MX2013000286A - Metodo para proveer una superficie de baja friccion. - Google Patents

Abstract

Un método de fabricación para proveer una superficie de baja fricción comprende proveer (210) un elemento mecánico. Una herramienta es mecánicamente frotada (212) contra una superficie del elemento mecánico. Un líquido de proceso se provee (214) a un área de contacto entre el elemento mecánico y la herramienta. El líquido de proceso comprende un primer elemento que es un metal refractario y un segundo elemento que es un calcógeno. El primer y segundo elementos se proveen en una sustancia líquida. La frotación mecánica se realiza con una presión de contacto que es entre 1% y 100% de una resistencia final del elemento mecánico. La frotación mecánica causa de esta manera un pulimentado combinado de la superficie del elemento mecánico y una deposición de una tribopelícula sobre la superficie del elemento mecánico. La tribopelícula comprende el primer elemento y el segundo elemento.

Description

MÉTODO PARA PROVEER UNA SUPERFICIE DE BAJA FRICCIÓN Campo técnico La presente invención se refiere en general a proveer superficies de baja fricción y en particular a proveer superficies de baja fricción triboquímicamente depositadas.

Antecedentes La fricción entre las superficies es una de las más grandes causas de pérdidas de energía en aparatos mecánicos tales como máquinas de combustión interna y varias máquinas y mecanismos. La fricción también conduce a desgaste que limita el tiempo de vida de servicio de dichos aparatos. Por lo tanto, en muchas aplicaciones, hay un requisito general de proveer superficies que tengan una fricción tan baja y experimenten un desgaste tan pequeño como sea posible en contacto con otras superficies. La forma más tradicional de reducir la fricción es mediante el uso de lubricantes. Los lubricantes mantienen las superficies separadas y- como tales son fácilmente cortados por esfuerzo cortante, lo que reduce la necesidad de fuerza para lograr un movimiento relativo. Los lubricantes líquidos tales como aceites, son sin embargo el tipo de lubricantes más usados.

La utilidad de ciertos lubricantes de película sólida se han conocido por cierto tiempo. A continuación se presentan algunos ejemplos. La patente de E.U.A. 1,654,509 describe el uso de grafito embebido en un aglutinante de metal para hacer un revestimiento anti-desgaste para cojinetes. La solicitud de patentes publicada GB776502A describe películas protectoras formadas por tratamiento con sustancias reactivas vaporizadas que contienen átomos de fósforo, azufre., selenio o halógeno. Estas películas protectoras tienen por lo menos dos funciones ventajosas para lubricación efectiva: (i) proveen una película · portadora de carga de lubricante sólido; y (ii) reducen al mínimo la carbonización y el barnizado al inhibir la actividad catalítica del metal. El documento GB782263 muestra que la sulfurización de partes, metálicas ferrosas al · calentar las partes a una temperatura por arriba de 500 °C en un baño de sal fusionado que contiene cianuro de metal alcalino, cianato de metal alcalino y azufre activo mejora su resistencia al desgaste por aferramiento. La solicitud de patente internacional publicada O03091479A describe . tratamiento químico para anillos de pistón y pistón mediante calentamiento en aditivos apropiados que contiene aceite. La patente de E.U.A. 5,363,821 describe el uso de lubricantes sólidos de grafito, M0S2 BN, incorporados en un portador polimérico/aglutinante para hacer revestimientos de anti-fricción en las paredes de agujeros de cilindro mediante la aplicación por aspersión con fijación térmica subsiguiente.

Un método más para la producción de un revestimiento de baja fricción se describe en la solicitud de patente japonesa 2004-76914. Un miembro deslizable se mueve en relación, con una superficie deslizable y un aceite lubricante que contiene molibdeno y azufre es suministrado a la superficie deslizable.' Polvo de acero se añade a la resina de poliamidoimida y mediante prensado de la resina de poliamidoimida contra la superficie en presencia de dicho aceite lubricante, molibdeno y azufre son forzados a reaccionar en la superficie de hierro, produciendo disulfuro de molibdeno sostenido en una matriz de la resina. La resina por lo tanto actúa como un aglutinante del disulfuro de molibdeno creado.

Se podrían mencionar un grupo de técnicas anteriores que describen películas de baja fricción producidas por PVD, GVD y/o espurreado de plasma. Por lo tanto, la solicitud de patente de E.U.A. publicada 2005/0214540 describe revestimientos de PVD/CVD para pistones, y la patente de E.U.A. 4,629,547 describe películas que contienen boro de baja fricción obtenidos por espurreado* de plasma.

