INTRODUCTION

Recognizing that the vast majority of engineering components could be degraded or fail catastrophically in service due to surface-related phenomena, such as wear, corrosion or fatigue, led in the early 1980s to develop the interdisciplinary topic of surface engineering. The advancement of this development was stimulated by the increasing use of a wide range of surface technologies: laser beam and electron beam processes, plasma thermochemical techniques and novel engineering coatings (for example, electric plating without nickel), ion implantation and, more recently, duplex methods of surface modification. However, it is within the traditional technologies of thermal treatment of surfaces, such as hardening by tempering, nitrating and carburization, where the origins and fundamental principles of surface engineering can be found.

An engineering component generally fails when its surface cannot adequately withstand external forces or the environment to which it is subjected. The choice of a surface material with adequate thermal, optical, magnetic and electrical properties and sufficient resistance to wear, corrosion and degradation is crucial for its functionality.

"Surface engineering includes the application of traditional and innovative surface technologies in components and engineering materials in order to produce a composite material with properties not obtainable by the surface of ordinary materials." Frequently, the different surface technologies are applied to designs of existing engineering components but, ideally, surface engineering does not include that design knowing the surface treatment to be applied.

This innovative multidisciplinary branch of engineering, through a final tribological analysis of the phenomena of wear and other superficial damages, such as corrosion, and the use of science of materials, allows optimizing the surfaces exposed to these processes in valves, evaporators, heat exchangers, pumps, centrifugal compressors, parts and mechanical parts, etc., in order to significantly prolong their service life.

The types of wear most frequently present in industrial or service processes are the following:

Generally, an interaction of these mechanisms occurs and this is how in a suction system, it is possible to find erosion and cavitation, thermal fatigue and erosion in the blades of a steam turbine or abrasion and corrosion in a pulp pump screw affected by the presence of chlorine ions.

Corrosion is itself a complex interaction of physical-chemical variables, which always requires a rigorous analysis due to the different ways in which it occurs, such as corrosion under tension, differential aeration, vibration-corrosion, etc.

Once the specialist engineer has determined (diagnosed) the types and forms of wear present in an equipment or component, he uses materials science to determine which alloy or coating, be it metallic, polymeric, ceramic or a mixture of them (composites), allows prolonging its duration in service. The engineer must also determine the procedure by which the alloy will be applied and its resistance to the type of wear present.

DEVELOPMENT

The selection of appropriate materials for the preparation of components for friction pairs is often limited by factors that have little to do with Tribology, such as their cost, for example. The weight is a factor that can be important and also the resistance to corrosion. The mechanical properties, the rigidity and the tenacity are of great importance, also, in the engineering applications. Although these factors may limit the range of materials to be used, they also serve to establish a spectrum of feasible solutions. The most convenient will always be the most comprehensive selection, for which it is convenient to use selection maps, such as those by Kostetskii (1972)KOSTETSKII, B.I.: Friction, Lubrication and Wear in Machinery, Inst. Army Foreign Science and Technology Center, Charlottesville Va, 1972.; Ashby & Jones (2012)ASHBY, M.F.; JONES, R.H.D.: Engineering materials 1: an introduction to properties, applications and design, Ed. Elsevier Science, Second Edition ed., vol. 1, United Kingdom, Department of Enginnering, University of Cambridge, Elsevier Science, United Kingdom, 2012, ISBN: 0-08-096665-9.; Chowdhury (2019)CHOWDHURY, M.A.: Friction, Lubrication and Wear, Ed. BoD-Books on Demand, 2019, ISBN: 1-78984-287-5..

However, most of the properties listed, except perhaps the corrosion resistance, are properties of the volume of the material and this gives the possibility of concentrating on varying surface properties of greater importance to Tribology, through a spectrum of different methods feasible to employ. The modification or coating of a surface, in order to achieve combinations of properties on the surface and the sub layer, belonging to the volume of the material, leads to the so-called surface engineering.

Wear, as an adequate function factor of engineering systems, is obvious in the design. However, the wear leads to major expenses in maintenance, due to costs for replacement of elements, production capacity, energy efficiency losses and consequently of the machines. All this, according to Rabinowicz & Tanner (1966)RABINOWICZ, E.; TANNER, R.I.: “Friction and wear of materials”, Journal of Applied Mechanics, 33(2): 479, John Wiley, 1966.; Ron & Conway (2002)RON, R.; CONWAY, J.J.M.: Friction and Wear of Sliding Bearings, Ed. Glacier Vandervills Inc, vol. ASM Handbook, USA, 2002.; Ludema & Ajayi (2018)LUDEMA, K.C.; AJAYI, O.O.: Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology, Ed. CRC press, 2018, ISBN: 0-429-44471-0. can represent more than 2% of a country's GDP.

The designers or maintainers must take into account two very important considerations: to establish the magnitude of wear that will occur in service and knowing this, take the necessary measures for its reduction, taking into account, of course, the economic aspects they imply. In order to establish the amount of wear, which can be calculated, the mechanism of wear that will take place must be known; this can be done through specialized calculation (Hebda & Chichinadze (1989)HEBDA, H.; CHICHINADZE, A.: Manual de Tribotecnia, Ed. Mashinoestroienie, vol. Volume 1, Moscow, Rusia, publicado en idioma ruso, 1989.; Martínez (2010)MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.; Hutchings & Shipway (2017)HUTCHINGS, I.; SHIPWAY, P.: Tribology: friction and wear of engineering materials, Ed. Butterworth-Heinemann, United Kingdom, University of Cambridge, Department of Materials science and Metallurgy, 2017, ISBN: 0-08-100951-8., as well as determining the factors that affect this, which can be done through physical mathematical modeling (Stolarski, 1990STOLARSKI, T.: Tribology in machine design, Ed. Industrial Press Inc., USA, 1990, ISBN: 0-8311-1102-X.; Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.).

