Universidad de la RepúblicaFacultad de Ingeniería

Instituto de Ensayo de Materiales

METALURGIAFÍSICA

LUBRICANTES SÓLIDOS

Alumno: Cecilia GarcíaDocente: MSc. Qco. Carlos Mantero

Año 2009

ÍNDICE

Índice. 2

1. Introducción 3 1.1 Conceptos básicos de lubricación 31.2 Coeficiente de fricción 3 1.3 Importancia de los lubricantes sólidos 3 1.4 Clasificación de lubricantes sólidos según mecanismo de lubricación 4

2. Lubricantes sólidos laminares 5 2.1 Características generales y mecanismo de lubricación 5

2.2 Grafito 6 2.2.1 Fluoruro de grafito 9 2.3 Disulfuro de molibdeno 9 2.3.1 Modo de falla 11 2.4 Talco 13 2.5 Otros lubricantes sólidos laminares 14 2.5.1 Nitruro de boro hexagonal 14 2.5.2 Ácido bórico 15 2.5.3 Otros dicalcogenuros 16

3. Películas de metales blandos 17 3.1 Mecanismo de lubricación 17 3.2 Propiedades lubricantes 18

4. Politetrafluoroetileno 20

5. Óxidos de metales con propiedades lubricantes 21

6. Compuestos autolubricantes 23 7. Limitaciones y Conclusiones 24

Bibliografía 24

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1. INTRODUCCIÓN

1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE LUBRICACIÓN

Los lubricantes surgen de la necesidad de disminuir la fricción y el desgaste producidos por dos superficies en contacto, con deslizamiento relativo. Disminuyendo la fricción se logra ahorrar energía, que de otra manera sería disipada; diminuyendo el desgaste se logra una mayor vida útil de piezas que operan en estas condiciones. Además de estas funciones básicas, la capacidad de disipar el calor, la resistencia a la corrosión y al efecto de contaminantes del medio son otras propiedades que califican el lubricante y que cobran mayor o menor importancia según cada caso específico.

La lubricación se realiza manteniendo entre las superficies de dos cuerpos sólidos en movimiento relativo una película de material lubricante, que resista menores esfuerzos cortantes que los propios sólidos, y que evite que las asperezas de dichas superficies entren en contacto. Existen diversos factores que afectan la lubricación: carga normal aplicada a los cuerpos, velocidad de deslizamiento relativo, temperatura de operación, presencia de contaminantes en el medio, acabados superficiales, método de aplicación de la película de lubricante. Se profundizará sobre estos en secciones posteriores.

1.2 COEFICIENTE DE FRICCIÓN

Se hará referencia al coeficiente de fricción, como un medidor de la resistencia al movimiento debido a la fricción que ofrecen dos cuerpos en contacto. Éste está definido como el cociente de la fuerza de fricción (fuerza que se opone al deslizamiento relativo de los cuerpos) entre la fuerza normal que se ejercen mutuamente.

Los valores del coeficiente de fricción para cada par de materiales en cierto medio varían ampliamente según las condiciones precisas de medida, por lo que los valores aquí presentados deben considerarse como representativos de numerosas de medidas.

En una grosera aproximación a los valores de coeficientes de fricción, podemos decir que los contactos metal-metal en aire presentan coeficientes de fricción en el rango 0.5-1.5; sistemas cerámicos-cerámicos en aire muestran coeficientes en 0.25-0.8; y sistemas polímeros-polímeros o polímeros-metales entre 0.1-0.5. En este último caso, en el que intervienen polímeros, se observan coeficientes de fricción muy distantes de este rango ya que, además de depender de la carga normal, este varía apreciablemente con la velocidad de deslizamiento y con la temperatura. Durante el desarrollo de este trabajo, se presentarán valores típicos de coeficientes de fricción entre superficies lubricadas y quedará en evidencia la disminución de la fricción lograda por el uso de lubricantes sólidos.

1.3 IMPORTANCIA DE LOS LUBRICANTES SÓLIDOS

En la mayoría de las aplicaciones tribológicas, se utilizan líquidos y grasas para la lubricación. Se recurre a lubricación sólida en condiciones severas, en las que

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estos lubricantes convencionales son inadecuados: temperaturas extremas, vacío, exposición a radiación, alta presión de contacto, etc.

Los siguientes ítems enumeran las ventajas de la utilización de lubricantes sólidos:

son adecuados para trabajar a temperaturas extremas, mientras que los lubricantes líquidos solidifican o se oxidan.

algunos se desempeñan bien en vacío, mientras que a presiones muy bajas los líquidos evaporan.

en general presentan baja generación de calor debido al rozamiento; en líquidos la generación de calor varía con la viscosidad.

algunos son buenos conductores de electricidad, mientras que la mayoría de los líquidos son aislantes eléctricos.

son relativamente insensibles a la radiación nuclear, mientras que los líquidos sufren degradación o descomposición.

algunos (los metálicos) presentan excelente conductividad térmica (y disipación de calor); en líquidos es en general buena.

son más higiénicos y no causan contaminación: no hay riesgo de derrame, no hacen emisiones dañinas.

son adecuados para superficies de difícil lubricación (como acero inoxidable, materiales cerámicos, polímeros), mientras que los líquidos no lubrican satisfactoriamente superficies no ferrosas

relativamente insensible a ambientes acuosos y a algunos ácidos y bases.

