Conocimientos básicos

DE LUBRICACIÓN.

Estructuración del programa de enseñanza:

Temas PARTE

El petróleo y sus componentes I

Destilación - Refinación II

Aceites Lubricantes y Aditivos III

Viscosidad IV

Aceites sintéticos V

Caracterización de los aceites lubricantes VI

Grasas lubricantes VII

Espesantes VIII

Fabricación de las grasas lubricantes IX

Penetración X

Caracterización de las grasas lubricantes XI

I.- EL PETROLEO Y SUS COMPONENTES.

El petróleo es una mezcla de distintos tipos de hidrocarburos que se

diferencian considerablemente entre ellos.

Además de contener principalmente carbono ( C ) e hidrógeno (H) en el

petróleo se encuentran otros elementos como azufre (S) y otros trazas de

otros elementos como nitrógeno (N) y oxígeno (O).

Si predominan determinados porcentajes de hidrocarburos, se hace

entonces la siguiente diferenciación:

1. Aceites minerales de base parafínica

Las parafinas son hidrocarburos lineales o ramificados.

Los aceites lubricantes elaborados a partir de petróleos de base parafínica presentan un buen comportamiento de viscosidad en relación con

la temperatura.

2. Aceites minerales de base nafténica

Los naftenos son hidrocarburos saturados cíclicos (por ejemplo,

ciclohexanos) y sus derivados1).

El comportamiento de la viscosidad en relación con la temperatura es más desfavorable que en los aceites minerales con base parafínica.

3. Aceites minerales de base aromática

Las sustancias aromáticas son hidrocarburos cíclicos no saturados

(derivados del benceno).

II.- DESTILACIÓN Y REFINACION.

Para refinar los básicos lubricantes, se saturan o bien se extraen los

hidrocarburos aromáticos, según sea el caso y el grado de refinación, por

medio del hidrorefinado, o refinación por hidrogenización.

Para la fabricación de aceites lubricantes tienen importancia, sobre todo, los aceites minerales de base parafínica y asténica.

El petróleo crudo se compone de diferentes hidrocarburos, teniendo cada

uno de ellos su punto de ebullición propio. Por esta razón, el petróleo no 1) Derivado = Producto resultante de una combinación química 2) Solvato = Aceite lubricante después del refino con disolventes

tiene un punto de ebullición definido, sino un intervalo de temperaturas de

ebullición que va 25 - 360°C. Al calentarlo pueden evaporarse cada uno de

los hidrocarburos según su temperatura de ebullición. Si este procedimiento

se realiza a presión atmosférica se denomina destilación atmosférica.

En la destilación atmosférica tiene lugar una separación física del petróleo según intervalos de ebullición a la presión atmosférica

(760 mmHg = 1013 mbar).

En la destilación atmosférica se obtienen los productos destilados

siguientes:

Fracción superior: Gases (butano, propano etc.)

Gasolinas (gasolinas técnicas, combustibles)

Petroles (combustibles diesel, fuel-oil ligero)

Fracción inferior: Residuos (fuel-oil pesado)

Los residuos (fuel-oil pesado) se transforman posteriormente en destilados

de aceite lubricante en la destilación en vacío.

En la destilación en vacío se obtienen los productos destilados siguientes:

Fracción superior − Gasoil − Destilados para aceites de

husillos − Destilados para aceites de

máquinas − Destilados para aceites de

cilindros

las llamadas fracciones básicas de los aceites lubricantes

Fracción inferior Residuos (para la obtención de asfalto o bien de

Brightstock1) ) Dado que estos destilados para aceites lubricantes contienen todavía

componentes no deseados, por ejemplo combinaciones muy activas

químicamente, tienen que seguir siendo tratadas en procedimientos

especiales de refinación.

Los diferentes procedimientos de refinación son:

• La refinación por hidrogenación1)

En este procedimiento moderno se extrae sobre todo el azufre

desfavorable para la fabricación de lubricantes. No se producen residuos.