The various possible processes to apply must be considered as an essential part in the design of tribological systems. In Figure 1, an algorithm is shown that shows the sequence of steps to follow in the design of a tribological system.

Metals and their alloys are among the most commonly selected materials for mechanical components. Their compositions and micro structures are normalized, sometimes even internationally and, therefore, their mechanical properties are easier to predict. Non-metallic materials are less regulated and, therefore, their properties, even with identical compositions, tend to vary. However, in materials, even when their mechanical and physical properties are equal, their response to tribological applications cannot be given by a simple number.

The selection of materials and the methods of obtaining engineering surfaces, for tribological applications, depends to a large extent on the mechanism and particular type of predominant wear. Therefore, the selections of materials to resist wear will be analyzed depending on the type of wear in question.

The variation of the operating parameters of any tribological system will be limited by the values ​​of such parameters for the operation of the system. Thus, the decrease in the acting pressures on the interaction surfaces will depend on the applied load, but this, in turn, will depend on design factors. However, the pressure will depend on the actual contact area and this will depend on the surface qualities of both tribological elements. Variations of the pressure or the speed of displacement can vary the wear mechanism, so these aspects must all be taken into account. That is why knowing the values ​​of the magnitude of the wear produced is essential for this stage of the design or the redesign of the friction pairs.

When the type of wear is the friction (fretting), the parameters of displacement between the surfaces and the forces acting, are essential to be taken into account. Additionally, the control of oxygen access as an environmental medium must be controlled. In an optimal design for this type of system, in addition to the analyzed factors, it is necessary to consider the force that acts on the union of both elements to avoid the displacement of one with respect to the other, the temperature that can be generated, the difference in the thermal expansion of both elements of the pair and the probable sources of vibrations.

If the displacement takes place between sliding surfaces, as is the case with the bearings, the displacement itself cannot be eliminated, since it is intrinsic to the pair; in this case a fundamental parameter is that of the traction of the surface that can generate one element of the pair on the other. In this case, the analysis should be based on the decrease in the normal acting force or the friction that occurs in the torque.

If the working wear mechanism is that of contact fatigue, as is the case of gears, cam followers and bearings, three factors are essential, the number of active load cycles, which cannot be varied, and contact efforts, where not only their possible reduction should be considered, but the value of resistance to them from the materials of the pair, especially that of more probable wear. For the reduction of the acting forces, the value of the load and the surfaces geometry will be essential.

If the type of wear is abrasive or erosive, caused by hard particles, a parameter to be considered will be the removal of the particles from the system. Such, for example, will be the case of polluting or wear particles in the lubricant. As the size of the large particles has a greater effect on these wear than the small ones, the elimination of these particles will be of great importance, either through filtering or their separation by inertia. However, the ratio between the hardness of the material Hm and the hardness of the abrasive Ha must exceed the value of 0.85 (Hm / Ha ≥ 0.85). In erosion, essential parameters are the speed of impact of the particles on the surface, their angle of incidence, as well as the density of the impacted material. In hydro erosive wear, the avoidance of acute angle of variation in fluid movement is an aspect to be taken into account.

Lubrication is a powerful method to reduce the amount of wear on bearings and other friction pairs. Considering K, a constant that represents a coefficient of wear in the case of lubricated slip, its value can be significantly low if hydrodynamic conditions of lubrication are achieved. But the hydrodynamic conditions cannot always be maintained, and when they pass to limit lubrication, the value of K can reach values ​​of the order of 10^-6, depending on the properties of the lubricant used. K is a constant, which in the Archard equation, for sliding wear, is:

Q being the magnitude of wear that depends on the contact between all the asperities; P the contact pressure that can be replaced by the hardness of the material that wears and W the normal load applied. Acceptable values ​​of K according to ASM manuals of Kostetskii (1972)KOSTETSKII, B.I.: Friction, Lubrication and Wear in Machinery, Inst. Army Foreign Science and Technology Center, Charlottesville Va, 1972.; Blau (1992)BLAU, P.J.: “Friction, lubrication, and wear technology”, ASM International, : 175-235, 1992.; Hutchings & Shipway, (2017)HUTCHINGS, I.; SHIPWAY, P.: Tribology: friction and wear of engineering materials, Ed. Butterworth-Heinemann, United Kingdom, University of Cambridge, Department of Materials science and Metallurgy, 2017, ISBN: 0-08-100951-8.; Chowdhury (2019)CHOWDHURY, M.A.: Friction, Lubrication and Wear, Ed. BoD-Books on Demand, 2019, ISBN: 1-78984-287-5. and Ron & Conway (2002)RON, R.; CONWAY, J.J.M.: Friction and Wear of Sliding Bearings, Ed. Glacier Vandervills Inc, vol. ASM Handbook, USA, 2002. [6], are given in Table 1.

It is evident that the sliding wear in conditions of hydrodynamic lubrication, is the most desirable state and in the design, all the measures must be taken to propitiate it in the operating conditions. The most important factor that determines the lubrication regime, is the minimum thickness of the lubricant layer compared with the surface roughness, which can be calculated by specialized monograms, taking into account another factor λ, integrating all the influential parameters (Hebda & Chichinadze, 1989HEBDA, H.; CHICHINADZE, A.: Manual de Tribotecnia, Ed. Mashinoestroienie, vol. Volume 1, Moscow, Rusia, publicado en idioma ruso, 1989.; Stolarski, 1990STOLARSKI, T.: Tribology in machine design, Ed. Industrial Press Inc., USA, 1990, ISBN: 0-8311-1102-X.; Ron & Conway, 2002RON, R.; CONWAY, J.J.M.: Friction and Wear of Sliding Bearings, Ed. Glacier Vandervills Inc, vol. ASM Handbook, USA, 2002.; Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.; 2017MARTÍNEZ, P.F.: Mantenimiento Industrial. Conceptos y aplicaciones, Ed. Editorial Cuba Azúcar, La Habana, Cuba, 2017, ISBN: 959-261-526-8.; Martinez, 2011MARTINEZ, P.F.: Tribología integral, Ed, Ed. Limusa, México, DF, 2011.).

