestra de disco fresado. Entre los conjuntos con discos bruñidos, el coeficiente de fricción más pequeño correspondió a una presión de bruñido de 30 MPa, seguida de 20, 10 y luego 40 MPa.

Los coeficientes medios de fricción.

Generalmente, el bruñido con una presión de 30 MPa aseguró la menor resistencia a la fricción. Este comportamiento probablemente esté relacionado con la altura de rugosidad inicial más pequeña. También se encontró una disminución en el coeficiente de fricción debido al suavizado de la superficie en 18,19,33. Las mayores fuerzas de fricción se obtuvieron para conjuntos con disco después del fresado y con disco bruñido con mayor presión.

La Figura 9 presenta vistas isométricas de las superficies del disco desgastadas para la fuerza normal más pequeña, incluidas las cicatrices de desgaste. También se muestran perfiles perpendiculares a las cicatrices de desgaste. El análisis de la Fig. 9 indica que se produjo principalmente desgaste abrasivo. También se produjo deformación plástica, especialmente en la muestra molida. La profundidad de la cicatriz de desgaste fue baja para las muestras de disco de bruñido y alta para la muestra de disco fresado. La mayor profundidad correspondió a la mayor anchura de la cicatriz de desgaste, que fue cercana a 1 mm para el disco fresado. Para otras muestras de discos, el ancho de las cicatrices de desgaste fue menor (cerca de 0,75 mm). La profundidad de la cicatriz de desgaste más grande fue 2 veces mayor que la de la cicatriz más pequeña (Fig. 10f). Para las muestras bruñidas, la profundidad más baja de cicatriz de desgaste se produjo para una presión de 30 MPa.

Vistas isométricas de las superficies de discos desgastados con una fuerza normal de 20 N, (a) disco fresado, (b) discos bruñidos con una presión de 10 MPa, (c) 20 MPa, (d) 30 MPa, (e) 40 MPa y una serie de perfiles perpendiculares a las cicatrices de desgaste (f).

Vistas isométricas de las superficies de discos desgastados bajo una carga normal de 40 N, (a) disco fresado, (b) discos bruñidos para una presión de 10 MPa, (c) 20 MPa, (d) 30 MPa, (e) 40 MPa y serie de perfiles perpendiculares a las cicatrices de desgaste (f).

La Figura 10 muestra vistas isométricas de las superficies del disco desgastadas para una fuerza normal media y perfiles perpendiculares a las cicatrices de desgaste. Un aumento en la fuerza normal resultó en aumentos en la profundidad de las cicatrices de desgaste. La anchura de la cicatriz de desgaste fue en cada caso de aproximadamente 1 mm. Nuevamente el desgaste del disco fue abrasivo con posibilidad de deformación plástica (principalmente en la muestra fresada). La profundidad más pequeña de la cicatriz de desgaste fue cercana a 20, mientras que la más alta fue cercana a 25 µm, por lo que el efecto del mecanizado sobre el desgaste fue menor en comparación con la carga más pequeña utilizada. Se puede ver en el análisis de la Fig. 10f que la profundidad más pequeña de la cicatriz de desgaste correspondía a una muestra bruñida con una presión de 30 MPa.

La Figura 11 presenta vistas isométricas de las superficies del disco desgastadas para la fuerza normal más alta con cicatrices de desgaste. También se muestran perfiles ortogonales a las cicatrices de desgaste. El desgaste del disco fue abrasivo y también se produjo deformación plástica. La profundidad de las cicatrices de desgaste estaba entre 23 y 28 µm. El aumento de la fuerza normal de 40 a 60 N provocó un aumento en la profundidad del desgaste. El efecto del proceso de mecanizado sobre el desgaste fue menor que el de la carga normal más baja. Se puede ver en el análisis de la Fig. 11f que la profundidad más pequeña de la cicatriz de desgaste se obtuvo para las muestras bruñidas, comenzando con una presión de bruñido de 30 MPa, seguida de 20, 40 y 10 MPa. El fresado condujo a la profundidad máxima de la cicatriz de desgaste.

Vistas isométricas de las superficies de discos desgastados bajo una carga normal de 60 N, (a) disco fresado, (b) discos bruñidos para una presión de 10 MPa, (c) 20 MPa, (d) 30 MPa, (e) 40 MPa y una serie de perfiles perpendiculares a las cicatrices de desgaste (f).

La Figura 12 presenta los valores medios de los volúmenes de desgaste de las superficies del disco. También se muestran barras de error (desviaciones estándar). Un aumento en la carga normal provocó un aumento en el desgaste volumétrico. Independientemente de la carga normal, el disco fresado correspondió a los mayores volúmenes de desgaste. Entre las muestras bruñidas, el mayor desgaste se produjo con la presión de bruñido más pequeña. En todos los casos, una presión de bruñido de 30 MPa produjo los menores volúmenes de desgaste. Presiones de bruñido de 20 y 40 MPa correspondieron a un desgaste similar para la carga normal baja y media. Cuando se probaron las muestras bruñidas, las variaciones de desgaste más pequeñas debido a las repeticiones de las pruebas se encontraron para la carga aplicada más pequeña. El efecto del proceso de mecanizado sobre el volumen de desgaste fue el más importante para la carga normal más pequeña, cuando la relación entre el desgaste mayor y el menor fue mayor, seguida de las cargas normales más altas y medias. Los niveles de desgaste de las bolas fueron insignificantes.

