Introducción a la Tribología y la Lubricación

Denominamos Tribología a la ciencia que estudia los mecanismos de fricción, lubricación y desgaste entre dos superficies en movimiento relativo.

 Un Sistema Tribológico transforma unas variables de entrada, que son tipo de movimiento, carga, velocidad y temperatura, mediante unas variables de alteración como son material y geometría de las superficies y el medio de interacción entre ellas en variables de salida que son fuerza, par, velocidad y energía y unas pérdidas que son fricción y desgaste.

Podemos definir Fricción como la resistencia al movimiento de un cuerpo deslizando sobre otro, la fricción cumple con las siguientes leyes, enunciadas por Guillaume Amontons:

1ª Ley: La fuerza de fricción es proporcional a la carga aplicada.

2ª Ley: La fuerza de fricción es independiente al área aparente de contacto.

3ª Ley (o Ley de Coulomb): La fuerza de fricción es independiente a la velocidad de deslizamiento. 

De modo general, la fuerza de fricción F se define como el producto de la carga normal al plano N y el coeficiente de fricción m. El coeficiente de fricción estática puede ser superior al de la fricción cinemática.

Los mecanismos que están involucrados en la generación de fricción son los siguientes:

1.   Adhesión.

2.   Interacciones mecánicas entre las superficies.

3.   Formación de surcos en una superficie por asperezas de la otra.

4.   Deformación y/o fractura de capas superficiales.

5. Interferencias y deformaciones plásticas causadas por un tercer elemento, principalmente aglomeración de partículas de desgaste entre las superficies en movimiento.

Respecto al Desgaste, lo podemos definir como la sucesión de sucesos a través de los cuales los átomos, productos resultantes de la conversión química, fragmentos, etc. son inducidos a abandonar el sistema. 

  El desgaste se puede clasificar en estos tipos:

· Desgaste Abrasivo: por presencia de partículas duras sobre un objeto más blando.

· Desgaste Adhesivo: por formación de microsoldaduras inmediatamente seguidas de sus roturas, y transferencias de material de una superficie a otra, durante el movimiento de las superficies.

· Desgaste por Reacciones Químicas: Principalmente corrosión, herrumbre y oxidación, producidas por la reacción entre el material y un agente corrosivo, que puede ser un agente químico, un lubricante, agua o incluso el aire.

· Desgaste por Fatiga: Por deformaciones sostenidas en las capas superficiales de superficies opuestas, acompañadas por grandes tensiones locales muy repetitivas.

· Desgaste Erosivo: Producido por el impacto de pequeñas partículas sólidas o líquidas sobre un objeto.

· Desgaste Electro-Corrosivo: Producido por el paso de corriente eléctrica entre dos superficies a través del lubricante. También puede deberse a la formación de arco eléctrico, por elevación de voltaje, en la superficie metálica. 

· Desgaste por Fretting: Producidos por deslizamientos sucesivos, de baja amplitud, entre superficies de contacto durante un gran número de ciclos. También se denomina pulido si está acompañado de micropartículas. 

· Desgaste por Cavitación: Por la formación y colapso cíclico de burbujas sobre una superficie sólida en contacto con un fluido.

Cualquier procedimiento que reduzca esta fricción y el desgaste se denomina Lubricación y cualquier material utilizado para este propósito se denomina Lubricante.

La característica principal de un lubricante es la Viscosidad, que podemos definir como la resistencia a fluir, y es la relación entre la tensión de cortadura sobre un fluido y la tasa de variación de la velocidad del fluido con respecto a la altura del fluido. Esta relación se denomina viscosidad absoluta, o viscosidad dinámica (h); al dividir esta viscosidad entre la densidad del fluido se obtiene la viscosidad cinemática (u).

Las formas en que un lubricante líquido puede reducir la fricción se denominan Regímenes de Lubricación y vienen definidos por la Curva de Stribeck, descrita por Richard Stribeck, que relaciona el Coeficiente de Fricción con el resultado de un parámetro resultante de multiplicar la viscosidad dinámica por la velocidad relativa del fluido dividido entre la carga normal sobre el objeto.

 (Curva de Stribeck, tomado de Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Lubricación Límite. El parámetro es muy bajo, lo que da como resultado una película lubricante muy fina, inferior a la rugosidad media de las superficies en contacto, por lo tanto no evita el contacto entre metales. En esta zona la fricción alcanza valores máximos. 

b. Lubricación Mixta. El parámetro es superior, dando como resultado una película lubricante fina, aproximadamente del mismo grosor que la rugosidad media, por lo que no garantiza que en algunos casos no haya contacto entre metales. En esta zona la fricción disminuye hasta aproximarse a su valor mínimo.

  

c. Lubricación Elastohidrodinámica (EHL). Se produce cuando el valor del parámetro es ligeramente superior dando como resultado una película lubricante tiene un grosor ligeramente superior a la rugosidad media. En estas condiciones se producen presiones Hertzianas que deforman de forma elástica las superficies metálicas, produciendo presiones puntuales extremadamente elevadas en el lubricante que producen un comportamiento no-newtoniano. La fricción alcanza un mínimo en este régimen de lubricación, que queda definido con la Ecuación de Cheng.

d. Lubricación Hidrodinámica. Se produce cuando el parámetro es superior dando como resultado un grosor de película lubricante muy superior a la rugosidad media, de manera que se impide el contacto entre las superficies metálicas. En esta zona el coeficiente de fricción aumenta de forma progresiva, su comportamiento que da definido por la Ecuación de Reynolds.

Además de estos regímenes se puede añadir la Lubricación Hidrostática en el que las superficies están completamente separadas por una película de un lubricante líquido o gaseoso mantenido entre las superficies por una presión externa.