Principios de Lubricación (página 2)

Se conoce como friccion a la fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies .Esta fuerza es la que permite nuestra subsistencia en el planeta ya que nos permite caminar y nos permite diseñar maquinas que rueden ,frenen, se mantengan fijas en un sitio,etc.

Existen 2 tipos de friccion: estatica y dinámica siendo la estatica mayor que la dinámica la diferencia entre ambas radica en el movimiento., por ejemplo :

La friccion que mantiene a una mesa en su sitio, y la que permite la rodadura de los neumáticos de un vehículo es la estatica.

La friccion dinámica se presenta entre 2 superficies en movimiento relativo su magnitud depende de los factores siguientes:

Naturaleza de las superficies : El coeficiente de friccion es diferente para cada material

Acabado de las superficies: Mientras mas rugosas sean las superficies ,mayor es la fuerza de friccion

Carga: La fuerza de friccion es directamente proporcional a la carga y no depende del área de las superficies en movimiento relativo.

CONSECUENCIAS DE LA FRICCION

La friccion que ocurre entre 2 superficies que están en movimiento relativo genera desgaste por las asperezas que entran en contacto y a su vez producen un incremento considerable en la temperatura .El desgaste producido se refleja como pequeñas partículas metálicas desprendidas que a su vez generan un desgaste mayor ,modificando las tolerancias de los elementos de la maquina. Lo anterior se traduce en ruido ,deterioro de los equipos ,gastos de mantenimiento y reducción en la producción

LUBRICACION

Para reducir los efectos de la friccion ,se separan las superficies incorporando entre ellas sustancias que la minimizan ,denominadas lubricantes. Las funciones principales de los lubricantes se resumen en:

*Separar las superficies ( función principal)

*Reducir el desgaste

*Refrigerar o retirar el calor

*Mantener en suspensión a las partículas contaminantes

*Neutralizar ácidos

*Sellar para evitar la entrada de contaminantes

*Proteger contra la herrumbre y la corrosión

*Otras

TIPOS DE LUBRICANTES

Para mantener las superficies separadas se utilizan gases,liquidos,semisólidos o sólidos.

GASES

Cuando se inyectan a presión ,se utilizan para lubricar elementos que requieren de movimientos muy precisos como ejemplo:

En los soportes que permiten el movimiento de rotación de los grandes telescopios.

Cuando colocamos una gota de agua sobre una superficie muy caliente ,observamos como esta se desplaza con mucha facilidad como si estuviera flotando. Lo que ocurre en este caso es que la parte inferior de la gota que esta en contacto con la superficie se evapora, por lo que la gota no entra en contacto con esta y " flota" sobre un colchón de vapor.

LIQUIDOS

Los líquidos son el tipo de lubricante de uso mas común, por sus características físicas .Por ser fluidos ,permiten ser manipulados y transportados con facilidad al lugar donde deben cumplir su función .además son excelentes para transportar y disipar el calor generado durante la operación de los equipos y recubren uniformemente las superficies ,lo que brinda protección contra la corrosión y la herrumbre a la vez que pueden ser filtrados para retirar las partículas contaminantes( ingresadas al sistema o generadas por el desgaste) que mantienen en suspensión.

SEMISOLIDOS ( ver capitulo 7 )

SÓLIDOS

Bajo condiciones extremas de temperatura o carga, que los líquidos no resisten ,se utilizan sólidos de bajo coeficiente de friccion para minimizar el contacto entre las superficies y por lo tanto el desgaste. Entre los sólidos lubricantes se pueden mencionar : el grafito, el desulfuro de molibdeno, la mica, algunos polímeros y en algunos casos extremos ciertos tipos de silicatos .Estos últimos son utilizados en algunas aplicaciones de metalmecánica donde las temperaturas exuden la de fusión del vidrio convirtiéndolo en un lubricante liquido Ej. : laminación en caliente de metales ferrosos)

TIPOS DE PELICULAS LUBRICANTES

Dependiendo de las características del diseño de los elementos lubricados y de las condiciones de operación ,se logran variaciones en las películas lubricantes ,que pueden ser fluidas ,capa limite o solidas:

PELÍCULAS FLUIDAS

Se denominan películas fluidas aquellas donde se logra una separación total y efectiva de las superficies que se encuentran en movimiento relativo, utilizando un lubricante liquido.Estas películas, según la naturaleza del movimiento relativo y de la carga, pueden ser:

PELÍCULA HIDRODINAMICA

Este tipo de película es muy común en cojinetes planos donde, bajo condiciones optimas de operación, se produce un arrastre del aceite por el movimiento de giro del eje que incorpora al aceite entre ambas superficies .El espesor normal de esta cuña lubricante es de aproximadamente 25 micrones .Para tener una referencia ,el diámetro de un glóbulo rojo de la sangre esta por el orden de los 5 micrones.

PELÍCULA HIDROSTATICA

En elementos de maquinas donde las características del movimiento relativo no permiten la formación de la cuña lubricante ,se recurre a una fuente externa de presión para lograr la separación. En la mayoría de los casos se utiliza una bomba de aceite para forzar al lubricante entre los elementos ,creando la cuña que separa las superficies.

PELÍCULA ELASTOHIDRODINAMICA

Bajo condiciones severas de carga se produce una deformación elástica de la superficie similar a la que observamos en una llanta de un vehículo en la zona de contacto con el pavimento, esta deformación se traduce en un aumento en el área de carga con la consecuente reducción de la presión entre ambas superficies .Adicionalmente a este efecto tenemos que el aceite que separa ambas superficies sufre un incremento en su viscosidad por efecto de la presión .Ambos efectos combinados ,el aumento del área de carga y de la viscosidad ,mantienen ambas superficies totalmente separadas ,de ahí el nombre de este tipo de película : ELASTO por la elasticidad del material e HIDRODINAMICA por la separación hidráulica por efecto del movimiento relativo. Este tipo de película lubricante tiene espesores que oscilan entre 0.25 y 1.5 micrones de espesor

PELÍCULA DE COMPRESION

Si colocamos aceite sobre una superficie horizontal y luego colocamos un objeto con cierto peso sobre el aceite ,observamos como el aceite se fuga progresivamente permitiendo, después de cierto tiempo el contacto entre ambas superficies .Si el objeto esta sometido a un movimiento cíclico ( acercarse y alejarse repetidas veces de la superficie horizontal ) se podrá evitar el contacto entre ambas superficies.

