Qué es la tribología

11 de enero de 2019

Machinery Lubrication. Traducido por Pilar Esquivel, Noria Latín América

Publicado en la revista Machinery Lubrication (4/2017)

imgntrib Qué es la tribología

Contenido

  1. Tribología y lubricación
  2. Historia de la tribología
  3. Aplicaciones
  4. Aplicación en la industria
  5. Importancia de la tribología
  6. Lubricación y tribología
  7. Métodos de pruebas tribológicas
  8. ¿Qué es un tribólogo?

La tribología es el estudio de la ciencia y la tecnología de las superficies que interactúan en movimiento relativo y abarca el estudio y la aplicación de la fricción, el desgaste, la lubricación y aspectos relacionados con el diseño de los componentes de la maquinaria. Para comprender mejor la tribología, es importante comprender las definiciones que hay detrás de la fricción, el desgaste y la lubricación.

La fricción se define como la resistencia al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto. La fricción no es una propiedad del material, sino una propiedad del sistema, y ​​los científicos creen que se produce debido a la atracción electromagnética entre las partículas cargadas de dos superficies que están en contacto. Hay varios tipos de fricción, incluyendo:

  • Fricción estática, que se produce cuando dos objetos no están en movimiento relativo uno con respecto al otro (por ejemplo, como una silla sobre el suelo).
  • Fricción por rodadura, se produce cuando dos objetos se mueven uno con relación al otro y uno de ellos “rueda” sobre el otro (por ejemplo, las ruedas de un automóvil sobre el pavimento).
  • Fricción cinética, se produce cuando dos objetos se mueven uno con respecto al otro y se frotan entre sí (por ejemplo, una persona que se desliza por una tobogán).
  • Fricción deslizante, ocurre cuando dos objetos se frotan entre sí (por ejemplo, cuando se coloca y se mueve un libro sobre una mesa).
  • Fricción fluida, ocurre cuando un objeto sólido se mueve a través de un líquido o gas (por ejemplo, una cometa que se mueve a través del aire).

Si bien la fricción no se considera una fuerza fundamental, es considerada una fuerza no conservadora, lo que significa que el trabajo realizado contra la fricción es dependiente de la trayectoria.

FRICCION Qué es la tribologíaFigura 1 – Fricción por rodadura

El desgaste se define como la eliminación gradual, daño o desplazamiento del material en superficies sólidas. Los tipos más comunes de desgaste son:

Desgaste abrasivo (de dos cuerpos), se produce cuando una superficie dura y áspera se desliza sobre una superficie más suave.

DESGASTE Qué es la tribologíaFigura 2 – Desgaste abrasivo de dos cuerpos

  1. Desgaste adhesivo, se produce debido al movimiento y unión no deseada de partículas de desgaste de una superficie a la otra.
  2. Desgaste por fricción, se produce debido al roce recurrente entre dos superficies.
  3. Desgaste erosivo, se produce cuando partículas sólidas o líquidas chocan con la superficie de un objeto.
  4. Fatiga de superficie, se produce cuando la superficie de un material se debilita por cargas cíclicas.
  5. Desgaste por corrosión/oxidación, se produce debido a reacciones químicas entre materiales desgastados y un medio corrosivo.

Dados los diferentes tipos, la tribología también muestra cómo el desgaste puede sufrir muchos cambios con el tiempo o experimentar cambios por las condiciones de operación.

 

Tribología y lubricación.

La lubricación se define como el control de la fricción y el desgaste mediante la introducción de una película que reduce la fricción entre las superficies dinámicas en contacto. Esta película, también conocida como lubricante, puede ser una sustancia sólida, fluida o plástica, siendo el aceite y la grasa los más comunes.

Los lubricantes tienen varias funciones, incluida la de reducir fricción, prevenir el desgaste, proteger a la maquinaria de la corrosión, controlar la temperatura y la contaminación, transmitir potencia y proporcionar un sello fluido.

Cuando se trata de lubricación, hay tres diferentes tipos denominados regímenes: película límite, mixta y gruesa. La lubricación límite existe donde hay arranques y paros frecuentes y también donde están presentes condiciones de cargas de choque.

