Los lubricantes secos o lubricantes sólidos son materiales que, a pesar de estar en fase sólida, son capaces de reducir la fricción entre dos superficies que se deslizan entre sí sin necesidad de un medio oleoso líquido. [1]
Los dos principales lubricantes secos son el grafito y el disulfuro de molibdeno . Ofrecen lubricación a temperaturas superiores a las que operan los lubricantes líquidos y a base de aceite. Los lubricantes secos se utilizan a menudo en aplicaciones como cerraduras o rodamientos lubricados en seco. Dichos materiales pueden funcionar hasta 350 °C (662 °F) en ambientes oxidantes e incluso más en ambientes reductores/no oxidantes (disulfuro de molibdeno hasta 1100 °C, 2012 °F). Las características de baja fricción de la mayoría de los lubricantes secos se atribuyen a una estructura en capas a nivel molecular con enlaces débiles entre capas. Estas capas pueden deslizarse entre sí con una fuerza mínima aplicada, lo que les confiere propiedades de baja fricción.
Sin embargo, una estructura cristalina en capas por sí sola no es necesariamente suficiente para la lubricación. De hecho, existen algunos sólidos con estructuras no laminares que funcionan bien como lubricantes secos en algunas aplicaciones. Estos incluyen ciertos metales blandos ( indio , plomo , plata , estaño ), politetrafluoroetileno , algunos óxidos sólidos, fluoruros de tierras raras e incluso diamante . [2]
Se ha demostrado un interés limitado en las propiedades de baja fricción de las capas de vidriado de óxido compactado formadas a varios cientos de grados Celsius en sistemas deslizantes metálicos. Sin embargo, todavía faltan muchos años para su uso práctico debido a su naturaleza físicamente inestable.
Los cuatro lubricantes sólidos más utilizados son:
El grafito y el disulfuro de molibdeno son los materiales predominantes utilizados como lubricantes secos.
La lubricidad de muchos sólidos es atribuible a una estructura laminar. Las laminillas se orientan paralelas a la superficie en la dirección del movimiento y se deslizan fácilmente unas sobre otras, lo que da como resultado una baja fricción y evita el contacto entre los componentes deslizantes incluso bajo cargas elevadas. Las partículas grandes funcionan mejor en superficies rugosas a baja velocidad, las partículas más finas en superficies más lisas y a velocidades más altas. Estos materiales se pueden agregar en forma de polvo seco a lubricantes líquidos para modificar o mejorar sus propiedades.
Otros componentes que son lubricantes sólidos útiles incluyen nitruro de boro, politetrafluoretileno (PTFE), talco, fluoruro de calcio , fluoruro de cerio y disulfuro de tungsteno.
Los lubricantes sólidos son útiles para condiciones en las que los lubricantes convencionales son inadecuados, como por ejemplo:
El grafito está compuesto estructuralmente por planos de átomos de carbono policíclicos que tienen orientación hexagonal. La distancia de los átomos de carbono entre planos es mayor y, por tanto, el enlace es más débil.
El grafito es el más adecuado para la lubricación al aire. El vapor de agua es un componente necesario para la lubricación con grafito. La adsorción de agua reduce la energía de enlace entre los planos hexagonales del grafito a un nivel más bajo que la energía de adhesión entre un sustrato y el grafito. Debido a que el vapor de agua es un requisito para la lubricación, el grafito no es eficaz en el vacío. [4] Debido a que es conductor de electricidad, el grafito puede promover la corrosión galvánica . En una atmósfera oxidativa, el grafito es eficaz a altas temperaturas de hasta 450 °C de forma continua y puede soportar picos de temperatura mucho más altos.
El grafito se caracteriza por dos grupos principales: natural y sintético.
Para aplicaciones donde sólo se necesita una lubricidad menor y se requiere un recubrimiento más aislante térmicamente, se elegiría el grafito amorfo (80% de carbono).
El MoS 2 se extrae de algunos depósitos ricos en sulfuro y se refina para lograr una pureza adecuada para lubricantes. Al igual que el grafito, el MoS 2 tiene una estructura cristalina hexagonal con la propiedad intrínseca de fácil cizallamiento. El rendimiento de la lubricación con MoS 2 a menudo supera al del grafito y también es eficaz en vacío, mientras que el grafito no lo es. La limitación de temperatura del MoS 2 a 400 °C está limitada por la oxidación. El tamaño de las partículas y el espesor de la película son parámetros importantes que deben adaptarse a la rugosidad de la superficie del sustrato. Las partículas grandes pueden provocar un desgaste excesivo por abrasión causada por impurezas en el MoS 2 , y las partículas pequeñas pueden provocar una oxidación acelerada.
