El grafito como agente controlador de fricción (página 2)

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Grafito Sintético (Acheson).

Es un material constituido por carbón grafítico. Fue preparado por primera vez a principios del siglo XX, lo que contribuyó notablemente a ampliar el campo de aplicaciones del grafito. En 1893 Edward Goodrich Acheson patentó un método para fabricar un abrasivo industrial a partir de arcilla y carbón calentados conjuntamente en un horno eléctrico a temperaturas entre 1600-2500ºC. El material resultante, carburo de silicio (Sic), recibió en nombre comercial de carborundum. El carborundum resultó ser un abrasivo solo superado por el diamante. Con posterioridad, a mediados de 1890s, Acheson descubrió que calentando el carborundum a temperaturas muy elevadas se podía eliminar el silicio obteniendo un grafito sintético prácticamente puro, el cual es denominado grafito Acheson.

El método de Acheson consiste, en esencia, en someter a elevadas temperaturas, en un horno eléctrico una mezcla de coque y sílice. En las partes menos calientes del horno (a unos 2.000° C) se produce una reacción entre el C y el Si para dar lugar a la formación de carburo de silicio, el cual, al pasar a otras zonas del horno de temperatura más elevada (superior a los 2.500°), se descompone, liberando el Si y dejando el C en forma de grafito. El silicio, al liberarse, lo hace en estado gaseoso, condensándose de nuevo en las zonas menos calientes. Allí se encuentra con el coque, con el que reacciona de nuevo para dar lugar a la formación de nuevas cantidades de carburo de silicio. El silicio se comporta, en cierto modo, como catalizador de la reacción de transformación del carbono de coque en grafito.

Los procesos de fabricación del grafito han evolucionado notablemente hasta lograr un control casi total de la estructura cristalina del material y de su pureza. Otro método por el que se obtienen la mayoría de los grafitos sintéticos consiste en el tratamiento térmico a altas temperaturas de un precursor sólido que contiene carbón no grafítico, pero grafitizable. Así pues, en principio, los únicos requisito que tiene que cumplir los precursores de un grafito sintético es que tengan un elevado contenido en carbono y que sean grafizables. En la actualidad, la industria del grafito sintético utiliza mayoritariamente coque de petróleo de diferente grado y breas de carbón o petróleo, que se usan como ligante de las partículas de coque. Estos precursores suelen dar lugar al grafito pòligranular, término que incluye a todos los grafitos sintéticos compuestos de granos que pueden distinguirse claramente al microscopio.

Grafito Moldeado.

En la fabricación del grafito moldeado, el coque de petróleo calcinado y molido se mezcla con el ligante (matriz), -normalmente una brea de alquitrán de hulla, aunque también puede ser de petróleo o resinas fenólicas, epoxi, etc.- en proporciones aproximadas del 80/20. A continuación se calienta a unos 150 ºC para fundir el aglomerante y que se mezcle bien con el relleno, y se prensa mediante diversos procedimientos como la extrusión, moldeado o presión isostática. Se calcina a 700-1000 ºC y posteriormente se grafitiza a 2600-3000 ºC, finalmente pude tener lugar un proceso de mecanizado. La etapa de prensado es muy importante ya que determinará la orientación preferencial de los cristales. En la extrusión, los cristales se alinean en la dirección de la extrusión, mientras que en el moldeado lo hacen en dirección perpendicular a la presión. Mediante la presión isostática, la fuerza se aplica por igual en todas direcciones obteniéndose un producto de naturaleza isótropa a partir del cual se produce el grafito isótropo de alta densidad.

Grafito Pirolítico.

Este tipo de grafito es altamente ordenado obtenido por depósito químico en fase de vapor, CVD levita sobre unos superimanes a temperatura ambiente (levitación diamagnética), y se conoce como otro método para la producción de grafito sintético es el depósito químico en fase de vapor de metano, acetileno, etileno u otros hidrocarburos gaseosos sobre un sustrato.

Propiedades.

Las propiedades del grafito dependen en gran medida de las imperfecciones que presente su estructura, las cuales son relativamente frecuentes en el grafito natural.

Es de color negro con brillo metálico.

Presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un "semiconductor."

Es refractario y se exfolia con facilidad.

Es polimorfo.

Aplicaciones

El grafito es un material refractario y se emplea en ladrillos, crisoles, etc.