MATERIALS AND METHODS

For the evaluation of the different formulas for the calculation of wear according to the type of wear at work, the algorithm developed in this respect can be consulted (Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.).

In general, the highest values ​​of K occur in metal-metal sliding conditions, lower than those that occur in sliding conditions between non-metal-metal and non-metal-non-metal. If the conditions are metal-metal slip, with the same characteristics, the value of K is even higher. If the conditions of both metals of the pair differ, the value of K decreases and depends, essentially, on the tribological compatibility of both metals, understanding by tribological compatibility, the ease of establishing, between both metals, high values ​​of the molecular component of friction (Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.). This possibility is strongly related to the molecular and crystalline structure of both elements of the pair, as well as to the value of its solubility in the solid state, which is inferred from the characteristics of the equilibrium diagram formed by the interaction of both metals. In Figure 2, a map is shown in which the mutual solubility of friction pairs formed by two pure metals can be appreciated.

Both the combinations indicated as completely insoluble, showing a negligible solubility in the solid state (), as well as those indicated as two coexisting phases in the liquid state (), give rise to tribologically compatible pairs. The identical metal pairs () are, of course, completely and mutually soluble and show little compatibility. Other pairs show different solubility ratios, as shown on the map. In general, slip pairs with high mutual solubility show low tribological compatibility and, therefore, relatively high values ​​of K; a low mutual solubility, which leads to good tribological compatibility, is needed to obtain low values ​​of K (Totten, 2016TOTTEN, G.: Surface Modifications and Mechanisms, Ed. Marcel Dekker Inc, New York, USA, 2016, ISBN: 0-8247-4872-7.; Ludema & Ajayi, 2018LUDEMA, K.C.; AJAYI, O.O.: Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology, Ed. CRC press, 2018, ISBN: 0-429-44471-0.).

Mutual solubility is not the only factor that influences compatibility, which is also associated with the properties of surface films (usually oxides) in slip pairs. The absence of significant oxide films in noble metals such as gold, platinum, silver and rhodium, tends to be associated with low K values, demonstrating that oxidative mechanisms play an important role.

Some metals with compact hexagonal structure also show an abnormal behavior, associated with their limited ductility, compared with metals of cubic structure, and also with chemical factors. Titanium, Zirconium and Hafnium, for example, show a relatively low reduction in K value, when lubricated with any hydrocarbon lubricant, compared to what they have when working against each other without lubrication.

The hardness of the steels and other metals that form layers of oxide during the sliding process, is of importance in determining the stability of that layer and, therefore, the predominant wear mechanism. If the metal is hard enough to provide sufficient mechanical support to the oxide layer, medium wear will occur with low K values ​​through an oxidation mechanism. Thus, the hardness can have a strong influence on the adhesive wear resistance of some metals, but although the increase in the hardness of a particle of an alloy can have a decrease in the value of its wear, the hardness does not serve as a prediction factor of the wear resistance of the different alloys. Other factors, especially the presence of micro structural components such as carbides in steels and graphite in cast iron, are sometimes of greater importance (Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.; 2017MARTÍNEZ, P.F.: Mantenimiento Industrial. Conceptos y aplicaciones, Ed. Editorial Cuba Azúcar, La Habana, Cuba, 2017, ISBN: 959-261-526-8.).

The resistance of metals to severe conditions of adhesive wear and surface damage under high normal loads, cannot always be correlated with their resistance to wear under less severe conditions. Several factors influence the resistance of materials to surface damage by sliding: the effectiveness of the surface layer to prevent adhesion, the resistance of the adhesion, once the film is broken, and the extent of the bond formed. The mutual solid solubility as an indicator of the strength of the adhesive force, plays some role; metals that bind strongly are more prone to surface damage by sliding. Hexagonal metals with a limited number of landslide planes have a lower tendency to this type of damage than metals of cubic structure, presumably due to their lower ductility.

Some investigations have shown that those metals and alloys with a high degree of deformation hardening, presents lower tendency to superficial damage during the sliding; however, this factor is not infallible in its prognosis. For example, austenitic steels, although they have highly deformational hardening, show high surface damage in this type of process, when their structure is transformed into martensite. Hardness alone is a poor indicator of the resistance to surface damage during sliding processes: in steels, for example, a high concentration of carbides or nitrides show a high resistance to the process of surface damage by sliding, higher than when it obtains a similar hardness, but with a lower concentration of these hard and brittle particles.

Figure 3 shows a comparative diagram of typical values ​​of wear coefficients K of different materials under sliding conditions with different forms of lubrication.

The hard coatings or the layers deposited by diffusion, which are also of a very limited ductility, present a good resistance to this type of process. Rough surfaces, preferably those of random structuring, (for example, those generated by sand blasting), generally increase the resistance to damage, probably because the growth of the joint is limited, greater probably to the damage.

Ceramic materials subjected to moderate sliding may show wear coefficients as low or even lower than dissimilar metals. This fact, together with its high hardness, shows that ceramic materials can present significantly lower wear values ​​than metals. However, the volumetric use of ceramic materials presents some limitations for tribological applications. Their mechanical properties (especially the fracture toughness) may not be adequate for the requirements that are needed, such as producing them in the appropriate forms (which would have to be done by powder metallurgy, generally with high costs, and also the possibility of surface fractures of small scales but leading to severe wear, which requires great care in the design. However, components of integrally ceramic materials can be very durable for some tribological processes: for example, alumina bushings and seals in water pumps, silicon nitride valve components and alumina femoral heads and cups in hip implants.