Común para la mayoría de los sistemas lubricantes es que el lubricante sea depositado sobre la superficie ya sea como una sustancia lubricante pura o como un lubricante en una sustancia portadora. La deposición puede ser seguida por diferentes tipos de post-tratamientos , regularmente tratamientos térmicos o tratamientos mecánicos. Los lubricantes por lo tanto se proveerán como una capa sobre la capa superior de la superficie qüe ha de ser lubricada-. Es difícil obtener una buena adherencia a la superficie al' mismo tiempo que una baja fricción ha de ser mostrada a una superficie vecina.

Las ventajas de las tribopelículas en la reducción de fricción y desgaste son bien conocidas en el campo de tribología. La deposición triboquímica de lubricantes sólidos se ha usado ventajosamente en la solicitud de patente internacional publicada WO2009/07167 , que describe cómo producir una película triboquímicamente depositada mediante frotación mecánica de una herramienta, que regularmente comprende Mo o W, contra una superficie que ha de ser cubierta en presencia de. azufre. Dichas películas triboquímicamente depositadas presentan propiedades muy atractivas con respecto a suavidad, resistencia al desgaste y baja fricción. Una nota importante es que el proceso triboquímico- implica el material de sustrato también, causando una transformación gradual entre el material de sustrato y el lubricante sólido. Las tribopelículas de WS2 y M0S2 permiten incrementar la resistencia a la película de lubricante y como resultado la resistencia al desgaste se incrementa. Además, la integridad de superficie es mejorada y el desgaste por fatiga durante y después del funcionamiento es reducido. Las películas también tienen una fricción de colindancia baja. Las tribopelículas también tienen una fricción de colindancia baja.

Un inconveniente menor con el método presentado en el documento O2009/071674 es que la superficie de la herramienta, que está hecha regularmente de una aleación que comprende Mo y/o , es consumida en el proceso y debe ser remplazada a intervalos. Además, la velocidad de posición de tribopelícula es limitada por la reducción heterogénea relativamente lenta entre el metal sólido y el azufre activo.

Sumario Un objeto de la presente invención es proveer métodos más eficientes en cuanto a producción para producir revestimientos lubricantes sólidos . triboquímicamente depositados.

El objeto anterior se logra de conformidad con la reivindicación independiente adjunta. Las modalidades preferidas se presentan en las reivindicaciones dependientes. En- términos generales, un método de tribo-acondicionamiento comprende proveer un elemento mecánico. Una herramienta es frotada mecánicamente contra una superficie del elemento mecánico. Un líquido de proceso se provee a un área de contacto entre el elemento mecánico y la herramienta. El liquido de proceso comprende un primer elemento que es un elemento de metal refractario y un segundo elemento que es un elemento de calcógeno.^ El primer elemento y el segundo elemento se proveen en una sustancia liquida. La frotación mecánica se realiza con una presión de contacto que es entre 1% y 100% de una resistencia final del elemento mecánico. La frotación mecánica por lo tanto causa un pulimentado combinado de la superficie del .elemento mecánico y una deposición de una tribopelicula sobre la superficie del elemento mecánico. La tribopelicula comprende el primer, elemento y el segundo elemento.

Una ventaja con la presente invención es que una tribopelicula con un lubricante sólido puede ser fabricada con desgaste de herramienta más bajo y con mejor control sobre parámetros de proceso que con los métodos de la técnica anterior. Otras ventajas se describen en conexión con las descripciones detalladas más adelante.

Breve descripción de los dibujos La invención, junto con objetos y ventajas adicionales de la misma, puede entenderse mejor haciendo referencia a la siguiente descripción tomada junto con los dibujos anexos, en los cuales: Las figuras 1A-1B son ilustraciones esquemáticas de deposiciones de lubricante; La figura 1C es una ilustración esquemática de una tribopelicula de lubricante sólido; La figura 2 es un diagrama que il'ustra un ejemplo de una relación entre el tiempo de revestimiento y la presión de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo; La figura 3 es un diagrama de flujo de los pasos de una modalidad de un método de conformidad con la presente invención; y La figura 4 es una gráfica que ilustra el efecto de una tribopelicula de lubricante sólido producida de conformidad con la presente invención sobre fricción.

Descripción detallada A lo largo de la presente descripción, características iguales o directamente correspondientes en. diferentes figuras y modalidades se denotarán por los mismos números de referencia.

Como se indica en los antecedentes, las tribppelículas de lubricantes sólidos presentan propiedades extraordinarias principalmente con respecto a la presión de contacto permitida, propiedades anti-desgaste, así como morfología. Por lo tanto, para entender la importancia de la estructura de una tribopelicula, primero se da una breve introducción en propiedades de tribopelicula.