Ejemplos de películas de compresión los encontramos entre:

El pasador del pistón de un motor y el mismo pistón o la biela ,entre el balancín o martillo y la parte superior de la válvula ( motores) ,etc.

PELÍCULA MIXTA O CAPA LIMITE

No todos los elementos de maquinas se encuentran lubricados bajo el régimen de alguna de las películas fluidas descritas anteriormente ,donde no existe contacto entre los elementos que están en movimiento relativo y, teóricamente no existe desgaste .Existen elementos que no pueden ser suministrados continuamente con aceite u otro tipo de lubricante o en los que, por variaciones en las condiciones de diseño( carga,velocidad,temperatura,viscosidad del aceite) , se ha modificado el espesor de película a tal punto que se produce el contacto entre ambos metales ya sea parcial o totalmente. Este tipo de película lubricante obviamente no es deseable pero en la realidad ,son muchos los equipos donde se presenta ,notándose por un desgaste prematuro de los elementos y un incremento en la temperatura de operación.

PELÍCULA SOLIDA

Los aceites y las grasas tienen rangos de temperaturas de operación : a temperaturas muy bajas tenderían a " congelarse" perdiendo su propiedad de lubricante y a temperaturas muy elevadas se oxidarían ,evaporarían o inflamarían .bajo estas condiciones de operación ,se recurre a los lubricantes sólidos que poseen coeficiente de friccion muy bajos ,reduciendo considerablemente el desgaste. Los sólidos de uso común son:

Grafito,disulfuro de molibdeno y mica .Estos minerales tienen una estructura laminar similar a un paquete de naipes, lo que les permite recubrir las superficies para mantenerlas separadas. Numerosas pruebas de campo han demostrado que estos sólidos están contraindicados para operaciones a altas velocidades.

Otro lubricante solido es el PTFE ( teflón) . Conocido como el solido con el coeficiente de friccion mas bajo, es utilizado en aplicaciones especificas de cargas o temperaturas extremas .

También se utilizan los sólidos para lubricar aquellos elementos de maquinas de movimiento muy esporádico o sometidos a una combinación de elevadas cargas y bajas velocidades donde los lubricantes fluidos tenderían a escurrirse.

FACTORES QUE AFECTAN LA LUBRICACIÓN

Existen una serie de variables operacionales que modifican el espesor de la película lubricante. Si no se controlan adecuadamente ,se puede correr el peligro de una reducción del espesor de la separación con el consecuente contacto metal-metal y el desgaste prematuro del equipo. Estas variables son:

CARGA

Un incremento en la carga tiende a obligar al aceite a " salirse" de entre las dos superficies acercándolas cada vez mas. Este efecto se puede evitar incorporando entre ambas superficies un fluido con mayor resistencia a fluir ( mayor viscosidad). Por el contrario ,si se reduce la carga en un equipo, se puede reducir la viscosidad del aceite y mantener aun así la separación entre ambas superficies.

En conclusión ,a mayor carga mayor viscosidad y viceversa. Esta ley aplica para elementos de maquina que estén sometidos a vibración ( sucesión de cargas de impacto) o que tengan una reducción en el área de carga ya sea por desalineación o por desgaste excesivo. En estos casos se puede recurrir al uso de un lubricante de mayor viscosidad para incrementar el espesor de la película y reducir el desgaste si no se pueden implementar los correctivos mecánicos de forma inmediata.

VELOCIDAD

Los elementos lubricados que operan a altas velocidades no permiten mucho tiempo al lubricante para fugarse de entre las dos superficies, por lo que bastaría con un lubricante de baja viscosidad ( baja resistencia a fluir) mantener las superficies separadas .El caso contrario se presenta con los elementos que operan a bajas velocidades ,donde hay mucho tiempo para que se fugue el lubricante por lo que se requiere un aceite con mucha resistencia a fluir ( alta viscosidad). En conclusión: se requieren lubricantes de baja viscosidad para lubricar elementos que operan a elevadas velocidades y viceversa.

Esta ley se utiliza para reemplazar la viscosidad del fluido lubricante en forma inversa a la modificación de la velocidad del equipo.

Un ejemplo practico se puede esquematizar con lo que ocurre con un vehículo que se desplaza en línea recta sobre una superficie mojada .En la parte delantera de los neumáticos se produce una pequeña ola de vague que es desplazada continuamente hacia los lados, manteniendo el contacto entre el neumático y el pavimento .Si incrementamos la velocidad del vehículo y a pesar de la baja resistencia a fluir del agua ,no habrá tiempo suficiente para que el agua se fugue por los lados ,por lo que se producirá el ingreso de la cuña del liquido entre ambas superficies ,perdiendo el control .Si los neumáticos son mas anchos ( sin ranuras) se requerirá mas tiempo para que el agua alcance los bordes ,produciéndose la cuña de agua incluso a velocidades inferiores .

Por otra parte ,si se sustituye el agua por un fluido mas viscoso como por ejemplo aceite ,este tardara mas tiempo para desplazarse hacia los extremos de las llantas , por lo que se lograra la separación de ambas superficies a una velocidad inferior a la requerida con agua.

TEMPERATURA

La viscosidad de todo aceite se reduce al calentarse .esto debe ser considerado para equipos que operen a temperaturas diferentes a las de diseño ,donde se deberá contemplar la selección de un lubricante de mayor o menor viscosidad ,según sea el caso .Por lo tanto se requerirá un lubricante de mayor viscosidad para altas temperaturas y viceversa.

Esta grafica muestra la relación de la friccion con la velocidad ,carga y viscosidad:

Un incremento en la viscosidad o en la velocidad nos desplaza hacia la derecha en la curva, mientras que un incremento en la carga hacia la izquierda. A medida que nos desplazamos hacia la derecha en la curvase incrementa el espesor de la cuña lubricante, lo que se puede lograr ya sea, incrementando la velocidad, incrementando la viscosidad o disminuyendo la carga.

En la porción de la curva entre el punto A y la intersección B, se presenta una película lubricante mixto, lo que indica contacto entre las superficies deslizantes por ser la velocidad o la viscosidad muy baja o bien por lo que la carga es muy elevada. Esto se refleja por el valor elevado de la friccion.

