Indice
1.
Definición y funciones de los
lubricantes
2. Propiedades físicas de los
lubricantes
3. Efecto de las sustancias
extrañas
4. Formación de
espuma
1. Definición y
funciones de
los lubricantes
Se llama lubricante a toda sustancia sólida,
semisólida o líquida, de origen animal, mineral o
sintético que, puesto entre dos piezas con movimiento
entre ellas, reduce el rozamiento y facilita el movimiento.
Además, los lubricantes, según sus características, pueden cumplir otras
misiones:
Sellar el espacio entre piezas: Dado que las superficies
metálicas son irregulares a nivel microcópico, el
lubricante llena los huecos. En los motores de
explosión este sellado evita fugas de combustible y
gases de
escape y permite un mejor aprovechamiento de la
energía.
Mantener limpio el cicuito de lubricación: en el caso de
los lubricantes líquidos estos arrastran y diluyen la
suciedad, depositándola en el filtro.
Contribuir a la refrigeración de las piezas: En muchos
sistemas, de
hecho, el lubricante es además el agente refrigerante del
circuito.
Transferir potencia de unos
elementos del sistema a otros:
Tal es el caso de los aceites hidráulicos.
Neutralizar los ácidos que
se producen en la combustión.
Proteger de la corrosión: El lubricante crea una
película sobre las piezas metálicas, lo que las
aisla del aire y el agua,
reduciendo la posibilidad de corrosión.
2. Propiedades
físicas de los lubricantes
Los lubricantes estan definidos por una serie de
características, algunas de las cuales se
utilizan para clasificar los aceites o grasas. Dada la naturaleza de los
distintostipos de lubricanttes no todas las
características son aplicables a todos ellos.
Color o
fluerescencia
Actualmente el color del aceite
dice muy poco acerca de sus características, ya uqe es
facilmante modificable con aditivos. No obstante, hasta hace
pocos años, se le daba gran importancia como indicativo
del grado de refino, y la florescencia era indicativo del origen
del crudo (aceites minerales).
El procedimiento
para determinar el color de un aceite es el ASTM-D-1500. en el
que se compara el color del aceite con una serie de vidrios
patron de distintos colores,
ordenados en sentido creciente de 0 a 8. Pero para aceites muy
claros, tales como los aceites aislantes, aceites blancos
técnicos, etc, la escala ASTM no
puede establecer diferencias y es preciso usar otros métodos.
El colorímetro Saybolt establece una escalas que va desde
el -16 para el color blanco amarillento hasta +30 para el blanco
no diferenciable con el agua.
En los aceites en servicio, el
cambio del
color puede alertar sobre deterioros, contaminación, etc.
Densidad
La densidad es la
razón entre el peso de un volumen dado de
aceite y un volumen igual de
agua.
La densidad esta
relacionada con la naturaleza del
crudo de origen y el grado de refino.
En ocasiones, se usan otras caracterícticas pra definir el
aceite en lugar de su densidad, aunque están directamente
relacionadas con ella. Veamos algunas.
La gravedad específica se define como la relación
entre un cierto volumen de producto y el
mismo volumen de agua destilada a 4ºC.
En Estados Unidos
suele usarse la gravedad API. Esta es una escala
arbitrarioa que expresa la gravedad o densidad del acetie, medida
en grados API.
En Estados Unidos la
temperatura
standar para el agua y el
aceite es de 60ºF. En otros paises la temperatura es
de 15ºC (59ºF) para el aceite y 4ºC para el agua,
si bien en algunos casos so utilizan 15ºC para el agua y el
aceite.
La densidad es la razoón entre el peso de un
volumen de aceite y el peso de un volumen igual de
agua.
Viscosidad
La viscosidad es una
de las propiedades más importantes de un lubricante. De
hecho, buena parte de los sistemas de
clasificación de los aceites estan basados en esta
propiedad.
La viscosidad se
define como la resistencia de un
líquido a fluir. Esta resistencia es
provocada por las fuerzas de atracción entre las
moléculas del líquido. El esfuerzo necesario para
hacer fluir el líquido (esfuerzo de desplazamiento)
estará en función de
esta resistencia. Los fluidos con alta viscosidad ofrecen cierta
resistencia a fluir, mientras que los poco viscosos lo hacen con
facilidad.
