Con el avance continuo de la investigación en materiales modernos, la demanda de reducción de fricción se ha ido satisfaciendo gradualmente, y los desafíos relacionados con el mantenimiento difícil y la necesidad de desmontar numerosos componentes para su servicio se han resuelto. Como resultado, las personas han comenzado a aplicar muchos materiales duraderos con propiedades autolubricantes en partes móviles, como rodamientos, casquillos, brida y rieles guía. A continuación, explicaré los principios de la autolubricación y los materiales involucrados.
¿Qué es la autolubricación?
La autolubricación se refiere a la capacidad de un material o componente para reducir la fricción y minimizar el desgaste durante su uso mediante sus propiedades inherentes o diseño estructural, sin necesidad de aplicar lubricantes manualmente de forma periódica.
Métodos comunes de autolubricación
Materiales autolubricantes por recubrimiento/incrustación: Los materiales lubricantes (como grafito o disulfuro de molibdeno) se incrustan previamente en el material o se aplican mediante recubrimiento. Durante la fricción, el lubricante se libera gradualmente en las superficies de contacto, formando una película lubricante que reduce la fricción y el desgaste. Ejemplos incluyen casquillos de bronce con grafito, nylon impregnado en aceite y rodamientos de metal en polvo impregnados en aceite.
Autolubricación intrínseca del material: Bajo fricción, la superficie del material genera una película lubricante, como se ve en materiales como el bronce, POM, PTFE, nylony PEEK.
Diseño estructural para la autolubricación: A través de diseños estructurales especializados (como micro-pozos o micro-ranuras), se logra la lubricación durante la fricción mediante la deformación elástica del material o efectos hidrodinámicos, como el diseño de poros retentores de aceite en rodamientos autolubricantes.
Importancia de la autolubricación
1. Costos de mantenimiento bajos: No es necesario reponer grasa o aceite periódicamente, reduciendo los gastos de mantenimiento. Adecuado para componentes de equipos de difícil acceso o difícil mantenimiento, minimizando el tiempo de inactividad y mejorando la eficiencia de producción. Ideal para equipos que requieren operación continua en industrias como minería, metalurgia y productos químicos.
2. Adecuado para su uso en ambientes de baja temperatura, alta temperatura, vacío y polvo. Mantiene una operación estable bajo condiciones extremas, siendo apto para aplicaciones en aeroespacial, fabricación de semiconductores y equipos médicos.
3. No se requiere un diseño complejo de sistema de lubricación, simplificando el diseño estructural y el mecanizado, reduciendo así los costos de fabricación.
¿Qué es la material autolubricantel
Materiales metálicos autolubricantes
Estos incluyen principalmente aleaciones de bronce, latón y zinc.
Las aleaciones autolubricantes a base de bronce incluyen bronce con estaño, bronce de aluminio y bronce con plomo:
El bronce con estaño ofrece excelentes propiedades de reducción de fricción, conformabilidad y resistencia a la corrosión, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de fricción deslizante que implican cargas y velocidades moderadas, como maquinaria general, componentes automotrices y equipos de procesamiento de alimentos;
El bronce de aluminio ofrece alta resistencia, buena resistencia al desgaste y excelente resistencia a la corrosión, lo que lo hace especialmente adecuado para condiciones de alta carga, alto desgaste y ambientes corrosivos, como cojinetes de tubos de popa de barcos y componentes aeroespaciales;
El bronce con plomo tiene buenas propiedades de reducción de fricción y maquinabilidad, es adecuado para trabajos en frío y se utiliza comúnmente en cojinetes deslizantes en ambientes atmosféricos y de agua dulce, pero es propenso a fragilidad en caliente durante el trabajo en caliente.
Las aleaciones de latón utilizan zinc como elemento principal de aleación, con elementos de refuerzo como aluminio, manganeso y hierro añadidos. Ofrecen alta resistencia y resistencia al desgaste, pueden soportar cargas de impacto significativas y son adecuadas para cojinetes autolubricantes en equipos de servicio pesado como maquinaria de construcción, maquinaria minera y maquinaria metalúrgica.
Las aleaciones a base de zinc tienen baja densidad y buena conductividad térmica, junto con excelentes propiedades autolubricantes y capacidades antigripantes. Son adecuadas para aplicaciones de carga pesada y baja velocidad, aunque las temperaturas de operación no deben exceder los 100°C. Son ideales para aplicaciones sensibles al peso y al coste.
Plásticos autolubricantes
Los plásticos con propiedades autolubricantes incluyen POM, PTFE, PA, PEEK, PPS y UHMWPE
El PTFE tiene un bajo coeficiente de fricción tanto a altas como a bajas temperaturas, excelente estabilidad química y posee propiedades autolubricantes y antiadherentes. Se utiliza principalmente en sellos, guías, cojinetes y recubrimientos de utensilios de cocina antiadherentes.
El POM tiene alta rigidez y dureza, un bajo coeficiente de fricción y buena resistencia al desgaste. Puede operar continuamente a temperaturas que van desde -40°C hasta 100°C y ofrece alta estabilidad dimensional. Se utiliza comúnmente en engranajes lubricados sin aceite, cojinetes, deslizadores y piezas mecánicas de precisión.
El PA/Nailon tiene un bajo coeficiente de fricción y buena resistencia al desgaste. La lubricación por inmersión en aceite puede reducir aún más la fricción, y puede soportar temperaturas prolongadas de hasta 160°C. Sin embargo, es higroscópico y se utiliza comúnmente en componentes autolubricantes como engranajes, cojinetes, juntas y sellos.