Por ejemplo, algunos aceites contienen aditivos –como extrema presión (EP, por sus siglas en inglés) o antidesgaste (AW, por sus siglas en inglés)– , para ayudar a proteger las superficies en caso de que las películas gruesas no se formen debido a la carga, la velocidad u otros factores. Esencialmente, estos aditivos EP y AW se adhieren a las superficies metálicas para formar una “capa de sacrificio que protege al metal contra el desgaste” (vea el artículo Qué es lubricación).

Existen dos tipos de lubricación a película gruesa: hidrodinámica y elastohidrodinámica.

La lubricación hidrodinámica (HL, por sus siglas en inglés) se produce cuando dos superficies en movimiento deslizante están completamente separadas por una película de lubricante. La lubricación elastohidrodinámica (EHL, por sus siglas en inglés) es muy similar a la lubricación hidrodinámica, pero ocurre cuando las superficies están en movimiento rodante (una con respecto a la otra). La lubricación elastohidrodinámica obtiene su nombre de la propiedad de la película que deforma elásticamente la superficie de rodadura para lubricarla. Bajo estas condiciones la capa de la película EHL es mucho más delgada que la de la lubricación hidrodinámica, dando como resultado una mayor presión sobre la película.

LUBRICACION Qué es la tribologíaImagen 3 – Lubricación elastohidrodinámica

La lubricación mixta, es una combinación entre la lubricación límite y la hidrodinámica, es cuando “la mayor parte de las superficies están separadas por una capa lubricante y las asperezas todavía hacen contacto entre sí”. Al igual que con la lubricación límite, la lubricación mixta también puede emplear aditivos para crear una capa protectora sobre el metal.

Hay varios conceptos fundamentales en tribología, como tribosistema, tribopelícula y curva de Stribeck. Un tribosistema se define como un sistema tribológico compuesto por al menos dos cuerpos en contacto y cualquier factor ambiental que afecte su interacción (“tribosystem”, Wikipedia). Es esencial para los tribólogos entender los sistemas tribológicos, ya que esto les permite crear y ejecutar pruebas tribológicas. Otro elemento importante del tribosistema gira en torno al uso de los recubrimientos tribológicos, en lo que se refiere a materiales ferrosos y no ferrosos.

Por ejemplo, se podría aplicar un revestimiento de carbono tipo diamante (DLC, por sus siglas en inglés) o un revestimiento de hidrocarburo a uno o varios componentes para reducir la fricción y protegerlos contra el desgaste. El revestimiento por disposición física de vapor (PVD, por sus siglas en inglés) es otro ejemplo e implica la producción de un revestimiento delgado al someter el material de una fase condensada a una fase de vapor, lo que resulta en una fase condensada de película delgada. Esto es diferente a la sedimentación química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés) que produce materiales sólidos de alto desempeño por vacío. Otros recubrimientos tribológicos incluyen:

  • Disposición por arco catódico (arco-PVD, por sus siglas en inglés)
  • Carbonitruro de titanio (TiCN, por sus siglas en inglés)
  • Nitruro de titanio (TiN, por sus siglas en inglés)
  • Nitruro de titanio y aluminio (TiAIN, por sus siglas en inglés)
  • Nitruro de cromo (CrN, por sus siglas en inglés)
  • Nitruro de zirconio (ZrN, por sus siglas en inglés)
  • Diboruro de titanio (TiB2, por sus siglas en inglés)
  • Diamante policristalino (PCD, por sus siglas en inglés)

Tribopelícula o tribopelículas, son películas producidas sobre las superficies y juegan un papel integral en la reducción o minimización de la fricción y el desgaste en los sistemas lubricados. Las tribopelículas también son conocidas como película lubricante límite, película de lubricación límite, película tribolímite o película límite (“Tribofilm”, Wikipedia).

