Propiedades mecánicas y tribológicas de películas lubricantes de … · 2013-09-10 · no se observan otras direcciones cristalográficas, lo que indica baja cristalinidad y presencia

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Resumen Se depositaron recubrimientos de WS2 por medio de magnetrón sputtering,

sobre sustratos de acero inoxidable 304, con el fin de determinar las capacida-des del material como lubricante sólido en ambientes con humedades relativas superiores a 40%. Se determinó que los recubrimientos obtenidos poseen estruc-tura hexagonal con textura combinada en planos (100) y (101), los cuales son paralelos al eje c y están relacionados con rompimiento columnar y posterior formación de una película de transferencia. Se determinó alta ductilidad a par-tir de la obtención de la dureza, módulo de elasticidad, índice de plasticidad y carga crítica. Con la técnica de bola en disco se determinó que al aumentar la carga de 1 a 10 N mejora el comportamiento de la fricción cuando se utiliza un par de alúmina, se encontraron coeficientes de fricción del orden de 0.09, y se observó que la tribo-oxidación posee gran influencia al propiciar la transición de mecanismos de adhesivo a abrasivo.

Palabras clave: Magnetrón sputtering, lubricantes sólidos, índice de plastici-dad, coeficiente de fricción, desgaste.

AbstractwS2 thin films were deposited by using magnetron sputtering on 304 stainless

steel substrates to observe material capabilities as a solid lubricant exposed to environments with relative humidity above 40%. Coatings obtained presented hexagonal crystalline structure with combined texture in the (100) and (101) planes, parallel to the c axis and linked to columnar detachment and the for-mation of a transference film. High ductility was observed from the hardness, elastic moduli, plasticity index, and critical load. Friction coefficients measured by ball-on-disc test with alumina balls showed data around 0.09. Increasing the load from 1 to 10 N improved coating friction behavior. Results show that tribo-oxidation phenomena promotes a transition of the wear mechanisms from adhesive to abrasive.

Key words: Magnetron sputtering, solid lubricants, plasticity index, friction coefficient, wear

Propiedades mecánicas y tribológicas de películas lubricantes de ws2 depositadas por medio de magnetrón sputtering dc no reactivoMechanical and tribological properties of lubricant ws2 thin films deposited via non-reactive magnetron sputtering

1 Ms.C. Candidato a Doctor en Ingeniería, énfasis en Materiales, Universidad del Valle. Investigador Laboratorio de Recubri-mientos Duros y Aplicaciones Industriales RDAI. e-mail: [email protected]. Teléfono: (2) 3212122

2. Ingeniero de Materiales, Universidad del Valle. Laboratorio de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales RDAI. e-mail: [email protected]. Teléfono: (2) 3212122

3. Ingeniera de Materiales, Universidad del Valle. Laboratorio de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales RDAI. e-mail: [email protected]. Teléfono: (2) 3212122

4., Ms.C. Candidato a Doctor en Ingeniería, énfasis en Materiales, Universidad del Va-lle, Laboratorio de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales RDAI-Docente: Departamento de Matemáticas, Universi-dad Tecnológica de Pereira. e-Mail: [email protected]. Teléfono: (2) 3212122

5. Ph.D. Profesor titular, Director Laboratorio de Recubrimientos Duros y Aplicaciones Industriales RDAI, Universidad del Va-lle.e-mail: [email protected]. Teléfono: (2) 3212122

Juan Manuel González CarMona1 edison Berrío2 Carolina orteGa3 alexander ruden4 FederiCo sequeda osorio5

Recibido : 09-11-2012 Aceptado: 04-12-12

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IntroducciónLa lubricación sólida es un área de investigación en la cual

el lubricante se adhiere a la superficie y provee baja resistencia a las tensiones de corte. En la última década de investigación se concluyó que la eficacia de los lubricantes sólidos depende en gran medida del tamaño de las partículas de desgaste producidas y por tanto, existe gran interés de producir lu-bricantes sólidos a escala nanométrica, por medio de técnicas como magnetrón Sputtering (Scharf et al., 2009). El bisulfuro de tungsteno (WS2) posee, al igual que otros lubricantes de este tipo, un ultrabajo coeficiente de fricción y un muy buen comportamiento al desgaste en atmósferas controladas y ultraalto vacío, mayor estabilidad térmica y aumento en la temperatura de operación de hasta 100°C con respecto al MoS2

(Sliney, 1982). El WS2 es un material con estructura laminar en el cual, los átomos que forman cada capa poseen enlaces covalentes, pero las capas adyacentes están unidas mediante fuerzas de Van der Waals, lo que resulta en debilidad mecánica interlaminar. Se encuentra dentro de una gama de materiales denominados súperlubricantes, junto a materiales como el bisulfuro de molibdeno (MoS2), grafito y diamondlikecar-bon (DLC), los cuales cumplen con las propiedades de baja fricción (Muratore y Voevodin,2009 ). El fenómeno de súper lubricación es de gran aplicación en diferentes tipos de indus-trias tales como la aeroespacial, celdas fotovoltaicas y como catalizador en celdas de combustible. También es utilizado en combinación con materiales que requieran de lubricación en condiciones de trabajo extremas como en pistones, turbinas, motores, vehículos, equipo médico y dental, vehículos espa-ciales, satélites y espectroscopios (Donnet y Erdemir, 2004). El estudio de las propiedades del material permite entender los mecanismos que influencian el comportamiento tribológico de películas y así poder controlarlos en diferentes ambientes y condiciones de trabajo.