A la derecha de la línea B, se obtiene una cuña lubricante que separa efectivamente las superficies que se encuentran en movimiento relativo, mostrando una tendencia de incremento de fricción, en este caso fluida, como consecuencia del incremento en la viscosidad y/o velocidad o un descenso en la carga. A medida que se avanza hacia la derecha en la curva, se tiene una cuña lubricante excesiva que se traduce en friccion fluida.

El punto óptimo de operación estaría ubicado en la zona cercana a la intersección de la curva con la línea B donde no existe friccion solida y la friccion fluida es mínima.

No obstante, resulta conveniente controlar estas variables (velocidad, viscosidad y carga) para operar en un punto a la derecha del punto minimo para mantener un margen de seguridad que permita garantizar una película hidrodinámica con fluctuaciones de velocidad, viscosidad (por temperatura) y carga.

Ejemplo practico de aplicación de la curva:

Un reductor o caja de engranes cerrado que debería de estar operando a 55 º C se encuentra operando a 70º C, sin haber una fuente externa de calor que genere este incremento en la temperatura. Esta variación significativa en la temperatura de operación indica que existe una anomalía que debe ser corregida para evitar daños en el equipo. El exceso de temperatura es un indicio de friccion que puede ser tanto solida (contacto metal-metal) como fluida .En la mayoría de los casos resulta casi imposible modificar tanto la velocidad como la carga a la que opera el equipo por lo que resta únicamente la viscosidad del lubricante como factor de corrección del problema (salvo fallas mecánicas como desalineación, vibración o desgaste excesivo que en definitiva se traducen como sobrecarga).

La línea C en la grafica representa el ejemplo mencionado. Como se puede observar, esta línea corta la curva en dos puntos: uno en la zona de película mixta y uno en la zona de película fluida, por lo tanto se tiene que el exceso de temperatura se puede originar por la friccion del contacto entre los metales o por friccion fluida excesiva y la solución al problema podría ser incrementar en la viscosidad para el primer caso o reducir la viscosidad para el segundo.

La solución definitiva se podría manejar de dos formas:

• Analizar el contenido de metales de una muestra del lubricante en uso .Si el contenido esta muy por encima de los valores permisibles, se podría considerar que el desgaste proviene del contacto metal-metal por lo que la acción correctiva consistiría en cambiar el lubricante por uno de mayor viscosidad.

El valor de contenido de metales en el aceite también se puede ver afectado por el tiempo de uso del aceite. De ser minimo el contenido de metales de desgaste, la solución seria utilizar un lubricante de menor viscosidad ya que se podría concluir que el equipo estaba trabajando a la derecha de la zona fluida.

• Si no se tiene acceso a un laboratorio para determinar el contenido de metales, se podría extraer el aceite del reductor y determinar presencia de metales por inspección visual (sedimentos o utilizando un iman si los engranajes son de material ferroso). En caso de no estar seguro de la acción a tomar con la viscosidad, se recomienda como la mejor práctica incrementar la viscosidad en primera instancia, ya que así se incrementa el espesor de la cuña lubricante. Si el equipo se encontraba operando en la zona de película mixta, el incremento en viscosidad generaría un aumento adicional en la temperatura que trae como consecuencia una vida reducida del aceite y mayor consumo energético. En cambio que si se cambia inicialmente el lubricante por uno de menor viscosidad se puede correr el riesgo de desgaste excesivo acelerado si el equipo se encontraba operando en la zona de película mixta.

Capitulo 2

VISCOSIDAD

La viscosidad es la propiedad más importante de cualquier tipo de lubricante, por ser el factor primordial en la formación de la cuña lubricante que separa las superficies.

Se puede definir la viscosidad, como una medida de la resistencia a fluir o a permitir el movimiento de un determinado fluido, a una temperatura establecida.

Por ejemplo:

Si la viscosidad es muy baja o el fluido "muy delgado", el lubricante se fugara de las superficies metálicas en movimiento, permitiendo el contacto entre ellas .Si la viscosidad es muy alta o el fluido" muy grueso" requerirá (durante el arranque del equipo) mas tiempo para fluir a los elementos que requieren ser lubricados y además se requerirá mayor cantidad de energía para moverlo, ocasionando desgastes indeseables durante el inicio del movimiento y un excesivo consumo de energía. No obstante, se formara la película lubricante que separara ambas superficies. El consumo adicional de energía se traduce en calor que a su vez degrada al aceite modificando sus propiedades lubricantes por lo tanto, es fundamental una correcta selección de la viscosidad que por lo general la establece el FABRICANTE de los equipos, en función del diseño, la ingeniería de los materiales y las condiciones de operación (velocidad, temperatura, carga).

Obligatoriamente es imprescindible definir la viscosidad a una temperatura específica, ya que esta propiedad varía inversamente proporcional con la temperatura, es decir, a mayor temperatura menor viscosidad y viceversa.

Newton determino que muchos fluidos (newtonianos) se comportan de esta manera y tal observación le permitió definir la ley de Newton de los fluidos viscosos, cuya principal significación es que el esfuerzo cortante, a cualquier elemento de corte es mayor o menor ,de acuerdo con que el fluido presente sea de mayor o menor viscosidad., en otras palabras ,la viscosidad de un fluido es la medida de su resistencia interna al corte.

La viscosidad es normalmente expresada por diferentes escalas .La Viscosidad Dinámica Absoluta, en términos de unidades fundamentales de masa, longitud, y tiempo tiene el valor de:

Viscosidad Dinámica Absoluta = M / L.T

En el sistema métrico C.G.S. (gramo/centímetro segundo) la unidad de viscosidad dinámica absoluta tiene el valor de: dina.seg/cm 2. Esta unidad es llamada Poise en honor al francés Poiseuille. La unidad derivada es el centipoise (cp.), la cual es la centésima parte de un Poise, por ejemplo: 1cP = 0.01 Poise (g /cm .seg).

En la práctica, la viscosidad Cinemática Absoluta es más ampliamente usada que la Viscosidad Dinámica Absoluta y puede ser determinada más fácilmente. Por definición:

Viscosidad Cinemática Absoluta = Viscosidad Dinámica Absoluta / Densidad

En el sistema C.G.S. la unidad de viscosidad cinematica absoluta es el Stokes ( S) en honor al ingles Stokes .igualmente, existe la unidad derivada ,el cientistokes (cst),la cual es la centésima parte de un Stokes, por ejemplo: 1cS ( mm2/ seg) = 0.01 S( cm2/seg) . En términos de unidades fundamentales, la viscosidad cinemática absoluta tiene las dimensiones:

Viscosidad Cinemática Absoluta = L2/T.