FIG 4 Qué es la tribologíaImagen 4 – Curva de Stribeck

La curva de Stribeck es una gráfica que muestra cómo la fricción en los contactos lubricados con fluidos es una función no lineal de la viscosidad del lubricante, la velocidad y la carga en la zona de contacto (“curva de Stribeck”, Wikipedia). Lleva el nombre de Richard Stribeck, un ingeniero mecánico alemán, quien describió el concepto por primera vez en 1902. Este gráfico muestra cómo la generación de la película lubricante es crítica en la reducción de la fricción y el desgaste de los componentes de las máquinas.

Historia de la tribología.

La palabra “tribología” viene de la palabra griega tribos que significa fricción, traduciendo la palabra literalmente como la “ciencia de la fricción”. Mientras que el estudio del concepto se remonta a Leonardo da Vinci y sus estudios sobre las leyes de la fricción, la palabra “Tribología” no se había utilizado ampliamente hasta que Peter H. Jost, un ingeniero mecánico británico, acuñó el término en el Reporte Jost del 9 de marzo de 1966.

Jost es considerado el fundador de la disciplina de la tribología, y a partir de su reporte, se puso una mayor atención sobre el tema. Solicitó el establecimiento de Institutos de Tribología, junto con la publicación de un manual sobre tribodiseño e ingeniería.

En una entrevista realizada por Jim Fitch, fundador de Noria Corporation, se le pidió a Jost que describiera el momento en que concibió la tribología, señalando que fue en septiembre de 1964 en la Conferencia sobre Lubricación en Trabajos de Hierro y Acero en Cardiff (Reino Unido) del Instituto del Hierro y del Acero/Grupo de Lubricación y Desgaste del ImechE.

Fue en esta conferencia donde se discutieron las fallas, particularmente en la maquinaria y equipos dañados en acerías. Después de esto, se le pidió a Jost que formara un comité para “investigar lo relacionado con la educación sobre lubricación, la investigación y las necesidades de la industria” (vea el artículo de Jim Fitch, “Interview with Luminary Professor H. Peter Jost – The Man who Gave Birth to the Word ‘Tribology”).

Poco después de la publicación del Reporte Jost, el 26 de septiembre de 1966 se estableció formalmente la Comisión de Tribología y fue encargada de varias tareas, incluyendo:

  • Asesorar al ministro de tecnología para medir el efecto del progreso tecnológico y los ahorros en el ámbito de la tribología.
  • Asesorar a los departamentos gubernamentales y otros organismos en asuntos relacionados con la tribología.
  • Examinar y recomendar a la industria las últimas técnicas en tribología.
  • Informar anualmente al ministro de tecnología sobre sus propias actividades y sobre las tendencias y desarrollos en tribología que se consideran de importancia tecnológica o económica para la nación.

Desde entonces, la tribología se ha convertido en un área interdisciplinaria relacionada con la biología, la química, la ingeniería, las ciencias de los materiales, las matemáticas y la física.

Aplicaciones

Históricamente, la tribología se aplica a los componentes rodantes o deslizantes más comunes, como son los rodamientos, cojinetes planos, engranajes, levas, frenos y sellos. Estos elementos comunes se utilizan en diversas máquinas que tienen un movimiento relativo y requieren un movimiento deslizante o un movimiento de rotación. Este enfoque inicial en mejorar la operación y extender la vida útil de la maquinaria industrial ha evolucionado hacia otras variadas aplicaciones en las que ha tenido un gran impacto.

Aplicación en la industria

Cuando se trata de investigación, la tribología abarca desde escalas macro a nano. Aunque tradicionalmente se concentraba en los sectores de transporte y manufactura, se ha diversificado más a lo largo de las décadas y se puede dividir en los siguientes campos:

Tribología clásica

Como su nombre indica, la tribología clásica se centra en la fricción y el desgaste de los elementos de la maquinaria (rodamientos, engranajes, cojinetes planos, frenos, embragues, ruedas, etc.), así como en los procesos de fabricación.

