Lubricante seco

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.

Los dos principales lubricantes secos son el grafito y el disulfuro de molibdeno. Ofrecen lubricación a temperaturas superiores a las de los lubricantes líquidos y a base de aceite. Los lubricantes secos se utilizan a menudo en aplicaciones como cerraduras o cojinetes lubricados en seco. Estos materiales pueden operar hasta 350 °C (662 °F) en entornos oxidantes e incluso a temperaturas superiores en entornos 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 una unión débil entre ellas. Estas capas pueden deslizarse entre sí con una fuerza mínima aplicada, lo que les confiere sus propiedades de baja fricción.Sin embargo, una estructura cristalina estratificada por sí sola no es necesariamente suficiente para la lubricación. De hecho, existen sólidos con estructuras no lamelares que funcionan bien como lubricantes secos en ciertas aplicaciones. Estos incluyen ciertos metales blandos (indio, plomo, plata, estaño), politetrafluoroetileno, algunos óxidos sólidos, fluoruros de tierras raras e incluso el diamante.Se ha mostrado poco interés en las propiedades de baja fricción de las capas de esmalte de óxido compactado formadas a varios cientos de grados Celsius en sistemas deslizantes metálicos. Sin embargo, su uso práctico aún está lejos debido a su naturaleza físicamente inestable.Los cuatro lubricantes sólidos más utilizados son:

1. Grafito. Se utiliza en compresores de aire, industria alimentaria, articulaciones ferroviarias, válvulas de instrumentos de latón, acciones de piano, engranaje abierto, cojinetes de bolas, máquinas-taller, etc. También es muy común para lubricar cerraduras, ya que un lubricante líquido permite que las partículas se atasquen en la cerradura empeorando el problema. A menudo se utiliza para lubricar las partes móviles internas de las armas de fuego en entornos arenosos.
2. Molybdenum disulfide (MoS₂). Se utiliza en juntas CV y vehículos espaciales. Se lubrica en vacío.
3. Nitruro hexagonal. Usado en vehículos espaciales. También se llama "grafito blanco".
4. Disulfuro de tungsteno. Uso similar como disulfido de molibdeno, pero debido al alto costo sólo se encuentra en algunos rodamientos lubricados secos.

El grafito y el disulfuro de molibdeno son los materiales predominantes utilizados como lubricantes secos.La lubricidad de muchos sólidos se atribuye a una estructura laminar. Las láminas se orientan paralelamente a la superficie en la dirección del movimiento y se deslizan fácilmente unas sobre otras, lo que resulta en 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, mientras que las partículas más finas lo hacen en superficies más lisas y a mayor velocidad. Estos materiales pueden añadirse en forma de polvo seco a los lubricantes líquidos para modificar o mejorar sus propiedades.Otros componentes útiles como lubricantes sólidos incluyen el nitruro de boro, el politetrafluoroetileno (PTFE), el talco, el fluoruro de calcio, el fluoruro de cerio y el disulfuro de tungsteno.Los lubricantes sólidos son útiles en situaciones en las que los lubricantes convencionales resultan inadecuados, como:

• Reciprocación de movimiento. Una aplicación típica es un movimiento deslizante o reciprocante que requiere lubricación para minimizar el desgaste, como, por ejemplo, en la lubricación de engranajes y cadenas. Los lubricantes líquidos se exprimirán mientras que los lubricantes sólidos no escapan, previniendo el fretting, la corrosión y el galling.
• Cerámica. Otra aplicación es para casos en que los aditivos lubricantes químicamente activos no se han encontrado para una superficie particular, como polímeros y cerámica.
• Temperatura alta. Grafito y MoS₂ actuar como lubricantes a alta temperatura y en ambientes oxidantes, donde los lubricantes líquidos normalmente no sobrevivirán. Una aplicación típica implica sujetadores que son fácilmente ajustados y sin guardar después de una larga estancia a altas temperaturas.
• Presiones de contacto extremas. La estructura lamellar se orienta paralelamente a la superficie deslizante, dando como resultado una alta carga de rodamiento combinada con un bajo estrés de corte. La mayoría de las aplicaciones en la formación de metal que implican la deformación de plástico utilizan lubricantes sólidos.

El grafito está compuesto estructuralmente por planos de átomos de carbono policíclicos con orientación hexagonal. La distancia entre los átomos de carbono es mayor y, por lo tanto, el enlace es más débil.El grafito es ideal para la lubricación en 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 inferior al de la energía de adhesión entre el sustrato y el grafito. Dado que el vapor de agua es necesario para la lubricación, el grafito no es eficaz en vacío. Al ser 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 divide en dos grupos principales: natural y sintético.

• El grafito sintético es un producto sinterizado de alta temperatura y se caracteriza por su alta pureza de carbono (99.5−99,9%). El grafito sintético de primaria puede acercarse a la buena lubricidad del grafito natural de calidad.
• El grafito natural se deriva de la minería. La calidad del grafito natural varía como resultado de la calidad del mineral y su procesamiento posterior a la minería. El producto final es grafito con un contenido de carbono (grafito de alto grado 96−98% de carbono), azufre, SiO₂, y ceniza. Cuanto mayor sea el contenido de carbono y el grado de grafitificación (alto cristalino) mejor será la lubricidad y la resistencia a la oxidación.