La viscosidad se ve afectada por las condiciones ambientales,
especialmente por la temperatura y la presión, y
por la presencia de aditivos modificadores de la misma, que
varian la composición y estructura del
aceite.
La fricción entre moléculas genera calor; la
cantidad de calor generado
está en función de
la viscosidad. Esto tambien afecta a la capacidad sellante del
aceite y a su consumo.
La viscosidad tambien tiene que ver con la facilidad para ponerse
en marcha de las máquinas,
particularmente cuando operan en temperaturas bajas. El
funcionamiento óptimo de una máquina depende en
buena medida del uso de el aceite con la viscosidad adecuada para
la temperatura ambiente.
Además es uno de los factures que afecta a la
formación de la capa de lubricación.
Viscosidad dinámica o absoluta
Los términos viscosidad absoluta y viscosidad dinámica se usan intercambiablemente con es
de viscosidad para distinguirla de la viscosidad cinemática
o comercial.
Se define, como ya hemos dicho como la resistencia de un
líquido a fluir.
Matemáticamente se expresa como la relación entre
el esfuerzo aplicado para mover una capa de aceite
(tensión de corte) y el grado de desplazamiento
conseguido.
El concepto de
viscosidad puede entenderse con ayuda de la figura:
La figura representa dos placas, una fija y otra movil,
separadas una distancia D. La placa movil se mueve con velocidad
constante V. El aceite adherido a la placa se mueve a la misma
velocidad que
ella. Entre ambas placas vemos que las capas de aceite situadas
entre las dos placas se mueven a velocidad inversamente
proporcional a su separación de la placa movil. Para
vencer la fricción entre placas será necesario
aplicar una fuerza F. Dado
que la fricción entre capas esta relacionada con la
viscosidad, Newton
demostro que la fuerza F es
una medida de la fricción interna del fluido, siendo
proporcional a la superficie de la placa movil S y al gradiente
de velocidad V/D:
en el cual h (eta) es el coeficiente de viscosidad
absoluta y V/D es el gradiente de velocidad o grado de
desplazamiento.
Por tanto la viscosidad absoluta queda definida como:
Podemos ver así que la viscosdidad de un fluido
se puede determinar conociendo la fuerza necesaria para vencer la
resistencia del fluido en una capa de dimensiones
conocidas.
Viscosidad cinemática
o comercial
La viscosidad cinemática se define como la resistencia a
fluir de un fluido bajo la acción de la gravedad.
En el interior de un fluido, dentro de un recipiente, la presión
hidrostática ( la presión debida al peso del
fluido) esta en función de la densidad.
Por otra parte, el tiempo que tarda
en fluir un volumen dado de fluido es proporcional a su
viscosidad dinámica.
Podemos expresar la viscosidad cinemática como:
donde n es el coeficiente de viscosidad dinámica
y d la densidad, todo ello medido a la misma temperatura.
La gravedad especifica puede aplicarse en la expresión
anterior en lugar de la densidad.
Por lo dicho anteriormente, la viscosidad cinemática puede
definirse como el tiempo requerido
por un volumen dado de fluido en fluir a traves de un tubo
capilar por acción de la gravedad
Viscosidad aparente
La viscosidad aparente es la viscosidad de un fluido en una
determinadas condiciones de temperatura y agitación (no
normalizadas).
La viscosidad aparente no depende de las características
del fluido, sino de las condiciones ambientales, y por tanto
variará según las condiciones.
Factores que afectan a la viscosidad
Aunque en la mayor parte de los casos sería deseable que
la viscosidad de un lubricante permeneciese constante,
ésta se ve afectada por las condiciones ambientales, como
ya hemos dicho. Para evitarlo se usan aditivos, llamados
mejoradores del índice de viscosidad.
Efecto de la temperatura
En termodinámica la temperatura y la cantidad
de movimiento de las moléculas se consideran equivalentes.
Cuando aumenta la temperatura de cualquier sustancia
(especialmente en líquidos y gases) sus
moléculas adquieren mayor movilidad y su cohesión
disminuye, al igual que disminuye la acción de las fuerzas
intermoleculares.
