El ensayo de fricción y desgaste evalúa el comportamiento tribológico de materiales sometidos a contacto deslizante bajo carga controlada. Es aplicable a metales, polímeros, cerámicas y recubrimientos, y constituye una herramienta habitual en el control de calidad de componentes sometidos a movimiento relativo, como guías, levas, cojinetes y capas protectoras. El procedimiento se estructura en varias fases: la preparación de muestras y probetas, la configuración del montaje de ensayo —principalmente pin-on-disk y ball-on-flat—, la medición del coeficiente de fricción y de la tasa de desgaste, la aplicación de normas de referencia como ASTM G99 e ISO 20808 y, por último, la definición de criterios de aceptación y la emisión del informe. Este artículo describe cómo se realiza el ensayo de fricción y desgaste conforme a dichas normas, indicando en cada etapa los puntos operativos que condicionan la validez y la repetibilidad de los resultados.
Principio & mecanismo
El fundamento del ensayo consiste en generar un contacto deslizante entre dos cuerpos bajo carga normal constante, mientras se registran de forma continua la fuerza tangencial y otros parámetros del sistema. Durante el deslizamiento, la resistencia al movimiento en la interfaz produce una fuerza de fricción proporcional a la carga aplicada; su cociente define el coeficiente de fricción. De manera simultánea, la interacción mecánica entre asperezas, la adhesión local y la remoción de material generan desgaste, que se cuantifica comparando la masa o la geometría de la probeta antes y después del ensayo. La geometría del contacto determina la presión nominal: un contracuerpo esférico concentra la tensión en una pequeña área, mientras que un pin plano o truncado la distribuye. La evolución del sistema depende de la formación de capas terceras, la transferencia de material y el estado de la superficie, por lo que el control de rugosidad, limpieza y lubricación es parte del mecanismo mismo del ensayo y de su reproducibilidad.
Preparación de muestras y probetas
La etapa preparatoria condiciona la dispersión de los resultados y debe documentarse en el informe. Las probetas planas se cortan a dimensiones adecuadas al porte-muestras del tribómetro y se mecanizan hasta obtener paralelismo y planitud aceptables. A continuación se determina la rugosidad superficial con un rugosímetro de contacto o por interferometría, registrando parámetros como Ra en varias zonas de la superficie funcional. La limpieza se realiza con disolventes compatibles con el material, seguida de secado y manipulación con guantes para evitar contaminación por grasas cutáneas. Los pins o esferas contracuerpo se inspeccionan visualmente y con lupa o microscopio para descartar defectos, corrosión o daños previos. Antes del ensayo conviene pesar cada probeta en balanza analítica y, cuando se prevé desgaste muy bajo, registrar imágenes de referencia de la zona de contacto. Las probetas se acondicionan en el ambiente del laboratorio durante un tiempo suficiente para estabilizar su temperatura y, en materiales higroscópicos, su contenido de humedad.
Configuración
del ensayo: pin-on-disk y ball-on-flat
En la configuración pin-on-disk, la probeta plana gira sobre un disco motorizado mientras un pin estático, plano o esférico, presiona contra ella con una carga muerta o neumática. El radio de la pista se fija al seleccionar la posición radial del pin, lo que permite ensayar varias pistas concéntricas en una misma probeta. En el montaje ball-on-flat, una esfera se desliza de manera reciprocante o lineal sobre la muestra plana; es la variante más habitual cuando se evalúan recubrimientos finos, pues la geometría esférica limita el área de contacto y reduce el riesgo de delaminación. En ambos casos deben verificarse la rigidez del fixture, la perpendicularidad del contracuerpo respecto a la superficie y la calibración de los sensores de fuerza normal y tangencial. La velocidad de deslizamiento, la carga normal y el número de ciclos se fijan según el modo de degradación que se desea reproducir, ya sea desgaste leve prolongado o condiciones severas de corta duración.
