Principios de Lubricación Lubricantes
Juan F Alvarez H. Ingeniero de Lubricación ExxonMobil
ACEITES LUBRICANTES
2
Composición de un aceite lubricante
Base Lubricante +
Aditivos = Aceite Lubricante 3
Bases Lubricantes Una base es un LIQUIDO procesado de crudo u obtenido por procesos químicos, que se utiliza para mezclar grasas y aceites lubricantes terminados. Las bases están fabricadas con distintos grados de viscosidad. La calidad de cada base varía según la fuente de crudo y el procesamiento que se utilice.
R
A
H
R
A H
R
R
R
R R
A H R
Alcohol
R - OH
4
+ Óxidos de alquileno O +n H-C-C-H H R1
R
Óxido de polialquileno
H H R-O- C-C-O-H H R1 n
R
Bases Lubricantes
Petróleo crudo como punto de partida
Ceras, Asfaltos, Combustibles, Lubricantes, y Gases 5
Bases Lubricantes
La refinación separa componentes |
Etano — una fuente de compuestos SHF puros sin combustibles, lubricantes, asfaltos o ceras.
Gases
Combustibles y Lubricantes Asfalto y Ceras 6
Bases Lubricantes
Diagrama de Flujo de la Refinación
Pesados
Residuo Separación por Propano (Asfaltos) 7
Aceites Básicos Finales Tratamiento con Arcilla o Hidroterminación
Medios
Desparafinación por Solventes
Crudo de destilación atmosférica
Destilación por Vacío
Livianos
Refinados con Parafina Extracción por Solventes
Destilados
Aceites Desparafinados
S100N (Liviano)
S150N (Medio)
S600N (Pesado)
Bright Stock
Bases Lubricantes Propiedades de los Componentes La mayoría de los aceites base están hechos de crudos de isoparafina. Los naftenos se utilizan para producir bases que ayudan en las aplicaciones a bajas temperaturas como consecuencia del punto de fluidez naturalmente bajo. Las siguientes son propiedades típicas del crudo agrupado acorde al tipo de hidrocarburo.
8
Propiedad
Parafinas
Isoparafinas
Naftenos
Comp.Aromáticos
Índice de Viscosidad
alto (>90)
alto (>90)
bajo a moderado (40-85)
bajo(0-20)
Punto de Fluidez
alto
bajo
más bajo
mínimo
Volatilidad
baja
baja
más alto
máximo
Oxidación
buena
buena
Baja resistencia a la oxid.
Solvencia
pobre
suficiente
buena
Fácilmente oxidable excelente
Bases Lubricantes: Clasificación En este cuadro, podrá observar que las bases están divididas en cinco grupos, basados en el índice de viscosidad y el porcentaje de azufre. Clasificación API (Instituto Americano del Petróleo) de las bases Especificaciones físicas Grupo
Proceso de fabricación IV
Azufre % peso
Saturados % peso
I
80-120
> 0,03
< 90
Convencional (refinado con solvente)
II
80-120
< 0,03
90
Requiere hidrofraccionamiento/desparafinado
III
> 120
< 0,03
> 90
Requiere hidrofraccionamiento/ desparafinado intensivo
IV V 9
< 140
0,00
> 90
Síntesis química – polialfaolefinas (PAO) Todos los otros tipos
Bases Lubricantes: Propiedades El siguiente cuadro compara las propiedades de rendimiento de los cinco diferentes grupos de bases.