Se evalúa aquí la composición química, estructura cristalina,características superficiales y tribológicas de re-cubrimientos de WS2, depositados sobre acero inoxidable AISI 304 por medio de Magnetrón Sputtering DC no reactivo, con el fin de determinar las capacidades del material como lubricante sólido en ambientes húmedos.

Procedimiento experimentalSe depositaron recubrimientos de WS2mediante el uso

de la técnica de Magnetrón Sputtering DC, en un equipo AJA-ATC 1500 (González et al., 2008; Cano et al., 2009), sobre sustratos de acero inoxidable 304 previamente pu-lidos hasta obtener un acabado superficial especular, con rugosidades de 54±22.86 nm y 33±4.04 nm para el sustrato y las películas respectivamente. Las condiciones de depo-sición se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de deposición para los recubrimientos de WS2.

Presión (mTorr)

Densidad de poten-

cia (W/cm2)

Voltaje bias (V)

Flujo de gas (sccm)

Tasa de depo-sición (nm/min)

Espesor promedio

(nm)

3 2 -100 10 9 700±10

Los recubrimientos fueron analizados por medio de EspectroscopíaInfrarroja por Transformada de Fourier (Fourier TransformedInfraredSpectroscopy-FTIR), en un equipo Jasco Spectra Manager FT/IR – 4100, con celda de KBr, con el fin de observar su composición química y compararlo con el espectro teórico obtenido por medio de la teoría de funcionales de densidad (DensityFunc-tionalTheory-DFT), (Ruden, González y Devia, 2010 . La estructura cristalina fue analizada utilizando Difracción de Rayos X (X-RayDiffraction-XRD), en un equipo Bruker D8 ADVANCE, con geometría q-2q y fuente de cobre (l=0.5406 Å). Las propiedades superficiales, la evolución del área de desgaste y parámetros de desgaste fueron estudiados por medio de perfilometría, en un equipo AMBIOS XP-2. Las propiedades mecánicas (dureza, módulo de elasticidad y resistencia a la deformación plástica) fueron obtenidas por nano-indentación en un equipo Nanovea-Microphotonics con indentador piramidal tipo Berkovich utilizando el modelo de Oliver y Pharr, 2004 [8] y equipado con un este-roscopioOLIMPUS con un lente de 10 aumentos y cámara digital CCD OLIMPUS para la adquisición de datos. La adhesión de los recubrimientos fue obtenida por medio de rayado dinámico con un indentador Rockwell C, a lo largo de una distancia de 1.5 mm, carga final de 35 N y velocidad de aplicación de carga 0.3 N/s. Las propiedades tribológicas de los recubrimientos fueron estudiados a par-tir del estudio evolutivo del coeficiente de fricción (COF), obtenido en un equipo tribotester-CSEM, con contrapar de alúmina, velocidad de 10 cm/s, carga variable de 1, 5 y 10N, 100m de distancia de deslizamiento, temperatura ambiente de 25ºC y humedad relativa de 50%. Dichos análisis se complementan con la obtención del área desgas-tada, el coeficiente de desgaste realizado por perfilometría, (Archard y Hirst, 1958) y por medio de mapeo químico elemental en un microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6490LV, equipado con una sonda de espectroscopia energía dispersada Oxford InstrumentsIncapenta FETx3 (ScanningElectronMicroscopy/EnergyDispersedSpectros-copy-SEM/EDS) en la pista de desgaste.

Resultados y discusiónEn la Figura 1 se observan los espectros FTIR para la pe-

lícula de WS2 depositada, el sustrato utilizado y el espectro

Juan Manuel González, Edison Berrío, Carolina Ortega, Alexander Ruden, Federico Sequeda. Propiedades mecánicas y tribológicas de películas lubricantes de WS2

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teórico obtenido por medio de DFT. En el espectro teórico, se observa la aparición de tres bandas de vibración, típicas de compuestos hexagonales que poseen estructuras alotró-picas ( Duclaux, 2010). La primera banda ubicada entre 377 y 437 cm-1, se asocia a la vibración de los planos basales en dirección radial, generadas por la tensión asimétrica en la estructura y es conocida como banda Radial BreathingMo-des(RBM), (Stanid et al., 1997), dicha banda no se observa de manera clara en el espectro IR experimental, ya que se superpone con los modos de vibración asociados al sus-trato. La banda de vibraciones encontrada a números de onda entre 686 y 810 cm-1, se relaciona con el espaciamiento irregular y anisotropía generada por los defectos existentes en la red cristalina, conocida como la banda Disordered(D)( Xu et al., 2007), la cual posee componentes vibracionales tanto axiales como radiales.La banda vibracional que se encuentra entre 916 y 1031 cm-1 está relacionada con las vibraciones simétricas entre los enlaces S-W-S, la cual es generada por curvaturas en los enlaces atómicos (Duclaux, 2010; Stanid et al., 1997) y tanto de forma teórica como experimental, constituye el componente más intenso del espectro IR. Los resultados experimentales indican que el material posee un alto grado de isotropía y continuidad, aunque se encuentran componentes anisotrópicos debido a la aparición de la banda D en el espectro.

