Tribological and rheological investigation of the applicability of biogenic lubricating greases as separating medium in highly stressed friction systems

Resumen

Actualmente existe una gran demanda de grasas lubricantes medioambientalmente amigables que sólo puede ser satisfecha parcialmente. El propósito de este trabajo es investigar, fundamentalmente, el efecto que los principales componentes de diferentes bio-grasas lubricantes ejercen sobre las características Teológicas y tribológicas resultantes. Se ha seleccionado un número limitado de componentes, cuatro aceites base diferentes y cuatro espesantes con diferente estructura, que califican a estas grasas como bio-lubricantes. Las dieciséis grasas analizadas han sido formuladas con idéntico grado de NLGI con el fin de eliminar la influencia de la consistencia en los resultados. Se ha estudiado, en particular, el efecto de la polaridad de los diferentes aceites base y su interacción con los diferentes espesantes. Las grasas han sido sometidas a experimentos tribológicos en un nano-tribómetro aplicando cuatro fuerzas normales diferentes y dos combinaciones diferentes de materiales que dan como resultado un conjunto de esfuerzos hertzianos para cada grasa estudiada. Adicionalmente, se ha llevado a cabo un análisis de microscopía de fuerza atómica con el fin de clarificar la microestructura de cada una de ellas. Asimismo, las grasas han sido Teológicamente caracterizadas aplicando diferentes situaciones de deformación. Por un lado, el comportamiento de flujo en modo transitorio fue monitorizado en ensayos rotacionales y, por otro lado, las grasas fueron Teológicamente caracterizadas a través de ensayos oscilatorios de baja amplitud en función de la frecuencia y la amplitud aplicadas. Estos resultados fueron también evaluados desde un punto de vista energético. Además, se ha realizado una serie de experimentos no convencionales tales como los ensayos de tensión extensional, realizados en un reómetro usando una geometría placa-placa donde se fuerza a la separación de las placas registrando la fuerza normal aplicada, y experimentos de rebote donde una bola de acero golpea una superficie también de acero, lubricada con grasa, después de caer desde una distancia determinada. En estos últimos ensayos se ha evaluado la altura de rebote y la marca del impacto. Los principales hallazgos de este trabajo se refieren a la influencia que ejerce la polaridad de los diferentes aceites sobre las características tribológicas y Teológicas de las grasas. En primer lugar, los experimentos tribológicos muestran el tipo, la intensidad y la extensión de las marcas de desgaste producidas entre las dos superficies en contacto. Se ha demostrado que la influencia de la polaridad del aceite base depende en gran manera del tipo de espesante y de la combinación de materiales utilizados. También se demuestra que la influencia de la polaridad puede ser reducida dependiendo de la combinación de materiales. En segundo lugar, la influencia de la polaridad fue detectada en los resultados Teológicos de las grasas. Se ha demostrado igualmente que el efecto de la polaridad está altamente influenciado por el espesante utilizado. Por otra parte, la polaridad del aceite afecta el porcentaje de espesante necesario para alcanzar una determinada consistencia dependiendo de la naturaleza de éste. En los ensayos de flujo transitorio se ha intentado eliminar la dependencia del porcentaje de espesante. Esto se ha realizado mediante la evaluación de la energía de activación necesaria para la degradación estructural del espesante, mostrando una gran diferencia entre grasas formuladas con aceites altamente polares respecto a aquellas basadas en aceites con baja polaridad. Nuevamente, se ha demostrado que este efecto también depende en gran medida de la naturaleza del espesante empleado. Igualmente, los resultados obtenidos en ensayos oscilatorios de baja amplitud dependen altamente del tipo de espesante, así como de la influencia de la polaridad en cada tipo de espesante. Así pues, se han observado diferentes efectos que habían sido detectados en los ensayos transitorios anteriormente realizados. En este trabajo se han postulado y validado diferentes modelos que conciernen los mecanismos físicos por los que polaridades de los aceites base afectan el comportamiento tribológico y reológico de las grasas, así como la interdependencia de estos dos. Este trabajo concluye con un examen riguroso de los efectos que ayudan a esclarecer los mecanismos de trabajo en contactos lubricados con grasas y que originan resultados de desgaste en todas las grasas y en las combinaciones de materiales utilizados. Uno de estos efectos se refiere al mecanismo por el que las diferentes polaridades de los aceites base influencian directamente el desgaste. El otro efecto resalta el mecanismo que actúa sobre la estructura interna de las grasas, el cual ha sido esclarecido mediante un análisis reológico. Finalmente, se ha demostrado que estos dos efectos están afectados mutuamente.