1.4 CLASIFICASIÓN DE LOS LUBRICANTE SÓLIDOS SEGÚN MECANISMO DE LUBRICACIÓN

Se distinguen dos mecanismos fundamentales de lubricación sólida: el primero se basa en el empleo de sólidos laminares, que se desarrollará en el capítulo 2, y el segundo en el empleo de películas de metales blandos (capítulo 3). En el capítulo 4 se tratará del polímero politetrafluoroetileno que aunque no está incluido en dicha clasificación, es uno de los lubricantes sólidos mas utilizados. Finalmente, en capítulo 5 se explica ciertas condiciones, en las que óxidos de metales pueden utilizarse con fines de lubricación.

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2. LUBRICANTES SÓLIDOS LAMINARES

2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES Y MECANISMO DE LUBRICACIÓN

Ampliamente usados en la industria, grafito y disulfuro de molibdeno son los ejemplos más relevantes dentro de esta clase de lubricantes sólidos, integrada además por: otros dicalcogenuros de metales de transición (disulfuro de tungsteno entre ellos), nitruro de boro hexagonal, ácido bórico y talco.

Son materiales anisótropos, con planos de debilidad al corte, es decir, planos capaces de soportar un nivel de esfuerzos cortantes relativamente bajo. Cuando se presentan entre superficies deslizantes en contacto, las partículas de lubricante se alinean como muestra la siguiente figura, de manera que estos planos quedan paralelos a la dirección del movimiento relativo, pudiendo deslizar unos sobre otros.

Sin embargo, no todo sólido laminar tiene propiedades lubricantes, es condición necesaria que las láminas puedan deslizar a bajas tensiones rasantes, de forma que el efecto global sea una disminución en la resistencia al movimiento relativo de las superficies, es decir, disminución de la fricción. La siguiente imagen ilustra simplificadamente capas de lubricante sólido, deslizándose a través de los planos de baja resistencia al corte.

Las líneas punteadas indican la posición del sistema antes de comenzar el deslizamiento.

Lo que permite este mecanismo de lubricación en algunos sólidos es tener estructura cristalina laminar con la particularidad de que los átomos de una misma lámina estén próximos y fuertemente enlazados, mientras que las láminas entre sí se mantengan alejadas (en comparación con la distancia interatómica dentro de una misma lámina) y unidas por enlaces débiles.

Las capas de lubricante pueden estar formadas por un único plano de átomos, como es el caso del grafito, o por tres planos atómicos como en el disulfuro de molibdeno. En apartados siguientes se presentan imágenes que ilustran estas distribuciones de los átomos.

Algunos monocalcogenuros de metales de transición (sulfuro de galio, por ejemplo) tienen una distribución atómica entramada que puede formar capas

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deslizantes, de forma similar a los dicalcogenuros, adquiriendo así buena lubricidad. En estos últimos las capas deslizantes constan de cuatro planos de átomos.

Otra característica de los sólidos lubricantes de gran importancia, es la adhesión a las superficies interactuantes. Buenos sólidos lubricantes deben tener la capacidad de unirse fuertemente a estas superficies, de manera que durante el deslizamiento, las capas en contacto con el material a lubricar permanezcan adheridas a este.

Si no existe suficiente adhesión de estas capas se observa lo siguiente:

La mayoría de los sólidos con estructura cristalina laminar tienen afinidad química con superficies ferrosas. A esto se suma el hecho de que en superficies muy ásperas o porosas, estos se distribuyen rellenando los poros o valles entre asperezas, por lo que se obtiene una superficie con terminación más suave.

La temperatura y el ambiente de operación son otros factores que influyen en las propiedades lubricantes de los sólidos estudiados, pudiendo provocar, por ejemplo, cambios en la composición química del material. En apartados siguientes se especifica como influyen la temperatura y el medio en los lubricantes sólidos más usados.

2.2 GRAFITO

Es una de las formas en que se puede presentar el carbono sin combinar. La siguiente imagen muestra su estructura cristalina hexagonal.

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Cada átomo de carbono se une a 3 átomos vecino del mismo plano, habiendo una distancia interatómica de 0.1415nm. Los planos hexagonales distan 0.335nm y se mantienen unidos principalmente por fuerzas de Van der Waals. El deslizamiento entre planos se ve facilitado por la presencia de oxígeno y agua. Esto se debe, probablemente, a que al ser adsorbidos por las superficies de las capas de grafito, estos anulan o debilitan los enlaces entre los planos.

El grafito es un mineral, pero puede presentarse también sintetizado. En su forma natural contiene entre 96 y 98% de carbono, además de azufre, óxido de silicio y cenizas. A mayor contenido de carbono y mayor grado de grafitización (es decir, regularidad del cristal), se obtienen mejores propiedades lubricantes y alta resistencia a la oxidación. Es, además, abundante en la naturaleza y de bajo costo. El grafito sintético se caracteriza por su alta pureza (99.5-99.9% de carbono). Dependiendo de su calidad, grafito natural y sintético pueden alcanzar niveles similares de lubricación.