La banda observada –alrededor de 1400 cm-1 en el espec-tro experimental– se debe a deformaciones en los modos de vibración por absorción de moléculas polares, tales como agua (Leftheriotis et al., 2001).

ángulo 2q≈33,14° y (101) en un ángulo 2q≈35,05°. Es posi-ble indexar dichas reflexiones a una estructura hexagonal, con parámetros de red a=3,15Å y c=12,36 Å, según la carta JCPDS Nro 08-0237(Panigrahi and Pathak, 2008). A pesar de la aparición de picos angostos en el patrón de difracción, no se observan otras direcciones cristalográficas, lo que indica baja cristalinidad y presencia de anisotropía en el material (Alonso and Chianelli, 2004), como se determinó por medio de la aparición de la banda D en FTIR. Como han demostrado diferentes autores, la aparición de los planos de borde (100) y (101) paralelos al eje, se asocia con la formación de una película de transferencia durante el movimiento relativo, lo cual mejora su comportamiento tribológico, generada por el rompimiento columnar y posterior reorientación en la dirección del deslizamiento (Scharf, 2009; Donnet y Erdemir, 2004). Por medio de na-noindentación se obtuvo una dureza (H) de 4.69±0.05 GPa y un módulo de elasticidad (E) de 92.33±2.63 GPa, dichos valores están en los rangos reportados en la literatura y se deben a la estructura hexagonal observada por XRD y la debilidad interlaminar intrínseca a dicha estructura cris-talina (Scharf et al., 2010) . La dureza superficial obtenida para el sustrato fue de 5.64±0,28 GPa, con un módulo de elasticidad de 243.48±12,17GPa.

Figura 1. Espectros FTIR teórico, experimental y del sustrato utilizado.

Se utilizó difracción de Rayos X (XRD) para determinar la estructura cristalina del material depositado. La Figura 2 muestra la aparición de picos que corresponden a las direcciones cristalinas asociadas a los planos (100) en un

Figura 2: Patrón de difracción del recubrimiento de WS2 obtenido.

El índice de plasticidad del recubrimiento (H3/E2) es 0.0121GPa,lo que indica que el contacto es predominante-mente plástico y el área de contacto será alta, ya que no se conocen mecanismos de endurecimiento por deformación plástica del material (Sliney, 1982; Donnet y Erdemir, 2004; Oliver y Pharr, 2004. La alta ductilidad mostrada por el material lo hace ideal para aplicaciones en lubricación sólida, combinado con otros mecanismos como la gene-ración de películas de transferencia y rodadura (Cano et al., 2009).El análisis de rayado dinámico muestra falla de

Informador Técnico (Colombia) Edición 76, Enero - Diciembre 2012, p 72 - 77

WS TEÓRICO

SUSTRATI

WS EXPERIMENTAL

2

2

Numero de onda (cm )

Abs

orba

ncia

Rel

ativ

a

-1

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

400 600 800 1000 1200 1400 1600

20 25 30 35 40 45 50 55 60

(101)

Inte

nsid

ad (u

.a.))

2θ (Grados)

(100)

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tipo cohesivo, acompañada de deformación plástica a lo largo de toda la huella, no es posible determinar fallas de tipo adhesivo, lo cual indica plasticidad. La carga crítica (Lc), representa el intercepto con la curva de carga versus distancia cuando se observa una variación de la pendiente en la curva de coeficiente de fricción versus distancia, como se observa en la Figura 3, fue de 26,3N. La muestra exhibe deformación plástica a lo largo de toda la huella, como se observa en la Figura 3b.

mina.Al final de la prueba de desgaste(100m), se obtuvo un COF de 0,8 con carga de 5 N y 0,4.Para la carga de 10N, ensayos posteriores realizados con las mismas condiciones mostraron que dichas películas se desgastan totalmente alrededor de 250m, obteniendo el coeficiente de fricción característico del sistema acero inoxidable 304-alúmina.Las imágenes esteroscópicas tomadas de la bola mostradas en la Figura 4b,presentan la formación de la película de transferencia, con una mayor presencia del material de recubrimiento al aumentar la carga. Dicho comportamiento se relaciona con las capacidades lubricantes del material, ya que facilita la formación del tercer cuerpo, y reduce así el coeficiente de fricción(Renevier et al., 2001[17].

Figura 3: a) Curva coeficiente de fricción-carga versus recorrido. b) huella del rayado.

