LA IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA DE LA PELÍCULA LUBRICANTE

Bennett Fitch.

La resistencia de la película lubricante es una de las propiedades más importantes de los lubricantes para proteger los componentes internos de una máquina contra el desgaste y la degradación. Hay una gran influencia de la base lubricante y los aditivos. Este artículo discutirá la importancia de la resistencia de la película de un lubricante y lo que afecta su efectividad.

Espesor de la película lubricante

Cuando piensa en lubricación, ¿qué le viene a la mente? Podría ser la base lubricante que crea una película lubricante que separa dos superficies metálicas en movimiento. Después de todo, el objetivo principal es evitar el contacto metal-metal entre las dos superficies. Para que la base lubricante proporcione esta separación, debe haber un equilibrio de estos tres factores: las velocidades relativas, la viscosidad del aceite y la cantidad de carga.

Estos tres factores también están afectados por otros elementos como la temperatura y la contaminación. El espesor de la película lubricante es el resultado de un equilibrio entre estos factores, y se le denomina lubricación hidrodinámica (HDL, por sus siglas en inglés).

En aplicaciones con contacto rodante (y, por lo tanto, con un movimiento deslizante relativamente insignificante), también puede generarse una película lubricante entre las superficies metálicas, incluso con puntos de presión más altos. De hecho, estos puntos de presión juegan un papel importante.

El coeficiente presión-viscosidad del lubricante permite que la viscosidad aumente temporalmente debido a las presiones más altas. Esto se llama lubricación elastohidrodinámica (EHD, por sus siglas en inglés). Queda una separación completa de las superficies, aunque sea por una pelicula lubricante muy delgada.

En la práctica, es mejor mantener separadas las superficies de los componentes de la máquina, ya que el espesor de película proporciona la mejor oportunidad para reducir la fricción y el desgaste. Pero, ¿qué sucede si no se cumplen estas condiciones de espesor de película, como cuando la velocidad relativa es insuficiente, la viscosidad es inadecuada o hay demasiada carga?

La mayoría de los diseños de máquinas y los parámetros operacionales tendrán ocasiones en las cuales no exista una velocidad suficiente, como arranques y paradas o cambios en la dirección del movimiento. También puede haber preocupaciones cuando la temperatura aumenta demasiado, lo que hace que la viscosidad disminuya, o una contaminación excesiva con partículas, que contribuye al contacto abrasivo.

Cuando no se cumplen los requisitos de lubricación hidrodinámica o elastohidrodinámica, la base lubricante requerirá de apoyo durante lo que se denomina condiciones de contacto límite. Este apoyo involucra la presencia de aditivos para el control de fricción y desgaste.

La base lubricante y los aditivos se mezclan cuidadosamente para producir un lubricante específico (aceite o grasa), formulado para mitigar las condiciones de película escasa que se esperan. Entonces, el lubricante posee resistencia de película y propiedades de lubricación límite.

Resistencia de película

La resistencia de película se puede describir como la capacidad del lubricante para disminuir los efectos de la fricción y controlar el desgaste por otros medios diferentes al espesor de la película lubricante. Como se mencionó, la viscosidad es el principal contribuyente al espesor de la película durante la lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica.

Cuando la viscosidad del aceite es insuficiente para separar las superficies y evitar el contacto metal con metal, la base lubricante y los aditivos trabajan juntos para crear un mecanismo de protección de la superficie. Durante estas condiciones de operación, la lubricación límite también se ve afectada por las propiedades químicas y físicas de las superficies mecánicas y cualquier factor ambiental que contribuya.

Incluso cuando las cargas y las temperaturas son más altas y las velocidades relativas de la superficie son más bajas, se mejora la resistencia de la película.

Interacciones de la superficie no lubricada

Si observara el contacto de las superficies mecánicas en un nivel molecular, vería que pueden ser relativamente ásperas, incluso si se han maquinado para hacerlas muy lisas y se aprecian así a simple vista. Podría compararse con la forma en que se ve la Tierra, como una esfera perfecta desde la perspectiva de un astronauta en el espacio, pero que está llena de montañas y valles de diversas alturas y profundidades cuando es vista por alguien que se encuentra sobre su superficie.

Esto es relevante porque cuando dos superficies metálicas no lubricadas entran en contacto, el área de contacto real será sustancialmente menor que el área de contacto aparente. Las superficies solo entrarán en contacto donde estas “montañas microscópicas”, llamadas asperezas, sean más altas y alcancen a la otra superficie, evitando que las asperezas más bajas entren en contacto.

Estas asperezas en la superficie pueden entonces deformarse elásticamente según la resistencia al corte correspondiente de los metales. Por lo tanto, el área de contacto real aumentará proporcionalmente cuando aumente la carga porque los puntos de contacto iniciales se deformarán elásticamente al principio y se conectarán más puntos de contacto.

Fricción

La fricción es la resistencia al movimiento deslizante de dos superficies que interactúan, y es afectada por varios parámetros o procesos. La mayoría de las personas considera que la rugosidad de la superficie es el principal parámetro que contribuye a la fricción.

Sin embargo, cuando se considera que el área de contacto real puede ser inferior al 1 por ciento del área de contacto aparente, la rugosidad real se vuelve mucho menos relevante. El proceso significativo que contribuye a la fricción es el resultado de los enlaces adhesivos que se producen a nivel atómico de las asperezas en contacto.

Generación de desgaste

En condiciones donde entre las superficies metálicas hay un espesor inadecuado de película lubricante, los puntos en contacto de las asperezas pueden llevar a una soldadura en frío, que es el prerrequisito para el desgaste adhesivo. La adhesión en estos puntos de aspereza se somete a un proceso de endurecimiento por el trabajo, que fortalece el material.

