LUBRICANTES SOLIDOS 2

7/27/2019 LUBRICANTES SOLIDOS 2

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. 2.LUBRICANTES SÓLIDOS LAMINARES 2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES YMECANISMO DE LUBRICACIÓN Ampliamente usados en la industria, grafito ydisulfuro 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. Sonmateriales anisótropos, con planos de debilidad al corte, es decir, planos capaces desoportar un nivel de esfuerzos cortantes relativamente bajo. Cuando se presentan entresuperficies deslizantes en contacto, las partículas de lubricante se alinean como muestrala siguiente figura, de manera que estos planos quedan paralelos a la dirección delmovimiento relativo, pudiendo deslizar unos sobre otros.

Sin embargo, no todo sólido laminar tiene propiedades lubricantes, es condiciónnecesaria que las láminas puedan deslizar a bajas tensiones rasantes, de forma que elefecto global sea una disminución en la resistencia al movimiento relativo de las

superficies, es decir, disminución de la fricción. La siguiente imagen ilustrasimplificadamente capas de lubricante sólido, deslizándose a través de los planos de

baja resistencia al corte.

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. 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 cristalinalaminar 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 (encomparación 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 deátomos, como es el caso del grafito, o por tres planos atómicos como en el disulfuro demolibdeno. En apartados siguientes se presentan imágenes que ilustran estasdistribuciones de los átomos. Algunos monocalcogenuros de metales de transición(sulfuro de galio, por ejemplo) tienen una distribución atómica entramada que puedeformar capas deslizantes, de forma similar a los dicalcogenuros, adquiriendo así buenalubricidad. 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 lassuperficies interactuantes. Buenos sólidos lubricantes deben tener la capacidad de unirse

fuertemente a estas superficies, de manera que durante el deslizamiento, las capas encontacto con el material a lubricar permanezcan adheridas a este.

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. Si no existesuficiente 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 seobtiene una superficie con terminación más suave. La temperatura y el ambiente deoperación son otros factores que influyen en las propiedades lubricantes de los sólidosestudiados, pudiendo provocar, por ejemplo, cambios en la composición química delmaterial. En apartados siguientes se especifica como influyen la temperatura y el medioen 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 estructuracristalina hexagonal.

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. Cada átomo decarbono se une a 3 átomos vecino del mismo plano, habiendo una distancia interatómicade 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 losenlaces entre los planos. El grafito es un mineral, pero puede presentarse tambiénsintetizado. 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 degrafitización (es decir, regularidad del cristal), se obtienen mejores propiedadeslubricantes 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% decarbono). Dependiendo de su calidad, grafito natural y sintético pueden alcanzar nivelessimilares de lubricación. El desempeño del grafito como lubricante esta condicionado ala 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 entreellos. Por esta razón el grafito no es adecuado para lubricación en vacío. La gráfica quesigue 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 contienenvapor condensable, no necesariamente vapor de agua. Por ejemplo: el alcohol

isopropanol es más efectivo que vapor de agua. El grafito puede lubricar eficientementehasta aproximadamente 400ºC en aire. A mayor temperatura se oxida y pierdelubricidad. En el rango de temperaturas comprendidas entre temperatura ambiente y400ºC el coeficiente de fricción del grafito (contra grafito u otros materiales) varía entre0.1 y 0.3, con tendencia a aumentar conforme aumenta la temperatura. En atmósferasinertes o vacío, el coeficiente de fricción tiene valores que alcanzan 0.4 hastatemperaturas 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 degrafito en vacío en función de la temperatura se grafica a continuación:

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El modo de falla de un revestimiento lubricante de grafito, que es igual al del disulfurode 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 defalla y en el tiempo de vida útil al aumentar la velocidad de deslizamiento de lassuperficies. 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 unacapa de aislamiento térmico, es adecuado usar grafito amorfo, esto es, con un 80% decarbono. 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 elgrafito puede amoldarse a la superficie de contacto). Disperso en agua, aceites u otrossolventes, se aplica en condiciones extremas, como moldes y matrices utilizados en

tratamiento de metales. Además, es incorporado en materiales

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. compuestosformados por matrices metálicas, cerámicas o poliméricas, y grafito como componenteauto-lubricante, usados ampliamente en cojinetes y todo punto de contacto entre piezas.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, queconsiste en la reacción de grafito con gas flúor a temperatura y presión controladas. Seobtiene fluoruro de grafito, cuya forma estequiométrica es CFx, con x variando entre 0.3y 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 decarbono en el grafito, desde 0.34nm a 0.75nm aproximadamente, lo que explica eldeslizamiento más fácil y la mejor en lubricidad. Además causa que láminas de grafitosufran cierta distorsión y pierdan su configuración plana. Otras características delfluoruro de carbono son: aislamiento térmico, y poca sensibilidad a las variaciones dehumedad 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.