La Figura 4a muestra los coeficientes de fricción (COF) obtenidos para cargas de 1, 5 y 10 N y el sustrato de acero inoxidable 304 utilizando una carga de 10N, además de imágenes esteroscópicas tomadas de la bola de alúmi-na. Para cargas de 5 y 10 N en las primeras etapas del deslizamiento se observan bajos coeficientes de fricción 0,09±0,02, sostenidos entre 37 y 40 m, posteriormente se ve un aumento gradual del COF hasta un valor cercano al obtenido para el par acero-alúmina.

Dicho comportamiento mejora con el aumento de la carga aplicada, debido al incremento del área de contacto, la disminución de esfuerzos cortantes en la intercara del par y la debilidad laminar de la estructura cristalina hexagonal. A una carga de 1N se obtiene un COF de 0.37±0,26, sostenido entre 30 y 35m, las partículas de desgaste generadas por la desintegración de la película son retiradas casi por com-pleto alrededor de 40 m de recorrido, a mayores distancias de deslizamiento el mecanismo predominante será de tipo abrasivo y alcanza el mismo coeficiente del par acero-alú-

En la Figura 5a se observa la evolución del parámetro de desgaste durante los primeros cincuenta metros en el ensa-yo bola en disco para la prueba realizada con una carga de 10N. No se observan cambios significativos hasta 35m, en donde según la perfilometría (Figura 5b), el recubrimiento pierde integridad y el sustrato queda parcialmente expuesto. Posterior a esto, el desgaste abrasivo predominará debido a partículas de desgaste generadas por el sustrato, ya que dichas partículas poseen un alto grado de endurecimiento por deformación plástica, asociada a cambios en la microes-tructura de la fase austenita ampliamente estudiados en la literatura (De A.K et al., 2005; Bower A.F and Johnson, 1989; Kassner, Miller, y Sherby, 1982), y el recubrimiento y por tanto el parámetro de desgaste aumenta. Por último, el desgaste se incrementa hasta presentar el mismo compor-tamiento del par acero-alúmina.

El aumento acelerado del mecanismo de abrasión en compuestos lubricantes como el WS2, se atribuye a la rá-pida tribo-oxidación (oxidación sostenida por el aumento de temperatura en los puntos de contacto) del compuesto y a su alta plasticidad intrínseca.

Figura 4: a) Coeficientes de fricción para el recubrimiento de WS2. b) Imágenes esteroscópicas de la bola de alúmina para cargas de 1, 5 y 10 N.

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

40

35

30

25

20

15

10

5

00,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Distancia(mm)

Coe�

cien

te d

e Fr

icci

ón(μ

)

Carga(N)

Lc

COF

(μ)

Distancia(m)

0 Bias Pure WS2 Acero 304 1N 5N 10N

a) 1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


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Con el fin de observar dicho fenómeno, se realizaron ma-peos químicos elementales en las superficies desgastadas (Figura 6a-d). Las imágenes muestran un alto contenido de oxígeno en la pista de desgaste, se observa que el WO3 es el óxido predominante en el contacto ejercido por el par WS2-alúmina y que dicho óxido posee, de igual forma que la película de WS2, propiedades de un lubricante sólido (debilidad laminar y alta plasticidad). No obstante, la pos-terior generación de WO2 genera partículas abrasivas que

reducen la resistencia al desgaste (SCHARF, 2009; Scharf, 2006). Se encontró que los compuestos predominantes en la fricción y en el proceso de desgaste de la película, son los óxidos generados por la interacción con el medio cir-cundante, los cuales inciden en el detrimento de la fricción y el desgaste. Por ello el comportamiento tribológico de la película se ve beneficiado al disminuir la generación de óxidos, ya sea por medio del control atmosférico o la aplicación en ultra alto vacío.

Figura 5: a)Parámetro de desgaste para la prueba realizada con una carga de 10N. b) Evolución del área de desgaste obtenida por medio de perfilometría

Figura 6: Mapeo químico elemental EDS a) Imagen de la superficie, b) mapeo para el tungsteno (W), c) mapeo para el azufre (S) y d) mapeo para el oxígeno (O).

Informador Técnico (Colombia) Edición 76, Enero - Diciembre 2012, p 72-77

a)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Distancia (m)

Para

met

ro d

e de

sgas

te (x

10¯9

mm

³/N

m)

400

350

300

250

200

150

100

50

0

40003000200010000-1000-2000-3000-4000-5000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

100000 200000 300000 400000 500000 600000

Ancho de la pista (nm)

Dis

tanc

ia (m

)

Prof

undi

dad

(nm

)b)