Cuando se deposita un lubricante sólido sobre una superficie de conformidad con métodos no triboquimicos, el producto final podría verse como el que se ilustra esquemáticamente en la figura 1A. Un sustrato 2, que tiene una cierta aspereza 4, de su superficie 3, es cubierto por una capa 6 de lubricante sólido 1. Si la deposición se hizo únicamente por el lubricante sólido 1, o si algunos elementos adicionales fueron removidos en un proceso de postdeposición, tales como un tratamiento térmico o un tratamiento mecánico, la capa entera 6 regularmente consiste de un lubricante sólido 1. Existe una interferencia 5 entre la fase del sustrato 2 y la fase de lubricante sólido 1 que es más o menos aguda. Las propiedades de desgaste y presión de la superficie cubierta hasta cierto grado dependerán de las propiedades de la interfaz 5. Para evitar descamación,' las uniones sobre la superficie 5 tienen que ser fuertes. Al mismo tiempo, el lubricante sólido 1 mismo por lo regular debe ser fácilmente separable por esfuerzo cortante. La superficie 7 de la capa 6 del lubricante sólido 1 dependerá del método de deposición usado. Sin embargo, regularmente, la aspereza 9 de la superficie 7 es mayor que; la aspereza 4 de la superficie 3 del sustrato 2. Si una superficie más lisa es requerida, puede ser necesario un post-tratamiento tal como alisado o pulimentado.

La figura IB ilustra una situación, en donde una' capa 6, que tiene dominios de lubricante sólido 1 embebidos en un material de matriz de vehículos 9, es depositada sobre la superficie de sustrato. En tal caso, el material de matriz de vehículo 9 puede ser adaptada para dar unionés fuertes al sustrato 2. Sin embargo, la cantidad global del lubricante sólido disponible en la superficie de la capa 7 es más baja, y las propiedades de fricción probablemente no son tan buenas como en la figura 1A.

La figura 1C ilustra una deposición de una tribopelícula 10. Durante la deposición triboquímica bajo condiciones favorables, que se describirán más adelante, una deposición de tribopelícula 10 se combinará con un pulimentado de la superficie original 3, indicado aquí por una línea discontinua. El pulimentado es efectuado a través de un contacto mecánico entre la herramienta y la pieza de trabajo, por lo que las asperezas son niveladas o eliminadas. Al mismo tiempo, dicho material desgastado entra en contacto y reacciona con las sustancias que están diseñadas para la formación de la película triboquímicamente depositada. La película triboquímicamente depositada -o tribopelícula- es de esta manera formada por reacciones químicas entre la superficie que ha de ser cubierta, el material desgastado y las sustancias del líquido de proceso y posiblemente también la herramienta de trabajo, proveyendo el calor y presión locales que permiten las reacciones. Juntas, todas estas sustancias forman una tribopelicula 10 de un lubricante sólido 1. Sin embargo, la tribopelicula 10 no será una tribopelicula homogénea. La tribopelicula 10 más bien tendrá una composición cambiante de una sustancia de sustrato puro a casi una sustancia lubricante sólida pura. El espesor y distribución de la sustancia lubricante sólida también variara lateralmente sobre la superficie, dependiendo, v.gr., de la topología de superficie original En la presente descripción, una tribopelicula se define como una capa protectora que es jenerada durante el deslizamiento o laminado en contacto de fricción entre dos superficies en presencia de aditivos especiales que sufren reacciones triboquímicas dando por resultado la formación de un nuevo compuesto químico en las superficies de frotación. La tribopelicula así formada evita el contacto directo metal a metal y fenómenos de soldadura en frío asociados. Las tribopelículas producidas de conformidad con la presente invención presentan una unión directa de los compuestos triboquímicamente producidos de lubricantes sólidos a la superficie cubierta.

Esta unión directa provee una excelente resistencia a rayones, resistencia al impacto y resistencia térmica. A diferencia de v.gr., la solicitud de patente japonesa 2004/76914, no se usa polvo metálico en el proceso de producción, y no es necesario aglutinante orgánico para la retención del lubricante sólido en la superficie, en la presente invención.

Una de las ideas básicas de la presente invención es proveer un liquido de proceso que contenga todas las sustancias activas para la reacción triboquimica . Las deposiciones triboquiraicas anteriores han sido realizadas con un componente en la herramienta de trabajo y el otro en el liquido de proceso. Sin embargo, la herramienta de trabajo por lo tanto es sucesivamente desgastada, lo que conduce a cambios incontrolables en la geometría de contacto de la herramienta/pieza de trabajo y requiere que la herramienta de trabajo sea regularmente cambiada por una nueva o reacondicionada . En una serie de pruebas con una herramienta de trabajo que comprende tungsteno metálico, un líquido de proceso que contiene azufre así como un compuesto de tungsteno soluble fue provisto durante la operación. Se encontró que el desgaste de la herramienta de trabajo fue reducido en comparación con un proceso que usa un líquido de proceso que comprende únicamente azufre. Por lo tanto, se podría concluir que por lo menos una parte del tungsteno que fue incorporado en el lubricante sólido fue obtenido directamente del líquido de proceso. Con un exceso de compuesto de tungsteno en el líquido de proceso, el desgaste de la herramienta podría ser reducido considerablemente. Por lo tanto, usando un líquido de proceso que comprende tanto tungsteno como azufre se considera como una solución preferida .

