ALEACIONES ANTIFRICCION Un apoyo antifricción (cojinete) soporta una pieza de una maquina en movimiento, y puesto que el movimiento es esencial en toda maquina, el problema de asegurar la acción coordinada con las mínimas perdidas de fricción y económicas es siempre una cuestión que preocupa. Este problema es complejo pues existen tantas soluciones como condiciones de servicio y estas varían enormemente. Los cojinetes generalmente se clasifican en de contacto por rodillos y lisos. Los primeros tienen sobre los lisos las siguientes ventajas: *La fricción inicial es pequeña *el eje se mantiene con más precisión en la posición deseada *El coste de sostenimiento es menor *Pueden soportar una combinación de cargas radiales y de empuje La ventaja principal de los cojinetes lisos es que son más económicos y además se pueden adaptar a las condiciones que comprenden cargas de choque y en ocasiones a operaciones más reposadas. Las características más convenientes para un metal antifricción son muy diversas. El cojinete es un elemento de maquina proyectado para transmitir las cargas (o fuerzas de reacción ) a un eje que gira en relación a dicho cojinete. La fricción entre dos metales es directamente proporcional a la presión aplicada siempre que las dos superficies sean lo suficientemente duras para que ninguna raye o penetre a la otra. Cuantos más duros son los metales más carga pueden resistir sin penetración ni rayado. Según esto, para disminuir la fricción y evitar la acción cortante se han de emplear para el antifricción superficies duras. Ahora bien esto es solo verdad en condiciones de perfecto ajuste pero en las superficies corrientes de frotamiento existen puntos de mayor o menor presión, y por consiguiente de fricción distinta. Por lo tanto la aleación antifricción a de ser lo suficientemente blanda para acoplarse y moldearse al eje a la vez que resista lo más posible el desgaste. Con el fin de disminuir la fricción que se produce por el movimiento de deslizamiento los cojinetes se lubrican con aceite o grasa. Un buen cojinete antifricción se consigue si está recubierto de una adecuada aleación antifricción y se lubrica con un lubricante conveniente. Si se descuida uno de los dos factores, las propiedades de deslizamiento del cojinete descienden mucho. Para obtener las condiciones ideales de lubricación entre dos superficies deslizantes, a de existir entre las mismas, de modo constante, una película
continúa de aceite, en cuyo caso el material de la superficie del cojinete no tiene importancia. Ahora bien en las condiciones reales de actuación del cojinete es inevitable algún contacto directo entre el eje y la superficie de aquel, y , como consecuencia, las cualidades de antifricción del material que forma la superficie del cojinete son de enorme importancia, sobre todo a grandes velocidades de deslizamiento. Se ha establecido la siguiente hipótesis antifricción: La función de la capa antifricción está condicionada a la formación de películas adhesivas que impidan los contactos metálicos entre las superficies de en frotamiento. Los fenómenos químico-físicos en la superficie de un metal conducen a un estado de tensión de los átomos superficiales que explica la existencia de películas absorbidas de ciertas sustancias unidas a la superficie metálica en diversos grados. Estas películas se producen por reacción entre el metal en fricción, el lubricante y la atmosfera que los rodea. Las antifricciones de base plomo, estaño o cadmio son relativamente blandas, y para mejorar su capacidad de aguante de carga, estas aleaciones se apoyan en un casquillo de material más fuerte, generalmente de acero, y en algunos casos de bronce. Para el mejor servicio, la aleación antifricción y el casquillo soporte han de estar íntimamente unidos mecánicamente. Las aleaciones antifricción de metal blanco se dividen corrientemente en dos clases: las de base plomo y las de base estaño, conocidas las ultimas como metales babbit; los principales elementos endurecedores empleados son antimonio generalmente en una proporción de 4.5 a 12%, y cobre de 1.5 a 8.3%. Las antifricciones de base cadmio se utilizan poco por la escases y elevado costo de este metal. El