Espesor del recubrimiento

77

conclusionesLos recubrimientos de WS2 depositados mostraron es-

tructura cristalina hexagonal, con orientación preferencial combinada en planos de borde perpendiculares a la direc-ción basal, los cuales propiciaron el rompimiento columnar y la formación de una película de transferencia en la bola de alúmina, lo cual mejora el proceso de fricción y aumenta la rodadura. La aparición de la banda D en el espectro FTIR indica un grado de anisotropía en el material, asociado a altos esfuerzos intrínsecos y defectos puntuales, típicos de materiales depositados por técnicas de alta energía como el Magnetrón Sputtering. Se observó un comportamiento dúctil del material, a partir de la obtención de la dureza, módulo de elasticidad, el índice de plasticidad y la carga crítica. Se determinó que al aumentar la carga en el ensayo bola en disco, se mejora el comportamiento de la fricción debido al aumento en el área real, alta plasticidad en el contacto y disminución del esfuerzo cortante en la inter-cara del par, con bajos coeficientes de fricción, del orden de 0.09 sostenidos alrededor de 40m. El aumento gradual de la fricción, hasta alcanzar un valor cercano al del par acero-alúmina, se atribuye a la formación de óxidos en la superficie y partículas de desgaste provenientes del sus-trato parcialmente expuesto, las cuales poseen comporta-miento abrasivo. Por esta razón, se observa un incremento acelerado del parámetro de desgaste alrededor de los 35 m. Para desarrollar aplicaciones industriales de este tipo de materiales, como lubricantes sólidos en ambientes con humedad relativa superior a 40%, es necesario modificar las características químicas del material, protegiéndolo me-diante la inclusión de fases que permitan la estabilización de los óxidos formados durante el deslizamiento.

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ResumenEl arranque en frío de sistemas lubricados genera un gran desgaste debido

a la falla de la película lubricante, lo cual produce contacto entre las superficies y origina partículas abrasivas que hacen del desgaste un proceso acumulativo. Esto causa problemas por paradas inesperadas, cambio en calendarios de man-tenimiento y pérdida de tiempo, dinero y energía. Con el fin de proteger las piezas industriales durante el arranque en frío y cuando se presenta una falla de la película lubricante, considerada esta como una transición de lubricación mixta a lubricación por capa límite, se realizó un estudio del comportamien-to de los lubricantes sólidos aplicados sobre superficies de acero inoxidable AISI 304, recubiertas con bicapas de bisulfuro de tungsteno/titanio (WS2/Ti) en ambientes sin lubricación y en ambientes lubricados con diversos fluidos utilizados en la industria de reductores, rodamientos y elementos hidráulicos. Utilizando diferentes técnicas de análisis, se determinaron la estructura cris-talina, las propiedades superficiales, las mecánicas y las tribológicas en seco y con los lubricantes comerciales SHELL OMALA S4GX-220 y TELLUS S4ME-46, proporcionados por la compañía UMACO & CIA SAS se determinó que las propiedades básicas del recubrimiento influencian su comportamiento tribo-lógico, con una reducción del coeficiente de fricción y el desgaste con respecto a las pruebas en seco y al sustrato utilizado, y que la formación de partículas abrasivas inducen una reducción en la resistencia al rayado en seco y scuffing/scoring en sistemas lubricados.

Palabras clave: Ahorro energético, lubricación sólida, lubricación de capa límite, capas delgadas, tribología.

AbstractCold starting lubricated systems generates severe wear due to fai-

lure of the lubricant film, generating contact between surfaces and the production of abrasive particles that make wear a cumulative process. This creates problems due to unexpected halts, changes in maintenance calendars and loss of time, money and energy. In order to protect in-

Protección al arranque en seco de sistemas lubricados utilizando recubrimientos autolubricantes depositados por pulverización catódica en combinación con lubricantes comercialesProtection against cold starts in lubricated systems using self-lubricating coatings deposited by cathodic pulverization in combination with commercial lubricants

1. Candidato a Doctor en Ingeniería, énfasis en materiales, Universidad del Valle. [email protected].

2. Ingeniera de Materiales, Universidad del Valle. [email protected]

3. Ms.C en Ingeniería de Materiales. Profe-sional 06 laboratorio de recubrimientos duros, Centro ASTIN – SENA Regional Valle. [email protected]

4. Ms.C. Electrical Engineering. Gerente UMACO & CIA SAS. [email protected]

5. Ingeniero Mecánico, Asesor Técnico co-mercial UMACO & CIA SAS, [email protected]

6. Administrador de Empresas, Asesor Técnico Comercial UMACO & CIA SAS, [email protected]

7. Ingeniero Industrial, Asesor TécnicoComer-cial UMACO & CIA SAS, [email protected]

8. PhD. Profesor titular, Director RDAI, Uni-versidad del Valle. [email protected]

Juan Manuel González CarMona1,Carolina orteGa Portilla2, César andrés aMaya Hoyos3,ralF Hross4, FranCisCo Blandón5, JorGe CaBal larrarte6, JorGe enrique Morales7, FederiCo sequeda8

Recibido 03-07-2012. Aprobado 05-10-2012

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dustrial parts during cold starting and when there is a failure of the lubrication film considering it as a transition from joint lubrication to lubrication by layer limit, a study was conducted on the behaviour of solid lubricants applied on surfaces of AISI 304 stain-less steel coated with Tungsten/Titanium disulfide (WS2/Ti) bilayers in environments without lubrication and in environments lubricated with different fluids used in the industry of gearboxes, bearings and hydraulic elements. Using different analysis techniques, the dry Crystal struc-ture, surface, mechanical and tribological properties and with commercial lubricant SHELL OMALA S4GX - 220 and TELLUS S4ME-46, supplied by UMACO & CIA SAS were determined. It was also determined that the basic pro-perties of the coating influence their tribological behavior, with a reduction of the friction and wear coefficient with respect to the dry tests and to the substrate used; it was also determined that the formation of abrasive particles induce reduced resistance to scratching in dry tests and scuffing/scoring in lubricated systems.

