Caracteristicas Tribológicas En Materiales Compuestos, Matriz Polimérica Con Rellenos Naturales

Sagaró Zamora, R.
Departamento de Mecánica y Diseño. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Oriente. CP 90900,
Santiago de Cuba, Cuba, Fax: 53-22-641701
sagaro@fim.uo.edu.cu

Bustillos Castillo, J. A. ]]> Instituto de Investigaciones Metalúrgicas y de Materiales de la Universidad Mayor de San Andrés.
La Paz Bolivia. Fax: 591-2-2260106
cuquin266@yahoo.es

Olivares Miyares, A. L.
Departamento de Mecánica y Diseño. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Oriente.
oliva res@fim.uo.edu.cu

Coureaux Mustelier, D.
Departamento de Mecánica y Diseño. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Oriente.
dcoureaux05@fim. uo.edu. cu

RESUMEN

En esta investigación se muestran los resultados obtenidos en los ensayos de desgaste realizados por el Grupo de Tribología de la Universidad de Oriente y la Universidad Mayor de San Andrés a materiales compuestos desarrollados en la Universidad de Oriente. En los análisis se discute la caracterización tribológica de materiales compuestos que incluyen como rellenos fibras naturales (Henequén) y minerales aluminosilicatos de obtención nacional comparando estos resultados con los obtenidos para materiales formulados con fibras de vidrio de diferentes orientaciones espaciales del tipo MAT 600 y Roving 250. Los ensayos experimentales de fricción y desgaste fueron realizados en el tribómetro del tipo "block on ring" con arreglo a la norma ASTM G77-98. De manera complementaria se introduce la aplicación del ensayo de análisis térmico diferencial para el mineral zeolítico empleado. Los resultados experimentales fueron procesados empleando el software profesional STATGRAPHICS 4.1 obteniéndose las ecuaciones de regresión y correlaciones gráficas para el diseño de mezclas concebido para el estudio de la influencia de las diferentes variables en las características tribológicas.

INTRODUCCIÓN

La importancia de los materiales compuestos en la ingeniería moderna va más allá de la simple suma de las propiedades de sus elementoscomponentes. Las propiedades de los materiales compuestos dependen de las propiedades físico -mecánicas y las características tribológicas de los componentes y la resistencia de los enlaces entre ellos. No obstante los materiales compuestos adquieren ciertas propiedades no encontradas en sus componentes

La fibra de vidrio es el refuerzo más utilizado en la fabricación de materiales compuestos. Las razones de su amplio uso se encuentran en la conjunción de diversas características de estas fibras tales como el fácil procesamiento y una alta resistencia.

Las principales características de la fibra de vidrio son:

]]> •     Excelente adherencia fibra-matriz, gracias a la posibilidad de emplear recubrimientos apropiados para la mayoría de las matrices orgánicas.

•     Resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero, en la dirección de la fibra.

•     Buenas propiedades dieléctricas.

•     Incombustibilidad.

•     Estabilidad dimensional.

•     Baja conductividad térmica

•     Buena resistencia a los agentes químicos

•     Propiedades isótropas.

Cuando el vidrio se convierte en finas fibras, su tensión de rotura a la tracción, aumenta considerablemente. Para la fabricación de fibra de uso en plástico reforzado, se emplea el vidrio tipo "E", el cual es un vidrio borosílico, con escaso contenido de álcalis, (menor a 1%).Se fabrican diferentes tipos de refuerzo de fibra de vidrio, según las necesidades, en cuanto al diseño y al proceso de transformación a emplear. Se pueden conseguir en forma de hilo (Roving) y MAT o Tejido.

En los últimos tiempos cuestiones relacionadas con su manipulación e incidencia en la salud humana han limitado sus aplicaciones dando paso al empleo de fibras y rellenos naturales que resulten de un compromiso que permita garantizar las propiedades requeridas, abaraten los costos, respeten el medio ambiente y la salud humana [1,2].

MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Los materiales a ensayar fueron formulados en una matriz de resina poliéster con diferentes rellenos: MAT 600 (100 % de fibra de vidrio, cortas y orientadas en todas direcciones en forma de malla), MAT 600 (50 %) con mineral zeolítico (50%), MAT 600 (16%) Roving 250 (R250), fibra de vidrio bidireccional (16%) Zeolita (66%) y finalmente fibras de henequén (100%). De estas formulaciones se elaboraron probetas de sección rectangular con dimensiones de 10x11x5mm.

Un resumen de sus propiedades mecánicas se presenta en la Tabla 1.

Para la planificación de los experimentos se utilizó un diseño de tipo factorial de dos niveles 2 ^k, con mediciones en 2 puntos centrales y replicas del experimento lo que representa un total de 12 ensayos por material.