plomo y el antimonio se alean con facilidad en todas las proporciones, y la dureza y fragilidad del producto aumentan al adicionar cantidades crecientes de antimonio. La mezcla eutéctica contiene 11.2% de este elemento, y, por tanto, con menos antimonio de esta proporción la Aleacion esta formada por cristales primarios de la solución solida a blanda en la eutéctica dura a+b. Pero con una proporción de antimonio superior al 11.2% se forman cristales primarios de la de la solución solida b, dura, en una matriz mas blanda, y esta es la estructura que presenta todos los requisitos de un buen metal antifricción. En general no se excede el 15% de antimonio. La resistencia al desgate y la tenacidad de las aleaciones de plomo-antimonio se mejoran por la adición de pequeñas cantidades de estaño, y con frecuencia se emplean aleaciones dentro de la composición siguiente: plomo, mínimo 63%,
antimonio, 10-15%, estaño de 5-20%. La estructura de estas aleaciones es análoga a la de las aleaciones binarias de plomo-antimonio, si bien se halla presente un nuevo constituyente estructural, el compuesto SbSn, de forma cubica. La microestructura de estas aleaciones consta de cristales primarios de forma cuboide de SbSn, o de antimonio, embebidos en una mezcla ternaria de Pb-SnSbSn, en lo que el plomo forma la matriz. La cantidad de estos cuboides por unidad de volumen de Aleacion aumenta con la proporción de antimonio, y en cuanto se pasa de 15% de este elemento la proporción del constituyente duro crece de tal forma que la Aleacion no se puede utilizar como material antifricción por ser demasiado frágil. Se consigue un tamaño fino de las partículas y una distribución adecuada de los constituyentes estructurales por el control de temperatura de colado y de la de molde. Cuando la Aleacion contiene la máxima proporción de estaño, se agregan pequeñas cantidades de cobre, de 1 a 2%, para disminuir la intensidad de segregación. El segundo grupo de aleaciones antifricción de base plomo comprende las que contienen calcio, sodio y otros elementos análogos como endurecedores. El calcio añadido al plomo en proporción de 0.023 a 0.033% hace que este se endurezca por envejecimiento. Las aleaciones antifricción de plomo-calcio se emplean mucho en Alemania, especialmente en los ferrocarriles. Los agentes endurecedores de estos metales antifricción son compuestos intermetalicos, tales como CaPb 3, Na2Pb5, y en el tipo de metal de ferrocarril posiblemente un compuesto duro NaCa. Este ultimo metal antifricción contiene aproximadamente 98.6% de plomo, 0.7% de calcio y 0.6% de sodio. Las propiedades mecánicas de estas aleaciones son buenas, pero se corroen fácilmente por lo que su utilidad es limitada. La Aleacion conocida como Satco está constituida por 97.5% de plomo conteniendo calcio, magnesio y estaño. Los constituyentes duros son Pb 3Ca y PbMg2. Aunque el calcio y el magnesio se disuelven muy poco en el plomo, la disminución de sus solubilidades, al disminuir la temperatura, hace que se produzca el endurecimiento por envejecimiento. Esta característica es la causante de que se mejoren algo las propiedades a temperaturas superiores al ambiente, en comparación con las aleaciones antifricción de plomo-antimonio. Para el servicio pesado se emplea una Aleacion antifricción de composición 82.5% plomo, 15% de antimonio, 1% de estaño, 1% de arsénico y 0.5% de cobre. Posee una resistencia excepcionalmente buena a la fatiga y sus propiedades mejoran a temperaturas elevadas. Con esta Aleacion se han conseguido capas de metal antifricción sobre el acero de unos 0.05 a unos 0.15 mm, disminuyendo casi un