Como una referencia, la viscosidad del agua a 20 º C es aproximadamente de un cientistokes

Existen diversas técnicas para la medición de la viscosidad pero las más comunes, la medición es hecha a trabes de viscosímetros convencionales, los cuales se basan en el tiempo transcurrido al desalojarse un volumen de aceite por un orificio o tubo capilar de diámetro predeterminado.

El tiempo medido generalmente en segundos, es referido a coeficientes o tablas para expresar la viscosidad en unidades absolutas o empíricas como Saibolt, Redwood o grados Engler. Sin embargo, la viscosidad es normalmente expresada como viscosidad cinematica reportada en contestones a 40º C y 100º C una tabla de conversiones se presenta en el apéndice.

SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE LA VISCOSIDAD

CLASIFICACIÓN ISO PARA ACEITES INDUSTRIALES

La Iso (Organización de Normalizacion Internacional), debido a la existencia de varios sistemas de clasificación, género un único sistema para evitar las tablas de conversión de un sistema a otro. Las características de esta clasificación son las siguientes:

• Posee 18 grados de viscosidad, desde 2 hasta 1500 cts. a 40º C

• Cada grado se designa por el número entero más próximo a su viscosidad cinematica media.

• Cada grado representa un intervalo de viscosidad generado a partir de su viscosidad cinematica media mas o menos (+ – 10 %) de este valor.

CLASIFICACIÓN AGMA PARA ACEITES PARA ENGRANAJES

La asociación Americana de fabricantes de Engranajes (AGMA) posee dos clasificaciones de viscosidad para engranajes de uso industrial: Cerrados (AGMA 250.04) y abiertos (AGMA 251.02) ver apéndice para los siguientes tipos de aplicación:

Protección a la herrumbre y oxidación (R&O), protección extrema presión (EP). En el primer caso incluye los compuestos (compounded) donde la aditivación esta basada en ácidos grasos y se recomiendan frecuentemente para engranajes del tipo sinfín generalmente construidos de bronce.

CLASIFICACIÓN AGMA PARA ACEITES PARA ENGRANAJES

CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE MOTOR

SAE (sociedad Americana de Ingenieros) define la clasificación de viscosidad de aceites de uso automotor.

Esta clasificación define los límites para once grados de viscosidad distribuidos en dos series:

Con la letra "W" asociada, están definidos por la temperatura baja de Carter y de bombeabilidad (condición de invierno), además de un minimo a 100º C. Sin la letra "W" están caracterizados únicamente por un rango de viscosidad a 100º C. (condición de verano). Están viscosidades se definen como aceites mono grado y cuando se conbinan las características de ambas series, como multigrados. Los grados 20,30 y algunos multigrados (Ver Tabla siguiente), especifican viscosidad de alto corte a 150 º C para simular la estabilidad de la viscosidad en cojinetes y anillos y cilindros bajo condiciones severas de operación.

CLASIFICACIÓN SAE PARA LUBRICANTES DE TRANSMISIONES MANUALES Y DIFERENCIALES.

Este sistema establece: grados de invierno 75W ,80W,y 85W determinados por la máxima temperatura baja a la cual alcanzan una viscosidad de 150.000 ,medida en centipoise. Grados de verano 90,140, y 250 definidos por un rango de viscosidad a 100 ºC en contestones y las combinaciones de los grados de invierno y verano para dar origen a los aceites multiclima ,siendo en estos casos los mas recomendados por los fabricantes el SAE 80w90 y 80w140 .Grados semi sintéticos se encuentran como SAE 75w90 y 80w140.

NR = no requerido

Índice de Viscosidad: Todos los aceites varían de viscosidad con la temperatura pero dependiendo de su origen, en mayor o menor cantidad .Debido a esta observación, fue necesario definir el termino "índice de viscosidad" y para establecerlo, se mide la viscosidad a dos temperaturas referenciales ,40ºC y 100ºC. Originalmente se asigno una escala arbitraria donde un aceite con el menor cambio se le otorgo el valor de 0. De este modo, dependiendo de su tipo, todos los aceites tendrían un índice de viscosidad entre estos dos valores. Con las mejoras de las técnicas de refinación y el desarrollo de los aditivos mejoradores de índice de viscosidades posible contar con aceites de índice de viscosidad mayor a 100.

Igualmente con el desarrollo de los aceites sintéticos. En general, se consideran aceites de bajo índice de viscosidad aquellos con valores entre 15 y 30.Indice de viscosidad intermedio entre 30 y 85. Índice de viscosidad alto entre 85 y 100 e índice de viscosidad muy alto a los mayores a 100. Existen básicos con índice de viscosidad negativo, lo que refleja que su índice es inferior al de referencia que estableció el valor cero.

Capitulo 3

ACEITES LUBRICANTES

COMPOSICIÓN:

Todos Los Aceites Lubricantes se fabrican mezclando aceites con cantidades relativamente pequeñas de aditivos y dependiendo de las características de ambos, se producirá un determinado lubricante para una aplicación específica. En algunos casos, el lubricante puede consistir solamente de aceites básicos.

ACEITES BÁSICOS

Los aceites básicos se clasifican de acuerdo a su fuente de origen: mineral, producto de la refinación del petróleo. Sintético, producto de reacciones químicas controladas entre dos o mas componentes.

Los aceites básicos poseen características inherentes a su origen y en el caso de los aceites minerales, estás dependen del tipo de petróleo crudo y de los métodos de refinación del mismo. En el caso de los sintéticos, de los componentes que intervengan en su formación.

ACEITES BÁSICOS DE ORIGEN MINERAL

Dependiendo del tipo de petróleo crudo que se refina:

Parafinico, naftemico o aromatico., se obtiene un aceite básico con la denominación correspondiente .En la fabricación de aceites lubricantes se utilizan principalmente básicos parafinados y en menor proporción básicos naftemicos. Los básicos aromáticos no son utilizados para producir lubricantes debido a propiedades indeseables como bajo índice de viscosidad, bajo punto de inflamación ,alta rata de evaporación e incompatibilidad con sellos y gomas.