Keywords: Energy savings, solid lubrication, lubrication layer limit, thin layers, tribology.

IntroducciónDesde los inicios de la era industrial, los lubricantes

se han convertido en un insumo de vital importancia al disminuir los daños por desgaste y proteger los compo-nentes de una máquina en una línea de producción, gracias a lo cual se reducen costos por uso y mantenimiento de

máquinas y herramientas. En cualquier tipo de industria dedicada a la transformación de una materia prima en un producto útil, una adecuada gestión de la lubricación in-fluye directamente en la productividad y por ende requiere de un acompañamiento técnico especializado, dado, que su aplicación es concreta y característica de cada proceso.

El conocimiento profundo en las áreas de tribología y lubricación se ha convertido en un asunto propio de la in-vestigación, el desarrollo y la innovación (I+D+I) en todos los sectores de la industria mundial ya que este permite disminuir los daños por desgaste y corrosión de las piezas que se encuentran dentro de una máquina. Es un hecho que el adecuado manejo de los fenómenos de desgaste proporciona un uso eficiente de la energía en los procesos productivos. Durante el continuo trabajo de mantenimiento predictivo, preventivo y correctivo, se ha identificado –se-gún información recopilada del Centro de Documentación de Lubricación de la empresa UMACO & CIA SAS1–, una interacción con el área metalúrgica en más del 60% del total de los casos de asesoría técnica atendidos, lo cual es un claro indicador acerca de la necesidad de llevar paralelamente conocimientos en materiales, tribología y lubricación a este sector industrial y ha fomentado la formación de grupos interdisciplinarios (universidades-Estado-industria), los cuales proporcionan las capacidades necesarias para ade-lantar la gestión tecnológica en las áreas de la tribología y la corrosión, y determinan de manera general y concreta su relación con la eficiencia en el uso de energía en la industria, desarrollan funciones específicas y aportan con ello información en áreas claves del objeto de estudio. Ac-

Figura 1. Esquema de trabajo propuesto entre UMACO y CIA SAS, Centro ASTIN-SENA y RDAI-Univalle.

Juan Manuel González Carmona, Carolina Ortega Portilla, César Andrés Amaya Hoyos, Ralf Hross, Francisco Blandón, Jorge Cabal Larrarte, Jorge Enrique Morales, Federico Sequeda. Protección al arranque en seco de sistemas lubricados

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tualmente uno de estos grupos interdisciplinarios que le está apostando a la articulación entre la academia, el Estado y la industria en el área de la tribología y la lubricación a través de la gestión y la innovación, es el conformado por la empresa UMACO & CIA SAS, el Centro ASTIN del Sena y el laboratorio de recubrimientos duros y aplicaciones industriales (RDAI) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle.

Esta alianza, en una mesa temática de experiencia y conocimientos entre la lubricación y los nuevos materiales, se articula con los conceptos de innovación y desarrollo tecnológico al influenciar directamente el incremento de la productividad y la competitividad de las empresas al propo-ner nuevas metodologías y herramientas tecnológicas con el fin de hacerle frente al problema del desgaste en la industria y la protección del medio ambiente (cuando se prolonga la vida útil de un lubricante, que es uno de los objetivos de los lubricantes sintéticos cuya vida útil es aproximadamente cinco veces la de un lubricante mineral). En la Figura 1 se revela el esquema de trabajo propuesto entre las tres institu-ciones y se observa la articulación de las diferentes fortalezas con que cuenta cada actor en torno a la generación de una metodología y el cumplimiento de metas que arrojen como resultado el incremento en la productividad y competitivi-dad de las industrias, a través de un mejor aprovechamiento de su recurso humano por medio de las capacitaciones que se les pueda suministrar.

Dentro de las actividades de dicha cooperación, se estudiaron capas delgadas de bisulfuro de tungsteno/titanio (WS2/Ti) en ambientes con lubricantes comerciales y sin ellos, utilizados habitualmente en la industria por los clientes de UMACO y CIA SAS en el sector metalmecánico.

Metodología experimentalLa deposición de los recubrimientos se realizó por medio

de la técnica de Magnetrón Sputtering DC no reactivo, en un equipo marca AJA International ATC 1500 usando un blanco de bisulfuro de tungsteno (WS2) de 99,9% de pureza y un blanco de titanio (Ti) con un 99.99% de pureza, comprado de manera comercial en la compañía PLASMATERIALS. Las condiciones del sistema de deposición se describen en la Tabla 1.

Utilizando difracción de rayos X (XRD)-Bruker D8 AXS, microscopia electrónica (SEM)-JEOL modelo JSM-6480 LV y espectroscopia de energía dispersada (EDS)-OXFORD INSTRUMENT INCA se determinaron la estructura cris-talina del recubrimiento, la morfología y los elementos químicos presentes en la superficie respectivamente. Con un perfilómetro AMBIOS XP-2 se establecieron el espesor y la rugosidad. Mediante nanoindentación se definió la dureza, el módulo de elasticidad y la resistencia a la defor-mación plástica y se utilizó rayado dinámico (carga de 0 a 35 N) y estático (carga constante de 5 N) para determinar la adhesión y la resistencia al rayado. En la Tabla 2 se resumen los resultados obtenidos.