Por ello, la viscosidad varía con la temperatura,
aumentando cuando baja la temperatura y disminuyendo cuando se
incrementa.
Efecto de la velocidad de corte
No todos los fluidos responden igual a variación de la
velocidad de corte.Debido a su naturaleza, la mayoria de los
fluidos no varian su viscosidad al variar la velocidad de corte.
Son los llamados fluidos newtonianos. En estos, el grado de
desplazamiento de las capas de líquido es proporcional a
la fuerza que se aplica Ejemplo de ello son los aceites
monogrado.
Los fluidos en los que no se cumple esta
condición son llamados no-newtonianos, y dentro de ellos
podemos establecer varios tipos:
Fluidos plásticos
o de Bingham: Estos fluidos no fluyen mientras que la fuerza que
se les aplica no supere un cierto nivel (umbral). Una vez
revasado dicho umbral, el desplazamiento conseguido es
proporcional a la fuerza aplicada. Este es el caso de los aceites
multigrado.
Fluidos pseudoplásticos: En estos no aparece
ningun umbral, pero el desplazamiento conseguido no es
proporcional a la fuerza, sino que aumenta en una
proporción mucho mayor.
Fluidos dilatantes: En estos la viscosidad aumenta al
aumentar la fuerza aplicada. Es como si el fluido fuera
frenandose al aplicar la fuerza.
Fluidos tixotrópicos: En estos la viscosidad va
disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a
aumentar al cesar la fuerza. El efecto contrario se conoce como
reopexia. Las variciones tixotrópicas son debidas a la
destrucción de los enlaces intermoleculares a causa del
corte, y a su reconstrucción progresiva al cesar este.
Como por ejemplo en la grasa
3. Efecto de las sustancias
extrañas
Durante su utilización, el lubricante ve expuesto
a sustancias extrañas, que , antes o después,
acaban afectandole, modificando sus características. Al
contrario que la temperatura o la velocidad de corte, esta
modificación será permemente y progresiva.
La vsicosdiad de un lubricante puede disminuir a cuasa
de:
- Base de baja calidad.
- Disolución por otra sustancia.
Y puede aumentar debido a:
- Base de baja calidad.
- Pocos aditivos
- Acumulación de contaminantes
- Oxidación.
Los factores anteriores pueden combinar su
acción, de manera que incluso llegen a anularse. Es decir,
un lubricante puede perder viscosidad debido a una base de baja
calidad, y recuperarla por acumulación de suciedad. De
cuallquier forma, esto implica una degradación del
lubricante, si bien es más preocupante una pérdida
de viscosidad que un incremento.
Unidades de medida de la viscosidad
Existen un buen números de unidades empleadas en la
medición de la viscosidad. Algunas se basan
en la relación entre la fuerza aplicada y el grado de
desplazamiento conseguido; otras se basan en el tiempo que tarda
en fluir una determinada cantidad de liqudo a traves de un
orificio calibrado, a una determinada temperatura, que suele ser
100ºF y 210ºF (37'8ºC y 98'9ºC).
Veammoslas:
- Poise (Po): En honor de Poiseville, quien en 1844
desarrollo
la ecuación de viscosidad de los gases. Es la unidad de
viscosidad absoluta del sistema CGS. Se
define como la fuerza en dinas necesaria para mover una placa
lisa de 1 cm2 de superficie separada de otra fija por una capa
de líquido de 1 cm d espesor, a una velocidad de 1
cm/seg (dima x cm-2/seg). Tambien se denomina g x cm/seg. En la
práctica suele usarse su submultiplo, el centipoise. 1
cPo=0'01 Po - Poiseville (Pl): Unidad de viscosidad absoluta del
Sistema Internacional. Su definición es similar a la del
Poise, pero sustiyendo las unidades CGS por las del S.I. (N x
seg/m2). 1 Pl= 10 Po = 1 Pa x seg - Reyn: Llamado así por Sir Osborne Reynolds. En
la practica se usa el microreyn, su millonésima parte,
dada la magnitud de la unidad fundamental. - Stoke (St): Unidad de viscosidad cinemática
del sistema CGS. Se basa en la relación entre la
viscosidad dinámica de un fluido y su densidad (ver
viscosidad cinemática). Tambien puede denominarse
cm2/seg. Suele emplearse su sbmúltiplo el centistocke
(cSt). 1 cSt = 0'01 St.