Biotribología

Con la biotribología, la investigación se centra en la lubricación en sistemas biológicos como las articulaciones humanas de cadera y rodilla. De hecho, uno de los ejemplos más notables de la biotribología son los reemplazos totales de cadera, donde “reemplazan la articulación natural de rótula con una bola metálica muy suave (aleación de acero inoxidable o de cobalto-cromo) en la cabeza del fémur, articulando en una copa de la pelvis hecha de polietileno de ultra alto peso molecular” (Hutching, “Fifty Years of Tribology”).

Tribología verde

La tribología verde, que también fue presentada por Peter H. Jost, busca minimizar el impacto ambiental, incluyendo formas de reducir las pérdidas tribológicas implementando tecnologías con un impacto mínimo en el medio ambiente.

Geotribología

Con la geotribología, el enfoque está en estudiar la fricción, el desgaste y la lubricación de sistemas geológicos como fallas geológicas y glaciares (Wikipedia). Como una faceta relativamente nueva de la tribología, la geotribología está ganando impulso en el mundo científico, particularmente en sus habilidades para analizar deslizamientos en las fallas geológicas.

Nanotribología

Con el desarrollo y la comercialización de sistemas microelectromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés) y sistemas nanoelectromecánicos (NEMS, por sus siglas en inglés), el campo de la nanotribología se ha convertido en un foco importante. Esta aplicación en particular estudia los fenómenos tribológicos a escala nanoscópica, que se refiere a estructuras con una escala de longitud aplicable a la nanotecnología. La nanotribología ha recibido un gran impulso en su investigación desde la invención de la microscopía de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en inglés), que es una forma de microscopía de sonda de escaneo (SPM, por sus siglas en inglés) de resolución extremadamente alta.

Tribotrónica

Otra aplicación en la industria es la tribotrónica, que es una faceta de la investigación que combina elementos de maquinaria y componentes electrónicos para crear sistemas tribológicos activos y aumentar la eficiencia y la vida útil de la maquinaria.

Tribología computacional

Con la tribología computacional, el objetivo es modelar el comportamiento de los sistemas tribológicos combinando varias disciplinas como la mecánica de contacto (estudio de la deformación de sólidos que se tocan entre sí en uno o más puntos), la mecánica de fractura (estudio de la proliferación de grietas en materiales) y la dinámica de fluidos computacional (estudio del uso del análisis numérico y las estructuras de datos para resolver y analizar problemas relacionados con los flujos de los fluidos).

Tribología espacial

La tribología espacial analiza los sistemas tribológicos con la capacidad de operar en las severas condiciones ambientales del espacio exterior, particularmente debido a las variaciones de temperaturas extremas.

Tribología de sistemas abiertos

La tribología de sistemas abiertos estudia los sistemas tribológicos expuestos y afectados por el entorno natural.

Importancia de la tribología

Al principio, la investigación sobre tribología se centraba en el diseño y la lubricación efectiva de los componentes de la maquinaria, como los cojinetes. Con el tiempo, ha habido un cambio en el enfoque de la tribología para incluir varios aspectos de la tecnología moderna.

Las aplicaciones tradicionales, que caen dentro de la tribología clásica, destacan la importancia de la tribología en lo que respecta a las superficies deslizantes en la mayoría de los componentes mecánicos, que son críticos para la eficiencia energética y la máxima vida útil de esos componentes. Dentro de la industria del transporte, la investigación de la tribología tradicional se centró en la confiabilidad, pero en tiempos más modernos el enfoque se ha desplazado hacia el consumo de energía y el aumento de la eficiencia, lo que resulta en lubricantes más complejos. Por ejemplo, la tribología se puede utilizar para reducir las emisiones de dióxido de carbono al aumentar la eficiencia energética.

Además de la industria del transporte, la tribología ha desempeñado un papel vital en el sector manufacturero, particularmente en las operaciones de maquinado de metales. Comprender la tribología en la fabricación es de gran importancia, ya que se puede utilizar para aumentar la productividad y reducir los costos. Otros dos sectores donde la tribología tiene una importancia significativa es en la generación de energía y en el ámbito residencial.