• La refinación por solventes

Eliminación de componentes no deseados, especialmente los productos

aromáticos, que se extraen por medio de solventes.

1) Brightstock = se emplea también como aceite base para lubricantes 1) hidrogenación = adición de hidrógeno

• El desparafinado

Eliminación por medio de solventes de la partes sólidas de parafina

contenidas especialmente en los productos destilados con base

parafínica. Con ello se consigue una mejora del comportamiento en frío.

CLASIFICACION API DE ACEITES BASICOS.

Categoría Azufre (%) Saturados (%) Índice de Viscosidad Grupo I > 0.03 Y/O < 90 80 a 120 Grupo II < 0.03 Y > 90 80 a 120 Grupo III < 0.03 Y > 90 > 120 Grupo IV Todas las Polialfaolefinas (PAOs) Grupo V Todos los no incluidos en los grupos I, II, III ó IV

III.- ACEITES LUBRICANTES Y ADITIVOS. Tipos de aceites lubricantes

ACEITES LUBRICANTES

Aceite mineral Aceite sintético

Aceites noaditivados

Aceite parahusillos

Aceite paramáquinas

Aceite paracilindros

Aceitesaditivados

Aceitesaditivados

Aceites noaditivados 1)

1) aditivas mejorar, mezclar con aditivos

Con el fin de satisfacer las altas exigencias de lubricación, al aceite básico

refinado (aceite mineral no aditivado) hay que añadirle aditivos. En este

caso, se habla de un aceite lubricante aditivado.

Aceites lubricantes no aditivados del mismo tipo (aceites minerales o sintéticos) se pueden mezclar.

Los aceites lubricantes aditivados no se pueden mezclar

arbitrariamente, dado que los aditivos pueden ser incompatibles entre si.

ADITIVOS Los aditivos más conocidos son:

Tipo de Aditivo Propósito Componentes

típicos Funciones

Antidesgaste y agentes EP

Reducir fricción y desgaste y prevenir rallado y micro soldadura

Ditiofosfatos de Zinc, fosfatos orgánicos, fosfatos ácidos, compuestos orgánicos de azufre y cloro, cebos sulfurados, sulfitos y disulfitos

Reacción química con la superficie metálica para formar una película, previniendo así el contacto metal con metal

Inhibidor de corrosión y herrumbre

Prevenir la corrosión y la herrumbre de partes metálicas en contacto con el lubricante

Ditiofosfato de Zinc, fenolatos metálicos, sulfonatos básicos metálcos, acidos grasos y aminas.

Formación de una película protectora en superficies metálicas para neutralizar ácidos corrosivos.

Detergente Mantiene las superficies libres de depósitos

Compuestos Metal-orgánicos de sodio, fenolatos de calcio y magnesio, fosfonatos y sulfonatos

Reacción química con los precursores de lodos y barnices para neutralizarlos y mantenerlos solubles.

Dispersante Mantener contaminantes en suspensión en el lubricante

Alquil succinimidas, esteres alquilsuccinicos, y productos de la reacción de mannich

Los contaminantes son adheridos a las moléculas dispersantes por atracción polar y son mantenidas en suspensión por la solubilidad del dispersante

Modificador de fricción

Alterar el coeficiente de fricción

Ácidos grasos orgánicos y amidas, aceite de manteca, esteres ácidos orgánicos fosforados y fosfóricos de alto peso molecular.

Adsorción preferencial de materiales de acción superficial.