Aceites básicos Parafinados: estos son los mas importantes en la fabricación de aceites lubricantes por sus características de: Alto índice de viscosidad (entre 85 y 100), alto punto de inflamación y por lo tanto menor tendencia a la evaporación y, buena estabilidad a la oxidación. Existen dos tipos de bases obtenidas de la destilación atmoferico de los crudos parafinados , las cuales son nuevamente destiladas a la temperatura y vacio para luego aplicarle " extracción por solvente" y de esta forma retirarle ceras e impurezas ., obteniéndose bases con un rango de viscosidades desde 3 cts. Hasta 14 cts. A 100 ºC Las "Bright Stock" son la porción residual de la destilación atmoferico las cuales son destiladas nuevamente para removerle Sáltenos y otros constituyentes indeseables . De este modo se obtienen bases con viscosidades entre 28 cts. Hasta 100 ºC El contenido de ceras de estas bases es mucho mayor que el de las "neutral" por lo que su punto de fluidez es mucho más alto.

Aceites Básicos Naftemicos: Estos provienen de crudos naftemicos y entre sus propiedades mas importantes resaltan : un bajo punto de fluidez por debajo de -15 ºC ., índice de viscosidad intermedio y son fáciles de refinar dado a su bajo contenido de ceras ,lo que resulta en un costo inferior a los parafinados.

ACEITES BÁSICOS SINTÉTICOS:

Existen diferentes tipos de aceites básicos sintéticos y dependiendo de los materiales que participan en su formación tendrán características particulares que les permitirá participar en la formulación de aceites lubricantes sintéticos, en función de una aplicación particular.

El primer aceite básico sintético fue lanzado al mercado en 1927 pero durante el desarrollo de la II guerra mundial, se acelero la investigación para contar con una fuente de aceites diferente al petróleo, dada la insuficiencia de Alemania por este recurso. Luego, la crisis petrolera de 1974 y los altos precios del petróleo permitieron la comercialización de estas bases. Igualmente las consideraciones de diseño de ciertos equipos, exigen el uso de aceites sintéticos debido a condiciones extremas o particulares de operación.

En la tecnología automotora e industrial podemos citar las siguientes bases bases sintéticas como las más importantes:

Polialfaolefinas (PAO), Esteres, Esteres Fosfatados, Polialquilenglicoles (PAG), Alquilar maticos (ALQ.ARO), etc.

A continuación se presenta una tabla comparativa de propiedades de las bases sintéticas con respecto a los minerales:

P: Pobre M: Moderado B: Buena MB: Muy Buena E: Excelente

ADITIVOS

Los aditivos son incorporados a los aceites y grasas lubricantes para impartir o modificar propiedades específicas, dependiendo de la aplicación final del producto. Existen tres familias generales de aditivos:

Los que refuerzan ciertas propiedades de los lubricantes, los que imparten nuevas características y los que protegen al propio lubricante para evitar que, por efecto del uso, se modifiquen sus características.

A continuación se detallan los aditivos más comunes utilizados en la formulación de lubricantes:

ANTIOXIDANTE

Los lubricantes, al estar sometidos a elevadas temperaturas y en presencia de aire (oxigeno), tienden a oxidarse. El mismo efecto ocurre por la presencia de metales de desgaste (cobre, hierro, bronce, otros) que, combinados con la humedad presente en el aceite por efecto de la condensación, actúan como catalizadores de la oxidación.

El efecto de la oxidación se refleja como un incremento tanto de la viscosidad como en la acidez del aceite, lo que se traduce en la formación de lacas, barnices o depósitos de carbón en las superficies calientes.

Los aditivos antioxidantes minimizan estos efectos en el aceite ,permitiendo extender la vida útil de los lubricantes . Son utilizados en la mayoría de los aceites y grasas: aceites para motores ,turbinas,engranajes,hidráulicos,compresores,mecanizado,grasas para elevadas temperaturas,etc.

ANTIDESGASTE

Para reforzar la capacidad lubricante de los aceites ,bajo condiciones de lubricación mixta se incorporan aditivos de naturaleza polar que son muy afines a las superficies metálicas reduciendo así la friccion entre las superficies . Dependiendo de las condiciones de operación ,se utilizan compuestos diferentes que se adecuan al uso especifico del lubricante .Estos aditivos ,al adherirse firmemente a la superficie ,cumplen con una función secundaria : protección contra la herrumbre provocada por la condensación de agua sobre la superficie.

Son utilizados en : aceites para motor,compresores,hidráulicos,de mecanizado, para sistemas de circulación, para engranajes de bronce,etc.

EXTREMA PRESION

Bajo condiciones severas de operación donde hay cargas elevadas y altas temperaturas ,se utilizan aditivos de extrema presión para reducir la friccion y aumentar el área de carga .Estos aditivos reaccionan químicamente con la superficie metálica formando un substrato mas " maleable" que deforma las irregularidades de la superficie para aumentar el área de carga, logrando así una mejor distribución de los esfuerzos .

Estos aditivos se activan a elevadas temperaturas ,como las que se presentan al entrar en contacto los picos de las asperezas de las superficies deslizantes.

Entre las aplicaciones mas comunes de estos aditivos están las de los aceites para engranajes ,excluyendo los de bronce.

DETERGENTES Y DISPERSANTES

Estos aditivos son utilizados básicamente en formulaciones de aceites para motores de combustión interna para evitar la formación de lacas y lodos que tienden a depositarse en las partes internas del motor . La formación de estos depósitos en las ranuras del pistón es perjudicial para la buena operación de los anillos ,llegando incluso a producir el atascamiento de estos en las ranuras . El subsiguiente desgaste de los anillos atascados y del cilindro se refleja como una tolerancia excesiva entre ambas superficies ,lo que genera un incremento en las fugas de aceite a la cámara de combustión y de los gases producidos por la combustión hacia el aceite . La función del aditivo detergente se reduce a evitar o minimizar la formación de estos depósitos . La incorporación de estos aditivos al aceite produce un efecto colateral : facilitan la formación de emulsiones .

Los aditivos dispersan tés se utilizan para mantener en suspensión a los contaminantes ,para que sean atrapados por el filtro de aceite o sean removidos del motor con el cambio de aceite.

ANTIESPUMANTES

Los aceites básicos tienden a formar espuma cuando son sometidos a fuerte agitación .La cantidad de espuma generada depende del grado de refinación del crudo así como de la naturaleza del mismo.