Como una consec encia de esto, también es posible realizar la deposición triboquimica con una herramienta de trabajo inerte sin ningún contenido de tungsteno en absoluto siempre que la cantidad de tungsteno en el liquido de proceso sea suficientemente grande para asegurar una tasa de formación de película/tiempo de procesamiento aceptable.

Otro parámetro muy importante es la presión. Para lograr una tribopelicula verdadera, el trabajo de la superficie que ha de ser cubierta tiene que implicar también componentes de pulimentado significativos. El pulimentado requiere presión de contacto aspereza-aspereza localizada en exceso del esfuerzo a la deformación del material a la pieza de trabajo. El pulimentado es esencialmente no sólo para mejorar la suavidad de superficie sino también para descubrir la superficie de metal fresca a reactivos para permitir unión química. El pulimentado combinado de la superficie que ha de ser cubierta y la tribogeneracion y deposición del lubricante sólido dará por resultado una tribopelicula verdadera. Se encontró que la presión necesaria para lograr dicha tribopelicula depende de las propiedades mecánicas de la superficie que ha de ser cubierta. Por lo regular, una presión de contacto correspondiente a por lo menos 1% de una resistencia final del elemento cubierto es necesaria para producir una tribopelicula . Desde luego, la presión de contacto no podría exceder 100% de la resistencia final, ya que el elemento que ha de ser cubierto entonces sería dañado. Para elementos que han de ser cubiertos hechos de materiales dúctiles, el esfuerzo a la deformación es también un parámetro de importancia. El esfuerzo a la deformación por lo regular es un poco más bajo que la resistencia final, y la presión de contacto no debe exceder 100% del esfuerzo a la deformación. Para materiales que tienen una resistencia final y un esfuerzo a la deformación, estos dos valores son en la mayoría de los casos del mismo orden de magnitud.

Para un elemento que ha de ser cubierto hecho de hierro colado típico, la presión de contacto por lo tanto sería por lo menos 50-100 MPa. Para un elemento que ha de ser cubierto hecho de un acero de alta velocidad típico, la presión de contacto más bien sería por lo menos 100-200 MPa. Estos números son únicamente como ejemplos típicos y las presiones de contacto apropiadas tienen que ser determinadas para cada elemento individual por separado.

Otra característica que había sido descubierta fue que la velocidad de deposición de la tribopelicula fue altamente dependiente de la presión de contacto. La tendencia general fue que una presión de contacto más alta dio por resultado una velocidad de deposición más alta. A una presión de contacto de 5% de una resistencia final del elemento cubierto, la velocidad de deposición aumentó significativamente, y a una presión de contacto de 10% de una resistencia final del elemento cubierto la velocidad de deposición incrementó aún más. Esto se explica por la expansión del área de superficie que contiene carga en la cual ocurren tribo-reacciones . Como se describió anteriormente, para un material dúctil, tal como hierro colado gris, el esfuerzo a la deformación se puede usar en lugar de la resistencia final, dando aproximadamente la misma imagen general de comportamiento.

La figura 2 ilustra consideraciones básicas con base en las cuales la ventana de maquinabilidad 105, ABC.D, para una combinación especifica de pieza de trabajo/herramienta es determinada. Si la presión de contacto es demasiado baja, por lo regular por abajo de 1% de la deformación del material de la pieza de trabajo (o en relación con la resistencia final de un material no dúctil), la velocidad de formación de tribopelicula se hace demasiado baja y la eficiencia del proceso se vuelve insatisfactoria . Esto define la linea colindante de maquinabilidad izquierda AD.. Por otra parte, si la presión de contacto es demasiado alta, aproximando el esfuerzo a la deformación del material de la pieza de trabajo, el riesgo de daño a la pieza de trabajo se incrementa rápidamente. Esto define la linea colindante de maquinabilidad derecha BC. Además, si el tiempo de procesamiento es demasiado corto, es imposible generar suficientes productos de reacción y lograr un grado adecuado de pulimentado de superficie. Esto define la linea colindante de maquinabilidad más. baja DC. Finalmente, si el tiempo de procesamiento es demasiado largo, es imposible lograr una salida de proceso adecuada y la eficiencia de proceso global disminuirá. Para elementos típicos que han de ser cubiertos, las presiones de contacto preferidas son por arriba de 10 MPa, muy preferiblemente por arriba de 50 MPa, muy preferiblemente aún por arriba de 100 MPa, y muy preferiblemente todavía por arriba de 200 MPa, siempre que la resistencia final no sea excedida. En. comparación, las presiones de contacto que se usan, v.gr., para maquinabilidad o rectificación por lo regular están en el intervalo de 1 a 10 MPa.