La viscosidad dinámica en centipoise puede
convertirse en viscosdad cinemática en centistokes
diviendola por la densidad en g/cm3, a la misma
temperatura.
- Metro cuadrado por segundo (m2/seg): Unidad de
viscosdad cinemática del S.I. 1 m2/seg= 104
St - Segundos Saybolt (SUS)= Indica el tiempo que tarda el
fluir 60 ml de aceite a través de un tubo capilar a una
temperatura dada entre 70ºF y 210ºF. Si el fluido es
de viscosidad muy alta viscosidad se usa un tubo de mayor
diametro, expresando entonces el resultado en Segundos Saybolt
Furol (SSF). Se usa sobre todo en Estados Unidos. - Segundos Redwood: Indica el tiempo que tarda en fluir
50 ml de aceite a traves un orificio calibrado. Se usa en Gran
Bretaña. - Grados Engler: Es el cociente entre el tiempo que
tarda en fluir 200 ml de aceite a traves de un orificio
calibrado y el tiempo que tarda en fluir 200 ml de agua a
traves de un orificio del mismo calibre, a la misma
temperatura. El resultado se da en grados Engler. Se usa sobre
todo en la Europa
continental.
En la actualidad, la viscosidad suele determinarse en
centistokes, para luego convertirlo a otras
unidadades.
Indice de viscosidad
El índice de viscosidad es la medida de la
variación de la viscosidad de un aceite en función
de la temperatura.
Esta es una medida arbitraria que fue introducida en 1929 por
Dean y Davis.
El método
consiste en comparar la viscosidad del aceite dado con la de dos
aceites patrón: el procedente del crudo de Pensilvania
(parafínico), cuya viscosidad varia muy poco con la
temperatura, y el procedente del crudo del Golfo de Méjico
(naftalénico), que varia mucho su viscosidad con la
temperatura. A estos se les asigna un índice de viscosidad
de 100 y 0 respectivamente.
Se toma el los aceites patron cuya viscosidad a 210ºF
(98ºC) sean iguales a la del aceite problema. A
continuación se determina la viscosidad de los tres
aceites a 100ºF (38ºC) y se calcula el
cociente:
Cuanto más alto es es índice de
viscosidad, más estable es la viscosidad del
aceite.
Bombeabilidad
Es la capacidad de un lubricante para fluir de manera
satisfactoria impulsado por una bomba, en condiciones de baja
temperatura. Esta propiedad esta
relacionada directamente con la viscosidad.
Consistencia
Se llama así a la resisitencia a la deformación que
presenta una sustancia semisólida, como por ejemplo una
grasa. Este parámetro se usa a veces como medida de la
viscosidad de las grasas. Al grado de consistencia de una grasa
se le llama penetración y se mide en decimas de
milimetro.
La consistencia, al igual que la viscosidad, varia con la
temperatura
Aceitosidad o lubricidad
Se conoce con estos nombres a la capacidad de un lubricante de
formar una película de un cierto espesor sobre una
superficie.
Esta propiedad está relacionada con la viscosidad; a mayor
viscosidad, mayor lubricidad. En la actualidad suelen usarse
aditivos para aumentar la lubricidad sin necesidad de aumentar la
viscosidad.
Adhesión o adherencia
Capacidad de un lubricante adherirse a una superficie
sólida. Esta relacionada con la lubricidad.
Rigidez dieléctrica
La rigidez dieléctrica o tensión de
perforación es la tensión que produce un arco
eléctrico permanente entre dos electrodos bien definidos
separados 2'5mm, sumergidos en aceite a 20ºC. Se expresa en
Kv/cm.
La rigidez dieléctrica orienta sobre la capacidad aislante
del aceite, así como de la presencia en el mismo de
impurezas tales como agua, lodos, polvo, gases, etc.
La presencia de impurezas disminuye la rigidez dieléctrica
de un aceite. Las impurezas facilitan el paso de la corriente a
través del aceite, especialmente que llevan agua en
disolición, tales como fibras de papel, gotas
de polvo, etc. No ocurre lo mismo con el disuelta en el aceite,
que no afecta a esta propiedad.