Al deslizarse en el grafito las capas fácilmente, resulta ser un buen lubricante sólido, (fabricación de lubricantes sólidos, pastosos y líquidos).

Se emplea en la fabricación de diversas piezas en ingeniería, como pistones, juntas, arandelas, rodamientos, etc.

Este material es conductor de la electricidad y se emplea para la fabricación de electrodos. También tiene otras aplicaciones eléctricas.

Se emplea en reactores nucleares, como moderadores y reflectores.

El grafito mezclado con una pasta sirve para la fabricación de lápices.

Es usado para crear discos de grafito parecidos a los de discos vinilo salvo por su mayor resistencia a movimientos bruscos de las agujas lectoras.

Ventajas

Incrementa la lubricación, reduce el torque y la fricción en todos los sistemas de lodos.

Material inerte sin efectos adversos sobre la reología de los lodos y compatible con todos los sistemas de lodos.

No requiere de otros aditivos, presenta facilidad de mezclado y dispersión en el sistema.

Mantiene la estabilidad aun a temperaturas mayores a los 500ºF (260ºC).

Limitaciones.

Puede ser removido del sistema de circulación por zarandas vibratorias y otros equipos de control de sólidos. Requiere la supervisión de las zarandas vibratorias.

Insoluble en ácido y en agua.

No es adecuado para secciones de pozos abiertos donde se requiere la solubilidad ácida.

Fricción

Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción entre dos superficies en contacto a la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra.

Se genera debido a las imperfecciones, especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo f con la normal (el ángulo de rozamiento). Por tanto, esta fuerza resultante se compone de la fuerza normal (perpendicular a las superficies en contacto) y de la fuerza de rozamiento, paralela a las superficies en contacto. Está fuerza puede presentarse en dos casos:

Fuerza de fricción dinámica. La fuerza necesaria para mantener movimiento. En caso de los materiales termoplásticos el coeficiente dinámico es mayor que el estático.

Fuerza de fricción estática la fuerza necesaria para iniciar el movimiento

Cabe destacar que esta fuerza además de presentarse en ambos casos también se presenta en varios planos como lo es el plano horizontal, vertical e inclinado y entre diferentes superficies; por esta razón hemos basado nuestro estudio en la fricción de la película delgada,

Factor Desgaste.

Es un coeficiente que indica la resistencia al desgaste del material. El factor del desgate se mide con el mismo instrumento que se utiliza para establecer el imite PV y se basa en la perdida de peso de la pieza desgastada. Por otra parte, el acabado superficial índice del desgaste, en función de su rugosidad ( a mas rugosidad, mas desgaste ) y el material empleado ( el desgaste del aluminio es mayor que el del acero ).

Limite PV.

Indica el producto máximo de presión y velocidad más allá del cual aparece una inestabilidad térmica seguida de un fallo del componente

Tipos.

Fricción de película delgada:

Estado de fricción límite, con contacto intensivo de las rugosidades superficiales. Una fina película de lubricante cubre los cuerpos de fricción. El desgaste es elevado.Fricción hidráulica:

Estado de fricción en el que las partes en fricción están completamente separadas por una película cerrada de líquido.

Fricción de cuerpos sólidos:

Fricción seca con un contacto inmediato y directo de los cuerpos en fricción.

Fricción de deslizamiento:

Fricción entre dos cuerpos con movimientos de deslizamiento relativos entre sí.

Fricción de la capa superficial:

Fricción en la que los cuerpos en fricción están recubiertos de capas superficiales, o en forma de capas de reacción o en forma de lubricantes sólidos.Rodamientos

Son esferas especiales que reducen la fricción en los movimientos de articulaciones especiales, como son del motor.

Rodamientos de bola.

También llamado cojinete de bolas o balero. Con una sola y profunda ranura, soporta cargas radiales así como una carga axial o de empuje. Las bolas se introducen en las ranuras desplazando el aro interior lateralmente a una posición excéntrica. Las bolas se separan después de su introducción y luego se inserta el separador.

Partes del rodamiento de bola.