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El alto costo de obtención es la razón por la cual el fluoruro de carbono se usa poco enla industria. 2.3 DISULFURO DE MOLIBDENO Del mismo modo que el grafito, el

disulfuro de molibdeno (MoS2) es un mineral, con estructura cristalina hexagonal, conla 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 losátomos de una misma lámina están cercanos y fuertemente unidos en comparación conla distancia y los enlaces interlaminares. En este caso, el enlace entre los planos deátomos de azufre se debe exclusivamente a fuerzas de Van der Waals y es más débil queen grafito, resultando en una anisotropía más acentuada.

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. El tamaño delas partículas debe adecuarse a la rugosidad de la superficie a lubricar. En general,

partículas grandes se desempeñan mejor en superficies relativamente ásperas a bajavelocidad, mientras que partículas finas lo hacen en superficies lisas a mayores

velocidades de deslizamiento. Además, se debe considerar que partículas finas aceleranla 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 presentaun coeficiente de fricción entre 0.1 y 0.3 en el rango de temperaturas desde temperaturaambiente hasta 400ºC aproximadamente, a partir de la cual la oxidación afectasignificativamente su lubricidad. Sin embargo, las propiedades lubricantes del MoS2 sedestacan particularmente en vacío y en ambiente seco. En estas condiciones elcoeficiente de fricción se mantiene en valores cercanos a 0.2 hasta los 800ºC, cuandoocurre su descomposición a metal molibdeno y sulfuro gaseoso. Los coeficientes defricción tan bajos en vacío se deben, en parte, a la perfecta orientación basal de lasláminas de lubricante por ausencia de contaminantes. La dependencia de las

propiedades lubricantes del disulfuro de molibdeno con la presión del medio se ilustrana continuación, notando que tiene un comportamiento que tiende a oponerse al delgrafito:

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. Como se dijoanteriormente, tanto en grafito como en MoS2, un aumento en la velocidad dedeslizamiento, provoca una disminución en la carga de falla y en la vida útil dellubricante. 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 delgrafito. El MoS2 es capaz de soportar un valor límite de tensiones rasantes cercano aldoble del que puede soportar el grafito. De estudios realizados con el objetivo deestudiar la adherencia del MoS2 a superficies ferrosas, se ha concluido que este hechose explica por los enlaces establecidos entre iones sulfuro del Mos2con el hierro de lasuperficie metálica. Según el método de deposición de la película de lubricante, eldisulfuro de molibdeno puede tener estructura columnar o porosa u otros defectos,además de impurezas (como oxígeno y carbono). Todos estos factores son desfavorablesa las propiedades tribológicas del lubricante. A mayor regularidad de la estructura,

pureza y orientación de los planos basales paralelos a la superficie deslizante, seobtienen 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 deampollas. Llamamos ampollas a porciones circulares de la película de lubricante que sedesprenden de la superficie con un diámetro comprendido entre 0.1 y 1 milímetros. Eldesplazamiento relativo de una superficie sobre la otra genera zonas de esfuerzoscíclicos de compresión en el lubricante. El desprendimiento ocurre cuando los enlacesque mantienen unido el lubricante a la superficie ceden debido a estos estadostensionales cíclicos. 10/17



LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. Las ampollasse originan a partir de microampollas, de aproximadamente 1 micra de diámetro,

presentes entre el lubricante y la superficie desde que comienza el deslizamiento. Notoda ampolla formada provoca la falla, sino que pueden ser presionadas contra el

material repetidas veces, liberandose el estado de deformaciones elásticas. La fallaocurre cuando el número de ampollas es suficiente para causar un desprendimiento dellubricante a gran escala. El número de ampollas formadas en el lubricante por unidad deárea aumenta con el tiempo de uso del mismo, aunque su diámetro presenta una levedisminución. 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 diezveces mayor que el obtenido en aire. Se cree que este efecto tan pronunciado deloxígeno en la lubricidad del MoS2 es consecuencia de la oxidación de bordes o aristasde las capas de lubricante deslizantes. Las áreas oxidadas pierden suavidad y dificultanel deslizamiento relativo, actuando como obstáculos al movimiento de las capasadyacentes, 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 capasde grafito y de MoS2; como las primeras son más resistentes a la oxidación, sedistorsionan menos. La presencia de capas alabeadas y no alabeadas, hace al lubricantemenor propenso a la formación de ampollas. Un mejor desempeño aún se obtiene,agregando además tioantimoniato de antimonio (Sb(SbS4)). La composición óptima deesta combinación contiene 56.25% de grafito, 25% de Sb(SbS4) y solo 18.75% deMoS2. El efecto positivo del Sb(SbS4), aunque no está claro aún, puede 11/17



LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. estar relacionado con el hecho de que al oxidarse forma trióxido de antimonio (Sb2O3), unóxido suave que puede conferirle mejor lubricidad a altas temperaturas. 2.4 TALCOTalco 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 ,que se reducen fácilmente hasta obtener un polvo muy fino, típicamente en el rango decolores entre verde y blanco.