Para observar el comportamiento tribológico se realiza-ron pruebas de bola sobre disco (BOD) en un tribómetro CSEM instruments, utilizando las condiciones mostradas en la Tabla 3, con el fin de observar si los recubrimientos mejoran el comportamiento del material base cuando la lubricación hidrodinámica falla y se presenta la lubricación mixta y de capa límite. Con este fin, se utilizaron lubricantes tales como SHELL OMALA S4GX-220 y SHELL TELLUS S4ME-46, suministrados por la empresa UMACO & CIA SAS.

Tabla 1. Parámetros de deposición de las películas WS2/Ti

Blanco Espesor (nm) Densidad de potencia (W/cm2) Voltaje BiasVb (V) Flujo de Ar (SCCM)

Presión de trabajo (mTorr)

Ti 398 ± 21 5-100 10 3

WS2 380 ± 19 2.5

Tabla 2. Propiedades superficiales y mecánicasdel sustrato y los recubrimientos de WS2/Ti

Material Rugosidad (nm) Espesortotal (nm)

DurezaH (GPa)

Módulo de elastici-dad E (GPa)

Resistencia a la def plástica (GPa)

x10-4

Carga crítica Lc (N)

Acero 304 54,41±22,86 --- 5,64±0,28 243,48±12,17 30,26±1,51 ---

WS2/Ti 39,7±9,58 794,5±22 6,83±0,55 121,03±10,45 210,05±6,12 32,3


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Tabla 3. Condiciones del ensayo bola sobre disco.

Seco Mojado

Contrapar Acero 440 Acero 440

Velocidad (cm/s) 5 5

Distancia (ciclos) 3000 50.000

Distancia lineal (m) ~100 ~1000

Humedad relativa (%) 38 38

Temperatura (°C) 18 18

Carga (N) 5 5

Volumen de lubricante (ml) Ninguno 70

El lubricante de la serie OMALA S4GX-220 es emplea-do en turbinas eólicas e instalaciones de difícil acceso y es particularmente recomendado para los sistemas en los que se exige una vida útil prolongada o cuyo manteni-miento es poco frecuente. De igual forma, se utiliza en sistemas de engranajes cerrados de uso industrial que operan en condiciones rigurosas, como grandes cargas o amplios rangos de temperatura con grandes variaciones (guía de la Shell). Es ideal para ser combinado con un lubricante sólido, como el WS2. Por otro lado, el lubricante TELLUS S4ME-46 es requerido en sistemas hidráulicos industriales en los que el uso de la potencia hidráulica es muy intenso, tales como operaciones de moldeado por inyección y de estampado en metales en los cuales se necesita que el aceite tenga una larga vida útil y sea resistente a altas temperaturas. También es adecuado para ciertos sistemas de transmisión de potencia y apli-caciones marítimas que usan fluidos hidráulicos (Shell Tellus S4 ME).

ResultadosEn la Figura 2 se observa el patrón de difracción de

rayos X obtenido para los recubrimientos y la morfología superficial. El material tiene estructura hexagonal que se ca-racteriza por una baja resistencia a los esfuerzos cortantes, lo que hace que la fricción se vea reducida. La morfología es homogénea y continua lo que asegura una protección en toda la superficie de la pieza.

En la Figura 3 se muestran los coeficientes de fricción para las pruebas realizadas en seco (Figura 3a) y con lubricantes (Figura 3b). Se puede observar una reducción evidente del coeficiente de fricción cuando se utilizan los recubrimientos de WS2. Los resultados obtenidos para el sustrato utilizado muestran las etapas típicas del desgaste de piezas indus-triales, con una etapa inicial de rompimiento de asperezas seguida de una etapa de asentamiento ( Zumgahr, 1987). Las pruebas de fricción en seco muestran un coeficiente de fricción promedio del recubrimiento de 0,083 y su falla se presenta alrededor de los 2.400 ciclos, lo cual muestra una importante reducción del coeficiente de fricción en una ven-tana razonable de trabajo para elementos no lubricados, y en el momento de una transición momentánea de lubricación mixta a lubricación de capa límite, el recubrimiento puede sostener un bajo coeficiente de fricción hasta la recuperación de las condiciones adecuadas de lubricación.

De manera similar a las pruebas en seco, el acero en las prue-bas con lubricantes muestra las etapas de remoción de aspere-zas con un estado de asentamiento constante. Sin embargo, se observa una reducción evidente del coeficiente de fricción con respecto a las pruebas realizadas en seco, con valores máximos después del asentamiento de 0,23. Los coeficientes más bajos se obtuvieron cuando se combinaron los lubricantes sólidos y líquidos de la serie Tellus, los cuales son similares a los obte-

Figura 2 Patrón de difracción y morfología superficial de los recubrimientos.