El desempeño del grafito como lubricante esta condicionado a la presencia de vapor de agua en el ambiente. La adsorción de vapor reduce la energía de enlace entre los planos hexagonales de grafito, facilitando el deslizamiento entre ellos. Por esta razón el grafito no es adecuado para lubricación en vacío. La gráfica que sigue muestra como decrece la tasa de desgaste del grafito cuando se incrementa la presión de vapor de agua en el aire.

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Cabe aclarar que una buena lubricación del grafito ocurre en ambientes que contienen vapor condensable, no necesariamente vapor de agua. Por ejemplo: el alcohol isopropanol es más efectivo que vapor de agua.

El grafito puede lubricar eficientemente hasta aproximadamente 400ºC en aire. A mayor temperatura se oxida y pierde lubricidad. En el rango de temperaturas comprendidas entre temperatura ambiente y 400ºC el coeficiente de fricción del grafito (contra grafito u otros materiales) varía entre 0.1 y 0.3, con tendencia a aumentar conforme aumenta la temperatura. En atmósferas inertes o vacío, el coeficiente de fricción tiene valores que alcanzan 0.4 hasta temperaturas cercanas a 800ºC; a mayor temperatura comienza a descender. Alrededor de 1500ºC se obtiene un valor del coeficiente de 0.2. El coeficiente de fricción de grafito en vacío en función de la temperatura se grafica a continuación:

El modo de falla de un revestimiento lubricante de grafito, que es igual al del disulfuro de molibdeno, se explica en la sección correspondiente a este último. Cuando son aplicados sobre aceros y en aire, en ambos se observa una disminución en la carga de falla y en el tiempo de vida útil al aumentar la velocidad de deslizamiento de las superficies. Sin embargo el coeficiente de fricción no se ve afectado por este aumento.

El grafito es, en general, buen conductor eléctrico pero pobre como conductor térmico. En aplicaciones donde no es necesario alto nivel de lubricación, pero se requiere una capa de aislamiento térmico, es adecuado usar grafito amorfo, esto es, con un 80% de carbono.

Otras ventajas del grafito: es resistente a medios básicos y ácidos; no se dilata por la temperatura.

Entre sus usos se puede mencionar: recubrimientos de pistones, hornos rotatorios, contactos eléctricos en motores (donde además se aprovecha que el grafito puede amoldarse a la superficie de contacto). Disperso en agua, aceites u otros solventes, se aplica en condiciones extremas, como moldes y matrices utilizados en tratamiento de metales. Además, es incorporado en materiales compuestos formados por matrices metálicas, cerámicas o poliméricas, y grafito como componente auto-lubricante, usados ampliamente en cojinetes y todo punto de contacto entre piezas.

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2.2.1 FLUORURO DE GRAFITO

Una forma de mejorar las propiedades lubricantes del grafito y su durabilidad es mediante el proceso de fluoración del mismo, que consiste en la reacción de grafito con gas flúor a temperatura y presión controladas. Se obtiene fluoruro de grafito, cuya forma estequiométrica es CFx, con x variando entre 0.3 y 1.1; y su estructura se obtiene intercalando átomos de flúor entre los planos de basales. Este proceso da como resultado un aumento en la distancia entre láminas de carbono en el grafito, desde 0.34nm a 0.75nm aproximadamente, lo que explica el deslizamiento más fácil y la mejor en lubricidad. Además causa que láminas de grafito sufran cierta distorsión y pierdan su configuración plana.

Otras características del fluoruro de carbono son: aislación térmica, y poca sensibilidad a las variaciones de humedad del ambiente (ofrece bueno lubricación incluso en ambientes secos).

Las propiedades lubricantes del fluoruro de grafito se asemejan a las del disulfuro de molibdeno, con la ventaja de de proporcionar una película mas duradera por resistir mejor a la oxidación.

El alto costo de obtención es la razón por la cual el fluoruro de carbono se usa poco en la industria.

2.3 DISULFURO DE MOLIBDENO

Del mismo modo que el grafito, el disulfuro de molibdeno (MoS2) es un mineral, con estructura cristalina hexagonal, con la propiedad de deformarse con bajas tensiones cortantes.

Su estructura consiste en un plano de átomos de molibdeno, inmediatamente por encima y por debajo del cual (y en paralelo) se encuentran planos de átomos de azufre. Como en grafito, se cumple que los átomos de una misma lámina están cercanos y fuertemente unidos en comparación con la distancia y los enlaces interlaminares. En este caso, el enlace entre los planos de átomos de azufre se debe exclusivamente a fuerzas de Van der Waals y es más débil que en grafito, resultando en una anisotropía más acentuada.

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La siguiente imagen muestra la estructura en capas del disulfuro de molibdeno. El espesor de las capas es de aproximadamente 1 micrómetro.

El tamaño de las partículas debe adecuarse a la rugosidad de la superficie a lubricar. En general, partículas grandes se desempeñan mejor en superficies relativamente ásperas a baja velocidad, mientras que partículas finas lo hacen en superficies lisas a mayores velocidades de deslizamiento. Además, se debe considerar que partículas finas aceleran la oxidación, y las gruesas pueden causar un desgaste excesivo por abrasión, potenciado por la posible presencia de impurezas en el MoS2.