Parámetros
medidos: coeficiente de fricción y tasa de desgaste
El coeficiente de fricción se obtiene en tiempo real a partir de la señal de la celda de fuerza tangencial dividida por la carga normal, y se representa como curva de fricción frente al tiempo o al número de ciclos. De esa curva se distinguen la etapa transitoria inicial, donde el coeficiente varía con el acondicionamiento de la superficie, y el régimen estacionario, cuyo valor medio caracteriza el par de materiales. La tasa de desgaste se calcula por métodos directos: pesada diferencial en balanza analítica cuando la pérdida de masa es detectable, o medición del volumen de la huella mediante perfilometría o microscopía 3D cuando el desgaste es muy pequeño. El volumen perdido se normaliza respecto a la carga normal y a la distancia de deslizamiento, expresándose en unidades de volumen por newton y por metro. La observación de las superficies tras el ensayo, por microscopía óptica o electrónica, permite identificar el mecanismo dominante: adhesión, abrasión, fatiga superficial o tribooxidación.
Normas aplicables: ASTM G99 e ISO 20808
La norma ASTM G99 regula el ensayo de desgaste y fricción con la configuración pin-on-disk y especifica los requisitos del equipo, los procedimientos de calibración y el formato de presentación de datos. Define las condiciones a registrar: carga normal, velocidad lineal, radio de la pista, duración, ambiente y propiedades de los materiales en contacto. La ISO 20808, por su parte, cubre el ensayo de fricción y desgaste por deslizamiento con configuración ball-on-flat, con énfasis en la determinación del coeficiente de fricción y del volumen de desgaste mediante perfilometría de la huella. Ambas normas insisten en la calibración periódica de las celdas de carga, de los sistemas de medición de temperatura y del instrumental dimensional, así como en la realización de repeticiones para estimar la dispersión. Cuando el solicitante requiere condiciones particulares, por ejemplo temperatura elevada o atmósfera controlada, estas deben declararse como desviaciones documentadas respecto al procedimiento normalizado.
Criterios
de aceptación e informes de resultados
Los criterios de aceptación no suelen fijarse en la norma de método, sino en la especificación del producto o en el acuerdo entre las partes. Los límites habituales se expresan como un valor máximo admisible del coeficiente de fricción estacionario y una tasa de desgaste máxima por unidad de carga y distancia; también pueden incluir la prohibición de fenómenos como gripaje, delaminación de recubrimientos o transferencia severa de material. El informe debe identificar la norma aplicada, la configuración utilizada, las condiciones de ensayo completas y la identificación de cada probeta, junto con las curvas de fricción, el cálculo del volumen de desgaste con su método de obtención y la estadística de las repeticiones. Se adjuntan micrografías de las huellas y de los contracuerpos. Toda desviación, interrupción o anomalía se declara de forma explícita, de modo que el usuario pueda comparar resultados entre laboratorios y juzgar la conformidad con la especificación acordada.
FAQ
¿Qué
requisitos deben cumplir las muestras para el ensayo de fricción y desgaste?
Las probetas planas deben presentar planitud, paralelismo y rugosidad documentadas antes del ensayo, junto con limpieza libre de residuos y una masa inicial registrada en balanza analítica. Los pins o esferas contracuerpo deben inspeccionarse para descartar defectos previos. Las muestras se acondicionan en el ambiente del laboratorio para estabilizar temperatura y humedad antes de su montaje en el tribómetro.
¿Cuándo
conviene elegir pin-on-disk o ball-on-flat en el ensayo de fricción y desgaste?
Pin-on-disk, conforme a ASTM G99, es adecuado cuando se desea deslizamiento unidireccional continuo y varias pistas en una misma probeta. Ball-on-flat, cubierto por ISO 20808, es preferible para recubrimientos finos, pues la geometría esférica limita el área de contacto y el riesgo de delaminación, y permite movimiento reciprocante cuando así se requiere.
¿En qué se basa la aceptación de resultados del ensayo de fricción y desgaste?
La aceptación se basa en la especificación del producto o en el acuerdo entre las partes, expresada como límites del coeficiente de fricción estacionario y de la tasa de desgaste normalizada, además de la ausencia de gripaje, delaminación o transferencia severa. El informe recoge las condiciones completas, las curvas de fricción y las repeticiones para juzgar la conformidad.