Cuando y cómo usar modificadores de fricción

Loren Green. Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América El propósito de un lubricante es reducir la cantidad de fricción entre dos superficies. En algunos casos, el aceite base en el aceite o la grasa puede no tener suficiente lubricidad para realizar esta función lo suficientemente bien. La metalurgia de los componentes también puede requerir una química especial. Por ejemplo, con engranajes helicoidales, los aditivos tradicionales de extrema presión o antidesgaste a menudo son demasiado agresivos químicamente para los metales amarillos más suaves. En esta situación, se agregan modificadores de fricción para aumentar la lubricidad del aceite. Por el contrario, en una transmisión automática, se usa un fluido para proporcionar lubricación, transferencia de 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 «vibrarían», causando daños y una condición irritante para el conductor. Se utilizan varios compuestos para modificar el coeficiente de fricción de un lubricante. Estos se conocen colectivamente como modificadores de fricción. Están diseñados para cambiar la cantidad de energía necesaria para que dos superficies se deslicen una sobre la otra. Los diferentes tipos de modificadores de fricción se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Diferentes tipos de modificadores de fricción

El propósito de un modificador de fricción varía según la aplicación. En un motor de combustión interna, el objetivo es reducir la cantidad de fricción, lo que aumenta la economía de combustible. En embragues, transmisiones automáticas y aplicaciones industriales, el objetivo no es simplemente controlar la fricción para maximizar la eficiencia sino 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 específicas de corte. Esto esencialmente suaviza 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.

El progreso de los modificadores de fricción

Los modificadores de fricción en los aceites de motor se remontan a 1915. Se usaron primero en diferenciales, aplicaciones de embrague húmedo y transmisiones. Su uso aumentó considerablemente a fines de la década de 1970. 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. Esto condujo a la introducción de modificadores de fricción en los aceites de motor de automóviles de pasajeros. La gran mayoría de los modificadores de fricción en uso hoy en día están diseñados para reducir la fricción o aumentar la lubricación para una mejor economía de combustible. Recientemente, el gobierno de USA aumentó los estándares de economía de combustible con el objetivo de elevar la economía corporativa promedio de combustible (CAFE) a 54.5 millas por galón. Este número, que es el doble del estándar actual, es solo para motores de gasolina, pero también existe un impulso similar para los motores diésel. Una forma de lograr este objetivo sería reducir la viscosidad de los aceites de motor en uso. El desafío es reducir la viscosidad mientras se mantiene una película lubricante suficiente para reducir el desgaste y la fricción. Se han hecho grandes avances en ingeniería para reducir la fricción generada en un motor. Esto ha aumentado la economía de combustible. También ha habido muchos avances en la tecnología de lubricantes, incluso en el desarrollo de modificadores de fricción. Los modificadores de fricción son más eficientes en condiciones de lubricación límite o donde se produce contacto 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 metálicas. Las cadenas solubles se alinean una al lado de la otra como las fibras en una alfombra. Las cabezas polares pueden estar compuestas de ácidos fosfóricos o fosfónicos, aminas, amidas o ácidos carboxílicos. Las cadenas solubles forman monocapas densas o capas viscosas gruesas y reaccionadas. Estas capas se cortan fácilmente y crean una superficie relativamente resbaladiza.

Modificadores de fricción orgánicos

Los tipos mecánicos de modificadores de fricción forman capas de plaquetas que se alinean entre sí, proporcionando una reducción de la fricción. El más común de estos es el ditiocarbamato de molibdeno (MoDTC).  

Figura 1. Cómo funcionan los modificadores de fricción

Estos aditivos reducen la fricción al formar láminas individuales de tamaño nano dispersas en una matriz de carbono o pirita. Estas hojas de tamaño nanométrico están orientadas en capas y se deslizan una sobre la otra, reduciendo la fricción generada. Se ha demostrado que los compuestos orgánicos de molibdeno funcionan bien junto con el dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP). Utilizado en aceites de motor durante casi 80 años, el ZDDP ha sido uno de los aditivos desarrollados para aceites más exitosos. Tiene muchas funciones, sirve como aditivo antioxidante, inhibidor de corrosión y antidesgaste. Estos aditivos también tienen una cabeza polar y una estructura de cola soluble en el aceite. Forman películas límites de sacrificio relativamente gruesas que son mucho más suaves que las superficies de acero o hierro. Cabe señalar que no solo las cabezas polares de los modificadores de fricción deben poder unirse a los metales ferrosos, sino que también deben poder unirse a las capas de zinc que estarán presentes debido al ZDDP. Estas películas gruesas formadas por ZDDP dependen de la temperatura y consisten principalmente en vidrio de zinc, ortofosfato y polifosfato, con una proporción cada vez mayor de cadenas de polifosfato más cercanas a la superficie. Conforme los estándares de ahorro de combustible se vuelvan más estrictos, se requerirá más de los aceites de motor. Si bien la tecnología para los modificadores de fricción continúa evolucionando, la forma más efectiva de mejorar la economía de combustible o el consumo de energía es reducir la viscosidad del lubricante. Sin embargo, lo más lejos que puede llegar es hasta perder la película hidrodinámica y operar con lubricación de película mixta o lubricación límite. Es en estos dos regímenes de lubricación donde el uso de modificadores de fricción se vuelve crítico para reducir la fricción.