Puesto que el proceso descrito aquí incluye tanto los elementos de revestimiento como maquinabilidad, alternativamente se referirá como "tribo-acondicionamiento".

La figura 3 ilustra un diagrama de flujo de pasos de una modalidad de un método de tribo-acondicionamiento de conformidad con la presente invención. El método de tribo-acondicionamiento empieza en el paso 200. Un elemento mecánico que ha de ser cubierto se provee en el paso 210. En el paso 212, una herramienta es mecánicamente frotada contra una superficie del elemento mecánico con una presión suficientemente alta. La frotación mecánica es realizada con una presión de contacto entre 1% y 100% de una resistencia final del elemento mecánico. Un liquido de proceso se provee en el paso 214 en un área de contacto entre el elemento mecánico y la herramienta. El liquido de proceso comprende un primer elemento que es un elemento de metal refractario y un segundo elemento que es un elemento de calcógeno. El primer elemento y el segundo elemento se proveen en una sustancia liquida. Los elementos activos se pueden proveer en un componente activo común o en componentes activos separados en la sustancia liquida. La frotación mecánica por lo tanto causa un pulimentado combinado de la superficie del elemento mecánico y una deposición de una tribopelicula . La tribopelicula asi producida comprende el primer elemento y el segundo elemento sobre la superficie del elemento mecánico. El proceso termina en el paso 299.

Dos de los lubricantes sólidos más usados en la técnica anterior son WS2 y oS2. El disulfuro de tungsteno (peso molar 248 g/mol, densidad 7.5 g/cm3 y temperatura de descomposición de 1250 °C) es producido por reacción de un compuesto de azufre con una fuente de tungsteno de conformidad con; W + 2S ? WS2.

De manera similar, el disulfuro de molibdeno (peso molar 160 g/mol, densidad 5.0 g/cm3 punto de fusión 2375°C y punto de sublimación 450 °C) es formado por reacción de 'un compuesto de azufre con una fuente de molibdeno de conformidad con: . o + 2S ? MoS2.

Dichos disulfuros también pueden ser producidos por triboconversión de ciertos metalocomplejos que contienen azufre, incluyendo pero sin limitarse a tiocarbamatos , tiofosfatos, tioxantatos y por' químicas similares.

Además de estos dos lubricantes sólidos bien conocidos, también existen otras posibilidades y un número de prueba con diferentes composiciones de fluido de proceso se ha realizado.

Dependiendo de la reactividad del sustrato con el líquido de proceso que contiene azufre, ciertas cantidades de sulfuros de metal distintos de WS2 y MoS2 serán producidos por el proceso de tribodeposición . Por lo tanto, la composición real de la película dependerá del tipo de sustrato y la composición del líquido de proceso. Para el acero, se cree que la tribopelícula consiste en gran medida de sulfuros de tunqsteno o sulfuros de molibdeno, respectivamente, y sulfuros de hierro. Bajo ciertas condiciones, los óxidos mixtos, tales como bronces de tungsteno se pueden formar también. Sin embargo, cabe notar que, como regla general, las tribopelículas no tienen una forma estequiométricas bien definida.

El componente de metal del lubricante sólido preferiblemente se selecciona como un metal refractario en general. Como se indicó anteriormente, los candidatos más prominentes son Mo y W. estos metales refractarios se proveen como compuestos de metal disueltos en el liquido de proceso y posiblemente también como metal y compuestos metálicos en la herramienta de trabajo. Los compuestos de metal disueltos en el liquido de proceso son preferiblemente sales u organocomplej os . Ejemplos no exclusivos de compuestos de tungsteno que son útiles para estos propósitos son: • tungstatos simples; • tiotungstatos; • ditiocarbamatos de tungsteno; • ditiofosfatos de tungsteno; · carboxilatos y ditiocarboxilatos de tungsteno; • xantatos y tioxantatos de tungsteno; • complejos de tungsteno polinucleares que contienen carbonilo, ciclopentadienilo y azufre como ligandos; · complejos de tungsteno que contienen halógeno con piridina, bipiridina, nitrilos y fosfinas como ligandos; • aductos de ácido túngstico con glicéridos grasos, amidas y aminas .