El nitruro de boro hexagonal es un lubricante en polvo cerámico. La característica más interesante del lubricante es su resistencia a altas temperaturas de 1200 °C de temperatura de servicio en una atmósfera oxidante. Además, el nitruro de boro tiene una alta conductividad térmica. (El nitruro de boro cúbico es muy duro y se utiliza como componente abrasivo y de herramientas de corte).
El politetrafluoretileno (PTFE) se utiliza ampliamente como aditivo en aceites y grasas lubricantes. Debido a la baja energía superficial del PTFE, se pueden producir dispersiones estables no floculadas de PTFE en aceite o agua. A diferencia de otros lubricantes sólidos comentados, el PTFE no tiene una estructura en capas. Las macromoléculas de PTFE se deslizan fácilmente entre sí, de forma similar a las estructuras laminares. El PTFE muestra uno de los coeficientes de fricción estática y dinámica más pequeños, hasta 0,04. Las temperaturas de funcionamiento están limitadas a unos 260 °C.
Lo más habitual es la dispersión de lubricante sólido como aditivo en aceite, agua o grasa. Para las piezas que son inaccesibles para la lubricación después del montaje, se puede rociar un lubricante de película seca. Después de que el solvente se evapora, el recubrimiento cura a temperatura ambiente para formar un lubricante sólido. Las pastas son lubricantes similares a grasas que contienen un alto porcentaje de lubricantes sólidos y se utilizan para el montaje y lubricación de piezas de movimiento lento y muy cargadas. Las pastas negras generalmente contienen MoS 2 . Para temperaturas elevadas superiores a 500 °C, las pastas se componen a base de polvos metálicos para proteger las piezas metálicas de la oxidación, necesaria para facilitar el desmontaje de conexiones roscadas y otros conjuntos. [ cita necesaria ]
La voltereta de polvo seco es un método de aplicación eficaz. La unión se puede mejorar fosfatando previamente el sustrato. El uso de polvos libres tiene sus limitaciones, ya que la adhesión de las partículas sólidas al sustrato suele ser insuficiente para proporcionar una vida útil en aplicaciones continuas. Sin embargo, para mejorar las condiciones de rodaje o en procesos de conformación de metales, puede ser suficiente una corta duración de las condiciones de deslizamiento mejoradas. [ cita necesaria ]
Los recubrimientos antifricción (AF) son "pinturas lubricantes" que consisten en partículas finas de pigmentos lubricantes, como molibdeno, PTFE o grafito, mezclados con un aglutinante. Después de la aplicación y el curado adecuado, estos lubricantes secos o "resbaladizos" se adhieren a la superficie del metal y forman una película sólida de color gris oscuro. Muchos lubricantes de película seca contienen inhibidores de oxidación especiales que ofrecen una protección excepcional contra la corrosión. La mayoría de las películas de larga duración son del tipo adherido, pero aún están restringidas a aplicaciones donde las distancias de deslizamiento no son demasiado largas. Los recubrimientos AF se aplican donde el rozamiento y la fricción son un problema (como estrías , juntas universales y cojinetes de chaveta), donde las presiones de operación exceden las capacidades de carga de los aceites y grasas comunes, donde se desea un funcionamiento suave (pistón, árbol de levas), donde se desea un funcionamiento limpio (los recubrimientos AF no acumulan suciedad ni residuos como grasas y aceites) y donde las piezas pueden almacenarse durante largos períodos. [5]
Compuestos autolubricantes: los lubricantes sólidos como PTFE, grafito, MoS 2 y algunos otros aditivos antifricción y antidesgaste suelen estar compuestos de polímeros y todo tipo de materiales sinterizados. MoS 2 , por ejemplo, se combina en materiales para cojinetes de deslizamiento, juntas tóricas de elastómero , escobillas de carbón, etc. Los lubricantes sólidos se combinan con plásticos para formar un compuesto termoplástico "autolubricante" o "lubricado internamente". Por ejemplo, las partículas de PTFE compuestas en el plástico forman una película de PTFE sobre la superficie de contacto, lo que resulta en una reducción de la fricción y el desgaste. MoS 2 compuesto en nailon reduce el desgaste, la fricción y el deslizamiento. Además, actúa como agente nucleante dando lugar a una estructura cristalina muy fina. El uso principal de los termoplásticos lubricados con grafito es en aplicaciones que operan en ambientes acuosos. [ cita necesaria ]
[1] [2]