Comparación de las propiedades de las bases Parámetro
Grupo I
Grupo II
Grupo III
Grupo IV
Grupo V
Estabilidad de oxidación
Buena
Mejorada
Mejor
Óptima
Mejor a óptima
Volatilidad
Buena
Buena – mejor
Mejor
Óptima
Buena a óptima
Solvencia de aditivo
Muy buena
Buena con co-bases
Buena con co-bases
Buena con co-bases
Buena a óptima
seleccionadas
seleccionadas
seleccionadas
Capacidad a baja temperatura
Buena
Mejorada
Mejor
Óptima
Buena a óptima
Eficacia/tracción
Buena
Buena
Mejorada
Mejor
Buena a óptima
Costo relativo c/ Grupo I
1
1.1 a 1.2
1.5
4 a 10
2 a 50
Grado de viscosidad a 40°C cSt
Hasta 500
Limitada a <120
Limitada a <40
Hasta 3.000
Hasta 50.000
Bases Lubricantes Sintéticas Polialfaolefinas (PAO) Poliglicoles
Ester orgánico
11
Características Físicas y Químicas de los Aceites
12
Propiedades de los aceites lubricantes 1. viscosidad,
2. Indice de Viscosidad 3. estabilidad térmica, 4. estabilidad de oxidación, 5. punto de fluidez, 6. demulsividad, 7. punto de inflamación y 8. punto de combustión. 9. Formación de espuma
10.Color 13
Propiedades de los aceites lubricantes 1. Viscosidad La más importante propiedad de los aceites lubricantes es la viscosidad. La viscosidad es la resistencia interna del fluido a fluir . La viscosidad es la propiedad más importante del lubricante.
1. formar una película lubricante, 2. enfriar los componentes de la máquina y 3. sellar y controlar el consumo del aceite.
14
Viscosímetro Cinemático 55
60
55
5
50
10 15
45
20
40 35
30
25
Cronómetro
El aceite se sube para iniciar su descenso
Aceite Muestra en reposo
15
Aceite de Baño @ 40°C o 100°C
Tubo Capilar
Al pasar por el primer aforo, se arranca el cronómetro
60
5
50
10 15
45
20
40 35
30
25
Cronómetro
Al pasar por el segundo aforo, se para el cronómetro
VISCOSIDAD Cada uno de los siguientes grupos mide la viscosidad con escala propia: Abreviatura AGMA
Nombre del grupo American Gear Manufacturers Association
Clasificación que realiza el grupo Aceites industriales para engranajes
(Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes) Society of Automotive Engineers (Sociedad de
Aceites para engranajes/motores de
Ingenieros Automotrices)
automóviles
SAE
Saybolt Universal Seconds (Segundos Saybolt SUS
Todos los aceites Universal) International Standards Organization (Organización
ISO
Aceites lubricantes industriales Internacional de Normalización)
cSt
Centistokes (centistokes)
Todos los lubricantes
Relación Viscosidad - Temperatura
Viscosidad
17
Temperatura
La Viscosidad Decrece Cuando Aumenta la Temperatura
2.Indice de Viscosidad El índice de viscosidad es el nivel de cambio en la viscosidad de un aceite con la temperatura. Cuanto mayor es el IV, menor es el cambio de la viscosidad de un aceite con la temperatura. Alto I.V. = Variaciones ligeras de viscosidad Bajo I.V. = Variaciones severas de viscosidad En el gráfico que se encuentra debajo se puede identificar que la pendiente de cada línea es diferente sobre el mismo rango de temperatura, dependiendo de su viscosidad: el IV más bajo tiene la mayor pendiente y el mayor IV tiene la menor pendiente.
Viscosidad
Índice de viscosidad
IV muy alto (135) es decir, sintéticos IV alto (95) es decir, aceite mineral
Temperatura
Nota: Los números en paréntesis son números sin unidad que muestran la diferencia en la viscosidad a 40°C y a 100° C.
Propiedades de los aceites lubricantes 3. Estabilidad térmica La estabilidad térmica es otra propiedad de los aceites lubricantes. Es la capacidad de los lubricantes de resistir la descomposición altas
temperaturas. La poca estabilidad térmica puede resultar en:
•
sedimentos,
•
depósitos y
•
aumento de la viscosidad.