Ejemplos no exclusivos de compuestos de molibdeno que son útiles para estos propósitos son: • molibdatos simples; • tiomolibdatos; • ditiocarbamatos de molibdeno; • ditiofosfatos de molibdeno; • carboxilatos y ditiocarboxilatos de molibdeno; • xantatos y tioxantatos de molibdeno; • complejos de molibdeno polinucleares que contienen carbonilo, ciclopentadienilo y azufre como ligandos; • complejos de molibdeno que contienen halógeno con piridina, bipiridina, nitrilos y fosfinas como ligandos; • aductos de ácido molibdico con glicéridos grasos, amidas y aminas.

También el componente no-metálico del lubricante sólido se puede seleccionar de diferentes maneras. Los candidatos que han de ser incluidos en lubricantes sólidos se pueden encontrar entre calcógenos generales, de los cuales se cree que el azufre actualmente es la elección principal. El azufre puede entrar a la reacción triboquimica en forma de un azufre elemental o derivados de azufre .disueltos en el liquido de proceso. Los derivados de azufre más útiles son aquellos a menudo referidos como azufre activo y comprende, v.gr., los grupos de sulfuros orgánicos y polisulfuros orgánicos. Ejemplos no exclusivos de dicho sulfuro activo son disulfuro de dibencilo, isobuteno sulfurizado, ácidos grasos sulfurizados y dialquil · polisulfuros . Alternativamente, el azufre puede entrar a la reacción triboquimica junto con el componente de metal refractario tal como tiocarbamato, tiofosfato o tioxantato, en cuyo caso no es necesaria una fuente secundaria de azufre.

También el solvente usado en el liquido de proceso presenta una variedad de posibilidad. Los candidatos adecuados son solventes con punto de inflamación alto y volatilidad baja tales como aceites . minerales, polialfaolefinas, ésteres, polietilenglicol y líquidos iónicos. El solvente usado en el líquido de proceso generalmente no está diseñado para ser parte del producto final.

En una modalidad, el líquido de proceso por lo tanto comprende por lo menos tres componentes: una sustancia líquida que por lo regular actúa como un solvente y un primer y un segundo componentes activos. El primer componente activo comprende un primer elemento, que es un elemento de metal refractario. El segundo componente activo comprende un segundo elemento, que es un elemento de calcógeno. El primer componente activo y el segundo componente activo se proveen en la sustancia líquida.

En otra modalidad, el líquido de proceso por lo tanto comprende por lo menos dos componentes: una sustancia líquida que por lo regular actúa como un solvente y un componente activo. El componente activo comprende tanto un primer elemento, que es un elemento de metal refractario, como un segundo elemento, que es ün elemento de calcógeno. El componente activo se provee en la sustancia liquida.

Como ya se mencionó, la herramienta de trabajo no tiene que comprender ningún componente para la tribopelicula . Una función importante de dicha herramienta pasiva es desencadenar triboreacciones sobre la superficie de la pieza de trabajo en presencia del liquido de proceso. La herramienta pasiva no es consumida a parte del desgaste normal. Ejemplos de herramientas pasivas son tungsteno de alta velocidad (HSS) , carburo de tungsteno ( C) , nitruro de boro (BN) , herramientas revestidas con carbono tipo diamante (DLC), varias cerámicas y metal-cerámicas, etc.

En otra modalidad, la herramienta comprende el primer ingrediente activo. Dicha herramienta activa tiene una doble función. Proveer por lo menos parte de un componente reactivo, que finalmente forma la tribopelicula. También tiene la función de desencadenar triboreacciones entre la superficie de la pieza de trabajo y el liquido de proceso. Una herramienta activa por lo tanto combina funciones de desencadenar triboreacciones deseadas y alimentarlas con reactivos necesarios para la generación de tribopelicula. Ejemplos de herramientas activas usadas en la presente invención son herramientas metálicas. o metálicas concrecionadas que contienen tungsteno o molibdeno.

Tanto las herramientas activas como las pasivas pueden incorporar un sistema de canales para transporte de reactivo al contacto de fricción en donde ocurren las triboreacciones reales. Por lo menos parte del liquido de proceso por lo tanto puede ser suministrado a través de la herramienta misma.

Cuando se inicia una deposición de una tribopelicula, por lo regular hay una fricción extremadamente alta entre la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo. Existe el riesgo de que la herramienta se atasque causando estriaciones, rozaduras u otro daño a la superficie de la pieza de trabajo. Para enfrentar este problema, en una modalidad de la invención, el liquido de proceso además comprende uno o más agentes de maquinabilidad disueltos en el mismo. Estos agentes de maquinabilidad regularmente pueden ser aditivos de presión extrema, aditivos anti-desgaste, o modificadores de fricción, antioxidantes, inhibidores de corrosión y anti-espumantes . A diferencia del metal refractario y componentes de calcógeno, cuya función primaria es generar el tribo-revestimiento, la función primaria de los agentes de maquinabilidad es garantizar procesos de suavidad que funcionan para una combinación especifica de sustrato/herramienta al: • establecer el liquido de proceso contra oxidación; • mantener la limpieza de la superficie; • evitar corrosión de la pieza de trabajo y la herramienta; • controlar la formación de espuma.