Some of the disadvantages of the volumetric use of ceramic materials in elements of friction pairs, can be avoided using the material in the form of deposits in a metallic substrate, or by ceramic coatings projected by powders in the form of plasma or by physical deposition to the vacuum (PVD) or vacuum chemistry (CVD), which are methods that conform an important group of surface engineering. In all tribological uses of ceramic materials, the use of lubrication is very convenient, since it reduces the surface traction and, therefore, of local fracture that leads to severe wear. However, the possible chemical reaction of an unsuitable lubricant with the surface must be taken into account.

In polymeric materials little is intended for use as wear resistant materials, being commonly used as slip bearings, sometimes in conditions of dry or boundary slip. However, some polymeric materials of sufficient strength can be used as volumetric elements in tribological applications, being significant the use of nylon (polyamides) and polyester sulfides; besides these materials, in most of the times, are used as polymeric base composites, strengthened with suitable fillers. These materials are used as low-loaded gears, although polymers reinforced with carbon fibers are used in some gears for racing cars, which combine low weight and good tribological properties compared to similar elements made of forged steel.

The wide diversity of existing engineering surface materials, allow the designer to select them, at least to a certain extent, instead of using materials volumetrically equal to its surface.

Figure 4 shows the wide range of combination of layer depth and hardness that can be obtained on surfaces by these methods.

From Figure 4, it can be concluded that different methods offer different possibilities of combination of depths and hardness of the surface layer. It is noteworthy that some methods are missing such as nickel chemistry, nickel plating, chrome plating and others. Those methods such as surface depositions with PVD, CVD or ionic implants that produce only very thin layers and great hardness, will be useful for using in applications with a minimum wear extension and where the surface acting force decreases rapidly during work, so that the thin surface layer is not eliminated. This is associated with the fact that the elastic interaction stage is reached quickly. In applications like precision engineering elements, such as dies and some cutters by milling, these methods can offer great benefit in the work, fundamentally the vacuum coating with NTi and the application of the cemented carbides, manufactured by PM, which can significantly lengthen the shelf life in cutting elements.

In other cases, where the contact forces penetrate deep into the component, towards the entire surface layer or even below it (negative gradients), methods that generate thicker surface layers are needed. In a highly loaded sprocket, for example, the material of the surface used must have a high yield strength, so as to maintain elastic interaction conditions during work, exposed to high contact stresses when contact slippage occurs. However, the core of the gear tooth and the rest of the gear require high fracture toughness and resistance to the appearance of fatigue cracks, being subjected to high cyclical loads and sometimes impact loads, during service. In this case, for the combination of such properties, it is preferable to use steel elements, with thermal or chemical thermal surface treatments.

CONCLUSIONS

INTRODUCCIÓN

Reconociendo que la gran mayoría de los componentes de ingeniería pueden degradarse o fallar catastróficamente, durante el servicio, debido a fenómenos relacionados con la superficie, tales como el desgate, la corrosión o la fatiga, fue desarrollado a principio de los 80 el tópico de la ingeniería de superficies. El avance del mismo fue estimulado por el amplio rango de tecnologías superficiales: rayos de láser y procesos de bombardeo electrónico, técnicas de plasma termo químicas, y novedosos recubrimientos ingenieros (tales como el eléctrico sin níquel), el implante iónico y, más recientemente, los métodos dúplex de modificación superficial. Sin embargo, los orígenes de la ingeniería de superficies deben encontrarse, fundamentalmente, en las tecnologías tradicionales de tratamientos térmicos superficiales, tales como el temple, la nitruración y la cementación.

Un componente de ingeniería generalmente falla cuando su superficie no es capaz de resistir, adecuadamente, las fuerzas externas del medio a la que es sometida. La selección de un material superficial con propiedades eléctricas, térmicas, magnéticas y ópticas y la suficiente resistencia al desgate, la corrosión y degradación es fundamental para su funcionalidad.

“La ingeniería de superficies incluye la aplicación de tecnologías tradicionales e innovativas a los componentes y materiales de ingeniería para obtener materiales compuestos con propiedades que no son obtenibles por la superficie de materiales normales”. Frecuentemente, las diferentes tecnologías de superficies son aplicadas en diseños de elementos de ingeniería, pero, idealmente, la superficie de ingeniería, no incluye ese diseño conociendo el tratamiento superficial a aplicar.

Esta innovativa y multidisciplinaria rama de la ingeniería, a través de un análisis tribológico del fenómeno del desgaste y de otros daños superficiales tales la corrosión y el empleo de la ciencia de materiales, permite optimizar las superficies expuestas en procesos externos tales como válvulas evaporadoras, intercambiadores de calor, bombas y compresores centrífugos, partes mecánicas y otros, para prolongar su vida útil.

Los tipos de desgaste más frecuentemente que se presentan en procesos industriales o de servicios son los siguientes:

Generalmente, tiene lugar una interacción de estos mecanismos así, en un sistema de succión pueden encontrarse mecanismos como erosión y cavitación, fatiga térmica y erosión en aspas de una turbina de vapor o abrasión y corrosión en una bomba de pulpa por tornillo que se ve afectada por la presencia de iones de cloro.

La corrosión es ella misma una interacción compleja de variables físico químicas, que siempre requiere de un análisis riguroso debido a las diferentes formas que ello tiene lugar, tales como la corrosión bajo tensión, aireación diferencial, vibro corrosión y otras.

