TRIBOLOGIA El termino TRIBOLOGIA es relativamente nuevo, y es usado desde hace poco mas de 30 años. Se origino de una palabra griega cuyo significado es: “Ciencia o Estudio el Rozamiento” Es un termino genérico que engloba tres campos muy importantes de la Mecánica, que se detalla a continuación : A ) Investigación del Rozamiento: Es la parte científica de la Tribología dentro de la mecánica racional y esta relacionada con el estudio del rozamiento y el desgaste, tanto en lo que se refiere a conseguir minimizarlo, como por ejemplo en cojinetes de todo tipo, como también maximizarlo, como resulta necesario en equipos de freno y embragues de acoplamiento para transmisión de fuerzas. B ) Técnicas de Rozamiento Es el campo de aplicación de la Tribología dentro de la mecánica racional y se ocupa específicamente con la construcción , elaboración y aplicación de superficies y / o puntos de rozamiento , y como lograr los mejores resultados en ambos casos. C ) Técnicas de Lubricación: Es uno de los campos mas importantes de la Tribología y esta dedicado específicamente a la investigación, selección y métodos métodos de aplicación de los productos lubricantes conocidos, con el fin de conseguir los mejores resultados en relación al razonamiento y el desgaste. El interés del articulo se centra específicamente en este ultimo campo, por la importancia adquirida en relación a las sofisticadas maquinas y equipos utilizados en las instalaciones industriales modernas, cuyas necesidades en lo que a lubricación se refiere, han ido aumentando en forma continua.
ROZAMIENTO Es una Resistencia Mecánica La fuerza de Rozamiento se subdivide en Rozamiento de Movimiento ( Dinámico ) Rozamiento de Reposo ( Estático Estático ). Rozamiento de Movimiento Movimiento ( Dinámico ) Rozamiento de Deslizamiento Rozamiento de Rodaje Rozamiento Mixto Rozamiento de Rotación Rozamiento en Reposo ( Estático ) Contra el deslizamiento deslizamiento / rodaje y mixto En caso de reposo., Fr es suficientemente grande y necesario para alcanzar el equilibrio del cuerpo cuerpo Fr = v = FR = FA = µ =
Fuerza , y también Peso Velocidad Fuerza de Rozamiento Fuerza Actuante Coeficiente de Rozamiento = FR / F
El Rozamiento de Movimiento dificulta el desplazamiento de un cuerpo en movimiento sobre su base. La resistencia por rozamiento rozamiento (actuando tangencialmente tangencialmente a la superficie de contacto) contacto) – (Fuerza R) debe ser vencida por la fuerza actuante. El Rozamiento de Reposo ( rozamiento por adherencia ) desenvuelve una resistencia al desplazamiento de un cuerpo en reposo. La resistencia resistencia por rozamiento (Fuerza de Rozamiento Rozamiento FR) es de la misma dimensión que la Fuerza Actuante FA. Como tipo de Rozamiento , se entiende una clasificación del Roce según la forma del movimiento o tipo de los componentes en rozamiento. 1
Rozamiento por Deslizamiento Es el rozamiento dinámico entre dos cuerpos que deslizan entre si ( frenos – cojinetes lisos - pistón en el cilindro cilindro )
Rozamiento de Rodaje Es un roce de movimiento Los cuerpos que ruedan en movimiento de rotación, tienen teóricamente contacto en forma de punto o línea. ( Contacto de punto: esfera; Contacto de línea: cilindro ) Las fuerzas fuerzas tangenciales tangenciales producen una deformación elástica en el el punto de contacto. Debido a la incidencia del contacto de superficie, ocurre el deslizamiento, deslizamiento, que en función a la deformación deformación es llamado microdeslizamiento. microdeslizamiento.
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Rozamiento Mixto Es un caso especial del rozamiento rozamiento de rodaje, rodaje, donde ocurre el rozamiento por deslizamiento.
