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Materiales nanoestructurados: comportamiento tribológico

24 febrero 2010

Autor: Antonio José Contreras Sánchez

Se denomina tribología a la ciencia que se ocupa de la fricción, el desgaste y la lubricación de las superficies en contacto.

De acuerdo con estudios recientes, las pérdidas que sufre un país industrializado debidas al desgaste y a la corrosión de los materiales alcanzan el 4,5% del PNB. Los fabricantes de automóviles, la industria aeroespacial, los constructores de maquinaria o los productores de biomateriales se esfuerzan día a día por mejorar el comportamiento tribológico de sus materiales.

El desarrollo de la nanotecnia en los últimos años ha facilitado la obtención de nuevos materiales con propiedades exóticas y aplicaciones en múltiples áreas. A medida que el tamaño del grano decrece, las interfases adquieren más importancia, ya que aumenta el número de átomos que residen en esas fronteras de grano, lo que influye en las propiedades del material.

En el área de de los recubrimientos es donde la nanotecnia ha hecho los progresos más significativos y donde se han conseguido las aplicaciones comerciales de mayor éxito. La utilización de estos materiales avanzados, con prestaciones tribológicas superiores, puede eliminar el uso de lubricantes, ofreciendo un ahorro económico considerable en la mayoría de los sectores industriales y una disminución del impacto ambiental.

A continuación pasaremos a exponer de manera resumida algunas de las últimas soluciones alcanzadas en las investigaciones de comportamiento tribológico a escala nanométrica.

Cermets Inserts

En primer lugar encontramos los recubrimientos a los materiales compuestos consistentes en una matriz metálica reforzada con inclusiones cerámicas de alta dureza (conocidos coloquialmente como CERMETS), tales como partículas de carburo de silicio (SiC) o fases de cobalto-carburo de wolframio (WC/Co o WC/Co/Cr). Al igual que la WIDIA, que es de sobra conocida en ingeniería, estos recubrimientos permiten aumentar la carga permisible y la temperatura de operación en las juntas de fricción. Ofrecen una mejor resistencia al desgaste. Pueden mejorar también su respuesta a la fricción si se agrega hasta un 30% en volumen de una fase lubricante sólida; por ejemplo, grafito, MoS2, PbS o CuSn. Los recubrimientos de este tipo permiten alcanzar unas temperaturas de operación de hasta 900ºC, soportan presiones de hasta 1200 MPa y poseen coeficiente de fricción de sólo 0.01 (80 veces inferior al acero).

Además también se ha desarrollado un método de deposición de finos recubrimientos de lubricantes por medio de polvos nanoestructurados de la misma composición que el recubrimiento que finalmente se quiere obtener. Esto se consigue mediante técnica láser: el polvo absorbe energía de un rayo láser, empieza a fundirse y se deposita sobre el sustrato elegido. Parte de la energía del láser se absorbe también en la superficie del sustrato, con lo que una lámina delgada de la superficie de éste se funde. Queda así asegurada la existencia de una unión metalúrgica real entre el recubrimiento y el material base. Sin embargo, la mezcla de los dos materiales (recubrimiento y sustrato) debe ser la menor posible para aprovechar las propiedades del material que forma el recubrimiento.

Otro sistema de recubrimiento nace del uso de un nuevo sistema de preparación de recubrimientos basado en un depositado físico en estado de vapor (PVD) y de un solo paso. Este sistema, que puede trabajar a bajas temperaturas, permite recubrir las herramientas con capas delgadas cuya superficie posee una nanoestructura predefinida. Para ello, la superficie del sustrato se bombardea con un plasma de iones, procedentes por lo general de una descarga eléctrica entre dos electrodos. De ese modo, el proceso genera microporos en la superficie del recubrimiento que atrapan cantidades microscópicas de lubricante (microlubricación). Durante el ciclo de tratamiento del metal estos microporos expelen el fluido hacia las áreas críticas de contacto de la pieza o de la herramienta. Un ejemplo de recubrimiento poroso es del de CrN.

Otra solución es el empleo de recubrimientos nanoestructurados con diferentes morfologías, obtenidos por medio de pulverización catódica (sputtering). En esta técnica, se bombardea un blanco del material con el que se quiere formar el recubrimiento con iones de gas muy energéticos, que pulverizan el blanco. Los átomos arrancados del blanco se guían hasta la superficie con un campo eléctrico. Gracias a este nuevo sistema de depósito, se crean recubrimientos constituidos por una matriz cerámica dura, en la que se han incrustado nanocúmulos de fases lubricantes sólidos de carbono o de MoS2. De esta forma, se han conseguido recubrimiento de tipo multicapa de TiC nanocristalino con inclusiones de C, en el que se alternan capas con dos concentraciones de carbono diferentes. Estos recubrimientos poseen coeficientes de fricción bajos, igual que la capa que presente la menor fricción, pero con una mejor resistencia del desgaste y mayor adhesión al sustrato. Son por tanto, muy prometedoras en cuanto a su comportamiento ante la fricción y el desgaste.