La importancia de la tribología ha aumentado con el tiempo. De hecho, los representantes del Congreso Tim Ryan (Ohio), Dan Lipinski (Illinois) y Mike Doyle (Pennsylvania) presentaron el 2 de mayo de 2017 la resolución H. Res.306, para magnificar la importancia de la tribología. Aún a la espera de más acciones, H. Res.306 “reconoce el impacto de la tribología en la economía de los Estados Unidos y la competitividad al proporcionar soluciones a problemas técnicos críticos en diversas industrias”.

Esta legislación también “alienta a las agencias federales a desarrollar e implementar programas relacionados con la tribología”… “alienta a la formación de asociaciones público-privadas para avanzar en la investigación fundamental y acelerar el desarrollo de productos relacionados con la tribología”… y “alienta a la Academia Nacional de Ingeniería a realizar un diagnóstico del estado de la investigación en tribología en la academia y en los laboratorios gubernamentales y recomendar un curso de acción para acelerar las innovaciones en tribología” (“H.Res.306”).

Lubricación y tribología

La lubricación y la tribología van de la mano. El uso de lubricantes se remonta a imágenes de antiguas civilizaciones en China y Egipto que muestran la aplicación de lubricantes para reducir la fricción al arrastrar las piedras pesadas que se usaban en la construcción.

Los lubricantes se utilizan para separar dos superficies deslizantes, minimizando el contacto directo entre las superficies y reduciendo el desgaste de las herramientas y los requerimientos de energía. Los lubricantes también conducen el calor y los contaminantes lejos del punto de contacto. La mayoría de los lubricantes son líquidos, compuestos de aceite y aditivos; sin embargo, algunos lubricantes son gaseosos y sólidos.

Antes de seleccionar el lubricante adecuado, es necesario identificar el sistema tribológico. Estos marcadores o parámetros de identificación incluyen el tipo de movimiento, velocidad, temperaturas, carga y el contexto operacional.

El tipo de movimiento es el primer parámetro del sistema tribológico. El movimiento puede ser deslizante, lo que requiere el análisis de la teoría de la lubricación hidrodinámica (HL), o rodante, que requeriría el análisis de la teoría de la lubricación elastohidrodinámica (EHL).

La diferencia entre estas dos es simple. La teoría de la lubricación HL se centra en reducir la fricción o el desgaste de los sólidos en contacto al introducir un lubricante adecuado entre las superficies de los componentes, creando una delgada película fluida.

Como se mencionó anteriormente, la lubricación EHL es un tipo de lubricación HL donde se produce una deformación elástica significativa de la superficie, que altera drásticamente la forma, grosor y separación de la película lubricante. (Tribonet.org).

En algunos casos, el movimiento es una combinación de deslizamiento y rodadura, que se produce en ciertos rodamientos de elementos rodantes, como los rodamientos de rodillos cónicos. En este caso, la química del lubricante debería ajustarse para un rendimiento óptimo.

El segundo parámetro del sistema tribológico es la velocidad, que se puede dividir en tres categorías: rápida, moderada y lenta. En la determinación de los rangos para las categorías de velocidad, es esencial conocer la curva de Stribeck y cómo calcularla. Como se indicó anteriormente, la curva Stribeck es una gráfica que muestra cómo la fricción en los contactos lubricados por un fluido es una función no lineal de la viscosidad del lubricante, la velocidad y la carga en la zona de contacto. Conociendo la velocidad se puede seleccionar el lubricante adecuado para minimizar la fricción.

La temperatura es el tercer parámetro tribológico y es vital, ya que todos los lubricantes tienen rangos de temperatura específicos para un desempeño y efectividad óptimos. Debido a su composición química, algunos lubricantes operan dentro de un amplio rango de temperatura, mientras que otros funcionan de manera óptima a temperaturas más bajas. Al identificar la temperatura del sistema tribológico, un ingeniero de tribología puede seleccionar con precisión un lubricante que permitirá a la maquinaria alcanzar una vida útil y un desempeño óptimo.

El cuarto parámetro en la lista es la carga, que es un componente importante que afecta la selección del lubricante. Si la carga es ligera, se necesitaría un lubricante diseñado para minimizar la fricción del fluido –mientras se sigue proporcionando protección contra la fricción metal con metal– ya que la aplicación se considera sensible al par friccional.