El disulfuro de molibdeno presenta un coeficiente de fricción entre 0.1 y 0.3 en el rango de temperaturas desde temperatura ambiente hasta 400ºC aproximadamente, a partir de la cual la oxidación afecta significativamente su lubricidad. Sin embargo, las propiedades lubricantes del MoS2 se destacan particularmente en vacío y en ambiente seco. En estas condiciones el coeficiente de fricción se mantiene en valores cercanos a 0.2 hasta los 800ºC, cuando ocurre su descomposición a metal molibdeno y sulfuro gaseoso. Los coeficientes de fricción tan bajos en vacío se deben, en parte, a la perfecta orientación basal de las láminas de lubricante por ausencia de contaminantes. La dependencia de las propiedades lubricantes del disulfuro de molibdeno con la presión del medio se ilustran a

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continuación, notando que tiene un comportamiento que tiende a oponerse al del grafito:

Como se dijo anteriormente, tanto en grafito como en MoS2, un aumento en la velocidad de deslizamiento, provoca una disminución en la carga de falla y en la vida útil del lubricante. Pero este efecto es mas leve en el MoS2, es decir, dada una velocidad de deslizamiento, la falla del MoS2 requiere mayor carga o mayor tiempo que la del grafito. El MoS2 es capaz de soportar un valor límite de tensiones rasantes cercano al doble del que puede soportar el grafito.

De estudios realizados con el objetivo de estudiar la adherencia del MoS2 a superficies ferrosas, se ha concluido que este hecho se explica por los enlaces establecidos entre iones sulfuro del Mos2con el hierro de la superficie metálica.

Según el método de deposición de la película de lubricante, el disulfuro de molibdeno puede tener estructura columnar o porosa u otros defectos, además de impurezas (como oxígeno y carbono). Todos estos factores son desfavorables a las propiedades tribológicas del lubricante. A mayor regularidad de la estructura, pureza y orientación de los planos basales paralelos a la superficie deslizante, se obtienen menores coeficientes de fricción.

Las aplicaciones del disulfuro de molibdeno son similares a las del grafito, con la particularidad de que es especialmente adecuado para trabajar en el espacio aéreo.

2.3.1 MODO DE FALLA

El modo de falla de películas de disulfuro de molibdeno y de grafito es por un proceso de formación de ampollas. Llamamos ampollas a porciones circulares de la película de lubricante que se desprenden de la superficie con un diámetro comprendido entre 0.1 y 1 milímetros.

El desplazamiento relativo de una superficie sobre la otra genera zonas de esfuerzos cíclicos de compresión en el lubricante, como muestra la figura que sigue:

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El desprendimiento ocurre cuando los enlaces que mantienen unido el lubricante a la superficie ceden debido a estos estados tensionales cíclicos.

Las ampollas se originan a partir de microampollas, de aproximadamente 1

micra de diámetro, presentes entre el lubricante y la superficie desde que comienza el deslizamiento. No toda ampolla formada provoca la falla, sino que pueden ser presionadas contra el material repetidas veces, liberandose el estado de deformaciones elásticas.

La falla ocurre cuando el número de ampollas es suficiente para causar un desprendimiento del lubricante a gran escala.

El número de ampollas formadas en el lubricante por unidad de área aumenta con el tiempo de uso del mismo, aunque su diámetro presenta una leve disminución.

Este proceso de “ampollación” en una película de MoS2 es acelerado por la presencia de oxígeno en el medio; su tiempo de vida en vacío es alrededor de diez

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veces mayor que el obtenido en aire. Se cree que este efecto tan pronunciado del oxígeno en la lubricidad del MoS2 es consecuencia de la oxidación de bordes o aristas de las capas de lubricante deslizantes. Las áreas oxidadas pierden suavidad y dificultan el deslizamiento relativo, actuando como obstáculos al movimiento de las capas adyacentes, que responden tendiendo a alabearse como muestra la figura. Esta desalineación de porciones de capas resulta en la formación de ampollas.

Frente a este problema, se ha estudiado lubricantes que combinan grafito y disulfuro de molibdeno, en los cuales los efectos de oxidación son menos drásticos. En este caso se forman capas de grafito y de MoS2; como las primeras son más resistentes a la oxidación, se distorsionan menos. La presencia de capas alabeadas y no alabeadas, hace al lubricante menor propenso a la formación de ampollas. Un mejor desempeño aún se obtiene, agregando además tioantimoniato de antimonio (Sb(SbS4)). La composición óptima de esta combinación contiene 56.25% de grafito, 25% de Sb(SbS4) y solo 18.75% de MoS2. El efecto positivo del Sb(SbS4), aunque no está claro aún, puede estar relacionado con el hecho de que al oxidarse forma trióxido de antimonio (Sb2O3), un óxido suave que puede conferirle mejor lubricidad a altas temperaturas.

2.4 TALCO

Talco o silicato de magnesio, con formula química Mg3SiO10(OH)2, es un mineral encontrado en forma de masas laminares blancas, llamadas piedras esteatita o saponita (imagen), que se reducen fácilmente hasta obtener un polvo muy fino, típicamente en el rango de colores entre verde y blanco.