Una vez que el especialista de ingeniería diagnostique los tipos y formas de desgaste presentes en el equipo o componente, debe emplear la ciencia de materiales para determinar qué aleación o recubrimiento emplear, ya sea metálico, polimérico, cerámico o de composición para prolongar la duración en servicio del componente. El ingeniero debe también determinar el procedimiento mediante el cual deberá aplicarse la aleación, y su resistencia al tipo de desgate presente.

DESARROLLO

La apropiada selección de materiales para la preparación de componentes para pares de fricción está frecuentemente limitada por factores que tienen poco que ver con la Tribología, tal como el costo de los mismos, por ejemplo. El peso es un factor que puede resultar importante y también la resistencia a la corrosión. Las propiedades mecánicas, la rigidez y la tenacidad son de gran importancia, también, en la aplicación ingeniera. Lo más conveniente será siempre la selección más integral, por lo que resulta conveniente el empleo de mapas de selección, tales como los de Kostetskii (1972KOSTETSKII, B.I.: Friction, Lubrication and Wear in Machinery, Inst. Army Foreign Science and Technology Center, Charlottesville Va, 1972.; Ashby y Jones, 2012ASHBY, M.F.; JONES, R.H.D.: Engineering materials 1: an introduction to properties, applications and design, Ed. Elsevier Science, Second Edition ed., vol. 1, United Kingdom, Department of Enginnering, University of Cambridge, Elsevier Science, United Kingdom, 2012, ISBN: 0-08-096665-9.; Chowdhury, 2019CHOWDHURY, M.A.: Friction, Lubrication and Wear, Ed. BoD-Books on Demand, 2019, ISBN: 1-78984-287-5.) [1].

Sin embargo, muchas de las propiedades dadas, excepto quizás la resistencia a la corrosión, son propiedades del volumen del material y esto da la posibilidad de concentrar varias propiedades superficiales, de gran importancia en la tribología; a través de un espectro de diferentes métodos posibles de emplear. La modificación o recubrimiento superficial, en la posibilidad de brindar de combinar propiedades en la superficie y bajo la misma, esta última perteneciente al volumen del material, lleva a la llamada ingeniería de superficies.

El desgaste, como un adecuado factor de función de sistemas ingenieros, es obvio en el diseño. Sin embargo, el desgaste conlleva gastos mayores, que se emplean en el mantenimiento, debido al costo de remplazo de elementos, a la capacidad de producción, a la pérdida por la eficiencia energética y consecuentemente de las máquinas. Todo esto, de acuerdo con los profesores Rabinowicz y Tanner (1966)RABINOWICZ, E.; TANNER, R.I.: “Friction and wear of materials”, Journal of Applied Mechanics, 33(2): 479, John Wiley, 1966.; Ron y Conway (2002)RON, R.; CONWAY, J.J.M.: Friction and Wear of Sliding Bearings, Ed. Glacier Vandervills Inc, vol. ASM Handbook, USA, 2002.; Ludema y Ajayi (2018)LUDEMA, K.C.; AJAYI, O.O.: Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology, Ed. CRC press, 2018, ISBN: 0-429-44471-0. [2] puede representar más de un 2% de; PIB de un país.

Los diseñadores y mantenedores deben tener en cuenta dos consideraciones muy importantes; el establecer la magnitud del desgaste que tiene lugar en el servicio y ya conociendo esto, tomar las medidas necesarias para su reducción, tomando en cuenta, los aspectos económicos que esto implica. En orden de establecerla magnitud del desgaste, la cual puede ser calculada, debe ser conocido el mecanismo del desgate, lo cual puede hacerse a través de la literatura especializada [3-5] Hebda y Chichinadze (1989)HEBDA, H.; CHICHINADZE, A.: Manual de Tribotecnia, Ed. Mashinoestroienie, vol. Volume 1, Moscow, Rusia, publicado en idioma ruso, 1989.; Martínez (2010)MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.; Hutchings y Shipway (2017)HUTCHINGS, I.; SHIPWAY, P.: Tribology: friction and wear of engineering materials, Ed. Butterworth-Heinemann, United Kingdom, University of Cambridge, Department of Materials science and Metallurgy, 2017, ISBN: 0-08-100951-8., así como determinar los factores que afectan esto, lo cual puede hacerse a través de modelaciones físico matemáticas (Stolarski, 1990STOLARSKI, T.: Tribology in machine design, Ed. Industrial Press Inc., USA, 1990, ISBN: 0-8311-1102-X.; Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.).

Los varios posibles procesos a aplicar deben considerarse parte esencial del diseño de los sistemas tribológicos. En la Figura 1 se muestra un algoritmo que describe la secuencia de pasos a seguir en el diseño de un sistema tribológico.

Los metales y sus aleaciones son los materiales más frecuentemente para la construcción de elementos mecánicos. Sus composiciones y microestructuras son, en ocasiones, normalizadas, a veces, intencionalmente y por ello sus propiedades mecánicas son fáciles de predecir. Los materiales no metálicos se seleccionan con menor regularidad y por ello sus propiedades, aún con idéntica composición, tienden a variar. Sin embargo, en materiales, aun cuando las propiedades físicas y mecánicas sean iguales, su respuesta a las aplicaciones tribológicas no puede ser dada por un simple valor numérico.

La selección de materiales y los métodos de obtención de superficies ingenieras, para aplicaciones tribológicas, depende en gran medida del mecanismo y el tipo particular de desgaste. Así, la selección de materiales para resistir el desgaste será analizado en dependencia del tipo de desgaste en cuestión.