La temperatura incrementa el valor de la
rigidez dielétrica, hasta alcanza un valor
máximo a 100ºC.
Esta propiedad es de especial significación en
los aceites de trasnformador y en los aceites para compresores
frigorífico
La espuma es uma aglomeración de burbujas de
aire u otro
gas, separados
por uma fina capa de líquido que persiste en la
superficie. Suele formarse por agitación violenta del
líquido.
La tendencia a la formación de espuma y la persistencia de
esta se determina insuflando aire seco en aceite. El volumen de
espuma obtenido durante el ensayo
determina la tendencia a la formación de espuma del
aceite. Al cabo de un tiempo de reposo se vuekve a medir el
volumen, y así se determina la estabilidad de la
espuma.
La espuma provoca problemas en
los sistemas hidráulicos y de
lubricacíon:
- comportamiento errático de mandos
hidráulicos - cavitación en bombas
- derrames en depositos
- oxidación prematura del aceite
- corrosión interna de elementos del
sistema - fallos en cojinetes (por insuficiente
lubricación) - dismiunción de la capacidad refigerante del
aceite - diminución de la capacidad de
disolución del aceite - flotación de pequeñas partículas
de lodo presentes en el aceite
La estabilidad de la espuma se ve favorecida por el
aumento de la viscosidad del aceite, la presencia de compuestos
polares en el mismo. Por el contrario, la temperatura elevada del
aceite y la presencia de aditivos antiespumantes en el aceite
reducen la tendencia a la formación de espuma.
Emulsibilidad
La emulsibilidad es la capacidad de un líquido no soluble
en agua para formar una emulsión.
Se llama emulsión a una mezcla íntima de agua y
aceite. Puede ser de agua en aceite (siendo el agua la fase
discontinua) o de aceite en agua (donde el agua es la fase
continua).
Se considera que una emulsión es estable si persiste al
cesar la acción que la originó y al cabo de un
tiempo de reposo. Los factores que favorecen la estabilidad de
las emulsiones son:
- viscosidad del aceite muy alta
- tensión superficial del aceite
baja - pequeña diferencia de densidad entre los dos
líquidos - presencia de contaminantes.
La presencia de agua en el aceite es siempre perjudicial
para la lubricación,ya que,entre otras cosas, puede
disolver ciertos aditvos, restando eficacia al
aceite. Por lo tanto, siempre es deseable que los aceites formen
emulsiones inestables, o separen el agua por decantación.
Esto es especialmente deseable en el caso de la maquinaria
expuesta a la interperie.
Sin embargo, en algunos casos, como los aceites de corte o los
marinos para maquinaria de cubierta, lo deseable es que la
emulsiones sean estables.
Demulsibilidad
Se llama asi a la capacidad de un líquido no soluble en
agua para separarse de la misma cuando está formando una
emulsión.
La oxidación del aceite y la presencia de contaminantes
afectan negativamente a la demulsibilidad del aceite.
La adecuada eliminación del agua facilita en muchos casos
la lubricación, reduciendo el desgaste de piezas y la
posibilidad de corrosión.
Esta propiedad es muy importante en los aceites
hidráulicos, para lubricación de maquinaria
industrial, de turbina y para engranajes que transmiten grandes
esfuerzos. En los aceites de automoción no lo es tanto,
debido a la capacidad dispersante y detergente de los
mismo.
Aeroemulsión
La aeroemulsión es una emulsión de aire en aceite,
formada por burbujas muy pequeñas (0'0001 a 0'1 cm),
dispersas por todo el líquido.
Las aeroemulsiones son muy dificiles de eliminar y provocan
problemas
semejantes a los de la espuma superficial.
Esta es una propiedad muy importante en los aceites de turbina y
en los hidráulicos de alta presión. Es una
caracteristica intrinseca del aceite base y no puede ser
modificada con aditivos.
Punto de goteo
Se llama punto de goteo a la temperatura a la cual una grasa pasa
de estado
semisólido a líquido. Este cambio de
estado puede
ser brusco o paulatino, considerandose el punto de goteo como el
final del proceso.
En las grasas tipo jabon el cambio de estado es debido a la
separación del aceite y el jabon al alcanzarse el punto de
goteo. Las grasa tipo no jabon pueden cambiar de estado sin
separarse el aceite del espesante.