Aro externo. El anillo exterior esta montado en el albergue de la máquina y en la mayoría de los casos no rueda. La parte de la trayectoria de los elementos rodantes se llama corredor o raceway, y la sección de los anillos donde los elementos giran, es llamada superficie de rodadura o raceway surface. En el caso de rodamientos de bola, como existen unos surco o canales provistos para las bolas, a estas también se les denomina surcos, canales de rodadura o raceway grooves. Los anillos se fabrican normalmente con aceros SAE 52100 endurecido de 60 a 67 Rockwell C.

Aro interno. El anillo interno esta montado en el árbol de la máquina y en la mayoría de los casos está en la parte rodante. El anillo interno esta normalmente comprometido con un eje.

Elementos rodantes. Estos elementos pueden ser tanto bolas como rodillos. Existen muchos tipos de rodamientos con variadas formas de rodillos como ser: de bola, rodillo cilíndrico, rodillo cilíndrico largo, rodamiento de aguja, rodillo trapezoidal y rodillo convexo. Se utilizan también materiales como el acero inoxidable, cerámicos, monel, plásticos y materiales especiales en caso de trabajo con corrosivos.

Separador o jaula. Sirve para guiar los elementos de giro a lo largo de los anillos del rodamiento en una relativa posición correcta. Existen variadas clases de separadores que incluyen las prensadas (las más usadas), maquinadas (utilizadas para mayor resistencia o altas velocidades), moldeadas y en forma de clavija o chaveta. Debido a su menor resistencia a la fricción en comparación con los anillos y elementos rodantes, los rodamientos con separadores son más convenientes para trabajar bajo rotaciones de alta velocidad. Las jaulas se fabrican de bronce o plásticos sintéticos (que trabajan mejor a altas velocidades con un mínimo de fricción y ruido). En los cojinetes de costo relativamente bajo algunas veces se omite el separador, pero este tiene una función importante de evitar el contacto de los elementos rodantes a fin de que no ocurra rozamiento entre ellos.

Cubiertas. Todos estos cojinetes pueden obtenerse con cubiertas o protectores en uno o en ambos lados. Las cubiertas no proporcionan un cierre completo, pero sí ofrecen protección contra la entrada de polvo y suciedad. Una variedad de cojinetes se fabrica con sellos herméticos en uno o en ambos lados. Cuando los sellos están en ambos lados, los cojinetes se lubrican en la fábrica. Aunque se supone que un cojinete sellado tiene lubricación por toda la vida, algunas veces se proporciona un medio para su re- lubricación

El grafito como agente controlador de fricción

A este material le podemos llamar agente controlador de fricción debido a que posee propiedades naturales no muy comunes, ya que al ser pasado una superficie en dirección perpendicular a las capas que lo componen libera pequeñas moléculas de sus compuestos creando una película (capa) delgada de lubricante natural logrando asi que las fuerzas opuestas al movimiento sea menor o casi nula .Además es considerado un excelente agente lubricante para piezas metálicas.

Su aplicación en rodamientos de bola.

Es necesario saber qué el grafito aplicado a los rodamientos de bola no es más qué un lubricante pastoso (grasa) a base de grafito, es decir; grasa Grafitada.

Grasa Grafitada

Es una grasa de base cálcica. El agregado de un cierto porcentaje de grafito confiere a esta grasa características que la hacen particularmente apta para la lubricación de mecanismos cuyo engrase se efectúa con grandes intervalos, debido a la dificultad de acceso a los graseros. Ideal para lubricar guías de ascensores por la película de grafito laminar que deja.

Cuál es la Función de la Grasa?

Las funciones de la grasa son múltiples. Para proveer una vida larga del equipo, la grasa tiene que:

Reducir la fricción bajo varias condiciones, cargas, velocidades y temperaturas de trabajo.

Evitar la entrada de agua y tierra por los retenes mientras mantiene una compatibilidad con los materiales utilizados en estos sellos.

Evitar la corrosión y la herrumbre de las piezas metálicas.

Mantener su estructura en su envase, la bomba de engrase y los rodamientos bajo condiciones diferentes, permitiendo su bombeo en frío y su trabajo tanto en altas como en bajas temperaturas. Debe trabajar bajo condiciones severas evitando el cizallamiento entre el aceite lubricante y su espesante.

Expandir y contraer con las variaciones de temperaturas, volviendo a su condición original, el aceite soltado debe volver a ser absorbido en su espesante.

Trabajar en altas temperaturas sin fluir ni oxidarse.

Resistir ser lavada por agua para mantener las piezas protegidas.