Los componentes autolubricantes de PEEK ofrecen resistencia a altas temperaturas, resistencia química, alta resistencia y excelente resistencia al desgaste. El coeficiente de fricción puede reducirse aún más añadiendo grafito o PTFE. Se utilizan comúnmente en cojinetes autolubricantes, sellos, engranajes y otros componentes en las industrias aeroespacial, médica y de semiconductores.
Las piezas autolubricantes de PPS presentan resistencia al calor, resistencia a la corrosión, alta cristalinidad y excelente resistencia al desgaste. La tasa de desgaste puede reducirse aún más añadiendo polvo de cobre o PTFE al material PPS. Se utilizan comúnmente en válvulas, sellos y cojinetes en las industrias automotriz, electrónica y química, y son adecuadas para ambientes de alta temperatura y corrosivos.
El UHMWPE (polietileno de ultra alto peso molecular) ofrece resistencia excepcional al desgaste por deslizamiento y resistencia al impacto contra fracturas por muesca. Presenta un bajo coeficiente de fricción, excelente autolubricación y resistencia química, aunque tiene una resistencia relativamente baja. Se utiliza comúnmente en cojinetes, guías y revestimientos sometidos a alto desgaste y bajas cargas.
Aplicaciones de componentes autolubricantes
Gracias a su naturaleza libre de mantenimiento, resistencia a condiciones operativas adversas y diseño ligero, los componentes autolubricantes se utilizan ampliamente en múltiples industrias. Las siguientes son las principales áreas de aplicación:
Nueva Energía y Automoción: Bisagras de asientos y puertas, sistemas de dirección, conjuntos de pedales, amortiguadores, transmisiones, bandejas de baterías, sistemas de transmisión eléctrica y otros componentes.
Maquinaria de Construcción: Componentes clave como cubos, bielas, sistemas hidráulicos, ruedas locas, rodillos de oruga y ruedas guía en excavadoras, cargadores, maquinaria de hormigón y carretillas elevadoras.
Robótica: Articulaciones de robots, muñecas, tobillos, actuadores lineales y otras partes.
Maquinaria Agrícola: Sistemas de transmisión, conjuntos de suspensión y componentes de trabajo en tractores, cosechadoras, sembradoras y otros equipos.
Maquinaria de Plásticos: Sistemas de transmisión y componentes de soporte de moldes para máquinas de moldeo por inyección, extrusoras y equipos similares.
Maquinaria de Procesamiento de Alimentos: Componentes como mezcladores, cintas transportadoras y máquinas de envasado en equipos de procesamiento de alimentos, cumpliendo con requisitos de higiene de grado alimentario para prevenir la contaminación por lubricantes.
Recubrimientos autolubricantes
1. Recubrimiento DLC
Presenta alta dureza, fricción ultra baja, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, permitiendo su funcionamiento en entornos sin aceite o con bajo aceite.
Utilizado principalmente en maquinaria de precisión, componentes de motores, herramientas de corte y moldes para semiconductores.
2. Recubrimiento CrN
Caracterizado por buena tenacidad, propiedades anti soldadura y resistencia a la corrosión, es adecuado para aplicaciones de fricción metal con metal.
Comúnmente utilizado en matrices de estampado, herramientas de corte y moldes de inyección.
3. Recubrimiento AlTiN
Presenta dureza ultra alta, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la oxidación, siendo adecuado para corte en seco a alta velocidad.
Ampliamente utilizado en herramientas de corte, moldes de altas temperaturas y componentes aeroespaciales.
4. Recubrimiento MoS₂
Presenta un bajo coeficiente de fricción y excelente lubricidad, siendo especialmente adecuado para entornos de vacío, aunque su estabilidad en condiciones húmedas y calurosas es generalmente limitada.
Comúnmente utilizado en aeroespacial y sistemas de transmisión de precisión.
5. Recubrimientos Poliméricos Autolubricantes
Compuestos principalmente por materiales como PTFE (Teflón), estos recubrimientos ofrecen baja fricción y resistencia a la corrosión química, pero tienen una capacidad de carga y resistencia al desgaste relativamente menores.
Comúnmente utilizados en sellos, maquinaria de procesamiento de alimentos y equipos de procesamiento químico.
6. Recubrimiento de Oxidación por Microarco (MAO)
Forma una capa cerámica en superficies de aleaciones ligeras, ofreciendo resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y capacidades de lubricación con retención de aceite.
Comúnmente utilizado en piezas de automoción, equipos marinos y componentes ligeros.
En resumen:
Los recubrimientos de DLC y MoS₂ destacan por su rendimiento de baja fricción; los recubrimientos de AlTiN y de matriz metálica compuesta son preferidos para aplicaciones de alta temperatura; y los recubrimientos de Oxidación por Microarco (MAO) son los más adecuados para el endurecimiento superficial de aleaciones ligeras.
¿Requieren aceite lubricante los componentes autolubricantes?
Al ensamblar componentes autolubricantes, se puede aplicar grasa lubricante en los huecos entre las piezas terminadas. Esto facilita un mejor rodaje durante el uso inicial y previene daños por rodaje. Posteriormente, los componentes generarán una película lubricante más gruesa a través de la fricción, extendiendo su vida útil.
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