Use volúmenes de discos.

Se puede ver en el análisis de la Tabla 3 que el bruñido con bolas redujo la altura de la superficie cuando la presión aumentó de 10 a 30 MPa. Sin embargo, cuando la presión de pulido de la bola aumentó a 40 MPa, la altura de rugosidad aumentó, en comparación con la presión de 30 MPa. La altura de rugosidad correspondiente a la presión de bruñido de 40 MPa, determinada por los parámetros de amplitud Sa, Sq, Sp, Sv, Sz, así como por los parámetros Spk, Svk, Sk y Vmp, Vvc, Vvv y Vmc, fue menor que la obtenido para la presión de 20 MPa. La superficie obtenida con la mayor presión de bruñido no fue homogénea con la densidad máxima más baja Spd, lo que podría estar relacionado con malas propiedades tribológicas del par deslizante. El aumento de la presión de bruñido resultó en un aumento de la microdureza. Este aumento fue mayor para presiones de 30 y 40 MPa. Sin embargo, cambiar la presión de bruñido de 30 a 40 MPa provocó un aumento insignificante en la microdureza. Quizás la presión de bruñido de 40 MPa era demasiado alta porque provocaba un aumento de la amplitud de la rugosidad. Se obtuvieron resultados similares en17,18,19. Cuando la tendencia a la adhesión es pequeña, el coeficiente de fricción debería ser mayor para una superficie más rugosa49,50. Por lo tanto, se pueden predecir las mejores propiedades tribológicas para el disco bruñido con una presión de 30 MPa (la altura de rugosidad más pequeña, alta microdureza y altas tensiones residuales de compresión). Debido a la alta rugosidad, la pequeña microdureza y las tensiones residuales de tracción, se pueden predecir malas propiedades tribológicas del par deslizante con la muestra de disco fresado.

Se encontraron tendencias de fricción similares para las fuerzas normales medias y altas (Fig. 7). Los coeficientes de fricción más bajos se lograron con una presión de bruñido de 30 MPa. La razón más probable fue la altura de rugosidad más baja. Los mayores coeficientes de fricción se obtuvieron para los pares deslizantes con el disco después del fresado, y luego el disco bruñido con mayor presión. La alta resistencia a la fricción del conjunto con el disco fresado se debe a la gran amplitud de la textura de la superficie. El carácter no homogéneo del disco bruñido con la mayor presión probablemente provocó el alto coeficiente de fricción. Estas muestras de discos también dieron lugar a altos coeficientes de fricción para la carga normal más pequeña aplicada. Se encontró un gran coeficiente de fricción para la muestra bruñida con la presión más pequeña. Una presión de bruñido de 30 MPa dio como resultado un coeficiente de fricción relativamente bajo. Sin embargo, la fricción más pequeña se alcanzó con la muestra bruñida con una presión de 20 MPa. El aumento de la carga normal provocó la reducción del coeficiente de fricción. Este comportamiento fue causado por una mejor acomodación de las superficies deslizantes a medida que aumentaba la carga. En general, la textura de la superficie de la muestra del disco parece gobernar la resistencia a la fricción. También se encontró una disminución en la fuerza de fricción debido al alisamiento de la textura de la superficie en 18,19,33.

Se puede ver en el análisis de las Figs. 9, 10 y 11 que el desgaste del disco tenía un carácter principalmente abrasivo. La 'forma de U' 51 muestra que el desgaste no es adhesivo. También se produjo deformación plástica, especialmente en la muestra molida. Los mecanismos de desgaste generalmente se explican mediante el uso de imágenes SEM de superficies desgastadas (Figs. 13 y 14). En la imagen de una muestra de disco fresado desgastado (Fig. 14) se pueden ver numerosos restos y formación de cráteres. Es visible la capa subsuperficial resultante del desprendimiento de la capa exterior. Los desechos pueden ser un factor adicional que aumenta el proceso de desgaste. Se produjo delaminación de la capa superficial. Sin embargo, en la imagen de la muestra desgastada y bruñida (Fig. 14), la aparición de cráteres (capa superficial desprendida) no es prácticamente visible. La capa superficial triturada se produjo pero sin desprendimiento de material como en el disco fresado desgastado. En muestras desgastadas y bruñidas son visibles grietas, aunque no provocaron delaminación de la capa superficial. Las tensiones residuales de compresión inducidas por el bruñido con bolas tuvieron un efecto beneficioso sobre la propagación de grietas. El material de la bola de cerámica no se transfirió a la superficie del disco durante el uso. Debido al desgaste insignificante de la bola, los residuos se originaron únicamente en la muestra del disco.