El efecto negativo de la formación de espuma en un aceite se traduce en pobre capacidad lubricante ( mescla, aire- aceite), mayor oxidación del aceite por contacto prolongado con el aire y en algunos casos a una reducida refrigeración del aceite .

Esta ultima consecuencia se produce por la capa de espuma que separa al aceite del aire y que actua como un aislante térmico, lo cual termina en una reducción de la viscosidad con la posible perdida de la película lubricante.

Los aditivos antiespumantes ,generalmente siliconas ,reducen la tensión superficial de las burbujas de aire ,permitiendo así la coalescencia entre ellas para formar burbujas mayores mas fáciles de destruirse. Estos aditivos son utilizados en la gran mayoría de las formulaciones de aceites lubricantes.

ANTIHERRUMBRE

La condensación de agua en los equipos ,al entrar en contacto con las superficies metálicas ,tienden a provocar la herrumbre . Para evitar este efecto ,se incorporan a los aceites aditivos muy polares que tienen una gran afinidad por los metales ,creando una barrera entre estos y el agua condensada . Son utilizados en aceites para motores ,Hidráulicos engranajes,turbinas,etc.

ANTICORROSIVOS

El azufre presente en los combustibles así como algunos de los elementos de los antidetonantes tienden a formar ácidos fuertes durante la combustión. Estos ácidos fuertemente corrosivos ,atacan las superficies metálicas provocando serios daños a los equipos. Para evitar este efecto dañino de la formación de estos ácidos ,se incorporan a los aceites aditivos alcalinos que neutralizan los ácidos condensados en los cilindros que progresivamente van pasando al aceite .La presencia de estos aditivos en los aceites se miden por el numero de base total ( Total Numero Base TBN ).

DEPRESORES DE PUNTO DE FLUIDEZ

Estos compuestos permiten a los aceites operar a temperaturas inferiores sin congelarse. Son incorporados a aquellos aceites que están destinados a operar a temperaturas muy inferiores a los cero grados centígrados. El punto de fluidez de un aceite parafinado generalmente esta entre 0 y -9ºC.

MEJORADORES DE ÍNDICE DE VISCOSIDAD

Todos los aceites indistintamente de su naturaleza ,pierden viscosidad al calentarse . Para reducir este efecto se incorporan aditivos que modifican el índice de viscosidad del aceite base, haciendo su viscosidad mas estable a los cambios de temperatura.

Los compuestos utilizados para lograr este efecto son polímeros que ,al calentarse incrementan su volumen dificultando su movilidad ,lo que se refleja como incremento en la viscosidad .este efecto, en el seno de un aceite cuya viscosidad se ve reducida por el incremento en la temperatura, se traduce en una menor reducción de la viscosidad de la mezcla.

Son utilizados en aceites multigrado para motor y en general para aceites que van a operar a temperaturas que varían en rangos amplios.

COLORANTES

Son aditivos cuya única función radica en modificar la coloración del lubricante ,como en el caso de los acietes diseñados para transmisiones automáticas ,que se colorean de rojo para facilitar la selección y evitar confusiones. También son utilizados en aceites para motores a gasolina de dos tiempos estos aceites deben ser mesclados en la gasolina y, al hacerlo, le modifica el color al combustible, lo que permite verificar la presencia del aceite.

EMULSIFICANTES

Son aditivos que permiten dispersar pequeñas gotas de aceite en agua para formar un liquido lechoso de apariencia homogénea ,conocido como emulsión .Si bien son mesclas inestables ,se pueden lograr combinaciones de componentes que permiten lograr emulsiones que permanecen estables por largo tiempo.

Los emulsificantes están compuestos por moléculas con una parte hidrofilia que tiende a solubilizarse en agua y otra ,el grupo lipofilico,con tendencia a solubilizarse en aceite.

DEMULSIFICANTES

Son aditivos que ,incorporan a los aceites ,promuven una rápida separación delmagua,de esta forma se evita que una posible contaminación del aceite con agua genere deterioros a los equipos donde sea utilizado: aceites para equipos marinos, turbinas y sistemas hidráulicos entre otros.

BACTERICIDAS

Son utilizados para evitar o controlar el crecimiento de colonias de bacterias en los fluidos. La proliferación de bacterias en las emulsiones, afecta la estabilidad de las mismas a la vez que las vuelven acidas. Este efecto tiende a generar corrosión de los metales ,malos olores e irritación en la piel. También son utilizados en algunos lubricantes no emulsionadles y en combustibles ,donde la condensación del agua en el fluido puede crear un hábitat adecuado para las bacterias.

PROMOTORES DE ADHERENCIA

Son polímeros que incorporados a los lubricantes, les imparten una mayor adherencia ,para reducir el escurrimiento . Generalmente se utilizan en grasas y en aceites para guias de maquinas y herramientas o para herramientas neumáticas.

AGENTES GRASOS

Son compuestos de origen animal y/o vegetal que tienen gran capacidad de desplazar el agua. Son utilizados comúnmente en equipos que operan con vapor o aquellos que están expuestos a ambientes húmedos.

PROPIEDADES Y ENSAYOS DE LOS ACEITES LUBRICANTES

A continuación se detallan las propiedades mas comunes de los aceites lubricantes así como una serie de ensayos que permiten obtener una orientación sobre el comportamiento del lubricante durante el uso .Estas propiedades y bensayos también permiten predecir un mrjor comportamiento en aplicación al comparar dos productos.

VISCOSIDAD

Esta es la propiedad mas importante de los lubricantes ya que en la mayoría de los casos es la que define el espesor de la película que separa las superficies para reducir el desgaste. Se define como la resistencia a fluir .La forma mas practica de medir la viscosidad cinematica de un fluido consiste en la medición del tiempo que se requiere para que fluya un volumen determinado del mismo .A mayor tiempo,mas viscoso es el fluido.

ÍNDICE DE VISCOSIDAD

Este parámetro indica la estabilidad de la viscosidad de un aceite con respecto a los cambios de temperatura. Todos los aceites sufren una disminución en su viscosidad al incrementarles la temperatura ,pero, dependiendo de su naturaleza ,ese efecto sucederá en mayor o menor grado. Asi tenemos por ejemplo, que los aceites minerales del tipo naftemicos tienen un bajo índice de viscosidad, lo que indica que un pequeño cambio en su temperatura genera un cambio significativo de su viscosidad .Los aceites minerales del tipo parafinado en cambio ,tienen un mayor índice de viscosidad, lo que significa que su viscosidad es mas estable a los cambios de temperatura.