Propiedades de los aceites lubricantes 4. Estabilidad de oxidación La estabilidad de oxidación es la capacidad de un lubricante de resistir la combinación química con oxígeno. La oxidación puede resultar en la aparición de sedimentos, depósitos y aumento de
la viscosidad. El proceso se acelera por:
•
calor
•
luz
•
catalizadores metálicos
•
ácidos formados por la contaminación del agua
•
otros contaminantes
ZDTP
Fenol impedido
Propiedades de los aceites lubricantes 5. Punto de fluidez El punto de fluidez es la temperatura más baja en la que un aceite fluirá bajo las condiciones de prueba prescriptas. El punto de fluidez se ve afectado por la cantidad de partículas de cera que se eliminan durante el procesamiento del crudo:
•
A mayor cantidad de partículas de cera, mayor punto de fluidez.
•
A menor cantidad de partículas de cera, menor punto de fluidez.
Propiedades de los aceites lubricantes 6. Demulsibilidad La demulsibilidad es otra propiedad importante de los aceites lubricantes. Es la capacidad de un aceite de separarse del agua.
Frasco derecho Agua y aceite separados (excelente demulsibilidad)
Frasco izquierdo Sin agua
Frasco central Aceite y agua mezclados
Propiedades de los aceites lubricantes 7. Punto de inflamación El punto de inflamación se determina al calentar el aceite hasta que se formen vapores y entonces se pasa una llama a través el aceite. El punto de inflamación es la temperatura a la que el aceite genera chispas, pero no se mantiene una llama.
El punto de inflamación para los aceites lubricantes es por lo general 400°F o más.
Propiedades de los aceites lubricantes 8. Punto de combustión El punto de combustión se determina de manera similar al punto de inflamación. El aceite se calienta hasta que se forman vapores y se pasa una llama a través del aceite. El punto de combustión es la temperatura a la que el aceite genera chispas y la llama se mantiene.
El punto de combustión para los aceites lubricantes es por lo general 700°F o más.
Propiedades de los aceites lubricantes 9. Formación de espuma Tendencia del aceite a formar espuma. Relacionada con el atrapamiento de aire en el aceite. Se mide con la prueba ASTM D 892.
EL aceite debe liberar el aire atrapado y la espuma que forma este proceso debe desaparecer en poco tiempo
Propiedades de los aceites lubricantes 10. COLOR Se determina conforme a la norma ASTM-D-1500
La escala va desde 0 (transparente) hasta 8 (negro) Para determinación de colores mayores que 8 se efectúa una dilución del aceite en petróleo incoloro y el valor se expresa con abreviatura DIL
L2 = Más claro que 2
D5 = Más obscuro que 5
Para aceites menores de 0 se utiliza el colorímetro Saybolt
Bases Lubricantes: Influencia en el producto terminado Las bases tienen un enorme efecto en el rendimiento del lubricante terminado: Propiedad del lubricante
Influencia de la base
Influencia del aditivo
Viscosidad
importante
leve
Índice de viscosidad
importante
importante
Punto de inflamación
importante
leve
Volatilidad
importante
leve
Punto de fluidez
importante
importante
Estabilidad de oxidación
importante
importante
leve
importante
Control de depósito
importante
importante
Formación de espuma
importante
importante
Protección contra la oxidación
Aditivos
28
Aditivos - Funciones Funciones Principales Limitar
el deterioro del lubricante a causa de fenómenos químicos ocasionados por razón de su entorno o actividad. Proteger
la superficie lubricada de la agresión de ciertos contaminantes Mejorar
las propiedades del lubricante o proporcionarles otras nuevas
29
Aditivos - Proporción
Proporción de los Aditivos Desde 0.01% hasta 30% Aceites para transformador:
Aceites hidráulicos y para engranes:
5.00%
Aceites para motor:
15.00%
Aceites emulsionables:
30.00%
30
0.01%
Aditivos para la Protección de Superficies
31
–
Agentes Antidesgaste y de Extrema Presión
–
Inhibidores de Corrosión
–
Inhibidores de Herrumbre
–
Detergentes y Dispersantes
–
Modificadores de Fricción
Aditivos para la Protección de Superficies
Agentes Anti-Desgaste y de E.P. Propósito: Reducir Fricción y Desgaste Prevención de Rayaduras y Fatigas de Material Funciones: Reacción Química con el metal para formar película con menor resistencia al corte que la del metal anteponiéndose a éste. Tipos: Sulfuros, Xantanatos, Ditiocarbonatos Dialquilditio Carbonatos, Ditiofosfatos de Zinc.
