Cuándo y cómo utilizar modificadores de fricción

11 de enero de 2018

Loren Green. Noria Corporation. Traducido por Gustavo Huicochea Hernández, Noria Latín América.

El propósito de un lubricante es reducir la fricción entre dos superficies. En algunos casos, el básico lubricante en el aceite o la grasa puede no tener suficiente lubricidad para realizar esta función de manera eficaz. La metalurgia de los componentes también puede requerir una química especial. Por ejemplo, con los engranajes tipo sinfín, los aditivos tradicionales de extrema presión o antidesgaste a menudo son demasiado agresivos químicamente para los metales amarillos (aleaciones de cobre) que son más blandos. En estos casos, se agregan modificadores de fricción para aumentar la lubricidad del aceite.

Por el contrario, en una transmisión automática, el fluido se utiliza para proporcionar lubricación, transferir potencia hidráulica y muchas otras funciones. Los embragues y las bandas de fricción dentro de la transmisión necesitan fricción para funcionar correctamente. En este caso, se requieren modificadores de fricción para suavizar la transición de una velocidad a otra. De lo contrario, los embragues y las bandas podrían “rechinar”, causando daños y una condición irritante para el conductor.

Se utilizan diversos compuestos para modificar el coeficiente de fricción de un lubricante; se conocen colectivamente como modificadores de fricción y están diseñados para cambiar la cantidad de energía necesaria para hacer que dos superficies se muevan una sobre la otra. En la Tabla 1 se muestran los diferentes tipos de modificadores de fricción.

tabla1 Cuándo y cómo utilizar modificadores de fricción

Tabla 1 – Modificadores de fricción

El propósito de un modificador de fricción varía según la aplicación. En un motor de combustión, el objetivo es reducir la cantidad de fricción, con lo que se obtiene un ahorro de combustible. En embragues, transmisiones automáticas y aplicaciones industriales, el objetivo no es simplemente controlar la fricción para maximizar la eficiencia, sino también para reducir el deslizamiento. Hasta cierto punto, esto parece un poco contradictorio, ya que el objetivo de un lubricante es reducir la fricción y el desgaste. Sin embargo, hay muchas situaciones en las que se requiere una cierta cantidad de fricción de tracción para que el equipo funcione correctamente. Los modificadores de fricción utilizados en estas aplicaciones no están destinados a aumentar o disminuir la fricción, sino a actuar de manera diferente en condiciones de corte específicas, esencialmente suavizando la transición de una condición dinámica a una condición estática, como sucede durante un cambio de marcha en una transmisión o el acoplamiento de un embrague.

La evolución de los modificadores de fricción

Los modificadores de fricción en los aceites de motor se remontan a 1915. Primero se usaron en diferenciales, aplicaciones de embrague húmedo y transmisiones. Su uso se intensificó considerablemente en los años setenta. La economía de combustible se volvió muy importante durante el embargo petrolero en ese momento, lo que provocó un cambio significativo en la industria automotriz, introduciendo los modificadores de fricción en aceites de motor para vehículos de pasajeros.

La gran mayoría de los modificadores de fricción actualmente en uso están diseñados para reducir la fricción o aumentar la lubricidad para una mejor economía de combustible. Recientemente, el gobierno de EE. UU. aumentó los estándares de economía de combustible con el objetivo de elevar el Promedio Corporativo de Economía de Combustible (CAFE, por las siglas en inglés de Corporative Average Fuel Economy) a 23 km por litro (aprox 54.5 millas por galón). Este número, que es el doble del estándar actual, es solo para motores de gasolina, aunque también existe una presión similar para los motores Diésel. Una forma de lograr este objetivo sería reduciendo la viscosidad de los aceites de motor actuales. El desafío es reducir la viscosidad mientras se mantiene una película de lubricante suficiente para reducir el desgaste y la fricción.

Se han logrado grandes avances en ingeniería para reducir la fricción generada en un motor. Esto ha aumentado el ahorro de combustible. También ha habido muchos avances en la tecnología de lubricantes, incluyendo el desarrollo de modificadores de fricción.

Los modificadores de fricción son más eficientes en condiciones de lubricación de película límite o donde se produce contacto de metal con metal. Los modificadores de fricción orgánicos tienen cadenas largas y solubles y una cabeza polar. La cabeza polar se adhiere a las superficies de metal, mientras que las cadenas solubles se alinean una junto a la otra como fibras en una alfombra. Las cabezas polares pueden estar compuestas por ácidos fosfóricos o fosfónicos, aminas, amidas o ácidos carboxílicos. Por otro lado, las cadenas solubles forman capas con una misma densidad o capas viscosas gruesas. Estas capas se mueven fácilmente y crean una superficie relativamente resbalosa.

FIG1 Cuándo y cómo utilizar modificadores de fricción

Figura 1 – Modificadores de fricción orgánicos

Modificadores de fricción orgánicos

Los modificadores de fricción de tipo mecánico forman capas de plaquetas que se alinean entre sí, proporcionando una reducción en la fricción. El más común de estos es el ditiocarbamato de molibdeno (MoDTC). Estos aditivos reducen la fricción al formar láminas individuales de tamaño nanométrico dispersas en una matriz de carbono o de pirita, orientadas en capas, deslizándose una contra la otra y reduciendo la fricción generada.

Se ha demostrado que los compuestos orgánicos de molibdeno funcionan bien en conjunto con el dialquilditiofosfato de cinc (ZDDP). Utilizado en aceites de motor durante cerca de 80 años, el ZDDP ha sido uno de los aditivos más exitosos desarrollados para aceites. Tiene muchas funciones, como servir de antioxidante, inhibidor de corrosión y aditivo antidesgaste. Estos aditivos también tienen una cabeza polar y una estructura de cola soluble en el aceite. Forman películas límite de sacrificio relativamente gruesas que son mucho más suaves que las superficies de acero o hierro.

Cabe señalar que las cabezas polares de los modificadores de fricción no solo deben poder adherirse a los metales ferrosos, sino que también deben poder adherirse a las capas de cinc que estarán presentes debido al ZDDP. Estas películas gruesas formadas por ZDDP dependen de la temperatura y consisten principalmente en cinc, cristales de ortofosfato y polifosfato, con una mayor proporción de cadenas de polifosfato más cerca de la superficie.

A medida que los estándares de economía de combustible sean más estrictos, se les exigirá más a los aceites de motor. Si bien la tecnología de los modificadores de fricción continúa evolucionando, la forma más efectiva de mejorar la economía de combustible o el consumo de energía es disminuyendo la viscosidad del lubricante. Sin embargo, solo puede ir tan lejos antes de perder la película hidrodinámica y operar ya sea en lubricación a película mixta o en lubricación a película límite. Es en estos dos regímenes de lubricación donde el uso de modificadores de fricción se vuelve crítico para reducir la fricción.

FIG2 Cuándo y cómo utilizar modificadores de fricción

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