PUNTO DE INFLAMACIÓN

Es la temperatura a la cual se inflaman los vapores de un aceite al acercarle una llama . Este valor se utiliza como medida de seguridad durante la aplicación del lubricante en condiciones de elevada temperatura con presencia de llama abierta.

PUNTO DE COMBUSTION

Conocido también como punto de fuego, refleja la temperatura a la cual se inflaman los vapores de un aceite durante un minimo de cinco segundos con llama presente .Este valor es superior al punto de inflamación.

PUNTO DE AUTOIGNICION

Indica la temperatura a la cual se inflama el fluido sin presencia de llama ,simulando el derrame del fluido sobre una superficie muy caliente . Este ensayo aplica para los fluidos hidráulicos utilizados en las empresas siderúrgicas ,donde existe el peligro de derrame del fluido sobre el metal caliente.

GRAVEDAD ESPECIFICA

Este valor representa la relación peso/ volumen de un fluido con respecto a la del agua .Por ejemplo: se tiene que la gravedad especifica de los aceites minerales esta por el orden de 0,9 lo que indica que su densidad es menor y flotara sobre el agua ,mientras que la del mercurio es de 13,6 veces mas pesado que el agua por unidad de volumen.

PUNTO DE FLUIDEZ

Indica la temperatura mas baja a la cual el aceite fluye .Esta propiedad es importante en lubricantes que son utilizados en ambientes muy fríos.

RESERVA ALCALINA ( TBN )

Representa la cantidad de compuestos básicos presentes en el aceite, disponibles para neutralizar ácidos ingresados .Esta propiedad es de vital importancia en motores diesel donde la combustión del azufre presente en el combustible genera acido sulfúrico. Si este acido no es neutralizado por la reserva alcalina del aceite ,se produce una acidificación progresiva del mismo ,con la consecuente corrosión de las partes internas del motor.

Los aditivos utilizados para este efecto ,cumplen con la doble función de neutralizar los ácidos a la vez que actúan como detergentes. Es común conseguir en el mercado aceites para motores a gasolina con un TBN de 6 o 7 .Este valor no es requerido para neutralizar ácidos sino que es una resultante de la incorporación de aditivos detergentes.

La reserva alcalina y el acido se neutralizan mutuamente , lo que se refleja como una reducción progresiva del TBN .La velocidad de esta caída es directamente proporcional al contenido de azufre en el combustible y al tiempo de uso del aceite, e inversamente proporcional a los niveles de reposición de aceite para compensar el consumo. Así tenemos por ejemplo: que los motores diesel de 2 tiempos reflejan un consumo menor del TBN comparados con los de 4 tiempos . Esto se debe únicamente a la continua reposición de aceite que exigen estos motores ya que ,por las características de su diseño ,consumen mas aceite.

La tendencia lógica nos llevaría a pensar que, al alcanzar un nivel de TBN = 0 ,se debe proceder al cambio. Esta lógica seria la responsable de la destrucción prematura del motor .

En los motores dosel ,donde la producción de ácidos es mayor ,se maquinan los cilindros de forma que quede una reticula producida por la huella de la herramienta de mecanizado.

Este efecto se refleja como una serie de diminutas ralladuras en la superficie que almacenan una mínima cantidad de aceite .Al acido sulfúrico que se produce durante la combustión se condensa sobre las paredes de los cilindros y debe ser neutralizada por esta mínima cantidad de aceite . Si el valor del TBN es muy bajo solo neutralizara parte del acido produciéndose el ataque químico sobre la superficie del cilindro.

A medida que ocurre el desgaste de los cilindros por friccion ,se pule la superficie ,perdiendo la capacidad de almacenar aceite. esto se refleja de la misma manera que ocurrirá con el uso de un aceite con un TBN inferior al requerido: micro poros en los cilindros.

Es por lo anteriormente expuesto que se debe considerar el contenido de azufre en el combustible en el momento de seleccionar el lubricante y su respectivo TBN mas adecuado para el motor. El fabricante del motor generalmente recomienda el periodo de recambio basado en el nivel de TBN del aceite y el contenido de azufre del combustible, como por ejemplo:

Para un TBN = 10, 250 horas si el contenido de azufre es inferior a 0,5%. 180 horas si el porcentaje de azufre esta entre 0,5 y 1,0 y 125 horas si es superior al 1%

ESTABILIDAD A LA OXIDACIÓN

Refleja la capacidad de un lubricante a resistir a la oxidación por efecto de la temperatura ,el contacto con el oxigeno ( generalmente de aire) y el efecto catalice de los metales del equipo o producidos por el desgaste . El efecto de la oxidación del aceite degenera en cambios en las características del lubricante ,incrementos en la viscosidad y formación de lacas y lodos.

DEMULSIBILIDAD

En aplicaciones donde se requiere que el lubricante se mantenga separado del agua ,se determina la capacidad que tiene el aceite para no emulsionarse .Esta propiedad es importante para aceites de turbina e hidráulicos.

RESIDUO DE CARBON

Determina la cantidad de carbón en peso que queda al quemar una muestra de aceite .Este ensayo aplica básicamente para aceites de motor de combustión interna donde se puede producir una incineración de pequeñas cantidades del aceite lubricante. El residuo de carbón será mayor en aceites de mayor viscosidad y dependen también del proceso de refinación . Mientras mas severo es el proceso de refinación menor es el contenido de fracciones pesadas y, por lo tanto ,menor es el contenido de carbón residual .Este valor se incrementa con el uso de ciertos aditivos.

CENIZAS SULFATADAS

Esta propiedad determina la cantidad de cenizas que quedan al quemar el aceite después de haber sido tratado como acido sulfúrico. Los residuos son producidos generalmente por los compuestos metálicos presentes en los aditivos.

Capitulo 4

ACEITES DE USO AUTOMOTOR

En esta sección se describen los aceites utilizados en la lubricación de motores de combustión interno que utilizan diesel o gasolina . Las funciones principales de los aceites de motor se pueden resumir en:

• Lubricar las partes móviles formando una película fluida entre ellas para evitar el contacto metal-metal

• Reducir la friccion

• Actuar como sello ante las presiones de la combustión

• Refrigerar o retirar el calor

• Evitar el desgaste en elementos sometidos a severas cargas ,donde por diseño la película es muy delgada

• Minimizar la formación de herrumbre producida por la condensaciones agua sobre las superficies metálicas

• Evitar la corrosión y el desgaste corrosivo producido por la formación de ácidos

• Minimizar la formación de lodos y barnices ,que tienden a acelerar la oxidación del aceite,reducen la capacidad del motor de disipar el calor ,atascan los anillos aumentando el paso de aceite a la cámara de combustión ,etc.

