Recubrimientos de sujetadores y el coeficiente de fricción

Los sujetadores para la industria automotriz deben estar protegidos contra la corrosión para garantizar una larga vida útil. Por lo general, el zinc puro o las aleaciones de zinc se utilizan como capas de protección contra la corrosión catódica que pueden proporcionar 720 horas o incluso más de resistencia a la pulverización de sal neutra, dependiendo del sistema elegido. Además, los sistemas de zinc-níquel soportan fácilmente la mayoría de las pruebas de corrosión cíclica y reducen el riesgo de corrosión galvánica.

Pero un sujetador puede tener muchos más requisitos que la protección contra la corrosión extendida.

La apariencia suele ser un criterio importante y depende del tipo de zinc o de la aleación de zinc, así como del pasivado. Puede ser incoloro, plateado, azulado, iridiscente o negro. Las capas de acabado también pueden influir y estabilizar la apariencia. Dependiendo de la aplicación final en el sujetador, otras propiedades como la dureza, la resistencia al desgaste o la conductividad eléctrica pueden entrar en juego.

Sin embargo, podría decirse que la propiedad mecánica más importante de un sujetador es un coeficiente de fricción definido (CoF).

La fricción nos rodea

Cada vez que dos objetos en contacto se mueven uno contra el otro, se involucra la fricción, a veces más, a veces menos. Por ejemplo, para que los rodamientos funcionen eficazmente, el coeficiente de fricción, a menudo simbolizado por la letra griega μ, debe ser lo más bajo posible, por lo general 0,0015. Un CoF de 0,005 - 0,03 es lo que hace que los patinadores de hielo se deslicen sobre un lago congelado. En contraste, también hay situaciones donde la alta fricción es beneficiosa. Por ejemplo, para garantizar que los automóviles puedan detenerse de manera segura, los sistemas de frenos (pastillas de freno vs. disco de freno) tienen un CoF 0,4. El valor de fricción entre los neumáticos y el asfalto en la carretera es de aproximadamente 1,0; claramente, cuanto más alto, mejor, para mantener los autos donde los queremos.

La fricción es la resistencia que una superficie u objeto encuentra cuando se mueve contra otra. Es una propiedad del sistema, y ​​todas las superficies y parámetros involucrados deben ser considerados. Para simplificar, aquí estamos discutiendo sólo la fricción de dos cuerpos. El CoF es importante para establecer la articulación y la fuerza de sujeción para mantener la articulación estable. La fuerza de sujeción está muy influenciada por la fuerza de montaje aplicada o el par. El par aplicado se distribuye a diferentes zonas de la articulación; aproximadamente el 90 por ciento resulta en fricción y solo alrededor del 10 por ciento en tensión.

¿Qué influye en el coeficiente de fricción?

Aproximadamente el 85 por ciento de los problemas de los vehículos son causados ​​por problemas de ensamblaje, y muchos de ellos están relacionados con juntas insuficientes. Por lo tanto, la calidad de los sujetadores y, más notablemente, el tratamiento de la superficie de dichos sujetadores es de gran importancia. Por eso también es importante comprender los factores que influyen y que permiten elegir el mejor sistema de tratamiento de superficie para cada aplicación.

Como se mencionó, la fricción es una propiedad del sistema y, por lo tanto, también deben considerarse otros factores. Los lubricantes no sólo reducen la fricción, sino que también controlan el valor real, siempre que otros factores permanezcan sin cambios. El tipo de capa de protección contra la corrosión también influye: un revestimiento de tipo orgánico será diferente de una capa metálica aplicada electrolíticamente. Una capa de zinc suave de aproximadamente 80 HV será diferente de una capa de zinc-níquel dura de aproximadamente 450 HV. La superficie del apoyo consiste típicamente en diferentes materiales como acero al carbono, acero de alta resistencia tratado térmicamente, aluminio y otros. Las tuercas de acoplamiento pueden ser de acero común, zincadas, fosfatadas, engrasadas, etc. Otros factores que contribuyen son el grosor de la capa, la limpieza de las superficies y la geometría de la parte/contraparte. Es importante entender que, si alguno de estos factores cambia apreciablemente, el sistema de fricción completo cambiará, al igual que el CoF.