Teóricamente está formado por 31.7% de MgO, 63.5% de SiO2 y 4.8% de H2O. Pero generalmente se extrae acompañado de otros minerales, pudiéndose obtener talco de distintas purezas.

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Presenta estructura laminar; las láminas entre sí están atraídas por fuerzas débiles de Van der Waals, lo que explica el fácil resbalamiento de una sobre la otra.

El coeficiente de fricción del talco se mantiene menor a 0.3 hasta los 100ºC, en el intervalo de 100 a 200º aumenta rápidamente, y a temperaturas mayores a 200ºC oscila entre los valores 0.9 y 1.0. El gráfico que sigue compara este comportamiento del coeficiente de fricción con el del grafito y del disulfuro de molibdeno.

Otras propiedades que presenta el talco: químicamente inerte, aislante eléctrico, aislante térmico, alto punto de fusión, resistencia a ácidos e insoluble, anti-aglutinante y anti-adherente.

Entre sus usos se puede nombrar: en la industria del caucho: para lubricar moldes y matrices, reduciendo fricción entre molde y producto y facilitando el desmoldado de la pieza; es añadido a productos cosméticos para facilitar su deslizamiento y esparcimiento; en la industria del papel: suaviza la superficie de papeles para diminuir la fricción cuando son usados para impresión por la técnica de rotograbado; en llantas, para prevenir la adherencia del hule; en pinturas: facilitando su aplicación y proveyendo superficies lisas, resistentes a la corrosión, al agrietamiento y a la penetración del agua.

2.5 OTROS LUBRICANTES SÓLIDOS LAMINARES

2.5.1 NITRURO DE BORO HEXAGONAL

Es un lubricante sólido sintético, generalmente en forma de polvo, producido a partir de la reacción de óxido de boro (B2O3) con gases a alta temperatura. Aunque existe en dos sistemas cristalinos (cúbica y hexagonal), solamente el nitruro de boro hexagonal es utilizado con fines de lubricación. Presenta una estructura cristalina similar a la del grafito:

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Como el grafito, los átomos en cada plano están cercanos y unidos por enlaces fuertes (covalentes), mientras que los enlaces entre planos son de Van der Waals. Además de la estructura cristalina, nitruro de bor hexagonal y grafito también comparten la característica de no ofrecer buena lubricidad en vacío.

Su característica más sobresaliente es la capacidad de ofrecer buena lubricación a altas temperaturas (mayores a 100ºC), e incluso en atmósfera oxidante, ya que hasta esta temperatura su oxidación es insignificante. Valores del coeficiente de fricción del nitruro de boro en aire, hasta 700ºC, están comprendidos entre 0.2 y 0.3.

Además de sus propiedades refractarias, otra ventaja del nitruro de boro es la alta conductividad térmica, posibilitando la extracción del calor.

Entre los usos del nitruro de boro puede mencionarse que se incorpora a revestimientos galvanoplásticos de níquel proveyéndoles propiedades de fricción y desgaste superiores en condiciones de alta temperatura y alta carga. También pueden conformar estructuras compuestas de matriz cerámica y sirven como aditivos a aceites y grasas

2.5.2 ÁCIDO BÓRICO

El ácido bórico (H3BO3) tiene estructura cristalina triclínica, con átomos de hidrógeno, boro y oxígeno formando láminas paralelas al plano basal del cristal. Los enlaces entre átomos del mismo plano son covalentes (con algún carácter iónico) y de hidrógeno, mientras que las láminas se mantienen unidas por fuerzas débiles de Van der Waals. En la siguiente figura se observa su estructura laminar similar a la del grafito:

Un delgado film de ácido bórico se forma espontaneamente en las superficies expuestas de recubrimientos de óxido de boro, obteniendo coeficientes de fricción tan bajos como 0.05 en aire con suficiente humedad. Por ocurrir espontaneamente la reacción que forma ácido bórico a partir de óxido de boro, además de auto-lubricarse, este material se auto-abastece de lubricante en un medio adecuado.

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Se desempaña como buen lubricante en ambiente húmedo, no es adecuado para lubricar en seco o en vacío.

A temperaturas que superan los 170º C, el ácido bórico tiende a descomponerse formando óxido de boro, que no conserva la estructura laminar, y por ende, no conserva las propiedades lubricantes. A temperaturas más altas, superando 450ºC, y aplicado sobre un material cerámico, el óxido de boro formado puede reaccionar con este, causando alto desgaste.

Se ha observado que se adhiere fuertemente a superficies de aleaciones de aluminio. También se usa como elemento de aporte en polímeros, reduciendo sustancialmente la fricción y mejorando la resistencia al desgaste, y como un polvo muy fino disperso en aceites o grasas, mejorando su desempeño a presiones extremas.

2.5.3 OTROS DICALCOGENUROS

Entre los ejemplos de sólidos laminares con propiedades lubricantes se mencionaron los dicalcogenuros de metales de transición, entre los que se incluye el disulfuro de molibdeno. En general, otros compuestos cuya formula es de la forma: MX2, donde X es azufre, telurio o selenio, y M es un metal de transición (tungsteno, tantalio, niobio por citar algunos) también forman estructuras hexagonales planas o trigonales que favorecen sus propiedades lubricantes, pudiendo superar, en algunos casos, las del disulfuro de molibdeno.

