Tribología: Lubricación (ISFD-10-LUBRICACION PDF)

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Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación 10 Tribología: Lubricación Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 1/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación INDICE Lubricación líquida Tipos de lubricantes: aceites y grasas Características de los lubricantes. Viscosidad. Tipos de lubricación. Curva de Striebeck. Lubricación sólida Sólidos laminares. Metales dúctiles en capa fina La gran mayoría de la información, esquemas y gráficas está sacada del libro “Engineering Tribology” de Stachowiak y Batchelor. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 2/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación ¿Desempeño del lubricante? Puede usarse lubricantes que no bajen el desgaste que bajan Fallos de sino la fricción , oxidación. M o bajan la ↳ Puede tener a bajar la otros objetivo fricción. superficies en contacto Lubricante Control de la fricción y el ¿Degradación del desgaste en un sistema dado lubricante? Corrosión de las superficies ¿Coste?  Calidad Máquinas con miles de litros Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 3/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación ESTRATEGIAS CONTRA LA FRICCION No siempre la fricción es un problema: en muchos casos necesitamos un determinado coeficiente de fricción, a veces elevado (neumáticos contra el asfalto) o simplemente constante (materiales de fricción para frenos). Cuando la fricción sí es un problema, podemos intentar reducirla mediante un cambio de materiales, un trabajo realizado en condiciones que favorezcan una menor fricción o, mucho más habitualmente, mediante el empleo de lubricantes. La LUBRICACION es el empleo de un material de interposición (habitualmente un líquido, aunque también puede ser un sólido) que hace que las superficies en contacto deslizante no se lleguen a tocar entre si. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 4/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION LIQUIDA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 5/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación TIPOS DE LUBRICANTES Los dos tipos principales de lubricantes líquidos son los aceites y las grasas. En ciertas circunstancias donde no pueden usarse lubricantes líquidos, se utilizarían lubricantes sólidos. Aceites  Naturaleza líquida=> más fáciles de retirar de los componentes y mejor refrigeración, aspecto muy importante en ciertos mecanismos.  Aceite base (75-99%)+ aditivos (1-25%). Grasas  Semisólidos=>menores pérdidas de lubricante expulsado del contacto y una mejor protección frente a contaminantes.  Aceite base (60-90%)+ aditivos(2-10%) + thickener (3-30%) (espesante) Composiciones típicas de aceites y grasas Fuente: “Introduction to Tribology for Engineers”, Ashlie Martini. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 6/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación TIPOS DE LUBRICANTES  Aceite base:  Biológico (el menos común): aceite de ricino,palma, pescado… Se usan donde la contaminación puede ser un problema , como la industria farmacéutica o la alimentaria.  Mineral :Mezclas de hidrocarburos de origen mineral, generalmente destilados del petróleo. Se caracterizan por su bajo coste, disponibilidad y aceptable comportamiento en una amplia gama de usos.  Sintético: lubricantes especialmente desarrollados o sintetizados, con propiedades específicas o comportamientos que no pueden obtenerse con lubricantes minerales. ( + y mejores caros  El más común es el PAO (polyalfaolefina): mejor comportamiento de la viscosidad frente a T que su correspondiente aceite mineral.  Los ésteres y poliglicoles (no manchan, se usan en industria textil y como líquidos refrigerantes)  Aceites de silicona: Inertes y amplio rango de temperatura de uso (-50ºC a 370ºC) Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 7/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación No todos los los aceites necesitan TIPOS DE LUBRICANTES mismos aditivos.  Aditivos:  Modificadores de la viscosidad: espesantes o mejoradores del índice de viscosidad. Se degradan por oxidación o ratios de cizalla elevados. (para viscoso) hacer + o -  Depresores del punto de fluidez: Bajan el punto en que empiezan a solidificar los aceites por bajas temperaturas. Lbaja el punto gusión ( de  Inhibidores de espuma (en contacto con aire): La espuma y las burbujas hacen perder propiedades al bajar la viscosidad. Esquema de funcionamiento de un inhibidor de espuma, bajando la tensión superficial de las burbujas de aire y rompiéndolas. Fuente: “Introduction to Tribology for Engineers”, Ashlie Martini.  Inhibidores de la oxidación: La oxidación aumenta la viscosidad y la acidez del lubricante, lo que afecta el desempeño del lubricante. Distribución estimada de aditivos de lubricantes en Estados Unidos Fuente: “Introduction to Tribology for Engineers”, Ashlie Martini. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 8/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación TIPOS DE LUBRICANTES  Aditivos:  Dispersantes y detergentes: Evitan la formación de depósitos como el hollín , aglomeración de partículas, etc. que afectan al comportamiento de los lubricantes. Los dispersantes poseen cabezas polares que se asocian a los contaminantes (bola gris) y colas no polares que quedan apuntando hacia fuera y evitando que los contaminantes se aglomeren. Fuente: “Introduction to Tribology for Engineers”, Ashlie Martini.  Inhibidores de la corrosión: Moléculas con extremos polares y extremos no polares que se adhieren a los metales para evitar la circulación de las moléculas corrosivas. inhibidores de corrosión la pega y se barrera crea una > - ya que las corrosivas holéculas se quedan atrapadas. 6d,... -6 , Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 9/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación TIPOS DE LUBRICANTES  Aditivos:. (FM)  Modificadores de fricción =>lubricación mixta, existe cierto contacto entre protuberancias que llevan a alta fricción, producen ruido y no permiten un buen funcionamiento de los componentes mecánicos. Los modificadores de fricción, moléculas polares similares a los inhibidores de corrosión, forman películas protectoras que minimizan la adhesión entre esas superficies. Estas moléculas son fácilmente removidas con altas presiones o con el aumento de la T.  Anti desgaste (AW) y presión extrema (EP)=> Lubricación límite. Aditivos que forman películas robustas sobre las superficies que se denominan Tribofilms y que no reducen necesariamente la fricción, pero sí protegen frente a un desgaste elevado. Los aditivos de presión extrema resisten mejor las altas temperaturas y la elevada presión. de > Químicamente reacciona y crea - capas protección que son difíciles de romper. Los modificadores de fricción (FM), los EP y los anti-desgaste (AW) trabajan juntos para proteger las superficies en lubricación mixta y límite. Los aditivos FM reaccionan físicamente con la superficie (adherencia débil), mientras que los EP y AW reaccionan químicamente (adherencia fuerte). ↳ Polares , Fuente: “Introduction to Tribology for Engineers”, Ashlie Martini. evita que las superficia estan en contacto Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 10/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación TIPOS DE LUBRICANTES  Aditivos:.  Espesantes (Thickeners) : El papel de los espesantes es formar una estructura coloidal estable o gel que atrapa el aceite base y los aditivos a la manera de una esponja.  Jabones metálicos (Ca, Li, Al, Ba, Na)  Espesantes de tipo no jabonoso:  Arcillas: Bentonita y Hectorita: Sin punto de fusión =>Altas T y resistente a la cizalla ↳ aceite El va por dentro.  Orgánicos: fluoropolímeros (PTFE): Fibras de jabón que funcionan como espesante de una grasa, atrapando al aceite resistentes a químicos, agua y oxígeno y que se mantiene en suspensión en su interior. Funcionan en un amplio rango de T. Fuente: “Lubrication Grease Basics”, Technical Topic de MobilGrease Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 11/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación PROPIEDADES DE LOS LUBRICANTES: VISCOSIDAD # I# - O mueve superficie superior se a La se mueve cierta velocidad, la inferior no ambas superficies El aceite que está entre ciertas velocidades. se moverá por capas a Cuando las superficies sólidas dejan de tocarse, la única fuente de disipación de energía es la viscosidad del fluido interpuesto. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 12/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación PROPIEDADES DE LOS LUBRICANTES: VISCOSIDAD La viscosidad se relaciona con el esfuerzo de cizalladura que se realiza en régimen laminar para conseguir un determinado gradiente de velocidad. Se distingue entre “viscosidad dinámica” y “viscosidad cinética”, igual a la primera dividida por la densidad del fluido  Unidad Stoke 1 S =100 cS = 0,0001 m2/s FCAXU Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 13/52 # estrés decizalla -- viscosidad dinámica Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación VISCOSIDAD vs TEMPERATURA La viscosidad desciende con la temperatura. Se define un “índice de viscosidad” para distinguir la rapidez de esta evolución en los distintos lubricantes. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 14/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación VISCOSIDAD vs TEMPERATURA Ecuaciones de viscosidad-temperatura Curvas “pendiente ASTM” Índice de Viscosidad (VI) Compara la viscosidad cinemática de un aceite con dos aceites referencia con un comportamiento marcadamente diferente a temperatura (0 VI y 100 VI) Los valores altos de VI indican una mayor resistencia a disminuir su viscosidad con la T. criscosidad alta) 𝐿−𝑈 VI = 𝑥100 𝐿−𝐻 Ciscosidad baja) con U la viscosidad cinemática del aceite de interés a 40ºC y L, H las viscosidades baja y alta de aceites o fluidos de referencia a 40ºC. ↳ Los datos se deben cojer 40 C , aunque ° 100' a a Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación compartan viscosidad ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 15/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación VISCOSIDAD vs TEMPERATURA Índice de Viscosidad (VI) 𝐿−𝑈 VI = 𝑥100 𝐿−𝐻 Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 16/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación VISCOSIDAD vs TEMPERATURA Grados de aceites según la SAE (Society of Automotive Engineers) : Motor) (Aceites de Fluidez de los aceites a baja y alta Tª. SAE Min. Max. Viscosit High Shear Rate Viscosity Viscosity y Viscosity [mPa.s] [mm²/s] at [mm²/s] at Grade[° at 150 °C 100 °C 100 °C C] 0W 3.8 -- -- 10W 4.1 -- -- 15W 5.6 -- -- 20 5.6 el máximo de presión aumenta y puede dañar las superficies en contacto. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 29/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION ELASTOHIDRODINAMICA (EHL o EHD) Influencia de la presión (U) A medida que aumenta la presión: a) La presión hidrodinámica queda casi completamente confinado en el área de contacto herziano, b) el espesor del film en la zona central decrece y aumenta el de entrada y salida ligeramente, hasta llegar a un punto en que el espesor de la capa se hace independiente de la presión Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 30/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION MIXTA Influencia de la rugosidad En régimen de lubricación elastohidrodinámica, la rugosidad juega un papel esencial, ya que la película lubricante es extremadamente fina y una alta rugosidad podría perforarla, dando lugar a COF altos desgaste…=>Lub. MIXTA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 31/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION MIXTA Influencia de la rugosidad compromiso entre rugosidad alta y baja …pero, cuando las superficies se han pulido en extremo, se produce una pérdida de contención del lubricante y se produce pegado (desgaste extremo y COF altos) => las las asperidades juegan un papel de reservorio de lubricante Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 32/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION MIXTA Influencia de la temperatura Las temperaturas elevadas en EHD disminuyen la viscosidad del lubricante, con lo que se reduce el espesor del film y se puede producir un fallo de la lubricación. Además, pueden contribuir a la formación de óxidos, alteración de tribocapas, expansión de los cuerpos en contacto o incluso fusión de las superficies metálicas. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 33/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION NATURAL EN ARTICULACIONES Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 34/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación ADITIVOS Además de estabilizadores químicos y de diversas propiedades (i.e. viscosidad), los lubricantes incluyen aditivos antidesgaste (AW) y de extrema presión (EP). Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 35/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación BOUNDARY LUBRICATION En situaciones de casi contacto, la rugosidad de la superficie juega un papel importante: cuanto menos rugosa sea, mejor la protegerá la capa lubricante. En los casos de lubricación límite, la disolución en el lubricante de moléculas polares Alta T- alta P Baja T- baja P Baja T- alta P (aditivos), etc. conducirá a un tapizado protector de las zonas en contacto. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 36/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación BOUNDARY (MIXED) LUBRICATION : Scuffing (Engranajes con cargas altas) ….se supone que hay una temperatura crítica entre 150ºC y 300ºC, que Aumento rápido de la fricción y promueve la desorción de las moléculas destrucción muy rápida de las adheridas en la superficie y que llevan a superficies en contacto ( y sin razones perder la protección superficial… => aparentes)… Lubricación EP Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 37/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación BOUNDARY (MIXED) LUBRICATION : Lubricación EP (Extreme Presion) Para evitar el fenómeno de scuffing, se introducen aditivos llamados EP que recurren a la formación de una película “sacrificial” que se destruye y reconstruye en continuo durante el contacto => Compuestos con S, Cl y P , capaces de formar rápidamente capas sacrificiales con la superficie fresca a alta T. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 38/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación BOUNDARY LUBRICATION : Influencia de oxígeno y agua Si durante el desgaste, existen asperidades que levantan la superficie y con ella, la capa de moléculas adsorbidas y la capa de óxido, áreas metálicas “frescas” aparecen y da lugar a desgaste adhesivo severo. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 39/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación Farmaceltice > - Aeroespacial LUBRICACION SOLIDA -Alimentaria Formados por polvos o recubrimiento Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 40/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA Hay determinados casos en los que no es posible recurrir a la lubricación líquida: Componentes que trabajan en vacío o en el espacio. Riesgo de inflamación o reacción química. Riesgo de contaminación de alimentos u otros productos sensibles por la presencia del lubricante. Necesidad de evitar el empleo de lubricantes por sus efectos negativos para el medio ambiente. En estos casos puede intentarse recurrir al empleo de lubricantes sólidos, películas mejor o peor adheridas que reducen el coeficiente de fricción, aunque no tanto como la lubricación hidrodinámica. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 41/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA Las principales estrategias de lubricación sólida son: Empleo de películas de grafito, en condiciones de cierta humedad relativa o de otro tipo de contaminación. Empleo de otros recubrimientos de sólidos lamelares, tipo MoS2, que trabajan incluso mejor en vacío. Empleo de películas finas de metales dúctiles (Plata, Plomo). Empleo de películas poliméricas como polietileno o teflon. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 42/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA : sólidos laminares adiere la superficie. & se a 6se adiere al sustrato ¿Qué sólidos lamelares son buenos como lubricante? 1) Los sólidos lamelares que se deforman fácilmente en cizalla 2) Los sólidos lamelares que se adhieren fuertemente a la superficie 3) Aquellos que no sufren descomposición ni degradación química por temperatura o exposición al ambiente. EJEMPLOS: MoS2, WS2 , MoTe2 ,CdI, NiI; Grafito; CFx; WSe, NbS,… Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 43/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA : sólidos laminares Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 44/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA : sólidos laminares Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 45/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA : sólidos laminares Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 46/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA La interacción con la humedad ambiental juega un papel clave en el caso de determinados recubrimientos como el DLC o de los diversos lubricantes sólidos. G S Diamante + grafito Lubricants 2018, 6, 74; doi:10.3390/lubricants6030074 Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 47/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA: CAPAS DÚCTILES Metales dúctiles como el Au, Ag, In o Pb pueden usarse como lubricantes sólidos cuando se depositan sobre sustratos duros => Muy interesante en aplicaciones en alto vacío (sin formación de óxidos). A bajas temperaturas no son viables por la fragilidad de los metales. A altas temperaturas existen óxidos que se vuelven relativamente dúctiles: PbO ó MoO3 funcionan como lubricantes sólidos a temperaturas de ~ 600ºC. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 48/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA: POLIMEROS Mejor : > - 150ºC Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 49/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación LUBRICACION SOLIDA: POLIMEROS El mecanismo básico de funcionamiento de los polímeros en fricción es la transferencia de films al deslizarse contra la superficie más dura. Mecanismo de transferencia de “grumos” típico de los polímeros, salvo HDPE y UHMWPE. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 50/52 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 10. Lubricación ALGO PARA RECORDAR Los puntos a destacar de este tema son: Los fundamentos de la lubricación líquida para reducir la fricción y el papel clave jugado por la viscosidad. La curva de Striebeck y los distintos regímenes de lubricación: hidrodinámica, elastohidrodinámica y límite. El papel jugado por los aditivos en los lubricantes. La necesidad de emplear estrategias de lubricación sólida en determinados entornos. Los principios en que se basan las estrategias de lubricación sólida más comunes: sólidos laminares, metales dúctiles en capa fina o películas de polímeros lineales. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 11/11/2024 51/52