Aditivos de desempeño — Lubricantes Automotrices Tipo de Aditivo Propósito Compuestos Típicos Funciones

Depresor del punto de goteo

Permitir que el lubricante fluya a bajas temperaturas

Polímeros alquilados naftalenos o fenólicos. Poli metacrilatos, esteres copo limeros de maleato/fumarato

Modificar la formación de cristales de cera para reducir el encadenamiento

Agente expansor de sellos

Hinchar sellos de elastómero

Fosfatos orgánicos e hidrocarburos aromáticos

Reacción química con elastómeros para causar expansión de los sellos

Modificador de Viscosidad

Reducir la relación de cambio de viscosidad con la temperatura

Polímeros y copo limeros de olefinas, metacrilatos, dienos o estirenos alquilados

Los polímeros se expanden con el incremento de la temperatura para contrarrestar el adelgazamiento del aceite

Aditivos protectores — Lubricantes Automotrices

Tipo de Aditivos Propósitos Compuestos Típicos Funciones

Antiespumantes Prevenir que el lubricante forme espumas persistentes

Polímeros de silicona, copo limeros orgánicos

Reduce la tensión superficial para acelerar el colapso de la espuma

Antioxidante Retardar la descomposición oxidativa

Ditiofosfatos de zinc, fenoles bloqueados, aminas aromáticas, fenoles sulfurizados

Descomponer los peróxidos y completar reacciones de radicales libres

Desactivador de Metales

Reducir el efecto catalítico de los metales en su acción oxidativa

Complejos orgánicos que contengan nitrógeno o azufre, aminas, sulfitos y fosfitos

Forma películas inactivas en las superficies metálicas, reaccionando con iones metálicos

IV.- VISCOSIDAD.

En general, la viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir. En una

sustancia viscosa (por ejemplo, miel), la resistencia al movimiento es mayor

que en un medio más fluido (por ejemplo, leche); por lo tanto, la miel tiene

una viscosidad mayor que la leche.

En la viscosidad se distingue entre:

Viscosidad dinámica (η), unidad: mPas

Viscosidad real: necesaria para el cálculo de los procesos de lubricación en los apoyos y engranajes. (Unidad antigua: Centipoise cP, 1 cP = 1 mPas)

Viscosidad cinemática (ν), unidad: mm²/s

Relación entre la viscosidad y la densidad (Unidad antigua: Centistokes cSt, 1 cSt = 1 mm²/s)

En la práctica se mide a menudo la viscosidad cinemática. Se mide la

viscosidad cinemática mediante la determinación del tiempo de salida de

una cantidad de líquido definida a través de un tubo capilar.

Si se tiene que determinar la viscosidad dinámica a partir de la viscosidad

cinemática, entonces es válido:

Viscosidad dinámica = viscosidad cinemática x densidad1)

η = ν ⋅ ρ

1) Densidad = Relación entre la masa m y el volumen v a temperatura constante Fórmula: ρ=m/V en g/cm3 o g/ml

Comportamiento viscosidad-temperatura

La viscosidad de un aceite depende, entre otros factores, de:

• la estructura interna (molecular) del aceite, o sea del tipo de aceite y de

• la temperatura.

Si aumenta la temperatura disminuye la viscosidad; si disminuye la temperatura aumenta la viscosidad.

Al proporcionar una viscosidad determinada, hay que añadir la temperatura

a la que se ha evaluado (la temperatura general de referencia es 40°C a

presión atmosférica).

V.- ACEITES SINTETICOS.

Aparte de los aceites básicos usuales obtenidos a partir del petróleo

se pueden producir también químicamente (sintesis1) ) aceites básicos

sintéticos.

Los aceites sintéticos se utilizan como sustancia base para los aceites

lubricantes y como aceites base para grasas lubricantes.

1) Sintésis = Preparación de un compuesto químico (fabricación articifial)

Propiedades:

Los aceites sintéticos destacan por sus condiciones de servicio extremas,

como, por ejemplo:

• altas y/o bajas temperaturas,

• elevadas solicitaciones/cargas

• altas revoluciones

• medios agresivos.