Imágenes SEM de la capa superficial de la muestra de disco fresado después de la prueba tribológica con una carga normal de 60 N.

Imágenes SEM de la capa superficial de la muestra de disco bruñido con una presión de 30 MPa después de la prueba tribológica con una carga normal de 60 N.

La relación entre los volúmenes de desgaste más altos y más bajos fue la más alta para la carga normal más baja utilizada (Fig. 12). El efecto de la capa superficial sobre la resistencia al desgaste fue mayor para las profundidades más bajas de la cicatriz de desgaste. Independientemente de la carga normal, los niveles de desgaste fueron los más altos para las muestras de discos fresados. Este rendimiento fue causado por la mayor rugosidad y la menor microdureza. El volumen de desgaste también fue alto para la muestra de disco bruñido con la presión más pequeña. Esta muestra se caracterizó por una baja microdureza, las tensiones residuales de compresión más pequeñas y la mayor amplitud entre los discos bruñidos. Por el contrario, el desgaste volumétrico más bajo se alcanzó con el disco bruñido con una presión de 30 MPa. Las causas probables de esto fueron la altura de rugosidad más baja y la alta microdureza. Esta muestra también resultó en una fuerza de fricción baja. Las muestras de disco bruñido con presiones de 20 y 40 MPa se caracterizaron por niveles de desgaste más altos que la muestra de disco bruñido con una presión de 30 MPa, pero más pequeños que el disco bruñido con una presión de 10 MPa; Los volúmenes de desgaste de estos discos fueron similares para fuerzas normales de 20 y 40 N. Sin embargo, para la fuerza normal más alta, se logró un menor desgaste para la muestra bruñida con la presión más alta, en comparación con la muestra mecanizada con una presión de bruñido de 20 MPa. La mayor microdureza y tensiones residuales de compresión de una muestra bruñida con una presión de 40 MPa, fueron la razón más probable de este comportamiento. Generalmente, una disminución en la altura de la rugosidad y un aumento en la microdureza condujeron a una mejora en la resistencia al desgaste. La disminución del desgaste debido al aumento de la dureza se encontró en muchos trabajos, por ejemplo, en 35,36,37,38.

El bruñido con bolas provocó una mejora en la calidad de la capa superficial. Debido al bruñido con bolas, la altura promedio de la superficie disminuyó hasta un 85 % y la microdureza aumentó hasta un 20 % en comparación con la muestra de disco fresado. Debido al bruñido con bolas, las tensiones residuales de tracción se transformaron en tensiones residuales de compresión. Un aumento en la presión de bruñido de 10 a 30 MPa provocó una disminución en la altura de la textura, un aumento adicional de la presión a 40 MPa provocó un aumento en la amplitud de la rugosidad y el carácter no homogéneo de la textura de la superficie. Un aumento en la presión de bruñido provocó un aumento en la microdureza.

La muestra fresada de mayor altura de rugosidad, de menor microdureza y de tensiones residuales de tracción condujo a los mayores niveles de desgaste y, en la mayoría de los casos, al mayor coeficiente de fricción.

El comportamiento tribológico beneficioso se obtuvo para el disco bruñido con una presión de 30 MPa de menor altura de rugosidad y alta microdureza. Esta muestra logró los volúmenes de desgaste más bajos y generalmente condujo al coeficiente de fricción más pequeño del par deslizante en el movimiento alternativo. Las disminuciones máximas en el coeficiente de fricción y el volumen de desgaste en comparación con la muestra fresada fueron del 39% y 85%, respectivamente.

La muestra de disco bruñido con la presión máxima de textura superficial no homogénea, con la densidad máxima más pequeña, condujo a un coeficiente de fricción relativamente grande.

Se obtuvo un alto desgaste volumétrico para la muestra bruñida con una presión de 10 MPa, caracterizado por una gran amplitud superficial, pequeña microdureza y pequeñas tensiones residuales de compresión. El volumen de desgaste de la muestra bruñida con la presión más alta y la microdureza más alta fue pequeño cuando se utilizó la fuerza normal máxima.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en esta publicación.

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Slawomir Swirad, Andrzej Gradzik, Kamil Ochał y Pawel Pawlus

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Conceptualización: PP, SS; metodología, investigación y análisis formal: SS; redacción: preparación del borrador original: PP, SS; redacción: revisión y edición: PP, SS, medición y visualización de la tensión residual AG, KO Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Slawomir Swirad.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Swirad, S., Gradzik, A., Ochał, K. et al. Efectos de la capa superficial de muestras de acero después del bruñido con bolas sobre la fricción y el desgaste en deslizamiento alternativo en seco. Informe científico 13, 11315 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38534-7

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Recibido: 20 de marzo de 2023

Aceptado: 10 de julio de 2023

Publicado: 13 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38534-7

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