El disulfuro de tungsteno se oxida a los 500ºC, 100º por encima que el disulfuro de molibdeno. Disulfuro y diseleniuro de tantalio, y diseleniuro de vanadio también muestran mayor resistencia a la oxidación que el MoS2. En general, se desempeñan mejor a altas temperaturas los que tienen mayor estabilidad química.

Como el disulfuro de molibdeno, los dicalcogenuros trabajan mejor en vacío o en ambiente seco. Muchos tienen coeficientes de fricción menores a 0.1 en vacío o en atmósfera seca, aumentando a 0.2 en presencia de humedad.

Otra ventaja que presenta los dicalcogenuros es que son químicamente estables y resisten el ataque de la mayoría de los ácidos. (Entra las excepciones se destaca el ácido clorhídrico caliente y altamente concentrado).

A pesar de ofrecer mejor lubricación que el disulfuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno y otros dicalcogenuros, no son preferidos por la industria por su escasez y alto precio (generalmente son obtenidos sintéticamente).

Cabe aclarar que no todos los dicalcogenuros existentes sin capaces de proveer lubricación. Por ejemplo, disulfuros de niobio, titanio y vanadio, aunque presentan estructura cristalina en capas, no podrían reemplazar el MoS2 o WS2 cuando se busca lubricación.

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3. PELÍCULAS DE METALES BLANDOS

3.1 MECANISMO DE LUBRICACIÓN

Existen otros materiales con buenas propiedades lubricantes, pero excluidos del mecanismo de lubricación expuesto anteriormente. Ejemplos de dichos materiales son la plata, indio y oro. Son metales blandos que se aplican como películas delgadas sobre la superficie de metales duros, reduciendo la fricción y el desgaste entre ellos.

Dados dos superficies en contacto, deslizándose una sobre la otra, el coeficiente de fricción puede calcularse como el cociente entre la tensión de cizallamiento del material mas suave entre la presión de contacto media. Si suponemos que la contribución de los efectos de deformación de las asperezas en la fricción es despreciable respecto de los efectos de la adhesión, la presión de contacto puede estimarse por la dureza del material más blando involucrado en el deslizamiento.

La lubricación por este mecanismo consiste en interponer una película de metal blando que ofrezca menor resistencia al corte. De esta forma se reduce la tensión de cizallamiento, y por ende, el coeficiente de fricción del sistema.

Las siguientes figuras ilustran una superficie deslizándose tangencialmente sobre otra, y la fuerza de fricción que se opone al deslizamiento:

El coeficiente de fricción también puede ser afectado por el espesor de la película de metal blando depositada. Para minimizar la fricción se busca un espesor suficientemente grueso para evitar que las asperezas de los metales duros entren en contacto, y suficientemente delgado para evitar un aumento apreciable en el área de contacto (que lleva a un aumento en la fuerza de fricción). Este último caso, en el que el espesor de la película es mayor que el ideal, se ilustra a continuación:

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3.2 PROPIEDADES LUBRICANTES DE LAS PELÍCULAS DE METALES BLANDOS

Las películas delgadas de oro, plata, indio, plomo, estaño, platino son aplicadas sobre superficies de metales duros, obteniendo una reducción en la fricción y el desgaste.

Esta lubricación es particularmente útil en vacío, ya que la ausencia de oxígeno permite el movimiento libre y repetido de las partículas de metal blando entre las superficies deslizantes. La eventual presencia de azufre y cloro en el ambiente de operación causan un rápido desgaste corrosivo.

Además de las tribológicas, combinan propiedades como: ser inertes químicamente, tener alta resistencia a la oxidación, buena conductividad térmica y eléctrica, y relativamente altos puntos de fusión.

A bajas temperaturas, la película de metal blando se vuelve frágil y propensa a descascararse.

Platino, indio y estaño proveen mejor lubricación a temperatura ambiente que plata, oro y platino. Los segundos, tienen puntos de fusión más alto y resisten mejor a la oxidación, por lo que se desempeñan mejor a elevada temperatura.

El espesor y la adhesión de la película de metal blando al elemento a lubricar juegan un papel fundamental en la durabilidad de la película. Los coeficiente de fricción y tasas de desgaste mas bajos se obtienen con películas finas menores a 1 micrómetro) y bajo altas presiones de contacto. En esta última condición, bajo alta carga, se cree que el área de contacto está determinada por material mas duro. Las siguientes figuras muestran la influencia de la carga normal y del espesor de la película sobre el coeficiente de fricción en el caso de un contacto entre aceros, con una película de indio interpuesta.

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El rango típico de coeficientes de fricción obtenidos por este tipo de lubricación es 0.1-0.4, y en general, decrecen con el aumento de la temperatura.

Metales que además muestran buena plasticidad, son compuestos con un material más fuerte (mecánicamente). Un ejemplo son recubrimientos de carburo de cromo, enriquecido con plata y fluoruros de bario y calcio. La plata brinda lubricación desde temperatura ambiente hasta los 400º aproximadamente; a temperaturas superiores la lubricación es asegurada por los fluoruros. Con este compuesto depositado sobre una superficie deslizante, se obtiene coeficiente de fricción menor a 0.2.