• Actuar como receptor de contaminantes ,manteniéndolos suspendidos para que sean retirados por el filtro de aceite o sean desechados con el cambio de aceite.

• Cumplir con todos los requisitos expuestos anteriormente en los climas mas variados ,desde los calores desérticos hasta los fríos del ártico.

EVOLUCIÓN Y SISTEMA DE CLASIFICACIÓN

La evolución de los aceites para motores fue conducida en sus inicios por tres organismos con influencia mundial: SAE ( sociedad de ingenieros automotrices), ASTM ( estándares Americanos para Evaluación de Materiales) y API ( Instituto Americano del Petróleo).

SAE: este organismo detecta y plantea la necesidad de mejorar un nivel de aceite existente, basado en los resultados de uso del mismo.

ASTM: define y diseña los métodos de ensayo que permiten evaluar si el aceite mejorado satisface los requrimientos de la SAE.

API: diseña el lenguaje que permite reconocer las sucesivas mejoras de los productos.

CLASIFICACIÓN API

El primer lubricante que se utilizo para la lubricación de los motores de combustión interna era un aceite mineral sin aditivos ( En la sección aditivos se presenta la importancia de los mas usados).

Después de un corto periodo de uso, este aceite mineral puro se oxidaba considerablemente lo cual se reflejaba como un incremento notable en la viscosidad y la perdida de las propiedades lubricantes ,además de notarse un desgaste considerable en los motores.

Esto motivo a la SAE a plantear la necesidad de desarrollar un aceite con mayor resistencia a la oxidación y con propiedades que permitiesen controlar el desgaste . ASTM diseño las pruebas con motores de banco y estableció los parámetros de evaluación para los nuevos candidatos que posteriormente serian incluidos por API dentro de las clasificaciones de nivel de servicio SB ,siendo el primero ( aceite mineral puro) el SA .Este proceso continuo a medida que se detectaban nuevas posibilidades de mejora y los aceites continuaron evolucionando: SC,SD,SE,SF,SG,SH,SJ.

Paralelamente se venia evolucionando de la misma forma en los niveles de servicio de los aceites para motores que utilizan diesel como combustible: CA,CB,CC,CD,CD,CDII,CE,CF-4, etc.

La letra S ( por " servicio" o " spark" –chispa en ingles)fue designada para identificar los aceites para motores a gasolina y la letra C ( de " compresión" 0 " comercial") para los motores diesel.

La clasificación de los niveles API de los aceites para motor indica tanto la aplicación ( gasolina o diesel) como el nivel de servicio ,según la letra que acompaña a la S o a la C .

Las evaluaciones que se realizan a los aceites deben contemplar ambas clasificaciones ,tanto S como C .Asi tenemos por ejemplo un aceite CD/SF o un SF/ CD. Ambos cumplen con las mismas pruebas de motor pero generalmente presentan una diferencia : el primero CD/SF ,diseñado para motores diesel ,generalmente tiene un TBN mayor al segundo diseñado para motores a gasolina.

Otro ejemplo característico es el CG-4/SH. Este aceite principalmente recomendado para motores diesel ,posee un elevado nivel API para gasolina. Este tipo de aceite presenta la ventaja en empresas con numerosos motores diesel y escasos motores a gasolina ,que no requiere un inventario adicional de un aceite diferente para estos últimos.

NIVELES DE SERVICIO API

A continuación se describen brevemente los niveles de servicio según la clasificación API. Estos datos pueden ser utilizados como una guía de selección para determinar el lubricante adecuado bajo condiciones de operación muy diferenciadas . Los requerimientos mas específicos para estos niveles se describen en SAE j 183-junio 1991.

" S" Servicio ( Motores a Gasolina)

SA – Aceite mineral puro sin aditivos . Esta categoría no debería ser utilizada si no es recomendada específicamente por el fabricante del equipo.

SB – Este nivel fue utilizado en la década de 1930

SC – 1964 – 1967 Fue recomendado por los fabricantes de vehículos para pasajeros y algunos vehículos de carga.

SD – 1968 – 1970 se recomendó su uso para aquellos modelos de vehículos que sugerían el uso de un aceite de nivel SC

SE – 1971 -1980 Se recomendó para motores a gasolina en sustitución de de los niveles anteriores.

SF – 1980 -1989 Estos aceites ofrecen una protección superior contra la oxidación y el desgaste . Durante estos años se recomendó en las practicas de mantenimiento para motores a gasolina de vehículos de pasajeros y algunos vehículos de carga.

SG – 1989 – 1992 durante estos años se recomendó en las practicas de mantenimiento para motores a gasolina esta categoría incluye características de comportamiento evaluadas para el nivel API CC. Algunos fabricantes incluso llegaron a exigir adicionalmente el nivel API CD.

Las pruebas de motor exigidas para este nivel ,requieren una incorporación mayor de aditivos detergentes y dispersan tés ,además de mejorar las propiedades antidesgaste,antioxidante,antiherrumbre y anticorrosiva. Este aceite se recomendó para sustituir a los niveles SF,SF/CC,SE o SE/CC.

SH – 1992 – 1997 Cubre los mismos requerimientos de pruebas de motor exigidas para el SG, con la excepción de los cambios impuestos en el nuevo protocolo de la CMA ( CHEMICAL MANUFAVCTURERS ASSOCIATION), Estas alteraciones en el código de practica significaron una mayor garantía en el cumplimiento de las pruebas de banco.

SJ – 1997 Diseñado para el uso típico de motores a gasolina tanto de diseño anterior como los mas modernos ,utilizados en vehículos de pasajeros ,camionetas y vehículos de carga livianos . Este nivel API cumple con el código de practica de evaluación de productos exigidos por la CMA. Este nivel API a diferencia del SH, controla el contenido de fosforo fijando un máximo de 0.1% en peso para evitar efectos negativos en el convertidor catalítico. Esto refleja un mayor control de emisiones de monóxido de carbono.

"C" Comercial (Motores Diesel)

Autor:

Ing. Franco Espinoza