Teóricamente está formado por 31.7% de MgO, 63.5% de SiO2 y 4.8% de H2O. Perogeneralmente se extrae acompañado de otros minerales, pudiéndose obtener talco dedistintas purezas. 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 laotra. El coeficiente de fricción del talco se mantiene menor a 0.3 hasta los 100ºC, en elintervalo de 100 a 200º aumenta rápidamente, y a temperaturas mayores a 200ºC oscilaentre los valores 0.9 y 1.0. El gráfico que sigue

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. compara estecomportamiento del coeficiente de fricción con el del grafito y del disulfuro demolibdeno.

Otras propiedades que presenta el talco: químicamente inerte, aislante eléctrico, aislantetérmico, 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 eldesmoldado de la pieza; es añadido a productos cosméticos para facilitar sudeslizamiento y esparcimiento; en la industria del papel: suaviza la superficie de papeles

para disminuir la fricción cuando son usados para impresión por la técnica derotograbado; en llantas, para prevenir la adherencia del hule; en pinturas: facilitando suaplicación y proveyendo superficies lisas, resistentes a la corrosión, al agrietamiento y ala penetración del agua.

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. 2.5 OTROSLUBRICANTES SÓLIDOS LAMINARES 2.5.1 NITRURO DE BOROHEXAGONAL 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 cristalinasimilar a la del grafito:

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 laestructura cristalina, nitruro de bor hexagonal y grafito también comparten lacaracterística de no ofrecer buena lubricidad en vacío. Su característica mássobresaliente es la capacidad de ofrecer buena lubricación a altas temperaturas (mayoresa 100ºC), e incluso en atmósfera oxidante, ya que hasta esta temperatura su oxidación esinsignificante. Valores 14/17



LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. del coeficientede 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 altaconductividad térmica, posibilitando la extracción del calor. Entre los usos del nitruro

de boro puede mencionarse que se incorpora a revestimientos galvanoplásticos deníquel proveyéndoles propiedades de fricción y desgaste superiores en condiciones dealta temperatura y alta carga. También pueden conformar estructuras compuestas dematriz cerámica y sirven como aditivos a aceites y grasas. 2.5.2 ÁCIDO BÓRICO Elácido bórico (H3BO3) tiene estructura cristalina triclínica, con átomos de hidrógeno,

boro y oxígeno formando láminas paralelas al plano basal del cristal. Los enlaces entreátomos 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. Undelgado film de ácido bórico se forma espontaneamente en las superficies expuestas derecubrimientos de óxido de boro, obteniendo coeficientes de fricción tan bajos como0.05 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. Se desempaña como buen lubricante enambiente húmedo, no es adecuado para lubricar en seco o en vacío. A temperaturas quesuperan 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 propiedadeslubricantes. A temperaturas más altas, superando 450ºC, y aplicado sobre un materialcerámico, el óxido de boro formado puede reaccionar con este, causando alto desgaste.15/17



LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. Se haobservado que se adhiere fuertemente a superficies de aleaciones de aluminio. Tambiénse usa como elemento de aporte en polímeros, reduciendo sustancialmente la fricción ymejorando la resistencia al desgaste, y como un polvo muy fino disperso en aceites o

grasas, mejorando su desempeño a presiones extremas. 2.5.3 OTROSDICALCOGENUROS Entre los ejemplos de sólidos laminares con propiedadeslubricantes se mencionaron los dicalcogenuros de metales de transición, entre los que seincluye el disulfuro de molibdeno. En general, otros compuestos cuya formula es de laforma: 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, enalgunos casos, las del disulfuro de molibdeno. El disulfuro de tungsteno se oxida a los500ºC, 100º por encima que el disulfuro de molibdeno. Disulfuro y diseleniuro detantalio, y diseleniuro de vanadio también muestran mayor resistencia a la oxidaciónque el MoS2. En general, se desempeñan mejor a altas temperaturas los que tienen

mayor estabilidad química. Como el disulfuro de molibdeno, los dicalcogenurostrabajan mejor en vacío o en ambiente seco. Muchos tienen coeficientes de fricciónmenores a 0.1 en vacío o en atmósfera seca, aumentando a 0.2 en presencia dehumedad. Otra ventaja que presenta los dicalcogenuros es que son químicamenteestables y resisten el ataque de la mayoría de los ácidos. (Entra las excepciones sedestaca el ácido clorhídrico caliente y altamente concentrado).

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LUBRICANTES SOLIDOS 2-PROPIEDADES, COMPOSICIONES,CARATERISTICAS Y APLICACIONES DE ESTOS LUBRICANTES. A pesar deofrecer mejor lubricación que el disulfuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno y otrosdicalcogenuros, 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 deniobio, titanio y vanadio, aunque presentan estructura cristalina en capas, no podríanreemplazar el MoS2 o WS2 cuando se busca lubricación.

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