32
Aditivos para la Protección de Superficies AGENTES ANTIDESGASTE ESTOS SON ADITIVOS QUE SON ACTIVADOS POR EL ROZAMIENTO A TEMPERATURAS NORMALES DE OPERACION
REACCIONAN PARA FORMAR UNA PELICULA PROTECTORA SOBRE LA SUPERFICIE METALICA LO QUE CONTROLA LA ABRASION PIEZA DESLIZANTE CAPAS DE
SUPERFICIES
ADITIVO
METALICAS
PIEZA ESTACIONARIA 33
Aditivos para la Protección de Superficies AGENTES DE EXTREMA PRESION SON ACTIVADOS POR ALTAS PRESIONES Y TEMPERATURAS, CONDICIONES EN LAS QUE LOS AGENTES ANTIDESGASTE NORMALES FALLARIAN
REACCIONAN FUERTEMENTE CON LA SUPERFICIE METALICA FORMANDO UNA CAPA DE METALES BLANDOS; LO QUE EVITA EL SOLDADO
PIEZA DESLIZANTE ADITIVO EP
PIEZA ESTACIONARIA 34
Aditivos para la Protección de Superficies
Inhibidores de Corrosión Propósito: Prevenir la corrosión de partes metálicas No-Ferrosas en contacto con el lubricante Funciones: Neutralización de ácidos corrosivos Tipos: Dialquil y Diarilditio fosfatos metálicos
35
Aditivos para la Protección de Superficies
Inhibidores de Herrumbre y Corrosión H2 O
Propósito: Prevenir la oxidación de partes metálicas ferrosas en contacto con el lubricante Funciones: Adsorción preferencial del constituyente polar en la superficie metálica para brindar una película protectora Tipos: Sulfonatos de Calcio, Sodio, Magnesio y Bario, Aminas fosfatadas,ácidos parafínicos 36
Escudo Protector
Aditivos para la Protección de Superficies
Detergente Propósito: – Mantener las superficies como ranuras de anillos, faldas de pistón, válvulas, etc., libres de depósitos
Depósitos de Carbón 1er. Anillo de Compresión
2do. Anillo de Compresión
Funciones: Reacción química con el lodo y el barniz para neutralizarlos y mantenerlos en solución en el aceite. Tipos: Sales sobre-básicas de Calcio, Bario y Magnesio, Sulfonatos... 37
38
Aditivos para la Protección de Superficies
39
Dispersante Propósito: Mantener los insolubles dispersos en el aceite Funciones: Los contaminantes quedan atrapados por la atracción polar de las moléculas del dispersante previniendo su aglomeración. Los mantiene en suspensión debido a la solubilidad del dispersante Tipos: Sales de Bario de alto P.M. conteniendo fósforo, Poliaminas, Succinoamidas, Polímeros....
Aditivos para la Protección de Superficies
Modificador de Fricción (Lubricidad) Propósito: Alterar el coeficiente de fricción (Sinfin-Corona) Función: Adsorción preferencial de materiales activos Tipos: Acidos - aminas grasos, Mantecas, Aceites Animales y Vegetales
40
Aditivos de Desempeño - Tipos
41
Depresor del Punto de Fluidez
Mejorador del índice de viscosidad
Agentes de resistencia de película
Agentes de adhesividad
Emulsificantes
Aditivos de Desempeño
Depresores del Punto Mínimo de Fluidez Propósito: Permitir el flujo del lubricante a bajas emperaturas Funciones: Modifica la formación de cera Tipos: Poliacrilatos, Polímeros de hidrocarburos, Polimetacrilatos, Esteres Poliméricos.... Aditivo Cera
42
Aditivos de Desempeño
Mejoradores del índice de Viscosidad Propósito: Aumentar el índice de viscosidad Funciones: Frio Caliente Los polímeros se dilatan con el aumento de la temperatura, contrarrestando el adelgazamiento del aceite. Tipos: Poliisobutilenos, Copolímeros, Metacrilatos, Polímeros con Nitrógeno.