Los experimentos fueron realizados en la máquina de ensayo bloque - anillo con una duración de 30 min y como variables dependientes se emplearon diferentes combinaciones de carga normal y la velocidad de deslizamiento.

La determinación del desgaste se realizó por el método gravimétrico de diferencia en peso en una balanza analítica con una sensibilidad de 0.1 mg.

En calidad de contracuerpo se empleó el acero AISI 316, HV=200, de diámetro exterior 50 mm y Ra= 0.8 um.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La Tabla 2 recoge los resultados de los ensayos de desgaste de los diferentes materiales ensayados. La tabla 3 recoge las correlaciones matemáticas para cada formulación con arreglo a las variables carga normal y velocidad de deslizamiento.

En todos los casos las formulaciones ensayadas presentaron como comportamiento general una tendencia a incrementar el desgaste con las variaciones de la carga y la velocidad de deslizamiento (aunque no en la misma razón), que resultaron, de acuerdo a los análisis de los diagramas de Pareto, las variables de mayor incidencia estadística y en menor medida la combinación de ambas.

La Figura 2 representa la dependencia gráfica obtenida para el material formulado con la fibra de vidrio MAT 600 (100%).

Como se puede observar este material incrementa su desgaste linealmente con los incrementos de carga y velocidad.

El material formulado con fibras de vidrio y el mineral zeolítico (50-50) presenta un comportamiento para la variable desgaste, menos dependiente de la velocidad a bajas cargas normales, siendo esta más significativa en los resultados de los experimentos en la zona de las mayores cargas normales.

Al igual que el material compuesto la mayor influencia la ejerce la carga normal con un comportamiento muy similar en la zona de las altas velocidades (Figura 3).

Como quiera que los efectos combinados de la carga y velocidad están muy relacionados con el régimen térmico se practicó un análisis térmico diferencial del mineral zeolítico y que ha sido sugerido por algunos investigadores [3,4] como unos de los aspectos a tener en cuenta a la hora de buscar potenciales sustitutos de la fibras de vidrio en materiales para uniones deslizantes. La Figura 4 presenta la curva característica de ATD practicado en la Universidad de Oriente para el aluminosilicato zeolita.

Esta pérdida de agua de adsorción corresponde al agua presente en los canales de la estructura cavernosa de la zeolita. Posteriores calentamientos hasta los 1000 ° C no registran cambio alguno en su estructura cristalina, lo que corrobora que el agua eliminada no se encuentra ligada a su estructura y por lo tanto se pone de manifiesto su gran estabilidad térmica. Otro aspecto que se sugiere relacionado con las buenas propiedades de resistencia al desgaste de los compuestos formulados con relleno de mineral zeolítico está vinculado a la dureza (HV= 150-350) y dispersión del relleno.

Si bien un relleno muy abrasivo puede dañar seriamente la contraparte metálica, uno medianamente abrasivo, puede desgastar los picos de las asperezas del contracuerpo metálico, reduciendo su rugosidad en un asentamiento relativamente corto y disminuyendo de esta forma la magnitud del desgaste del material compuesto [5,6].

Otro aspecto a considerar es el relacionado con la orientación de las fibras en los materiales compuestos. Si bien algunos autores han reportado los mejores resultados con fibras con orientación normal respecto a la superficie de deslizamiento, la orientación en forma de red produce la suficiente resistencia a la propagación de grietas subsuperficiales muy comunes en estos materiales, así como la resistencia al desgaste abrasivo [7].

Los resultados obtenidos corroboran las buenas características tribológicas exhibidas por materiales con rellenos de aluminosilicatos desarrollados por el Grupo Tribológico de la Universidad de Oriente para elementos de frenos de equipos ferroviarios [8].

La Figura 5 muestra los resultados de los ensayos para la material con fibras de vidrio bidireccionales R250 (16 %), MAT (16%) y zeolita (66%). Como se puede observar el incremento del por ciento de zeolita y la disminución de las fibras de vidrio provocaron una disminución de la resistencia al desgaste.

Finalmente la Figura 6 muestra el efecto que tienen en el desgaste la velocidad y la carga y su interacción para una estimación con un 95 % de confianza en el material compuesto formulado a partir de un 100 % de fibras de henequén.

Como se puede observar de la Tabla 2 y la figura anterior este material presentó la más baja resistencia al desgaste aun cuando se debe significar que a bajas cargas y velocidades manifestó un comportamiento válido para aplicaciones de poco compromiso. Las causas de este comportamiento pueden estar justificadas por la baja resistencia mecánica y la insuficiente resistencia térmica de la fibra.

COEFICIENTE DE FRICCIÓN

Para la influencia de las condiciones de explotación en la magnitud del coeficiente de fricción de las formulaciones con mineral zeolítico y fibras de henequén se realizaron experimentos en la máquina de ensayo block on ring según el procedimiento ASTM G77-98 utilizando para ello muestras de estos materiales con las mismas dimensiones y acabado superficial que las empleadas en los ensayos de desgaste. En este caso los niveles seleccionados fueron Fn = 110-210 N y V=0.1-0.21 m/s.