La variación en los parámetros operacionales de cualquier sistema tribológico estará limitada por los valores de dichos parámetros en la operación del sistema. Así, la disminución en las presiones actuantes durante la interacción de las superficies dependerá de la carga aplicada, pero esto, a su vez, dependerá de los factores de diseño. Sin embargo, la presión dependerá del área de contacto y esto, a su vez, dependerá de la calidad de las superficies de ambos elementos tribológicos. Las variaciones de la presión o en la velocidad pueden variar el mecanismo de contacto. Es por ello que, conociendo los valores de la magnitud del desgaste, es una etapa esencial en el diseño rediseño de pares de fricción.

Cuando el tipo de desgaste es la fricción (rozamiento), los parámetros de desplazamiento entre las superficies y las fuerzas actuantes, son esenciales a tomar en cuenta. Adicionalmente, el control al acceso de oxígeno como el medio ambiental, debe ser controlado. En un diseño óptimo para este tipo de sistema, en adición a los factores analizados, es necesario considerar la fuerza que actúa en la unión de ambos elementos para evitar el desplazamiento de uno con respecto al otro, la temperatura que puede generarse, la diferencia en la expansión térmica de ambos elementos del par y las probables fuentes de vibración.

Si tiene lugar el desplazamiento entre las superficies deslizantes, como en el caso de cojinetes, el desplazamiento en sí no puede ser limitado, ya que es algo intrínseco al par. En este caso es un factor fundamental es la tracción de las superficies que puede generar un elemento del par con respecto al otro. En este caso, el análisis debe ser hecho para decrecer la fuerza actuante en el par que genera el torque.

Si el mecanismo actuante de desgaste es la fatiga de contacto, como es el caso de los engranajes, los seguidores y los cojinetes, son esenciales tres factores, el número de ciclos de carga activos, los cuales no pueden variarse y los esfuerzos de contacto, donde no solo hay que tener en cuenta su posible reducción, sino los valores de resistencia a ellos por los materiales del par, especialmente en el de más posible desgaste. Para la reducción de las fuerzas actuantes, los valores de la propia carga y la geometría de las superficies son esenciales.

Si el tipo de desgaste es abrasivo o erosivo, causado por partículas un parámetro a considerar será la de remoción de las partículas del sistema. Así, por ejemplo, es el caso de las partículas contaminantes en el lubricante. Aunque las partículas de mayor tamaño tienen un efecto mayor en ese desgaste que las pequeñas, la eliminación de estas partículas será de gran importancia, ya sea por el filtrado o por su separación por inercia. Sin embargo, la relación entre la dureza del material Hm y la dureza del abrasivo Ha debe exceder la relación de 0,85 (Hm/Ha ≥ 0,85). En la erosión, parámetros fundamentales son la velocidad de impacto de las partículas sobre las superficies, el ángulo de incidencia de las mismas, así como la densidad del material impactado. En el desgaste hidroerosivo, el evitar ángulos agudos en la variación del movimiento del fluido es un aspecto a tener en cuenta.

La lubricación es un método poderoso para reducir la magnitud del desgaste en los cojinetes. Considerando K, una constante que representa un coeficiente de desgaste en el caso de deslizamiento lubricado, su valor puede ser considerablemente disminuido si las condiciones hidrodinámicas de lubricación se mantienen. Pero ellas no siempre pueden ser mantenidas, y cuando limitan la lubricación, el valor de K puede llegar a 10^-6 dependiendo de las propiedades del lubricante empleado. K es una constante que en la ecuación de Archard para el desgaste por deslizamiento, es:

Siendo Q la magnitud del desgaste que depende del contacto entre las asperezas, P la presión de contacto que puede ser sustituido por la dureza del material que sufre el desgaste y W la carga normal aplicada. Valores aceptables de K de acuerdo con manuales de Kostetskii (1972)KOSTETSKII, B.I.: Friction, Lubrication and Wear in Machinery, Inst. Army Foreign Science and Technology Center, Charlottesville Va, 1972.; Blau (1992)BLAU, P.J.: “Friction, lubrication, and wear technology”, ASM International, : 175-235, 1992.; Hutchings y Shipway (2017)HUTCHINGS, I.; SHIPWAY, P.: Tribology: friction and wear of engineering materials, Ed. Butterworth-Heinemann, United Kingdom, University of Cambridge, Department of Materials science and Metallurgy, 2017, ISBN: 0-08-100951-8.; Chowdhury (2019)CHOWDHURY, M.A.: Friction, Lubrication and Wear, Ed. BoD-Books on Demand, 2019, ISBN: 1-78984-287-5. y Ron y Conway (2002)RON, R.; CONWAY, J.J.M.: Friction and Wear of Sliding Bearings, Ed. Glacier Vandervills Inc, vol. ASM Handbook, USA, 2002. [6] se dan en la Tabla 1.

Es evidente que el desgaste por deslizamiento en condiciones de lubricación hidro dinámica, es el estado más deseable y en el diseño deben tomarse todas las medidas para que esté presente en condiciones de operación. El factor más importante que determina el régimen de lubricación es aquel en que se obtenga el mínimo espesor de película lubricante comparado con la rugosidad superficial., que puede ser calculada por nomogramas especializados, teniendo en cuenta el integrar el factor λ con la integración del resto de los parámetros (Hebda y Chichinadze, 1989HEBDA, H.; CHICHINADZE, A.: Manual de Tribotecnia, Ed. Mashinoestroienie, vol. Volume 1, Moscow, Rusia, publicado en idioma ruso, 1989.; Stolarski, 1990STOLARSKI, T.: Tribology in machine design, Ed. Industrial Press Inc., USA, 1990, ISBN: 0-8311-1102-X.; Ron y Conway, 2002RON, R.; CONWAY, J.J.M.: Friction and Wear of Sliding Bearings, Ed. Glacier Vandervills Inc, vol. ASM Handbook, USA, 2002.; Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.; 2017MARTÍNEZ, P.F.: Mantenimiento Industrial. Conceptos y aplicaciones, Ed. Editorial Cuba Azúcar, La Habana, Cuba, 2017, ISBN: 959-261-526-8.; Martinez, 2011MARTINEZ, P.F.: Tribología integral, Ed, Ed. Limusa, México, DF, 2011.)[4,8].