Cálculo del momento de la pérdida de energía causada por la fricción

La pérdida de energía Nr medida en Watios causada por la fricción de los rodamientos es:Nr = 0,000105 M ndonde: M = momento de fricción, que veremos a continuación y n= velocidad angular, en revoluciones por minuto.Es decir, que los rodamientos del longboard nos frenan más cuanta mayor fricción interna tengan y cuanto más rápido giren.1) La aproximación tradicional para calcular el momento de fricción M (medido en Nmm) de un rodamiento es:M = 0,5 &µ P ddonde:&µ= coeficiente de fricción del rodamiento.Depende sólo del tipo de rodamiento: – Rodamiento rígido de bolas (el clásico): 0,0015 – Rodamiento de dos hileras de bolas auto alineables: 0,0010 – Rodamiento de rodillos (con jaula): 0,011 – Rodamiento de rodillos (sin jaula): 0,020En nuestras medidas, sólo se fabrica el primer tipo, así que no hay mucha elección. Además, nuestros rodamientos soportan también cargas laterales, por lo que los rodillos quedan descartados.P= carga dinámica en el rodamiento (en N).Básicamente depende del peso del piloto + el vehículo. A más peso, más rozamiento.d= diámetro de la pista interior.Sólo influye el diámetro del eje, no el diámetro exterior del rodamiento. Al aumentar el diámetro (es decir, el grosor del eje), aumenta el rozamiento.Para entenderlo mejor: el rodamiento tiene un rozamiento (muy pequeño), que tiende a frenar la rueda. Imagina que el rodamiento fuese un freno de disco. A igualdad de fuerza en la maneta, con un disco pequeño se frena menos que con un disco grande, ya que hace menos palanca sobre la rueda.El rodamiento actúa igual, el rozamiento que genera tiene menos efecto cuando más cerca esté del centro de la rueda, es decir, cuanto más fino sea el eje.2) Una aproximación más exacta del momento de fricción M que se utiliza actualmente es:M = ( Mrr + Msl + Mseal + Mdrag ) x Fishanalicemos sus componentes:a) Momento de fricción por rodadura ( Mrr )El momento de fricción por rodadura representa el rozamiento de las bolas contras las pistas y se calcula con la ecuación: Mrr = Grr (?n)^0,6donde:Mrr = momento de fricción por rodadura, NmmGrr = variable que depende del – tipo de rodamiento – el diámetro medio del rodamiento dm = 0,5(d + D), mm – la carga radial Fr, N – la carga axial Fa, N? = viscosidad cinemática del lubricante a la temperatura de funcionamiento, mm2/s.n = velocidad de giro, rpmPodemos observar que aumenta al aumentar el tamaño del rodamiento, la velocidad de giro, la carga y la viscosidad del aceite.b) Momento de fricción por deslizamiento (Msl):El momento de fricción por deslizamiento representa las pérdidas producidas cuando la bola resbala ligeramente por la pista en lugar de rodar. Se calcula usando:Msl = &µsl GsldondeMsl = momento de fricción por deslizamiento, NmmGsl = variable que depende del– tipo de rodamiento– el diámetro medio del rodamiento dm = 0,5(d + D), mm– la carga radial Fr, N– la carga axial Fa, N&µsl = coeficiente de fricción por deslizamiento, que se puede establecer como el valor para las condiciones de película total, es decir ? = 2, se sitúa alrededor de 0,04 para la lubricación con aceites sintéticos.Este tipo de fricción se produce especialmente en situaciones en las que la película de aceite se vuelve demasiado fina o desaparece. Por eso es importante echar siempre al menos un par de gotas de aceite ligero. Si dejamos el rodamiento completamente seco, aunque aparentemente gire mejor, el momento de fricción por deslizamiento aumentará rápidamente.c) Momento de fricción por los cierres laterales (Mseal):Si los rodamientos están equipados con obturaciones rozantes, las pérdidas por fricción causadas por la obturación pueden ser mayores que aquellas generadas en el rodamiento. Se puede calcular el momento de fricción de las obturaciones para los rodamientos obturados a ambos lados usando la siguiente ecuación empíricaMseal = KS1 ds β + KS2dondeMseal = momento de fricción de las obturaciones, NmmKS1 = constante que depende del tipo de rodamientoKS2 = constante que depende del tipo de rodamiento y de obturaciónds = diámetro de la superficie de contacto de la obturaciónβ = exponente que depende del tipo de rodamiento y obturaciónMseal es el momento de fricción generado por dos obturaciones. Cuando sólo hay una obturación, la fricción generada es 0,5 Mseal.En la práctica se suele dejar el blindaje metálico de la cara exterior (indicado como Z) y desmontar el de la cara interior, que queda protegido dentro de la rueda, para disminuir a la mitad este rozamiento sin que entre suciedad al rodamiento.d) Momento generado por la recirculación de aceite:Se emplea cuando la lubricación se realiza por baño o inyección continua de aceite, que no es nuestro caso.e) Reducción por calentamiento del lubricante (Fish):Fish = factor de reducción por calentamiento del lubricante producido por el esfuerzo cortante en el borde de entrada entre el camino de rodadura y los elementos rodantesIndica que la viscosidad del aceite disminuye con el calor generado por el rodamiento, lo cual disminuye el rozamiento.Sin embargo, no hay que olvidar que las altas temperaturas de funcionamiento o las elevadas velocidades del rodamiento podrían reducir su juego interno por la dilatación de los componentes, lo que puede incrementar la fricción. Lo ideal es que el rodamiento permanezca a temperatura ambiente y utilicemos un aceite lo más fluido posible.Ejemplos prácticosVamos a calcular el momento de rozamiento de las 3 medidas habituales y otras dos menos frecuentes bajo los siguientes supuestos:- Peso: 100 Kg.- Velocidad: 80 Km/h y ruedas de 83mm. (aprox. 5000 rpm)- Temperatura: 20º C. Indicamos (Referencia: diámetro interior x diámetro exterior x anchura. Momento de fricción).– 608: 8x22x7. M= 13,6. El clásico de toda la vida. Lo tomaremos como referencia.