Los materiales cuasicristalinos, descubiertos en los años ochenta, suelen estar formados por aleaciones intermetálicas binarias o terciarias que contienen aluminio. Presentan una ordenación cuasiperiódica de sus elementos constituyentes; poseen muchas de las características de los materiales cristalinos, que se distinguen por una ordenación periódica y cuentan, además, con propiedades físicas únicas. Cabe destacar su baja conducción eléctrica y térmica, a pesar de que están formados por aleaciones de dos o tres metales. Estos materiales muestran buenas propiedades tribológicas; por ejemplo, un bajo coeficiente de fricción. Gracias a tales prestaciones, algunos recubrimientos de materiales cuasicristalinos protegen del desgaste y la fricción y actúan además como barreras térmicas, con aplicaciones potenciales en sistemas aeroespaciales y en la fabricación de herramientas de wolframio.

Las aleaciones γ-TiAl son utilizadas por las industria aeroespacial y del automóvil por su baja densidad, alta relación resistencia-peso y elevada rigidez, que permiten un ahorro de peso de hasta el 50%. Sin embargo, estas aleaciones no resisten temperaturas superiores a 800ºC, mientras que las aplicaciones futuras que planean estas industrias exigirán trabajar a temperaturas entre 900 y 1000ºC. Para implementar las propiedades de estas aleaciones se utiliza un nuevo proceso llamado PVD-HIPIMS (“depositado físico en estado de vapor-recubrimiento por átomos expulsados por iones en un magnetrón de impulsos de gran potencia”) para la producción de recubrimientos avanzados. Los nuevos revestimientos se basan en matrices de metal-oxi-nitratos. Además de actuar como barreras térmicas, ofrecen una alta protección tribológica frente al desgaste y la erosión. Con ello se conseguiría extender el uso de aleaciones γ-TiAl a la industria aeroespacial y del automóvil, y al mismo tiempo conseguir un ahorro en el consumo de combustible y, por tanto, una reducción de las emisiones de CO2 al medio, como consecuencia de la disminución en el peso de los componentes.

Los avances más recientes se centran en una nueva generación de materiales compuestos, en particular para recubrimientos, basados en nanopartículas inorgánicas de tipo fullereno (forma alotrópica del carbono que no existe en la naturaleza y cuya molécula C60, tiene la estructura de un balón de fútbol). Las nanopartículas se incorporarían a recubrimientos, superficies de los materiales y lubricantes líquidos, para reducir significativamente la fricción y el desgaste en los contactos tribológicos.

Carbono C60 – Fullereno

Como se puede ver las nuevas tendencias para la mejora tribológica de materiales son muy diversas. Al igual que otros muchos ámbitos científicos, los esfuerzos se centran en una nanoestructuración de la materia en busca de una ordenación más íntima de los granos que componen el material. Como  consecuencia, se produce  una mejora de la resistencia a la fricción y el desgaste de los materiales.

8 comentarios leave one →
  1. 24 febrero 2010 17:29

    Enhorabuena por el artículo Antonio.

    Muchas gracias por tu colaboración y seguiremos en contacto.

    Un saludo.
    Salvador

    http://www.ingenieriademateriales.wordpress.com

  2. Jose Manuel Bayo permalink*
    26 febrero 2010 20:20

    Excelente artículo y muy interesante. Gracias por la colaboración en nuestro blog y espero que prosiga. Gracias

  3. 28 febrero 2010 18:31

    El dato sobre de el 4.5% del PNB es muy impactante (Casi poético: “todo se gasta, todo se disuelve”).
    ¿El Fullereno en estas aplicaciones actuaría a modo de nano-rodamiento, o se trata de otro principio?. (Me gusta su otro nombre: “buckyballs”) Hablando de ellas: os gustará este vídeo: http://www.youtube.com/watch?v=-JpM4A4657k.

    Saludos.

  4. 22 julio 2011 16:58

    Antonio! excelente artículo! puedes decirnos de que fuente o estudio especifico fue extraído el dato del gasto nacional en desgaste?

    Muchas gracias!!!!!!

  5. 15 mayo 2013 3:07

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