Para la evaluación de diferentes fórmulas acorde al tipo de desgaste, el algoritmo desarrollado puede ser consultado (Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.). [4]

En general, el mayor valor de K tiene lugar en condiciones de deslizamiento metal-metal, menor que el que tiene lugar en condiciones de deslizamiento metal-no metal y no metal-no metal. Si las condiciones son de deslizamiento metal-metal, con las mismas características, el valor de K es aún mayor. Si las condiciones son de deslizamiento de metales diferentes, el valor de K decrece y depende, esencialmente, de la compatibilidad tribológica de ambos metales; entendiendo por contabilidad tribológica, la facilidad de que se establezca entre ambos metales altos valores del componente molecular de la fricción (Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.) [4]. Esta posibilidad está fuertemente relacionada con la estructura cristalina y molecular de ambos metales del par, así como con el valor de su solubilidad en el estado sólido, el que se interfiere por su diagrama de equilibrio formado por la interacción de ambos metales. En la Fig. 2 se muestra un mapa en el cual se puede apreciar la mutua solubilidad en pares de fricción, formados por dos metales puros.

Tanto las combinaciones que se indican como completamente insolubles, mostrando una solubilidad despreciable en el estado sólido (), como aquellas que se indican como fases coexistentes en el estado líquido (), dan lugar a pares tribológicamente compatibles. Los pares de metales idénticos () son, por supuesto, completa y mutualmente solubles. Otros pares muestran diferentes relaciones de solubilidad, como se muestra en el mapa. En general, los pares por deslizamiento con alto grado de mutua solubilidad presentan baja compatibilidad tribológica y por tanto, valores de K relativamente altos; los de mutua baja solubilidad que llevan a una buena compatibilidad tribológica, tienden a obtener valores de K (Totten, 2016TOTTEN, G.: Surface Modifications and Mechanisms, Ed. Marcel Dekker Inc, New York, USA, 2016, ISBN: 0-8247-4872-7.; Ludema y Ajayi, 2018LUDEMA, K.C.; AJAYI, O.O.: Friction, wear, lubrication: a textbook in tribology, Ed. CRC press, 2018, ISBN: 0-429-44471-0.).[9-10}.

La mutua solubilidad no es el único factor que influye en la compatibilidad, la cual está también asociada con propiedades de las películas de superficie (usualmente óxidos) en los pares de deslizamiento. La ausencia de películas de óxido significativas en metales nobles tales como el oro, el platino, la plata y el rodio tienden a estar asociados con valores bajos de K, lo que demuestra que los mecanismos oxidativos juegan en papel importante.

Algunos metales con una estructura hexagonal compactan muestran también un comportamiento anormal, asociado con su ductilidad limitada, comparado con los metales de estructura cúbica y también con factores químicos. El titanio, el zirconio y el hafnio, por ejemplo, muestran una relativamente baja reducción en los valores de K, cuando se lubrican con cualquier lubricante hidrocarbonado, comparado con el que ellos presentan cuando trabajan sin lubricación.

La dureza del acero y otros metales que forman óxidos durante el proceso de deslizamiento, es importante para determinar la estabilidad la estabilidad de la capa y por tanto el mecanismo de desgaste predominante. Si el metal es lo suficientemente duro para proporcionar el suficiente soporte mecánico para soportar la capa de óxido, tendrá lugar un desgaste medio con valores de K bajos a través del mecanismo oxidante. Así, la dureza puede tener una influencia en la resistencia al desgaste adhesivo de algunos metales, pero también al incremento en la dureza en una partícula de una aleación puede provocar un decremento en el valor de su desgaste; la dureza no debe servir como factor de predicción de la resistencia al desgaste de diferentes aleaciones. Otros factores, especialmente la presencia de componentes micro estructurales tales como carburos en los aceros y el grafito en las fundiciones son, en ocasiones, de gran importancia (Martínez, 2010MARTÍNEZ, F.: ``Tribología Integral, Ed. Editorial Noriega, México, DF, 2010, ISBN: 978-607-05-0271-2.; 2017MARTÍNEZ, P.F.: Mantenimiento Industrial. Conceptos y aplicaciones, Ed. Editorial Cuba Azúcar, La Habana, Cuba, 2017, ISBN: 959-261-526-8.) [4-11].

La resistencia de los metales a condiciones severas de desgaste adhesivo y al daño superficial bajo cargas normalmente altas, no puede siempre correlacionarse con su resistencia al desgaste bajo condiciones menos severas. Varios factores influyen en la resistencia de los materiales al daño superficial por deslizamiento: la efectividad de la capa superficial a preservar la adhesión, la resistencia a la adhesión una vez que la película de óxido se rompe y la permanencia del enlace formado. La solubilidad mutua como indicador de la fortaleza de la fuerza adhesiva, juega algún rol; los metales que se unen fuertemente son más susceptibles al daño superficial por deslizamiento. Loa metales hexagonales con un número limitado de planos de deslizamiento tienen una baja tendencia a este tipo daño que los metales con estructura cúbica, presumiblemente debido a su menor ductilidad.

Algunas investigaciones han demostrado que metales y aleaciones con un alto grado de dureza deformacional, presentan una menor tendencia al daño superficial durante el deslizamiento; sin embargo, este factor no es infalible en el pronóstico. Por ejemplo, loa aceros austeníticos que también presentan alto endurecimiento deformacional, muestran alto daño superficial en este tipo de proceso, cuando tiene lugar una transformación martensitica. La dureza solamente es un pobre indicador de la resistencia al daño superficial durante el proceso de deslizamiento en aceros; por ejemplo, una alta concentración de carburos o nitruros muestran una alta resistencia al proceso de daño superficial por deslizamiento, mayor que cuando se obtiene una dureza similar, pero con una baja concentración de esa dureza y con partículas frágiles.