Ejemplos no exclusivos de dichos agentes de maquinabilidad son dialquilditiofosfatos de zinc (ZnDDP) , tricresilfosfato (TCP) , ésteres de fosfato, ásteres de borato, aceites vegetales ionizados, amidas grasas y ésteres grasos .

Para ilustrar además la presente invención, dos ejemplos particulares se presentaran aquí a continuación.

Ejemplo 1 Se usó una herramienta que comprendía tungsteno metálico para producir un tribo-revestimiento de disulfuro de tungsteno sobre la superficie de un árbol de levas para una máquina de combustión interna de automóvil. El árbol de levas en estudio se hizo de hierro colado enfriado, con dureza de 470 HV. La presión de contacto entre la herramienta y el árbol de levas estaba en el intervalo de 100 a 200 MPa. El líquido de proceso contenía 3% en peso de tungsteno y 1% en peso de azufre activo contenido en un solvente de hidrocarburo con una viscosidad cinemática de 2 cSt a 100 °C. El tribo-acondicionamiento del árbol de levas se puso en funcionamiento durante 10 minutos a 100 rpm. Las propiedades tribológicas del árbol de levas revestido se comparó con aquellas de uno original. Las condiciones experimentales fueron las siguientes: se tomaron 10 mediciones para cada revestimiento: tres mediciones repetidas del coeficiente de fricción para tres velocidades de rotación diferentes (correspondientes a las velocidades de deslizamiento de 0.1 a 0.7 m/s), concluidas por una prueba de desgaste. Como al sonda de fricción, un rodillo de un acero de cojinete de usó. El radio del rodillo fue 5.5 mm y el radio del nodo de flecha fue 18 mm. Cada prueba de fricción se puso en funcionamiento durante 10 minutos a una carga de 5N usando aceite para máquina Castrol SLX 5W-30 como lubricante. La prueba de desgaste se puso en funcionamiento durante 1 hora a la misma carga. Las marcas de desgaste se analizaron usando microscopía óptica.

Estos experimentos demostraron rendimiento tribológico mejorado de árboles de levas revestidos: el coeficiente de fricción es reducido por 20 a 60%, véase tabla 1. Simultáneamente, el desgaste se redujo por 4 a 10 veces. De la tabla se puede ver fácilmente que los árboles de leva revestidos presentaron un coeficiente de fricción significativamente más bajo en comparación con un árbol de levas no tratado bajo condiciones correspondientes (nótese que el coeficiente de fricción es una propiedad dependiente de la velocidad) .

Tabla 1. Efecto de tribo-revestimiento de WS2 sobre la fricción entre la leva y el seguidor Ejemplo 2 Una herramienta que comprendía tungsteno metálico se usó para producir un tribo-revestimiento de disulfuro de tungsteno sobre la superficie de un forro de cilindro para una máquina de combustión interna automotriz. El forro en el estudio se hizo de hierro colado gris, con dureza de 450 HV. La presión de contacto entre la herramienta y el forro estaba en el intervalo de 50 a 100 MPa. El líquido de proceso contenía 3% en peso de tungsteno y 1% en peso de azufre activo disuelto en un solvente de hidrocarburo con una viscosidad cinemática de 2 cSt a 100°C.

Las propiedades tribológicas del forro revestido se compararon con las del original. Las condiciones experimentales fueron las siguientes: se usó un aparejo de fricción oscilante para medir la fricción entre un segmento de forro de cilindro y un anillo de pistón. La frecuencia de oscilación fue 5Hz, el esfuerzo normal fue 3 MPa, la longitud de golpe fue de 5 mm y se usó aceite de motor Castrol SLX 5W-30 como lubricante.

Estos experimentos demostraron reducción significativa en fricción para forros revestidos, véase figura 4. Tanto para las superficies de forro revestida 101 y original 100, el coeficiente de fricción disminuyó con el tiempo, correspondiendo a un procedimiento de acondicionamiento. Sin embargo, la superficie de forro de tribo-acondicionamiento siempre presentó un coeficiente de fricción más bajo. Además, el coeficiente de fricción para la superficie de forro tribo-acondicionada se niveló a un nivel significativamente más bajo que la superficie de forro original, que indica que incluso después de contactos mecánicos extensivos, persiste un revestimiento de lubricante sólido.