Rozamiento de Rotación Es aquel que ocurre en función del movimiento de rotación de dos cuerpo, cuando el punto de contacto sobre una superficie se produce en las extremidades del eje en posición vertical. En la zona de rozamiento de un punto de contacto, libre de lubricante, existen dos superficies que de alguna forma están ancladas. Al desplazarse las superficies en contacto entre si ocurre rozamiento, principalmente por lo que sigue: Deformación Elástica Deformación Plástica Corte de los picos de rugosidad Ruptura de las micro soldaduras La remoción de material material ( incluso el desprendimiento del material material ) llamamos llamamos DESGASTE. El llamado Desgaste de pulimento, puede presentar un deseado y hasta necesario recorte de los picos de rugosidad de nuevos componentes del del rozamiento, como como por ejemplo: Pistón en el cilindro, Sistema de Eje-Cojinete de deslizamiento.
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Teniendo presente las diversas condiciones en que se presenta el Rozamiento, se puede subdividir en tres grupos: a) Fricción entre cuerpos sólidos en secos b) Fricción Mixta (rozamiento limite) c) Fricción entre Fluidos
/ Rozamiento de Camada Superficial
El primer caso trata sobre la fricción entre dos cuerpos sólidos, cuando no existe entre ellos ningún lubricante o capa de reacción. (que generalmente es producidas por condiciones ambientales de la atmósfera). Esta situación, con excepción de los procesos de trabajos de rebaje o desgaste de los metales para moldearlos, solo es posible realmente bajo vacío. Normalmente en este caso, los cuerpos están en contacto directo y suceden desgastes acentuados
En el segundo caso, podemos decir que ocurre cuando al mismo tiempo se presenta la fricción limite (una subdivisión de la fricción limite en la fase de pasaje para la fricción en seco) y la fricción de fluidos. Los componentes en fricción, están parcialmente separados por un film lubricante de sustentación.
En el tercero y ultimo caso ocurre cuando en la fricción entre dos cuerpos sólidos, se interpone un film de sustentación de un lubricante fluido evitando que los cuerpos se toquen en ningún punto. Cuando el film de sustentación sufre una incorporación de presión en función al movimiento entre los componentes llamamos a esta condición, lubricación hidrodinámica .
En cambio cuando el film de sustentación entre los cuerpos en fricción es incorporado con presión artificial (por ejemplo: inyección del lubricante en los puntos de rozamiento) denominamos a esta condición lubricación hidrostática.
También
sabemos
que el llamado es un numero sin dimensión, y se produce cuando existe fricción entre materiales de características iguales o Coeficiente de Rozamiento u,
diferentes, según sea el caso.
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Para ilustrar sobre el tema, presentamos una serie de cuadros , donde aparecen resultados hallados al efectuar ensayos de fricción en laboratorio, bajo diversas condiciones, entre una variedad de metales y aleaciones , de los mas usados en la industria. Coeficiente de rozamiento u de algunos tipos de hierro cuando friccionan en seco sobre si mimo, en una atmósfera normal:
Acero de Rulemanes de esferas Aceros austeniticos Hierro fundido Cromados Aceros de Herramientas Hierro (3,5% de Si)
0,71 1,00 0.39 0.71 0,4 0,19
Coeficiente de rozamiento u de algunas aleaciones cuando friccionan en seco con piezas de acero en una atmósfera normal.