Se considera que el rango de temperatura útil de una grasa
está entre 100 y 150º F por debajo del punto de
goteo. La operación en temperaturas próximas al
punto de goteo obviamente afectará a la eficacia
lubricante de la grasa.
El punto de goteo no esta relacionado con la calidad de la
grasa.
Punto de inflamación
Se llama punto de inflamación a la temperatura
mínima en la cual un aceite empieza a emitir vapores
inflamables.
Esta relacionada con la volatilidad del aceite. Cuanto más
bajo sea este punto, mas volatil sera el aceite y tendra mas
tendencia a la inflamción. Un punto de inflamación
alto es signo de calidad en el aceite.
En los aceites industriales el punto de inflamación suele
estar entre 80 y 232 ºC, y en los de automoción entre
260 y 354ºC
El punto de inflamación tambien orienta sobre la presencia
de contaminantes, especialmente gases (los cuales pueden reducir
la temperatura de inflamción hasta 50ºC en algunos
aceites), riesgo de
incendios a
causa de los vapores y procesos no
adecuados en la elaboración del aceite.
Punto de combustion
Se llama así a la temperatura a la cual los vapores
emitidos por un aceite se imflaman, y permanecen ardiendo al
menos 5 segundos al acercarsele una llama. El punto de combustión suele estar entre 30 y 60 º
por encima del punto de inflamación.
Punto de enturbiamiento
Se llama punto de enturbiamiento a la temperatura a la cual las
parafinas y otras sustancias disueltas en el aceite se separan
del mismo y forman cristales, al ser enfriado el mismo,
adquiriendo así un aspecto turbio.
La solubilidad del aceite y el peso molecular de las sustancias
disueltas influyen en el punto de enturbiamiento.
Como es sabido, la solubilidad esta directamente relaciona con la
temperatura de la misma. Al bajar esta, la solubilidad disminuye,
haciendo que alguna sustancias disueltas se separen de la
sustancias disolvente.
El peso molecular de las sustancias disueltas tambien influye en
la capacidad del disolvente ( este caso el aceite) para
disolverlas. Cuanto menor sea el peso molecular en
cuestión mas facil sera disolver dichas sustancias.
La presencia de sustancias extrañas y el almacenamiento
prolongado tamvien influyen en el punto de enturbiamiento.
Los contaminantes se combinan o aglomeran parafinas y otras
sustancias susceptibles de separarse del aceite, elevando el
punto de enturbiamiento.
Igualmente, el almacenamiento
prolongado favorece la aglomeracion de parafinas.
El proceso de
enturbiamiento es reversible en la inmensa mayoria de los
casos.
No todos los aceites presenta punto de enturbiamiento: alguno se
solidifican directamente al alcanzar la temperatura de
congelación.
Esta caracteristi ca es de especial significación en los
aceites que operan en temperaturas ambiente muy
bajas, ya que afecta a la facilidad para bombear el aceite y su
tendencia a obstruir filtros y pequeños
orificios.
Punto de congelación
El punto de congelación (tambien llamado punto de
fluidez)es la menor temperatura a que se observa fluidez en el
aceite al ser enfriado. Se expresa en múltiplos de
3ºC o 5ºF.
En los aceites naftalénicos este punto se alcanza por la
disminución de la densidad causa por el descenso de la
temperatura; en lo parafínicos se debe principalmente a la
cristalización de sustancias parafínicas.
El punto de congelación se alcanza siempre a temperatura
inferior a la del punto de entrubiamiento. Al igual que este, es
una caracteristica importante en aquellos aceites que operan a
muy bajas temperaturas ambientales.
Punto de floculación
Se llama punto de floculación a la temperatura a la cual
las parafinas y otras sustancias disueltas en el aceite se
precipitan formando flóculos (agregados de sustancias
sólidas) al entrar en contacto con un fluido refrigerante
(normalmente R-12), en una mezcla con un 10% de aceite y un 90%
fde refrigerante, al ser enfriado el aceite.
Esta característica es de especial
significación en los aceites que trabajan en elementos de
sistemas de refigeración, en los cuales el refrigerante es
mixcible con el aceite.
Autor:
Oscar López Rodrigo