La presente invención por lo tanto describe un método para mejorar las propiedades tribológicas de superficies de metal. Se hace énfasis especifica en la reducción en fricción y desgaste para partes metálicas hechas de materiales ferrosos y aleaciones tales como hierro colado, acero templado, acero carbinitrurado, acero de alta velocidad, etc., logrado por el tribo-acondicionamiento de aquellas partes por frotación de una herramienta contra la pieza de trabajo en presencia de un liquido de proceso que contiene componentes para formar una sustancia lubricante sólida. El método también es adecuado para tratamiento de partes tales como componentes de tren de válvulas en máquinas de combustión interna, forros de cilindro, flechas, engranes, centros, cojinetes, rieles laterales y otros componentes mecánicos expuestos a esfuerzo tribológico severo. El método descrito aquí combina el pulimentado de superficie con la deposición de una tribopelicula de baja fricción delgada, cuya química difiere del material subyacente y presenta elementos de los componentes químicos antes mencionados. En la presente invención, el pulimentado es efectuado de una manera usual -a través de contacto mecánico entre la herramienta y la pieza de trabajo, por lo que las asperezas de superficie son niveladas o pulimentadas- y la deposición de película concomitante es efectuada a través de reacciones triboquímicas en la superficie de la pieza de trabajo. Las reacciones triboquímicas son iniciadas por una combinación de temperatura y presión en la zona de contacto entre la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo.

Las modalidades descritas anteriormente se han de entender como algunos ejemplos, ilustrativos de la presente invención. Los expertos en la técnica entenderán que varias modificaciones, combinaciones y cambios se pueden hacer a las modalidades sin apartarse del alcance de la presente invención. En particular, diferentes soluciones parciales en diferentes modalidades se pueden combinar en otras configuraciones, en donde es técnicamente posible. El alcance de la invención, sin embargo, está definido por las reivindicaciones anexas.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un método de fabricación de superficies con propiedades tribológicas mejoradas, que comprende los pasos de : proveer (210) un elemento mecánico; frotar mecánicamente (212) una herramienta contra una superficie de dicho elemento mecánico; proveer (214) un liquido de proceso a un área de contacto entre dicho elemento mecánico y dicha herramienta; el liquido de proceso comprende un primer elemento provisto en una sustancia liquida; el primer elemento siendo un elemento de calcógeno; la frotación mecánica siendo realizada con una presión de contacto entre 1% y 100% de una resistencia final del elemento mecánico, caracterizada porque el liquido de proceso además comprende un segundo elemento provisto en. la sustancia liquida; el segundo elemento siendo un elemento de metal refractario; la frotación mecánica causando de esta manera un pulimentado combinado de la superficie de dicho elemento mecánico y una deposición de una tribopelicula, que comprende el primer elemento, el segundo elemento y material del elemento mecánico, sobre la superficie de dicho elemento mecánico.

2. El método de fabricación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha sustancia liquida comprende un primer componente activo que comprende el primer elemento y un segundo componente activo que comprende el segundo elemento.

3. El método de fabricación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha sustancia liquida comprende un componente activo que comprende el primer elemento y el segundo elemento.

4. El método de fabricación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el segundo elemento se selecciona por lo menos de uno de W y Mo.

5. El método de fabricación de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el segundo elemento es .

6. El método de fabricación de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el segundo elemento es Mo.

7. El método de fabricación de conformidad con cualquiera- de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el primer elemento es S.

8. El método de fabricación de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el primer componente activo se selecciona de: azufre elemental; y- azufre activo.

9. El método de fabricación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la presión de contacto excede 10% de la resistencia final del elemento mecánico.

10. El método de fabricación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la herramienta comprende el segundo componente activo.

11. El método de fabricación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el liquido de proceso además comprende uno o más agentes de maquinabilidad.

12. El método de fabricación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque dicha sustancia liquida comprende un solvente del grupo de aceites minerales, polialfaolefinas, ésteres, polietilenglicoles y líquidos iónicos.

13. El método de fabricación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicha frotación mecánica siendo realizada con una presión de contacto que excede 50 MPa, preferiblemente que excede 100 MPa y muy preferiblemente que excede 200 MPa. RESUMEN Un método de fabricación para proveer una superficie de baja fricción comprende proveer (210) un elemento mecánico. Una herramienta es mecánicamente frotada (212) contra una superficie del elemento mecánico. Un liquido de proceso se provee (214) a un área de contacto entre el elemento mecánico y la herramienta. El liquido de proceso comprende un primer elemento que es un metal refractario y un segundo elemento que es un calcógeno. El primer y segundo elementos se proveen en una sustancia liquida.. La frotación mecánica se realiza con una presión de contacto que es entre 1% y 100% de una resistencia final del elemento mecánico. La frotación mecánica causa de esta manera un pulimentado combinado de la superficie del elemento mecánico y una deposición de una tribopelicula sobre la superficie del elemento mecánico. La tribopelicula comprende el primer elemento y el segundo elemento.