Tipo Aplicaciones Principales Poli Alfa Olefinas (PAOs) Automotriz e Industrial Esteres Acidos Dibasicos Aeronáutica y Automotriz Polyol Esteres Aeronáutica y Automotriz Aromáticos Alkilados Automotriz e Industrial Polialquilen Glicoles Industrial Esters Fosfatados Industrial

Cifras características para diferentes clases de viscosidad

1 2 3

Clase de viscosidad ISO

según DIN 51519

Cifra

característica1)

Viscosidad cinemática2) mm²/s

Viscosidad dinámica2)

mPa s

a 20 °C a 40 °C a 50 °C a 40 °C

ISO VG 2 2 ≈ 3,3 2,2 ≈ 1,3 ≈ 2,0

ISO VG 3 3 ≈ 5 3,2 ≈ 2,7 ≈ 2,9

ISO VG 5 5 ≈ 8 4,6 ≈ 3,7 ≈ 4,1

ISO VG 7 7 ≈ 13 6,8 ≈ 5,2 ≈ 6,2

ISO VG 10 10 ≈ 21 10 ≈ 7 ≈ 9,1

ISO VG 15 15 ≈ 34 15 ≈ 11 ≈ 13,5

ISO VG 22 22 - 22 ≈ 15 ≈ 18

ISO VG 32 32 - 32 ≈ 20 ≈ 29

ISO VG 46 46 - 46 ≈ 30 ≈ 42

ISO VG 68 68 - 68 ≈ 40 ≈ 61

ISO VG 100 100 - 100 ≈ 60 ≈ 90

ISO VG 150 150 - 150 ≈ 90 ≈ 135

ISO VG 220 220 - 220 ≈ 130 ≈ 200

ISO VG 320 320 - 320 ≈ 180 ≈ 290

ISO VG 460 460 - 460 ≈ 250 ≈ 415

ISO VG 680 680 - 680 ≈ 360 ≈ 620

ISO VG 1000 1000 - 1000 ≈ 510 ≈ 900

ISO VG 1500 1500 - 1500 ≈ 740 ≈ 1350 1) Las cifras características son las viscosidades medias + 10 %. 2) La conversión de la viscosidad cinemática a la viscosidad dinámica se basa en los valores medios de la densidad de diferentes aceites lubricantes La unidad SI de la viscosidad cinemática es m²/s. 1 mm²/s = 1 ⋅ 10-6 m²/s La unidad SI de la viscosidad dinámica es el segundo Pascal (Pa ⋅ s) 1 mPa s = 1 ⋅ 10-3 Pa s

Clases de viscosidad SAE para aceites lubricantes para motores según SAE J300 Clase de viscosidad SAE

Viscosidad aparente máxima1) en mPas a temperatura °C

Temperatura de bombeo mínima

límite 2) °C

Viscosidad cinemática 3) a 100 °C mm²/s

min. Max.

0 W 3250 a -30 -35 3,8 - 5 W 3500 a -25 -30 3,8 -

10 W 3500 a -20 -25 4,1 - 15 W 3500 a -15 -20 5,6 - 20 W 4500 a -10 -15 5,6 - 25 W 6000 a -5 -10 9,3 -

20 30 40 50

- - - -

- - - -

5,6 9,3

12,5 16,3

< 9,3 < 12,5 < 16,3 < 21,9

1) Ensayo según DIN 51 377 2) Ensayo según ASTM D 3829 3) Ensayo según DIN 51 550 en combinación con DIN 51 561 resp. DIN 51 562 parte 1

Clasificación SAE para aceites lubricantes de engranajes de vehículos (SAE J 306) Clase de viscosidad SAE

Temperatura límite para una viscosidad aparente de

150 000 mPa °C

Viscosidad cinemática a 100 °C según DIN 51 550

mm²/s min. max.