Por lo tanto, el punto de corte ocurre en capas debajo del punto de contacto de las asperezas, en donde el metal no ha sido fortalecido. Conforme el metal entra en contacto, la punta de la aspereza se transfiere a la otra superficie o se rompe como una partícula abrasiva.

La adhesión a menudo se vé como la forma inicial de desgaste mecánico, pero a medida que se presentan partículas abrasivas (ya sea por desgaste o por una fuente externa), el desgaste abrasivo puede volverse más destructivo. Esta forma de abrasión se llama abrasión de tres cuerpos , mientras que la abrasión de dos cuerpos es causada por el corte o rasgado de puntos de contacto puntiagudos de la superficie.

Durante el contacto rodante, puede producirse fatiga de superficie. Los mecanismos de fatiga provienen de grietas que se propagan de las superficies o hacia arriba desde las capas por debajo de alguna superficie que contiene inclusiones u otras impurezas. Las altas tensiones provocadas por las condiciones de rodadura en estas superficies provocarán desgaste por fatiga.

Mitigando las interacciones de las superficies

Los aditivos para el control de fricción y desgaste se añaden en pequeñas cantidades a la base lubricante y tienen propiedades polares que fomentan la atracción hacia la superficie del metal. Estas atracciones se estimulan aún más para reaccionar químicamente con la superficie como resultado de las condiciones de interacción, que están asociadas inversamente a las condiciones que conducen a un espesor de película suficiente: mayor presión y mayor temperatura.

Cuando las superficies de la máquina interactúan con presiones y temperaturas más altas, los aditivos mitigan los efectos típicos del contacto metal con metal (desgaste) al crear capas moleculares iniciales en la superficie de la máquina que son más dúctiles. Estas capas de control de fricción reducen directamente la resistencia al corte durante el contacto y se sacrifican.

Las primeras capas pueden mitigar la fricción permitiendo que los enlaces moleculares más débiles del lubricante se liberen con menos fuerza en comparación con los enlaces fuertes que resultan de las condiciones de película límite por el contacto metal-metal de las asperezas de las superfices. La formación de películas de baja resistencia al corte también es afectada por el tipo de base lubricante y la metalurgia de las superficies.

Hay tres tipos de aditivos lubricantes que ayudan a reducir esta fricción y controlan el desgaste: modificadores de fricción, aditivos antidesgaste y aditivos extrema presión.

Modificadores de fricción (agentes de lubricidad) – MF

Compuestos polares, como los ácidos grasos, agregados a la base lubricante, disminuyen la fricción a bajas velocidades de deslizamiento formando una película jabonosa. Por lo general, se usan en componentes donde se requiere ahorro de energía para reducir la fricción y el deslizamiento a bajas velocidades, como en un motor de combustión interna o transmisión.

Actúan como aditivos antidesgaste, pero son más efectivos con cargas más livianas y no requieren altas temperaturas. El jabón resultante con baja resistencia al cizallamiento se descompone a temperaturas más altas. Sin embargo, cuando el metal en la superficie es más reactivo al ácido graso, creando un jabón metálico, la temperatura de descomposición es más alta.

Aditivos antidesgaste – AW

Estos compuestos polares están basados típicamente ​​en azufre y fósforo, como el aditivo dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP). Están diseñados para reaccionar químicamente con la superficie del metal solo en condiciones de película límite.

Sin embargo, los aditivos antidesgaste son más efectivos a temperaturas más altas, donde se activan más y crean una película/barrera. Los aditivos del tipo ZDDP se han utilizado ampliamente para la protección contra el desgaste y también son beneficiosos como antioxidantes en el aceite.

Aditivos para extrema presión – EP (aditivos antirayado – AS)

Los modificadores de fricción e incluso los aditivos antidesgaste se vuelven menos útiles y se descomponen cuando las temperaturas de la superficie son demasiado altas. Los aditivos de extrema presión, que también están basados ​​en azufre y fósforo, son la mejor opción cuando se esperan altas temperaturas en la superficie.

Estos aditivos forman una película jabonosa de baja resistencia al corte con reacciones en la superficie metálica y pueden soportar temperaturas bastante altas. Si bien la reacción es beneficiosa para el desarrollo de la película, es importante tener cuidado cuando la reacción tiene el potencial de producir corrosión química en metales más reactivos.

Física y química

Las interacciones moleculares físicas de las asperezas en los puntos de presión de contacto reales son la principal preocupación cuando las superficies no lubricadas o con poca lubricación entran en contacto deslizante. En esta escala molecular de las superficies de la máquina, las condiciones de lubricación a película límite están sujetas a numerosos principios de la física y la química.

El rol de la oxidación, corrosión, quimisorción y otras reacciones químicas en las superficies de la máquina debe equilibrarse cuidadosamente cuando se seleccionan compuestos aditivos para la protección de la resistencia de la película.

Estas películas de aditivos para el control de fricción y desgaste en las superficies metálicas reducen la resistencia al corte en los puntos de contacto. Las películas de baja resistencia al corte se sacrifican durante las interacciones físicas y protegen a la superficie de los efectos del desgaste adhesivo, abrasivo y por fatiga.

Estas películas submicrométricas tienen una progresión de propiedades de líquida a sólida a medida que se acercan a la superficie metálica. Si bien es preferible que sea el aceite quien proteja las superficies de la máquina con lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica, siempre existirán condiciones de película límite.

Por lo tanto, para proteger contra condiciones límite, se debe usar un lubricante adecuadamente formulado con aditivos de control de fricción y desgaste para proporcionar una resistencia de la película que sea proporcional a las interacciones mecánicas existentes dentro de los límites razonables.

Referencias

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Fitch, J.C., Scott, R., & Leugner, L. (2012). “The Practical Handbook of Machinery Lubrication – Fourth Edition.”

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