Materiales de baja fricción para cojinetes
La fricción en un cojinete de deslizamiento la fija el par de superficies y lo que hay entre ellas. Unos pocos materiales tienen baja fricción contra el acero por sí mismos, sobre todo el PTFE, el grafito y el MoS₂, y el diseño de cojinetes es en gran medida el arte de colocar uno de ellos en la interfaz mientras algo más resistente soporta la carga.
Los sólidos de menor fricción contra el acero son el PTFE (μ ≈ 0.04–0.10 en seco), el grafito y el MoS₂ (≈ 0.05–0.15), seguidos del POM y el UHMWPE (≈ 0.15–0.30) y el nylon (≈ 0.20–0.40). El bronce sobre acero da ≈ 0.10–0.20 lubricado. Ninguno de los sólidos de baja fricción es lo bastante resistente para soportar cargas altas por sí solo, así que los bujes los combinan con una estructura de bronce o de acero: capas de PTFE y de POM sobre acero, insertos de grafito en bronce, aceite en bronce sinterizado.
- El coeficiente de fricción es una propiedad del par y de las condiciones (carga, velocidad, temperatura, lubricante), no de un material aislado
- Bujes compuestos de PTFE: μ 0.02–0.20 en seco; compuesto de POM 0.05–0.25 engrasado; bimetálico de bronce 0.04–0.15 lubricado; bronce fundido 0.08–0.15 engrasado
- Baja fricción y bajo desgaste son propiedades distintas: el PTFE tiene la fricción más baja, pero sin relleno se desgasta rápido; por eso se usa como capa delgada con relleno
- Una película de lubricante supera a cualquier sólido: una película de aceite completa da μ ≈ 0.001–0.01, y por eso los cojinetes rápidos se alimentan con aceite
Materiales comparados
Rangos representativos contra acero, tomados de la literatura de tribología y de las fichas técnicas de bujes de este sitio; los valores reales dependen de la carga, la velocidad, la temperatura, el acabado superficial y la contaminación.
| Material | μ en seco contra acero | μ lubricado | Resistencia al desgaste | Capacidad de carga | Temperatura | Uso en bujes |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PTFE (con relleno) | 0.04–0.10 | 0.02–0.05 | Baja sin relleno, buena con relleno | Baja por sí solo | −200 a +260 °C | Capa de deslizamiento de los bujes compuestos de PTFE |
| Grafito | 0.05–0.15 | — | Buena | Baja por sí solo | Hasta 400 °C en aire | Insertos en los bujes de bronce con grafito |
| MoS₂ | 0.05–0.10 | — | Buena | Baja por sí solo | Hasta 350 °C en aire | Aditivo en capas de PTFE e insertos |
| POM (acetal) | 0.15–0.30 | 0.05–0.10 | Buena | Moderada | Hasta 100–130 °C | Capa de deslizamiento de los bujes compuestos de POM; bujes macizos |
| UHMWPE | 0.10–0.20 | 0.05–0.10 | Muy buena (abrasión) | Baja | Hasta 80 °C | Bujes de plástico macizo y revestimientos |
| Nylon (PA) | 0.20–0.40 | 0.05–0.15 | Buena | Moderada | Hasta 100 °C | Bujes de plástico macizo |
| Bronce (C93200) | 0.25–0.35 | 0.08–0.15 | Buena | Alta | Hasta 250 °C | Bujes de bronce fundido, enrollado y sinterizado |
| Bronce sinterizado + aceite | — | 0.05–0.15 | Buena | Baja–moderada | Hasta 90 °C | Bujes impregnados en aceite |
| Bimetálico CuPb10Sn10 | — | 0.04–0.15 | Muy buena | Muy alta | Hasta 250 °C en aceite | Bujes bimetálicos |
| Acero endurecido | 0.5–0.8 (se agarrota) | 0.10–0.15 | Excelente | Muy alta | Hasta 350 °C | Bujes de acero endurecido, engrasados |
Por qué el material de baja fricción siempre es una capa
El PTFE fluye bajo unos pocos N/mm², el grafito es frágil y el POM se dilata y se ablanda con el calor. Usados solos, dan bujes mediocres. Unido como capa delgada a un respaldo de acero a través de bronce poroso, el PTFE soporta 250 N/mm² estáticos porque el camino de la carga a través de la capa mide solo unas centésimas de milímetro; insertado en bronce fundido, el grafito lubrica un buje que soporta 50–100 N/mm² porque la carga la lleva el bronce, no el grafito. El diseñador de cojinetes separa la función de soportar la carga de la de reducir la fricción, y encarga cada una al material que mejor la cumple.
Cuándo una película de lubricante supera a todos los sólidos
A velocidad y con suministro de aceite, un cojinete de deslizamiento forma una película hidrodinámica que separa por completo las superficies; la fricción baja a 0.001–0.01 y el desgaste desaparece. Por eso los cojinetes rápidos, los de motores, cajas de cambios y bombas, se alimentan con aceite y se fabrican en bimetálico o en bronce, no en PTFE. Por debajo de unos 0.5 m/s no se forma película y el cojinete trabaja en lubricación límite con lo que haya en la interfaz: la grasa y el propio bronce, o un sólido autolubricante. Los sólidos de baja fricción importan en el régimen lento, seco, caliente y sin mantenimiento, que es donde viven la mayoría de los bujes.
Cómo elegir un buje de baja fricción
Primero el régimen, después el material.
- En seco, cualquier temperatura, carga moderada. Compuesto de PTFE: la fricción más baja disponible en un buje, 250 N/mm² estáticos, de −195 a +280 °C.
- En seco, pesado, lento, caliente. Bronce con insertos de grafito: 50–100 N/mm², hasta 400 °C, a ≤ 0.5 m/s.
- Engrasado una vez, PV alto, carga en los bordes. Compuesto de POM: 22 N/mm²·m/s con aceite, capa tenaz, hasta 130 °C.
- Alimentado con aceite, rápido. Bimetálico: μ 0.04–0.12 sobre película, 8–15 m/s.
- Ligero, silencioso, económico, sin corrosión. Bujes macizos de POM, nylon o UHMWPE, o bronce sinterizado.
Preguntas frecuentes
¿Qué material tiene el coeficiente de fricción más bajo?
Entre los sólidos de ingeniería, el PTFE: alrededor de 0.04–0.10 en seco contra acero, y menos con relleno y ya asentado. El grafito y el MoS₂ están cerca. Una película hidrodinámica de aceite los supera a todos, con 0.001–0.01.
¿Por qué no fabricar todo el buje de PTFE?
El PTFE fluye bajo carga y conduce mal el calor. Como capa delgada sobre un respaldo de acero soporta 250 N/mm²; como buje macizo soporta una pequeña fracción de eso y fluye en frío.
¿Baja fricción es lo mismo que bajo desgaste?
No. El PTFE tiene la fricción más baja y, sin relleno, una de las tasas de desgaste más altas. Los materiales para bujes se rellenan, se disponen en capas o se insertan para conseguir ambas cosas.
¿Cuál es la fricción de un buje de bronce?
Alrededor de 0.08–0.15 engrasado en lubricación límite; menor sobre una película de aceite a velocidad; 0.25–0.35 en seco, que es un modo de falla, no un punto de diseño.
¿Qué buje tiene la fricción más baja?
Entre los tipos de funcionamiento en seco, un buje compuesto de PTFE (0.02–0.20 según carga y velocidad); entre los lubricados, un buje bimetálico alimentado con aceite sobre película completa.
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