70 W -55 4,1 -

75 W -40 4,1 -

80 W -26 7,0 -

85 W -12 11,0 -

90 - 13,5 < 24,0

140 - 24,0 < 41,0

250 - 41,0 -

Clasificación API para aceites lubricantes para motores (Véase SAE; extracto) Aceite para motores a Gasolina (S = Servicio)

Aceite para motores a Diesel (C = Comercial)

Clasificación API para aceites lubricantes de engranajes de vehículos (Véase SAE J 308c)

Clasificaciones API

Condiciones de servicio para el aceite de engranajes

Tipo de engranaje

GL-1 Operación suave de velocidad deslizante y baja presión

Engranajes Cónico Helicoidal y Sinfín y ciertas transmisiones manuales con sincronizadotes de metales amarillos. El lubricante de este servicio posee antiherrumbrantes, anticorrosivos, antiespumantes y depresores de fluidez. No contienen modificadores de fricción y aditivos de extrema presión.

GL-2 Condiciones moderadas Engranajes Sinfín, sujetos a condiciones de carga, temperatura y velocidad de deslizamiento por lo que requieren lubricantes con aditivos antidesgaste y leve extrema presión.

GL-3 Condiciones moderadamente severas

Transmisiones manuales y ejes Cónicos Helicoidales que operando con carga y velocidad moderadamente severas, por lo que requieren extrema presión

GL-4 Condiciones severas de carga y velocidad deslizante

Engranajes Hipoidales, particularmente en carros de pasajeros y otros equipos automotores que operen bajo condiciones de alta velocidad - bajo torque o viceversa. Contenido medio de Extrema Presión.

GL-5 Condiciones muy severas de presión, impacto y deslizamiento

Todos los engranajes, particularmente hipoidales en carros de Pasajeros y otros equipos automotores sujetos a condiciones de alta velocidad y carga de impacto, alta velocidad y bajo torque, y baja velocidad y alto torque. Alto nivel de Extrema Presión

MT-1 Condiciones de trabajo pesado, no cubiertas por lubricantes que cumplen API GL-1 al API GL-5.

Transmisiones manuales no sincronizadas y mandos finales en autobuses y camiones de servicio pesado. Los Lubricantes que cumplen los requerimientos del API MT-1, dan protección contra la degradación térmica, componentes del desgaste y deterioro de los sellos de aceite.

VII: Tipos de grasas lubricantes

Los aceites lubricantes no son adecuados para todas las aplicaciones

técnicas, dado que gotean y a lo largo de un intervalo de tiempo prolongado

no permanecen en el punto a lubricar.

Tampoco se pueden equipar todos los puntos de fricción con una

alimentación continua de aceite lubricante. Para este y otros casos se

emplean grasas lubricantes.

En muchos casos ejercen además la función de estanqueidad.

A causa de su estructura pastosa, las grasas lubricantes pueden permanecer más tiempo en el punto de fricción o ofrecer una barrera

adicional contra sustancias extrañas.

Fundamentalmente, en las grasas lubricantes se diferencian dos tipos:

Tipo 1:

Grasas lubricantes con espesantes jabonosos Jabón simple, jabón mixto, jabón complejo con diferentes bases metálicas, p. ej. litio (Li), sodio (Na), calcio (Ca), bario (Ba), aluminio (Al), etc.

Aceite mineral como fase líquida

Fluidos sintéticos como fase fluida (p.ej. silicona, ester)

Tipo 2:

Los llamadas lubricantes adherentes que se caracterizan por su capacidad

especial de adherencia a las superficies en fricción, en su estructura básica

se componen de los tipos de grasas lubricantes 1 o 2.

En los lubricantes adherentes se diferencian entre los siguientes grupos

principales:

• lubricantes pulverizables no bituminosos con y sin

lubricante sólido

• lubricantes bituminosos

• Lubricantes bituminosos/no bituminosos con disolventes y sin

lubricante sólido

VIII.- ESPESANTES.

Entre los espesantes se diferencia entre

• espesantes jabonosos

• espesantes no jabonosos.