Hay tres puntos en el ciclo de vida de un sujetador en el que la fricción juega un papel importante: primero, cuando la unión se sujeta inicialmente; segundo, durante el uso del producto ensamblado; y finalmente, cuando se desenrosca el sujetador. Algunas juntas son permanentes, lo que significa que se sujetan una vez y están diseñadas para que no se puedan destornillar nuevamente. Otras se someten a ciclos repetidos de atornillado/desatornillado durante su vida útil, como las tuercas de las ruedas.

¿Cuál es el CoF correcto?

Desafortunadamente, no hay CoF “perfecto”. Además de los factores de influencia mencionados antes, los parámetros de ensamblaje también deben tomarse en cuenta. Hoy en día, la industria automotriz generalmente solicita valores de CoF en rangos de 0,10 a 0,19, con una tolerancia aceptada de ± 0,03.

En el caso de un valor de fricción demasiado bajo (menos de 0,08), existe un riesgo potencial de que la junta se afloje. Si el CoF es demasiado alto, existe el riesgo de fuerzas de sujeción demasiado bajas, lo que puede ocasionar una falla del sujetador debido a un apriete incompleto o una fractura completa del tornillo. La industria a menudo solicita valores de fricción más altos de 0,21 o 0,24 para juntas específicas. Ésta es la principal tarea de las capas de acabado: alto CoF, pero en un rango mucho más estricto. Una superficie recubierta sin una capa de acabado puede tener un CoF comparable, pero es casi imposible de controlar dentro de ± 0,03.

Hay selladores, capas de acabado y postinmersión disponibles como tratamientos posteriores para los sujetadores con recubrimiento de aleación de zinc y/o zinc, pero ¿qué son exactamente los selladores, capas de acabado y postinmersiones en el mundo de la galvanoplastia?

Los selladores son polímeros orgánicos (acrílicos). Como sugiere el término “sellador”, su tarea principal es sellar la superficie. Esto se logra cerrando todos los poros de la superficie para mantener una separación distinta entre la capa recubierta debajo del sellador y el ambiente hostil que lo rodea. Básicamente, un sellador es “impermeabilizante” para metal. Es importante saber que los daños mecánicos, como el despostillado causado por piedras, disminuirán su efecto protector.

Las capas de acabado contienen materiales orgánicos e inorgánicos. El primero es a menudo una cera de polietileno y el último componente puede ser, por ejemplo, nanopartículas de sílice. Estas partículas de sílice de nanoescala mejoran la rehidratación del pasivado y actúan como inhibidores de la corrosión. La cera orgánica proporciona el necesario control de fricción.

Encontrar la capa de acabado óptima requiere un conocimiento exacto del sistema de tribología completo con todos los parámetros involucrados. Esto sólo es posible en un diálogo cooperativo entre el cliente y el proveedor.

Las postinmersiones como las sales de cromo son inorgánicas. Principalmente aumentan el peso de la capa de la película de pasivado y, por lo tanto, las propiedades de protección contra la corrosión. En los pasivados negros, la postinmersión llena la estructura esponjosa.

Debido a las partículas de dióxido de silicio incorporadas, ciertos productos pueden aumentar la resistencia al rocío de sal de un sujetador enchapado en 100 horas o más; esas partículas también son responsables de una propiedad de autocuración de todo el sistema. Estos productos pueden ayudar a lograr una mejor apariencia de las piezas pasivadas, ya que reducen la iridiscencia de los pasivados azules o transparentes y ayudan a obtener pasivados negros más uniformes y profundos. El tipo y la cantidad de cera son responsables de controlar el coeficiente de fricción. Por lo tanto, un CoF personalizado puede diseñarse de acuerdo con los requisitos del cliente. La varianza típica es de ± 0,03.

La fricción es crítica para el montaje y, por lo tanto, un parámetro de calidad para los sujetadores. Nuevamente, no es un solo parámetro sino un sistema complejo que necesita ser analizado a fondo. Las capas superiores pueden controlar la fricción de los sujetadores en rangos estrechos, independientemente de si se requiere fricción alta, media o baja. Se pueden adaptar a los requisitos del cliente, y hay diferentes formulaciones disponibles para diferentes usos, como la sujeción contra el acero y/o el aluminio.

 

Rainer Venz es director general de Coventya International GmbH en Alemania. Visita coventya.com.