De manera adversa, si hay una aplicación con alta carga, se tendría que seleccionar un lubricante que contenga aditivos específicos para proteger contra el desgaste extremo, adhesión y fatiga de superficie (pitting).

El quinto y último parámetro es el contexto operacional. Si el tribosistema funciona en un ambiente sujeto a humedad o agua, el lubricante requerido debe ser resistente al lavado o la contaminación con agua, así como proporcionar buenas propiedades anticorrosivas. Cuando la aplicación se da en un entorno que contiene líquidos y vapores químicos, el lubricante requerido debe ser resistente a estos químicos y vapores.

Si el entorno de la aplicación es en un vacío o vacío parcial, la presión atmosférica de la aplicación debe estar dentro de los límites operativos del lubricante y por encima de su presión de vapor a la temperatura de operación (Lauer, “Tribology: the Key to Proper Lubricant Selection”).

Después de identificar el sistema y sus parámetros, el ingeniero en tribología (o ingeniero de lubricación) emplea diferentes químicas de lubricantes para determinar el lubricante óptimo para la aplicación. Además de elegir lubricantes con base ​​en la química, el ingeniero en tribología también necesita analizar la aplicación basándose en el sistema tribológico, incluyendo un análisis de los factores de velocidad, lubricación EHL, cálculos de vida útil de los rodamientos, requisitos de aditivos extrema presión, lubricación de emergencia y otros requisitos para aplicaciones especiales.

Métodos de pruebas tribológicas

En el pasado (e incluso hoy), probar las propiedades tribológicas de los materiales implicaba la creación de sistemas completos para efectuar pruebas especializadas, como pruebas de campo, pruebas de banco, pruebas de componentes y pruebas de  modelo.

Las pruebas de modelo, por ejemplo, permiten realizar mediciones del espesor de película, fricción y desgaste. Otras pruebas incluyen métodos eléctricos y de interferometría, la prueba del perno sobre disco, la prueba de embrague, una prueba reciprocante y una triboprueba rotatoria.

Las pruebas de tribología siempre deben diseñarse y llevarse a cabo para satisfacer una necesidad definida, y son esenciales, ya que dan como resultado información vital con respecto a cualquier mecanismo de falla de los componentes mecánicos.

¿Qué es un tribólogo?

Un tribólogo es un estudiante o experto en el campo de la tribología. Leonardo da Vinci es considerado uno de los tribólogos más antiguos y famosos por sus estudios sobre las leyes de la fricción. Peter H. Jost, ingeniero mecánico británico y autor del innovador Reporte Jost , acuñó el término “Tribología” en 1966 y es considerado el padre de la disciplina.

Quienes participan en el desarrollo, mantenimiento y mejora continua de los programas de lubricación son tribólogos por extensión.

Referencias

Cash, Wes. “What is Lubrication?” Revista Machinery Lubrication.
https://www.machinerylubrication.com/Read/28766/what-is-lubrication

Fitch, Jim. “Interview with Luminary Professor H. Peter Jost – The Man who Gave Birth to the Word ‘Tribology’.” Revista Machinery Lubrication.
https://www.machinerylubrication.com/Read/834/tribology-jost

Hutchings, Ian. “Fifty Years of Tribology.” University of Cambridge.
http://www.eng.cam.ac.uk/news/fifty-years-Tribology

Lauer, Dennis. “Tribology: The Key to Proper Lubricant Selection.” Revista Machinery Lubrication.
https://www.machinerylubrication.com/Read/1318/tribology-lubricant-selection

Rabinowicz, E. (1995). Friction and Wear of Materials. New York, John Wiley and Sons.

Ryan, Tim. “H.Res.306 – 115th Congress (2017-2018)”
https://www.congress.gov/bill/115th-congress/house-resolution/306

“Tribofilm” Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Tribofilm

“Tribología” Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Tribología

“Tribology” Tribonet. http://www.tribonet.org/wiki/Tribology/

“Tribosystem” Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Tribosystem

 

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