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4. POLITETRAFLUOROETILENO

El politetrafluoroetileno (o teflón) es uno de los materiales sólidos más deslizantes que existen. Se obtiene por repetición del monómero F2C=CF2, resultando en macromoléculas cuyo aspecto se muestra en la figura:

La capacidad del teflón de proveer baja fricción se debe a sus débiles enlaces intermoleculares y al alto grado de cristalinidad de su estructura (cadenas lineales, sin ramificaciones). Cuando comienza el deslizamiento el coeficiente de fricción parte de un valor relativamente alto, que puede superar 0.2, y a medida que el deslizamiento progresa las macromoléculas se orientan paralelas a la dirección del deslizamiento y el coeficiente de fricción desciende hasta estabilizarse en un valor comprendido en el rango 0.04-0.2.

Acompañando la disminución de la fricción, el teflón cuenta con propiedades que explican su amplio campo de aplicaciones: es flexible y liviano, anti-adherente, aislante eléctrico y térmico, inerte químicamente, no se humedece ni absorbe agua, resistente a fríos extremos. Además puede ser preferido en la industria por la facilidad y bajo costo de su obtención.

Su uso está limitado a temperaturas menores a 260º, cuando comienza su descomposición. También tiene limitada resistencia a radiaciones de alta energía, ya que la molécula tiende a romperse ante estas.

Puede ser aplicado como recubrimiento sobre material duro, incorporado a materiales compuestos usados sin un lubricante adicional. Usos: artefactos de cocina; revestimientos de cables; en medicina: fabricación de prótesis y tejidos artificiales; mangueras y tubos en contacto con productos químicos; pinturas y barnices, revestimientos en aviones y naves espaciales; recubrimientos de balas. Por otro lado, teflón puede mezclarse con otros sólidos para formar compuestos auto-lubricantes, o ser disperso en forma de pequeñas partículas o polvo en vehículos líquidos como agua o aceites.

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5. ÓXIDOS DE METALES

Dos superficies metálicas limpias deslizandose entre sí muestran coeficientes de fricción que pueden superar el valor 10; esto se debe a la fuerte adhesión entre las superficies. Sin embargo, con la excepción del oro, los metales expuestos a oxígeno o agua, forman películas de óxido sobre la superficie, con un espesor que varía entre 1 y 10 nanómetros. Esta película de óxido evita la formación de los fuertes enlaces metálicos entre las asperezas de las superficies en contacto, disminuyendo la adhesión y el desgaste adhesivo de las superficies. Experimentalmente se observa que la unión entre las películas de óxido formadas en los extremos de las asperezas es más débil frente a tensiones cortantes que las de metal limpio. El desgaste abrasivo también disminuye respecto del de los metales limpios; ya que los óxidos, en general más duros y frágiles que el metal base, desprenden partículas de menor tamaño.

Una primera limitación al desempeño de óxidos metálicos para reducir la fricción aparece en algunos metales cuando, por cargas normales altas, la película de óxido es penetrada y las asperezas de los metales entran en contacto. Aluminio y cobre son los metales mas afectados por este fenómeno. El aluminio muestra un aumento del coeficiente de fricción desde a 0.8 a 1.2, mientras que el comportamiento del cobre se ilustra a continuación:

En el caso de metales muy dúctiles y blandos, como indio y estaño, la película de óxido formada no ofrece resistencia para evitar el contacto metálico directo, aún a bajas cargas normales; en este caso no se observa disminución en la fricción. Un comportamiento opuesto muestra el cromo, cuya película de óxido es suficientemente fuerte para impedir el contacto metálico, incluso a cargas normales altas; en este caso el coeficiente de fricción se mantiene constante a un valor relativamente bajo.

Las películas de óxido también tienen efecto sobre la fricción entre aleaciones: en general, el coeficiente de fricción de una aleación es menor que el de sus componentes puros. Los aceros presentan una película de óxido estratificada. Por ejemplo: en un acero con 0.4% de carbono se forma Fe2O3 (óxido de hierro III o férrico) sobre la superficie, seguido hacia el interior por Fe3O4 (óxido ferroso-férrico) y sobre el acero se forma FeO (óxido de hierro II o ferroso). Esta aleación presenta una rápida disminución del coeficiente de fricción a determinado nivel de carga (graficada a continuación), que se explica por la penetración de la primera capa (de Fe2O3).

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En otros aceros, como el acero de bajo carbono representado en la gráfica, aunque también tienen una película de óxido estratificada, la caída del coeficiente de fricción no es tan pronunciada.

Mediante la adición de elementos aleantes puede mejorarse la fricción entre aleaciones; aluminio en aceros, por ejemplo, tiende a difundirse hacia la superficie y promueve la formación de óxido de aluminio que reduce la fricción.

A los efectos de la carga sobre la lubricidad de los óxidos metálicos, se agregan los efectos de la temperatura: un aumento de esta promueve la oxidación, tendiendo a disminuir más la fricción entre metales. En aceros, la temperatura determina los óxidos que se forman (para cada aleación determinada), y el coeficiente de fricción depende del óxido que predomine. Por ejemplo: Fe3O4 tiene mejor efecto lubricante que Fe2O3.

