Estudio tribológico de la influencia del metal de transición en disulfuros de metales

Abstract

La tribología es una ciencia interdisciplinaria que se enfoca en estudiar la fricción, el desgaste y la lubricación de sistemas. Su aplicación es cada vez más importante debido a su potencial para mejorar la eficiencia energética y reducir los gastos operacionales. Históricamente, la forma más fácil de reducir la fricción y el desgaste es mediante la aplicación de lubricantes líquidos, pero existen situaciones en las que se necesitan lubricantes sólidos, especialmente en condiciones extremas como la aeroespacial. Los lubricantes sólidos, como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), han ganado mucha atención debido a sus propiedades excepcionales de baja fricción y desgaste en estas condiciones. Entre los métodos más prometedores para mejorar la fricción y el desgaste se encuentran la texturización de superficies y los recubrimientos de lubricantes sólidos. Estos avances técnicos en la investigación de los lubricantes sólidos están motivados por la necesidad de mejorar la eficiencia energética y reducir los costos operacionales. Con esta motivación, se decidió explorar el efecto del metal de transición en los TMDs en sus propiedades de fricción y desgaste. Para esto, se prepararon recubrimientos de 650 [nm] de espesor de MoS2, TiS2 y WS2 en sustratos de acero inoxidable AISI 304, logrando recubrimientos homogéneos para realizar pruebas tribológicas que fueran comparables y analizar el comportamiento de estos materiales. Se determinó el mecanismo y volumen de desgaste producido tras estas pruebas tribológicas. También se midieron las energías superficiales de estos materiales. Con esto, se determinó que el recubrimiento de MoS2 es el que demuestra las mejores propiedades tribológicas, generando tribo-capas homogéneas que permiten la mejor lubricación del sistema, demostrando un bajo desgaste del recubrimiento y sustrato, y mostrando la menor energía superficial, pero sobre todo, una energía de la fase polar muy cercana a 0. Los recubrimientos de WS2 mostraron el segundo mejor desempeño, mostrando algunas curvas que podrían compararse con las de MoS2. Si bien, no mostraron una tribocapa tan homogénea, demostraron tener una alta resistencia al desgaste, mostrando zonas de material compactado que evitaban el desgaste del sustrato. Finalmente, el TiS2 demostró el menor desempeño tribológico. Si bien, inicialmente demostró una reducción del coeficiente de fricción comparable con el MoS2, esta reducción no se mantuvo por mucho tiempo, llegando a un desgaste sustancial del recubrimiento y sustrato. Se encontró que los tres materiales son altamente hidrofóbicos, siendo TiS2 el más hidrofóbico, seguido de WS2 y MoS2, donde este último mostró una energía de la fase polar cercana a 0 [mN/m]. Además, se observó que el metal de transición tiene un efecto significativo en las propiedades tribológicas de los recubrimientos. Para tener un mayor entendimiento del efecto del metal de transición en los TMDs, se podría investigar el efecto de condiciones ambientales para determinar también la estabilidad química de los recubrimientos, además de añadir más variedad de TMDs para comprender mejor la fenomenología de las propiedades tribológicas de estos materiales.