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nidos para las superficies recubiertas en seco, pero sostenidos durante toda la prueba (~50.000 ciclos o ~1 km).

En la Figura 4 (a, b y c) se observan las micrografías SEM de la superficie del sustrato y los recubrimientos desgastados después de realizadas las pruebas en seco. La pista de desgaste del par acero/acero, muestra signos de rayado severo y acumulación de material de la bola en la superficie. Esto se debe a que las propiedades mecánicas de los dos materiales en contacto son similares y por lo tanto hay una alta probabilidad de encontrar adhesión en ambos cuerpos (Zumgahr, 1987).

En la huella se observa la ausencia de rayado con alta adhesión, lo cual produce el bajo coeficiente de fricción.

Figura 3. Coeficientes de fricción obtenidos por medio de bola en disco: a) pruebas en seco; b) pruebas con lubricantes.

En la Figura 4b se observan en detalle las partículas del recubrimiento adheridas a la superficie de la huella que protegen el sustrato aun después de alcanzar la distancia de asentamiento para el par acero/acero, lo cual reduce el desgaste por rayado.

En la Tabla 4 se muestran los resultados obtenidos a partir del análisis EDS realizado en las zonas mostradas en la Figura 4a. El espectro 1 fue tomado sobre la superfi-cie del material y es utilizado como control. Dentro de la huella existen pequeñas zonas donde los elementos del recubrimiento (W, S y Ti) no se encuentran presentes, lo que implica una falla del recubrimiento con aumento del coeficiente de fricción.

Figura 4. Micrografías SEM de la superfi-cie de la huella para pruebas en seco: a) Superficie de la pista para el acero 304; b) zonas para EDS; c) detalle de partículas del recubrimiento adheridas.


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Tabla 4. Porcentaje en peso de elementos obtenidos por EDS en pruebas en seco.

Elemento W S Ti Cr Fe Ni O TotalSpectrum 1 88.61 7.39 1.65 2.35 100.00Spectrum 2 3.85 0.65 10.76 8.49 28.53 3.31 44.42 100.00Spectrum 3 89.39 6.65 1.44 2.52 100.00Spectrum 4 15.44 53.25 5.40 25.91 100.00Spectrum 5 3.81 1.40 1.04 9.80 35.30 3.94 44.72 100.00

Sin embargo, en las demás zonas observadas dentro de la pista se advierten los elementos del material del recubri-miento, lo cual indica una protección parcial del sustrato, incluso después de alcanzar la etapa de asentamiento para el acero. En la Figura 5 se ven micrografías SEM de la superficie desgastada del sustrato y los recubrimientos para los diferentes lubricantes utilizados. La reducción en el ancho y en los defectos de la huella de desgaste es evidente, aunque hay algunas zonas de rayado para los recubrimientos probados con el lubricante serie Tellus. A pesar de esto, no se ve un cambio aparente en el coeficiente de fricción obtenido por bola en disco, lo cual indica una buena resistencia al scuffing (rayado sucesivo de la super-ficie) y al scoring (generación de partículas que producen rayado y arado), (Holmberg, 2001).

conclusionesLos resultados obtenidos muestran un recubrimiento

con una estructura cristalina hexagonal típica de los com-puestos que poseen baja resistencia a los esfuerzos de corte. Muestra excelente calidad superficial y adhesión, caracte-

rísticas ideales de un lubricante sólido; con óptima protec-ción superficial, deformación plástica, bajo coeficiente de fricción, resistencia al rayado, generación de tribopelícula y duración superior a los 2.000 ciclos en ambientes secos, y superior a los 50.000 en ambientes lubricados. Ello lo ubica en la zona de aplicación en reductores, rodamientos y elementos hidráulicos lubricados con el fin de proteger de arranques en frío y por fallas en la película lubricante, y sí mejorar el comportamiento de la maquinaria industrial en el momento en que la lubricación límite se presente. Los resultados obtenidos en el presente estudio permitirán a industrias como UMACO & CIA SAS, establecer de primera mano las propiedades básicas de los lubricantes utilizados por sus clientes e incursionar en tecnologías como los lu-bricantes sólidos, con el fin de ofrecerlos en el futuro como solución a los problemas del sector industrial.

ReferenciasGuía de producto SHELL: [en Línea].http://www-static.shell.com/static/irl/downloads/shell_for_

businesses/shell_omala_brochure.pdfHOLMBERG, Kenneth. “Reliability aspects of tribology”,.Tribol-

ogy International 34, 2001. pp 801–808.MATHEW Mate, C.“Tribology on the small scale, a bottom up

approach to friction, lubrication, and wear”. Oxford Uni-versityPress 2008. pp. 208-212.

SHELL TELLUS S4 ME [en Línea].http://www-static.shell.com/static/aus/downloads/lubri-

cants/pri/shell_tellus_s4me.pdf ZUMGAHR, Karl-Heinz. Microstructure and wear of materials.

Elsevier. 1987. pp. 80-124.

Figura 5. Micrografías SEM de la superficie de la huella para pruebas con lubricantes.

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