Para aplicaciones donde solo se requiere una lubricidad mínima y un recubrimiento con mayor aislamiento térmico, se optaría por grafito amorfo (80 % de carbono).El MoS₂ se extrae de algunos depósitos ricos en sulfuros y se refina para alcanzar una pureza adecuada para lubricantes. Al igual que el grafito, el MoS₂ presenta una estructura cristalina hexagonal con la propiedad intrínseca de ser fácilmente cizallable. El rendimiento de lubricación del MoS₂ suele superar al del grafito y también es eficaz en vacío, a diferencia del grafito. La temperatura límite del MoS₂ a 400 °C está limitada por la oxidación. El tamaño de partícula y el espesor de la película son parámetros importantes que deben ajustarse a la rugosidad superficial del sustrato. Las partículas grandes pueden provocar un desgaste excesivo por abrasión causada por impurezas en el MoS₂, mientras que las partículas pequeñas pueden acelerar la oxidación.El nitruro de boro hexagonal es un lubricante cerámico en polvo. Su característica más interesante es su alta resistencia a la temperatura, hasta 1200 °C en atmósfera oxidante. Además, el nitruro de boro posee una alta conductividad térmica. (El nitruro de boro cúbico es muy duro y se utiliza como componente abrasivo y de herramientas de corte).El politetrafluoroetileno (PTFE) se utiliza ampliamente como aditivo en aceites y grasas lubricantes. Gracias a su baja energía superficial, se pueden producir dispersiones estables no floculadas de PTFE en aceite o agua. A diferencia de otros lubricantes sólidos mencionados, el PTFE no presenta una estructura en capas. Las macromoléculas de PTFE se deslizan fácilmente entre sí, de forma similar a las estructuras lamelares. El PTFE presenta uno de los coeficientes de fricción estática y dinámica más bajos, de hasta 0,04. Las temperaturas de funcionamiento están limitadas a unos 260 °C.La dispersión de lubricante sólido como aditivo en aceite, agua o grasa es la más común. Para piezas inaccesibles para la lubricación después del ensamblaje, se puede pulverizar un lubricante de película seca. Tras la evaporación del disolvente, el recubrimiento cura a temperatura ambiente para formar un lubricante sólido. Las pastas son lubricantes similares a la grasa que contienen un alto porcentaje de lubricantes sólidos y se utilizan para el ensamblaje y la lubricación de piezas sometidas a altas cargas y de movimiento lento. Las pastas negras generalmente contienen MoS₂. Para temperaturas 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.El pulido con polvo seco es un método de aplicación eficaz. La adhesión puede mejorarse 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 garantizar una vida útil duradera en aplicaciones continuas. Sin embargo, para mejorar las condiciones de rodaje o en procesos de conformado de metales, puede ser suficiente una breve duración de las condiciones de deslizamiento mejoradas.Los recubrimientos antifricción (AF) son "pinturas lubricantes" compuestas por finas partículas de pigmentos lubricantes, como disulfuro de molibdeno, PTFE o grafito, mezcladas con un aglutinante. Tras su aplicación y curado adecuado, estos lubricantes "resbaladizos" o secos se adhieren a la superficie metálica y forman una película sólida de color gris oscuro. Muchos lubricantes de película seca contienen inhibidores de óxido especiales que ofrecen una protección excepcional contra la corrosión. La mayoría de las películas de larga duración son de tipo adherido, pero aún se limitan a aplicaciones donde las distancias de deslizamiento no son demasiado largas. Los recubrimientos AF se aplican donde el desgaste por rozamiento y el desgaste por fricción son un problema (como en estrías, juntas universales y cojinetes de chaveta), donde las presiones de operación superan la capacidad de carga de los aceites y grasas comunes, donde se desea un funcionamiento suave (pistones, árboles de levas), donde se desea un funcionamiento limpio (los recubrimientos AF no acumulan suciedad ni residuos como las grasas y aceites) y donde las piezas pueden almacenarse durante largos periodos.Compuestos autolubricantes: Los lubricantes sólidos como el PTFE, el grafito, el MoS₂ y otros aditivos antifricción y antidesgaste suelen incorporarse en polímeros y todo tipo de materiales sinterizados. El MoS₂, por ejemplo, se incorpora en materiales para cojinetes de deslizamiento, juntas tóricas de elastómero, escobillas de carbón, etc. Los lubricantes sólidos se incorporan a los plásticos para formar un compuesto termoplástico "autolubricante" o "lubricado internamente". Por ejemplo, las partículas de PTFE incorporadas al plástico forman una película de PTFE sobre la superficie de contacto, lo que reduce la fricción y el desgaste. El MoS₂ incorporado al nailon reduce el desgaste, la fricción y el efecto stick-slip. Además, actúa como agente nucleante, creando una estructura cristalina muy fina. El principal uso de los termoplásticos lubricados con grafito es en aplicaciones que operan en entornos acuosos.

• Sliney, Harnold E, Lubricantes sólidos, NASA Technical Memorandum TM-103803, 1991. Disponible en hdl.handle.net/2060/19910013083.