Las dependencias matemáticas de las condiciones de realización de los experimentos par alas formulaciones con MAT 600 (50%) Zeolita/ (50%) Ec. (5) y 100 % de fibras de henequén Ec. (6) pueden ser descritas según la forma y sus dependencias graficas pueden ser mostradas según las Figuras 7 y 8:

De la figura se puede observar que los más altos valores del coeficiente de fricción (0.38) se obtienen para los menores valores de carga (110 N) y velocidad (0,105 m/s), en tanto el menor valor del coeficiente de fricción (0.22) es para el mayor nivel de carga (210 N) en combinación con el menor nivel de velocidad (0,105 m/s). Se percibe por tanto una dependencia significativa a la disminución de "f” con el incremento de la carga. En el rango estudiado de velocidades, el aumento de esta última provoca un incremento poco significativo independientemente de los valores de la carga normal aplicada.

En la Figura 8 se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción para la formulación con fibras de henequén. De igual forma el material presentó una tendencia a una disminución significativa de la fricción con el incremento de la carga bajo cualquier condición de velocidad de deslizamiento. Al analizar la influencia de esta última se observa una disminución del coeficiente de fricción con el incremento de la velocidad, más significativo en la zona de las bajas cargas normales y que varia poco al incrementar la carga normal. Se puede concluir que el material con fibras de henequén presentó durante los ensayos los mayores valores del coeficiente de fricción y la mayor variación con el incremento de la carga normal (0.43 a 0.26).

CONCLUSIONES

1.   Sobre la base de investigaciones previas de los autores y los resultados del presente trabajo de investigación se puede concluir que es posible formular materiales compuestos para aplicaciones tribológicas con rellenos de mineral zeolítico garantizando una alta resistencia al desgaste, estableciendo un compromiso entre sus características tribológicas y las propiedades mecánicas que adicionalmente se requieran. Tal proceder permitía abaratar los costos sin detrimento de las propiedades requeridas.

2.    La elección de rellenos sustitutos en materiales compuestos para su empleo en uniones tribotécnicas requiere en nuestra opinión de una valoración de la composición química del relleno sustituto y la caracterización tribológica de la formulación propuesta. En aquellos casos en que la resistencia térmica sea un requerimiento adicional consideramos necesario la realización del análisis térmico diferencial del material de relleno y el material compuesto en su integridad.

3.    Es importante considerar la influencia que en las propiedades tribológicas tiene la dureza y dispersión del relleno, así como la orientación de las fibras respecto a la dirección del deslizamiento.

4.    La formulación de materiales compuestos con rellenos de fibras naturales de henequén es aplicable a aquellos casos de sustitución parcial o de pocos requerimientos dada su insuficiente resistencia al desgaste, térmica y mecánica para regímenes medios o severos de explotación.

REFERENCIAS

1.   Pogosian, A. Material de fricción libre de asbesto. Revista Fricción y Desgaste, t-11, No. 2, 1990, pp. 312-316.        [  ]

2.   Rhee, S.K. Efecto de la fibra de titanato de potasio en el desgaste de forros de freno para automotores. Revista Desgaste, 46,1978, pp.109-126.        [  ]

3.   Sagaro, R.; Rodríguez, A. Sustitución de la fibra de asbestos en materiales poliméricos friccionantes. Revista Tecnología Química, ISSN 0041-8420, V-16, # 3, p40- 47, 1996.        [  ]

4.   Pogosian, A. Investigación y desarrollo de materiales compuestos sin asbestos. Revista Fricción y Desgaste, T- VIII, No.5, 1987, pp. 785-791        [  ]

5.   Sagaro et Al. Influencia del tamaño y la dispersión del relleno en las propiedades tribológicas de materiales compuestos, Revista Tecnología Química, ISSN 0041-8420, V-16, #.3, p 63-68, 1996.        [  ]

6.   Ainbider, S.B. Efecto de la rugosidad del contracuerpo en el desgaste de materiales compuestos base polietileno. Revista Mecánica de Polímeros. No.3, 1977, pp. 479-485.        [  ]

7.   Bhushan, Bharat. Handbook of Tribology. Materials, Coatings and Surface treatments, ISBN 0-07-005289. McGraw Hill. Inc. 1991.        [  ]

8.   Sagaro et Al. Certificado de patente #.22-238, Material Friccionante ZF-21. CI B61H 7/06. República de Cuba., Septiembre 1989.        [  ]

9.   Sagaro et Al. Certificado de patente #.22-236, Material Friccionante ZF-12. CI B61H 7/06. República de Cuba., Septiembre 1989.        [  ]