Fluidos iónicos en lubricación de contactos aluminio-acero : interacciones superficiales y triboquímicas

Abstract

[SPA] Los líquidos iónicos (LI) son fluidos de altas prestaciones con un amplio rango de estabilidad térmica. Actualmente están siendo objeto de estudio en una gran variedad de contactos, siendo una de sus aplicaciones tribológicas más interesante la lubricación del contacto aluminio-acero. En este trabajo se estudia la influencia de la longitud de la cadena lateral del catión y de la naturaleza del anión sobre la capacidad lubricante de 6 LI derivados del catión imidazolio, un derivado de piridinio y un derivado de fosfonio. Estos materiales se han estudiado por primera vez como lubricantes puros y como aditivos al 1% en condiciones variables de velocidad, carga y temperatura en ensayos de punzón sobre disco en contactos de acero AISI 52100 - aluminio ASTM 2011. En este trabajo presentamos el primer estudio de los LI como lubricantes bajo condiciones extremas de temperatura. El comportamiento de los LI ha sido comparado con un aceite mineral y con el éster sintético propilenglicol dioleato. En estas condiciones, los LI muestran valores de fricción y desgaste menores que los lubricantes convencionales a todas las temperaturas. Como aditivos al 1% de un aceite mineral, se han determinado las condiciones de lubricación óptima, así como las transiciones entre distintos regímenes y mecanismos de desgaste. También se ha estudiado el comportamiento de los LI como aditivos al 1% en el aceite sintético. Debido a la baja miscibilidad de los LI con el aceite base a temperatura ambiente, solo se ha conseguido reducir la fricción y el desgaste para los ensayos a 100 ºC. Se ha establecido una relación entre la polaridad del aditivo y el índice de desgaste. La utilización de un aditivo LI más soluble en el aceite sintético, como es el derivado de fosfonio, no consigue una reducción de los valores de fricción y desgaste, debido a que se produce una competición entre los procesos de solvatación y adsorción. Para el estudio de los mecanismos de desgaste y de los procesos triboquímicos que tienen lugar en el contacto se han utilizado las técnicas de microscopía electrónica (SEM), espectroscopía de energías dispersivas (EDS) y de fotoelectrones (XPS). Finalmente, se ha estudiado el comportamiento de tres aleaciones de aluminio en ensayos de corrosión y de erosión-corrosión. En ensayos de inmersión en LI puros, la aleación 2011 muestra una buena resistencia a la corrosión. Sin embargo, la dilución en agua del tetrafluoroborato de 1-etil, 3-metilimidazolio produce la hidrólisis de su anión y la corrosión del aluminio. En los ensayos de erosión-corrosión en disolución de tetrafluoroborato de 1-etil, 3-metilimidazolio, aunque las tres aleaciones muestran una buena resistencia (con un grado de corrosión < 0,2 mm/año), su comportamiento está relacionado con el contenido en cobre, aumentando la corrosión al aumentar el porcentaje en cobre. Las superficies se han caracterizado mediante SEM, EDS, XPS y difracción de rayos X.

[ENG] Room-temperature ionic liquids (ILs) are high performance fluids with a wide thermal stability range. They are being studied as new lubricants in a variety of sliding contacts. One of their more interesting tribological applications is that of steel-aluminium lubrication. In this work we study the influence of the lateral alkyl chain length and of the anion on the lubricating ability of six imidazolium ILs, a pyridinium and a phosphonium derivative. For first time, these ILs have been studied as neat lubricants and as 1wt.% base oil additives in variable conditions of velocity, load and temperature in pin-on-disk tests for AISI 52100 steel-ASTM 2011 aluminium contacts. In this work we present the first study of ILs as lubricants under extreme temperature conditions. The tribological performance of ILs has been compared with that of a mineral oil and of a synthetic ester. Under these conditions, ILs show lower friction and wear values than conventional oils at all temperatures. As 1wt.% additives, the conditions of optimum lubrication and the transitions between regimes and lubrication mechanisms have been determined. We have also studied the performance of ILs as 1wt.% additives of the synthetic oil. A relationship between additive polarity and wear index has been established. If the more soluble phosphonium IL additive is used, no friction or wear reduction takes place due to competition between solvation and adsorption processes. Electronic microscopy (SEM), energy dispersive (EDS) and X-ray photoelectron (XPS) spectroscopies have been used to study the wear mechanisms and tribochemical processes that take place in the contact. Finally, we have studied the performance of three aluminium alloys in corrosion and erosion-corrosion tests. In immersion tests with free-water ILs, the aluminium alloy 2011 shows a good resistance to corrosion, but dilution of 1-ethyl, 3-methylimidazolium tetrafluoroborate in water produces the hydrolysis of the anion and the corrosion of the aluminium alloy. In erosion-corrosion tests, although the three alloys show a good corrosion resistance (≤0.2 mm/year) their performance is related to the copper content, with higher rates at higher copper percentages. The surfaces have been characterized by SEM, EDS, XPS and X-ray diffraction (XRD).