decimo el espesor normalmente empleado y aumentado en 50% la carga permitida. Las aleaciones antifricción de base estaño contienen: antimonio de 4 a 8.5% y cobre de 2 a 8.5%. Estas aleaciones son más costosas que las otras por que contienen gran cantidad de estaño, pero, por la misma razón, son mucho mejores y se emplean particularmente en los casos de grandes velocidades o de elevadas presiones de fricción. El estaño forma parte de los granos duros, disminuyendo ciertamente su dureza, pero también su fragilidad. Asimismo, el estaño forma parte de la matriz y aumenta su resistencia a compresión. Este elemento disuelve 10.4% de antimonio a 264°, pero disminuye a 3.5% a la temperatura ambiente, y entonces se precipitan en los cristales partículas de SnSb. Si en los metales antifricción la cantidad de antimonio presente excede del 10.4%, el constituyente duro cristaliza primero en forma de cuboides, que por ser más ligeros que la masa fundida flotan en su superficie. Esto hace que la pieza sea demasiado dura en la parte superior y blanda en la parte inferior. Esta molestia se puede solventar con un rápido enfriamiento, pero es mucho mejor añadir cobre a la Aleacion. Cuando se añade cobre al estaño, se forma un compuesto duro en forma de agujas que produce un eutéctico con 0.75% de cobre. Con 3% de este elemento, la línea de líquidos se eleva, y junto a la eutéctica aparecen agujas primarias de Cu6Sn5.Si con el estaño se encuentran cobre y antimonio, las agujas de Cu 6Sn5 se forman primero y se enlazan en una malla que impide el desplazamiento de los cuboides de SnSb, que se forman después, lo cual hace que la estructura sea uniforme. Las aleaciones con menor proporción que el mínimo antes indicado de los elementos endurecedores antimonio y cobre se usan, principalmente, para revestimientos muy delgados sobre el acero y el bronce. La practica en la antifricción de los motores de gasolina es emplear una vaina o casquillo delgado de acero con una capa de Aleacion antifricción, que algunas veces no excede su espesor de 0.25mm. Se puede decir, en general, que la mayoría de los metales antifricción poseen poca resistencia mecánica propia para soportar sin ayuda las cargas requeridas. Por tanto es muy frecuente utilizarlos asociados con un material de soporte o casquillo, que bien puede ser de acero o de bronce. En los automóviles y en los motores diesel, el soporte de bronce es solo una carpa intermedia entre el acero y la superficie del metal antifricción.
Las antifricciones de estaño se unen con facilidad a los casquillos de acero o bronce, poseen buenas cualidades de embebimiento y antifricción y a la vez, resisten la acción corrosiva de los aceites ácidos y de los productos de oxidación. La unión entre la antifricción y el casquillo soporte es de la mayor importancia, y depende bien de la formación de compuestos intermetalicos entre si, lo cual hace que la unión sea relativamente frágil, o de que algún elemento de antifricción se difunda y se disuelva en el soporte, y entonces al formarse la Aleacion de unión con un elemento disuelto, esta es más dúctil y fuerte que la unión de tipo de compuesto. En general las aleaciones de cobre-estaño forman las uniones más fuertes con el soporte de acero, y después de estas, las de base cadmio; las peores son las de base plomo. Los soportes de bronce tienden a dar una mejor unión que los de acero, y en general su mecanización es mejor. En la microestructura de la Aleacion antifricción de base estaño con antimonio existen dos constituyentes duros y resistentes al desgaste embebidos en una matriz plástica rica en estaño; los cuboides blancos de la disolución solida secundaria formada por el compuesto SbSn, y las agujas asimismo blancas de CuSn. La distribución adecuada de estas fases se consigue por control de temperatura de colada y por el uso de moldes recalentados, para regular la velocidad de enfriamiento. La matriz es una disolución solida, principalmente de antimonio en cobre. También puede encontrarse una disolución solida primaria de cobre y antimonio en estaño que siempre presenta un precipitado fino de SbSn y probablemente también de CuSn, que según la técnica de ataque, puede aparecer claro u obscuro. El inconveniente más notable de los metales antifricción de base estaño es su susceptibilidad a roturas por fatiga a las elevadas temperaturas a las que trabajan los motores de explosión, pero su resistencia a la fatiga es la suficiente para su uso a pequeñas cargas. En realidad la resistencia a compresión y a la fatiga de las aleaciones de estaño a las temperaturas que imperan los motores de gran velocidad, son muy pequeñas. Es excelente el comportamiento mecánico de los metales antifricción de base cadmio. Los elementos endurecedores son