La Fig. 3 muestra un diagrama comparativo de valores típicos de coeficientes de desgaste K de diferentes materiales en condiciones de deslizamiento bajo diversas formas de lubricación.

Las deposiciones de capas por difusión, las cuales tienen una baja ductilidad, presentan una buena resistencia a este tipo de proceso. Las superficies rugosas, preferiblemente aquellas de estructura variable. (por ejemplo, aquellas generadas por bombardeo con arena), generalmente incrementan la resistencia al daño, probablemente debido a que el crecimiento de la unión en este proceso, es limitada; mayor probablemente al daño.

Los materiales cerámicos sometidos a deslizamiento moderado muestran coeficientes de desgate tan bajos o aun menores a los de diversos metales. Este hecho unido a su alta dureza, muestra que los materiales cerámicos pueden presentar valores significativamente más bajos que los metales. Sin embargo, el uso volumétrico de los materiales cerámicos presenta algunas limitaciones en las aplicaciones tribológicas. Sus propiedades mecánicas (especialmente su tenacidad a la fractura) puede no ser adecuadas para requerimientos que son necesarios tales como su producción en formas apropiadas (las cuales pueden realizarse por metalurgia de polvos, generalmente con un costo elevado) y también la posibilidad de fractura superficial a escalas pequeñas pero lo cual conlleva un desgaste severo, todo lo cual requiere gran cuidado en el diseño. Sin embargo, los componentes integralmente cerámicos pueden resultar muy durables en los procesos tribológicos; por ejemplo, los bujes de aluminio y los sellos en las bombas de agua, los componentes de válvulas de nitruro de silicio y los extremos femorales de alúmina, así como elementos en los implantes de cadera.

Algunas de las desventajas del empleo volumétrico de los materiales cerámicos en elementos de pares de fricción, pueden ser evitadas empleando el material en forma de depósito en un substrato metálico o por depósitos cerámicos proyectados por polvo en forma de plasma o por depósitos físicos al vacío (PVD) o químico al vacío (CVD), los cuales son métodos que conforman un grupo importante de ingenierías superficiales. En todos los usos tribológicos de los materiales cerámicos, es muy conveniente el empleo de la lubricación ya que reduce la tracción superficial y por tanto la fractura local que tiende al desgaste severo. Sin embargo, la posible reacción química del lubricante con la superficie debe ser tenida en cuenta.

El empleo de materiales poliméricos es poco para su empleo como materiales resistentes al desgaste, siendo comúnmente empleados como cojinetes de deslizamiento, a veces en condiciones de deslizamiento seco o límite. Sin embargo, algunos materiales poliméricos, con suficiente resistencia, pueden ser empleados como elementos volumétricos en las aplicaciones tribológicas, siendo significativo el uso del nylon (poliamidas), los sulfuros de poliéster; además estos materiales la mayoría de las veces, son empleados como composites base polimérica, fortalecidos con fibras adecuadas. Estos materiales son empleados en engranajes de baja carga y también los polímeros reforzados con fibras de carbón se emplean en algunos engranajes en carros de carrera, en donde se combina el bajo peso con buenas propiedades tribológicas en comparación con elementos similares de acero forjado.

La amplia diversidad de la existencia de materiales superficiales ingenieros, permite a los diseñadores, al menos en una cierta extensión, emplearlos en vez de materiales iguales volumétricamente en la superficie.

La Fig. 4 muestra el amplio rango de combinación de capas profundas y de dureza que pueden obtenerse superficialmente por estos métodos.

De la Fig. 4 puede concluirse que los diferentes métodos brindan oportunidades diversas de combinación de profundidades y durezas en las capas superficiales. Puede señalarse que algunos métodos se desconocen, tales como el niquelado químico, el plateado con níquel, el plateado con cromo y otros. Tales métodos, así como las deposiciones superficiales con PVD, CVD o los implantes iónicos que producen capas muy finas y de gran dureza, son útiles para el empleo en aplicaciones con mínima extensión de desgaste y donde la fuerza superficial actuante decrezca rápidamente en el trabajo, para que la fina capa superficial no sea eliminada. Esto está asociado con el hecho que la etapa de interacción elástica sea alcanzada rápidamente en las aplicaciones tales en que como elementos de precisión ingeniera como son las terrajas, las brocas y algunos elementos de corte en molino; métodos que pueden brindar gran beneficio en el trabajo, fundamentalmente el recubrimiento al vacío con NiTi y la aplicación con carburos cementados, manufacturado por metalurgia de polvos, los cuales pueden aumentar significativamente la vida superficial en elemento de corte.

En otros casos donde la fuerza de contacto penetre en la profundidad superficial del elemento hacia el total de la capa superficial y más allá (gradientes negativos), se necesitan métodos que generen capas más gruesas. En engranajes altamente cargados, por ejemplo, el material en la capa superficial debe tener una alta resistencia elástica, para mantener las condiciones de interacción elástica durante el trabajo, la cual está expuesta a altas fuerzas de contacto cuando ocurre contacto por deslizamiento. Sin embargo, el núcleo del diente del engranaje, así como el resto de éste, requiere de alta tenacidad de fractura y de resistencia a la aparición de grietas de fatiga, ya que está sometido a cargas cíclicas altas y, a veces, a cargas de impacto, durante el servicio. En este caso, la combinación de tales propiedades, es preferible el empleo de materiales metálicos con tratamientos térmicos y químicos superficiales.

CONCLUSIONES