43
Aditivos de Desempeño
Agentes de resistencia de película Propósito: –Incrementar la capacidad de soportar cargas Funciones: Los aditivos se concentran sobre las superficies metálicas formando películas que minimizan la posibilidad de contacto directo metal - metal
44
Aditivos de Desempeño
Agentes de adhesividad Propósito: Incrementar las características de adhesividad de los lubricantes, tornándolos mas "pegajosos" Funciones: Bajo condiciones de película delgada, evitan que el aceite se escurra. Tipos: Polímeros de Isobutileno
45
Aditivos de Desempeño
Emulsificantes
Aceite
Propósito: Facilitan la emulsión agua-aceite y la mantienen estable
Agua
Aceite Agua
Función: Reducir la tensión superficial para facilitar la emulsión del agua y el aceite Tipos: Detergentes de hidrocarburos, sulfonatos de petróleo, jabones alcalinos y alcalinotérreos 46
Aditivos para Proteger el Lubricante
47
Aditivos para Proteger el Lubricante
Antioxidante
Antiespumante
Demulsificante
Aditivos para Proteger el Lubricante
Antioxidante Propósito: Extender la vida útil del aceite Funciones: Prevenir la reacción entre el oxígeno y los hidrocarburos, minimizando además el efecto catalizador de algunos metales en este proceso. Tipos: Fenoles Alquilados y bloqueados, Diaril Dialquilditio fosfatos metálicos....
48
Aditivos para Proteger el Lubricante
Antiespumante Propósito: Impedir que se forme en el lubricante una espuma demasiado persistente
Funciones: Reducir la tensión superficial para acelerar el colapso de la espuma. Tipos: Silicones, Copolímeros orgánicos... 49
Aditivos para Proteger el Lubricante
Demulsificante Propósito: –Aumentar la rapidez de separación del agua Funciones: Aumentar la tensión superficial para obtener gotas grandes de agua Tipos: Tricresil fosfato, Duodesil sulfonato de calcio....
50
Aditivos Influencia en el aceite
Su influencia sobre las características del lubricante
Detergente sobre el contenido de cenizas
Detergente sobre el T.B.N.
Aditivos Influencia con otros Aditivos
Su influencia sobre otras propiedades
Antiespumantes sobre la liberación del aire
Dispersantes sobre la demulsibilidad
Inhibidor de corrosión sobre Anti-desgaste y Extrema Presión
Aditivos Sus daños con otros Agentes
Daños: –El
agente de E.P. con la Temperatura
El Antiespumante con la contaminación de detergente
–
El mejorador de índice de viscosidad por un alto esfuerzo de corte (Motores de 2 tiempos)
–
–El
ZDDP (Ditiofosfato de Zinc) por humedad (hidrólisis)
Aditivos En Componentes Comunes Componentes
Problemas Típicos
Requisitos del
Sistema hidráulico
Temperatura
Resistencia a la oxidación
Contaminación Entrada de Aire Condensación
Engranes
Altas Cargas Temperatura Contaminacion con agua
Aditivo Resistencia a la espuma Demulsibilidad
Propiedades AD y EP Resistencia a la oxidación Preventivo de herrumbre
Aditivos En Componentes Comunes Componentes
Problemas Típicos
Requisitos del Aditivo
Guías y Correderas
Deslizamiento Irregular
Modificador de fricción Resistencia de película Adhesividad
Motor
Altas Cargas Formación de depósitos Arranque en frio Viscosidad suficientemente Alta
Propiedades AD Detergentes y Dispersantes Depresor del Punto Mínimo de Fluidéz Mejorador del IV
56
¿Preguntas?
57