Grasas lubricantes con espesantes no jabonosos Sustancias sólidas orgánicas e inorgánicas, p. ej. arcilla (bentonita), gel de sílice, poliureas, plásticos (PTFE)

Aceite mineral como fase líquida

Fluidos sintéticos como fase líquida

Para la fabricación de grasas lubricantes con espesantes jabonosos se

necesitan:

• Aceite base (aceite mineral o aceite sintético)

• Acido graso (p. Ej. Ácido esteárico1) o bien Ester

glicérido2) de los ácidos grasos

• Base3) (p. Ej. Hidróxido de litio4) = LiOH,

hidróxido de sodio = NaOH,

hidróxido de calcio= Ca(OH2) etc.

Para la fabricación de grasas lubricantes con espesantes no jabonosos se necesitan: • Aceite base (aceite mineral o aceite sintético)

• Sustancias orgánicas e inorgánicas (p. Ej. Bentonita, gel de sílice,

plásticos)

En las grasas lubricantes con espesantes jabonosos se distinguen tres tipos fundamentales:

Base Tipo de grasa lubricante

Comportamiento frente al agua

Temperatura de uso

Hidróxido de calcio Ca (OH)2

grasas de jabón calcio

hidrófugo Hasta Max. 60 °C;

Hidróxido de sodio Na OH

grasas de jabón con sodio

soluble en agua Hasta Max. 120 °C;

Hidróxido de litio Li OH

grasas de jabón litio

hidrófugo Hasta Max. 120 °C;

1) Acido esteárico = ácido orgánico monovalente en cadena 2) Ester glicérido = ácidos grasos neutralizados con glicerina Glicerina = alcohol trihodroxilio 3) Lejía = solución acuosa de un hidróxido 4) Hydróxido = compuesto de un metal con uno o más hidróxidos (grupos OH)

Las grasas con la misma base y el mismo tipo de aceite base pueden mezclarse. Este es el caso de las grasas saponificadas a base de calcio o litio. Pero en caso las grasas saponificadas con sodio no son compatibles

con las otras.

IX.- FABRICACIÓN DE GRASAS.

La fabricación de grasas lubricantes se realiza según los siguientes

procedimientos:

Proceso continuo:

Este procedimiento es el empleado, sobre todo, por las grandes

compañías petroleras para el mezclado de aceites minerales con jabones

para la fabricación en gran escala (grasas lubricantes del mismo tipo).

Proceso discontinuo (fabricación por lotes):

Este procedimiento se emplea para la fabricación de grasas lubricantes

especiales.

X.- PENETRACIÓN

Como es conocido, la viscosidad de un aceite lubricante se expresa por

medio de la cifra característica de la misma. La consistencia de una grasa se

expresa con la PENETRACION (profundidad de penetración). Se mide

dejando que penetre un cono de ensayo normalizado caiga durante 5

segundos en una muestra de grasa lubricante. La profundidad de

penetración se mide en décimas de milímetros (1/10 mm).

En general, rige:

Grasa lubricante blanda → gran profundidad de penetración

Dispositivo de lectura de la profundidad de penetración división 1/10 mm

Cono de ensayo

Duración 5 s

Profundidad de Penetración

En la determinación de la penetración se distingue entre:

• Penetración no trabajada • Penetración trabajada

En la penetración trabajada, la muestra de grasa se batana en un "amasador

de grasa" especial. Esto se puede realizar manualmente o con máquina.

Para la misma grasa lubricante, la profundidad de penetración trabajada de la grasa es siempre mayor que la profundidad de penetración

no trabajada.

A las diferentes profundidades de penetración (en 1/10 mm) se asignan

"números de consistencia" especiales (clases NLGI).

Clase NLGI1) Penetración trabajada en décimas de milímetros

000 00 0

445 a 475 400 a 430 grasas fluidas 355 a 385

1 2 3

310 a 340 265 a 295 grasas blandas 220 a 250

4 5 6

175 a 205 130 a 160 grasas consistentes 85 a 115

1) NLGI = National Lubricating Grease Institute (EE.UU.)