cobre, plata y níquel, cada uno de ellos hasta 3%, y también se añaden pequeñas cantidades de indio y magnesio. El cobre es solo ligeramente soluble en cadmio y forma una eutéctica con 98.9% del ultimo entre la solución solida rica en cadmio y una solución solida que, probablemente esta constituida por el compuesto CuCd 3. La plata se disuelve en el cadmio hasta una proporción aproximada de 2.5%,y cuando se excede este valor, se forma el compuesto AgCd 3.La solubilidad solida del níquel en cadmio es despreciable y la fase B coincide aproximadamente con el compuesto intermetalico NiCd. Según esto , las partículas del compuesto duro se consiguen mucho más económicamente empleando el cobre. Solo el cobre fortalece y
endurece al cadmio a expensas de la ductilidad y tenacidad; pero en cambio, al añadir plata se forman granos con estructura estratificada de la solución solida cadmio-plata, y así se obtiene una mejor asociación de la resistencia a tracción dureza y ductilidad. Por esta razón, la mayoría de las antifricciones de cadmioplata, son en realidad aleaciones de cadmio-plata-cobre con 0.50-2.25% de plata y 0.25-0.50% de cobre. Debido a la zona de fusión más elevada de estas aleaciones aproximadamente de 315° a 325°C, es peor que las que son aptas para emplearlas a temperaturas más elevadas que las que imperan en el servicio de las aleaciones de los otros metales blancos. Particularmente se ha de cuidar de que estaño, antimonio y zinc, que existen como impurezas, no excedan de cierto valor límite. La Aleacion cadmioníquel se une particularmente bien al acero. Actualmente se fabrican materiales antifricción de cobre-plomo, 30% de plomo distribuido en 70% de cobre. Estando en servicio una pieza de esta Aleacion, el metal plástico y de bajo punto de fusión exuda de la matriz debido al calor generado por el roce y actúa como una película intercalada entre el eje y el soporte. Las aleaciones que tienen estas propiedades se utilizan cuando se trabaja a presiones más severas que las requeridas en la solución apuntada anteriormente. Las aleaciones cobre-plomo, debido a la total insolubilidad de uno en otro en estado sólido y debido a la limitada solubilidad en estado liquido solo se pueden fabricar por el procedimiento pulvimetalurgico. Se suelen fabricar comenzando con un cobreado químico, sumergiendo una plancha de acero dulce en una disolución de iones de cobre. Se distribuye, a continuación, la mezcla de polvos metálicos encima de la plancha, que se introduce en el horno de sinterización, que esta a 800°C, en atmosfera de amoniaco disociado. Después la plancha, con la Aleacion sinterizada se lamina con un liquido de ataque permitido y se vuelve a sinterizar a 800°C. Las propiedades mecánicas del sistema cobre-plomo varían según la etapa del proceso de fabricación, y la microestructura de las diferentes etapas del proceso evoluciona hacia la formación de un conjunto de glóbulos de plomo embebidos en una matriz de cobre. La fase final del proceso de fabricación de estas aleaciones antifricción consiste en cortar la chapa en obleas que se acoplen a ejes. Las piezas de bronce al plomo, utilizadas como cojinetes, también se pueden fabricar a partir de polvos aleados de cobre-plomo en la proporción 70/30. Se prensan a 1.5t/cm 2 de presión y se sinterizan a 800°C. Para aumentar su densidad se calibran a 3t/cm 2. Estas piezas además de sus propiedades antifricción, se caracterizan por su resistencia a la fatiga mecánica.
También se utilizan ahora como antifricción, para las grandes cargas que han de soportar los modernos motores de combustión interna, las aleaciones de aluminioestaño, con 20-30% de estaño. Sin embargo su uso ofrece dificultades, pues para conseguir una buena distribución del estaño en la matriz de aluminio se ha de someter la Aleacion a un adecuado trabajo en frio, asociado con un recocido. Esta técnica no solo se aplica en aleaciones binarias de aluminio-estaño, que son muy blandas, sino también a las ternarias, en las que un tercer metal convierte la matriz de aluminio en una Aleacion endurecible por envejecimiento. Estas aleaciones poseen gran resistencia a la fatiga desde luego mucho más las ternarias que las binarias.