– 61900: 10x22x6. M=16,7 (+23%). El rodamiento para eje de 10 mm. Al aumentar un 25% el diámetro de la pista interior, aumenta un 23% el momento de fricción. Eso sí, aumenta drásticamente (un 56%), la resistencia a la flexión del eje.

– 638/8: 8x16x6. M=22,9 (+68%). Equivalentes a los conocidos como mini rodamientos de patinaje de velocidad (código 688: 8x16x5). Se mantiene el diámetro del eje pero disminuye el diámetro de la pista exterior. El menor tamaño de las bolas aumenta el momento de fricción y, además, necesitamos un casquillo adaptador. – 607/8: 8x19x6. M=13,6 (+0%). No se utiliza, pero lo incluimos para que lo compares con el anterior. Fíjate como al aumentar ligeramente el diámetro de la pista exterior volvemos a valores más normales.

– 627: 7x22x7. M=12 (-12%). Es la única opción que podría disminuir el rozamiento del clásico 608. El inconveniente es que necesita un eje de 7mm. Que habría que mecanizar y que disminuiría un 31% la resistencia a la flexión.

Recomendaciones

Utilizar lubricantes a base de grafito, (grasa o aceites).

Realizar el mantenimiento adecuado y en la fecha correspondiente a las piezas, bien sean mecánicas, eléctricas o de ingeniería.

Utilizar piezas con un mínimo nivel de rugosidad y asi menor consumo de lubricante y menor desgaste de las piezas.

Anexos

edu.red

GRAFITO NATURAL

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GRAFITO EN POLVO (ESCAMAS)

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ESTRUCTURA MOLECULAR DEL GRAFITO

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PARTES ESENCIALES DEL RODAMIENTO DE BOLA.

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RODAMIENTO DE BOLA DE CONTACTO ANGULAR.

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RODAMIENTO AVANZADO

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GRASA GRAFITADA.

Conclusiones

Un eje más grueso produce que el rozamiento de los rodamientos nos frene más.La disminución del tamaño de las bolas aumenta el rozamiento.La lubricación ideal es un par de gotas de aceite muy ligero, tipo Teflón. Nunca sin lubricar.El eje flotante no aporta ninguna reducción de rozamiento

Usando un eje más rígido (10 m.) giraría más, con lo que disminuiría el rozamiento de los rodamientos de la rueda al restarle revoluciones por minuto. Pero esta disminución quedaría compensada por el rozamiento de los rodamientos que soportan el eje.

Bibliografía