Óxidos de metales como boro, plomo y molibdeno (B2O3, PbO, MoO3), a temperaturas elevadas, se vuelven dúctiles y adquieren propiedades lubricantes. Sin embargo a temperatura ambiente son frágiles, se quiebran y descascaran con facilidad. Aunque la mayoría de los metales muestran mejoras en las propiedades lubricantes a altas temperaturas, solo en algunos la disminución del coeficiente de fricción ocurre en un rango de temperaturas útiles para el uso práctico.

En deslizamiento de aceros a temperatura cercana a 600ºC, los óxidos que muestran una reducción sustancial del coeficiente de fricción (en comparación con el caso sin lubricante) son óxido de plomo (PbO) y trióxido de molibdeno (MoO3). Óxidos compuestos (como PbO-B2O3, PbO-MoO3) pueden suministrar lubricación en mayores rangos de temperaturas y mayor durabilidad.

Las capas lubricantes que se forman por oxidación en superficies metálicas tienen la ventaja de tener mayor duración que otros recubrimientos de lubricantes sólidos: a alta temperatura y al cabo de un tiempo, cuando por el deslizamiento, el óxido de la superficie del metal se agota, los elementos que forman la aleación pueden difundirse hacia la superficie, donde entran en contacto con el oxígeno. De este modo, la capa de óxido lubricante se consume y reabastece por oxidación de forma constante.

Posibles aplicaciones de estos óxidos incluyen juntas, cojinetes, engranajes, válvulas y asientos de válvulas que operen a altas temperaturas.

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6. COMPUESTOS AUTOLUBRICANTES

Son materiales preparados dispersando cantidades adecuadas de un sólido lubricante como un elemento de aporte (en generalmente en forma de polvo) en una matriz metálica, cerámica o polimérica. Con técnicas especiales, el lubricante y la matriz pueden ser integrados de forma de obtener un núcleo duro y resistente, donde predomine el material de la matriz, y las zonas cercanas a la superficie con mayor concentración de polvo lubricante confiriéndole buenas propiedades tribológicas.

Este tipo de compuestos son usados en un amplio rango de aplicaciones, como apoyos y articulaciones, engranajes y piezas sometidas a tracción. Por ejemplo: compuestos aluminio-grafito se utilizan en cojinetes, pistones y revestimientos de cilindros de motores.

Las propiedades mecánicas y tribológicas de la matriz son considerablemente mejoradas por la adición de partículas de tamaño adecuado de material auto-lubricante. Por ejemplo: disulfuro de molibdeno y ácido bórico mejoran la resistencia al desgaste cuando son dispersos en una matriz de nylon o teflón.

Compuestos de aluminio y grafito muestran excelente lubricidad y resistencia al desgaste por rozamiento en condiciones secas. Cuando el contenido de grafito en la matriz de aluminio, excede el 20% en volumen, el coeficiente de fricción del compuesto se aproxima al del grafito puro, independientemente de la aleación que compone la matriz. Materiales compuestos por partículas de disulfuro de tungsteno en matriz de aluminio, alcanzan las mismas propiedades de lubricación y desgaste que los compuestos por aluminio y grafito, especialmente en vacío. Además las partículas de WS2 aumentan significativamente la resistencia al agarrotamiento del material, habilitándolo a trabajar a mayor nivel de cargas.

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7. LIMITACIONES Y CONCLUSIONES

Las limitaciones que tiene el uso de lubricantes sólidos están, en general, relacionadas con la oxidación o descomposición a altas temperaturas, o a la presencia de contaminantes en el medio:

excepto en el caso de los metales blandos, los lubricantes sólidos son conductores térmicos regulares o malos, por lo que expulsan el calor generado en las superficies deslizantes con dificultad.

el coeficiente de fricción puede variar significativamente dependiendo de las condiciones ambientales y de contacto.

a altas temperaturas y/o en ambientes oxidantes, sufren cambios químicos y estructurales, perdiendo lubricidad y pudiendo causar abrasión.

Habiendo recorrido apenas por las características más básicas de los lubricantes sólidos mas utilizados en la actualidad, se ha descubierto que, combinando adecuadamente las propiedades más valiosas de cada lubricante, se puede obtener una reducción sustancial en la fricción y el desgaste de superficies en contacto y en movimiento relativo, en muy diversas condiciones de operación. Consecuentemente, se percibe que el campo de aplicaciones de estos está en vías de crecimiento.

BIBLIOGRAFÍA

STACHOWIAK, Gwidon W.; BATCHELOR, Andrew W. Engineering Tribology

ERDEMIR, Ali Modern Tribology Handbook

HUTCHINGS, I.M. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials

ASHBY, Michael F.; JONES, David R.H.; Materiales para ingeniería 1.

www.tribology-abc.comwww.interflo.netwww.quiminet.com.www.microtalco.comwww.minesminerales.comwww.pdvsa.comwww.motorecologico.com www.automotriz.net (Imagen de presentación: cuerpo de pistón con recubrimiento anti-fricción compuesto por grafito y disulfuro de molibdeno).

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