Aleación Cu – Pb. 0,17 Metal blanco (Sn) 0,66 Metal blanco ( Pb.) 0,42 Bronce fosforozo 0,26 Latón ( Cu 70% - Zn 30%) 0,42 Constatan ( aleación cobre / níquel ) 0,34 Acero ( 0,13 C – 3,42 % Ni ) 0,66 Hierro fundido 0,33 Coeficiente de rozamiento u de algunos materiales cuando fraccionan con acero y son lubricados con aceite mineral:
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Lubricado Acero Hierro fundido Bronce fundido Bronce Plomo puro Metal blanco en base a Pb. Estaño puro Metal blanco en base Estaño Latón
0,16 0,21 0,21 0,17 0,50 0,12 0,60 0,13 0,20
Seco 0,65 0,41
0,49 0,50
Podemos observar un coeficiente de rozamiento relativamente bajo para los metales blancos ensayados en comparación con la fricción en seco. Esto se refiere al coeficiente de rozamiento en presencia de un lubricante, cuando las superficies de contacto de los materiales estaban lubricadas o estaba sucediendo una fricción mixta, según los documentos de estudios realizados por el Prof. Dr. Ing. W.J. Bartz en su libro “Tribología Und Schmierungstechnik” En ese mismo contexto, la influencia de diversos tipos de lubricantes sobre el coeficiente de rozamiento, cuando sucede rozamiento entre dos aceros, presenta resultados interesantes de analizar. Coeficiente de razonamiento u de acero con acero en presencia de varios tipos de lubricantes conocidos:
Aceite refinado por solvente Aceite para motor de alta viscosidad
0,14 0,19 6
Aceite mineral parafínico Aceites minerales con aditivos E.P. (Extrema Presión)
0,18 0,10
PRETROLEO Es una mezcla de Hidrocarburos de diversos tipos, que tienen una sensible diferencia entre si. Aparte del Carbono ( C ) y del Hidrógeno Hidrógeno ( H ) hallamos en el Petróleo otros elementos elementos como: Azufre hasta 7 % en peso Residuos como Nitrógeno y Oxigeno hasta 1 % en peso Los componentes principales son: Carbono ( C ) 80 - 85 % en peso Hidrógeno ( H ) 10 - 17 % en peso Según exista una determinada determinada predominancia de determinados hidrocarbonos se clasifican en en 1.- Aceites minerales minerales de Base Parafínica. Son Hidrocarburos de cadena saturada Los aceites lubricantes producidos a partir del Petróleos Parafínicos, presentan una buena estabilidad en relación Viscosidad/ Temperatura. 2.- Aceites minerales minerales de Base Nafténica: Son Hidrocarburos Saturas de forma forma Cíclica, por ejemplo ejemplo Ciclohexanos y sus derivados. (Cn H2n-2) En relación Viscosidad / Temperatura, los aceites lubricantes obtenidos se ven desfavorecidos en comparación a los aceites parafínicos. 3.-Aceites Minerales Aromáticos Son hidrocarburos insaturados de forma anular, derivados del benzol Cuando de la refinación de los Aceites Lubricantes Destilados para la obtención de Aceites refinados, se extraen dos destilados, en menor o mayor grado, “hidrocarburos de cadenas insaturadas” los que son saturados posteriormente a través de un proceso de Hidrogenación Podemos afirmar que para la fabricación de aceites lubricantes, los aceites minerales Parafínicos o Naftenicos son los mejores.
DESTILACIÓN – REFINACIÓN El petróleo esta compuesto de diversos hidrocarburos con puntos de ebullición diferentes. En función de esto el petróleo no tiene un punto de ebullición sino una faja de ebullición que oscila aproximadamente entre los 25° C y los 360° C. Por ello, cuando se le va aplicando calor, el hidrocarburo cuyo punto de ebullición es alcanzado, se evaporan en primer lugar. Esto ocurre a la presión atmosférica mediante la llamada Destilación Fraccionada, por lo que este proceso es llamado “Destilación Atmosférica”. Por medio de la destilación atmosférica son obtenidos los siguientes productos destilados: Fracciones superiores: Gases Gasolina o Nafta Kerosene Aceite Combustible Residuos
Butano, Propano, Etano Gasolina Técnica, Gasolina de aviación Gas-oil, Diesel Aceite pesado para calentamiento
Este ultimo, aceite pesado para calentamiento, también conocido por fuel-oil, al ser reprocesado bajo “Destilación al vacío” permite obtener los Aceites destilados lubricantes. Mediante la “Destilación al vacío” se obtienen los siguientes destilados: Fracciones Superiores: (llamados fracciones básicas de aceites lubricantes)
Gas-oil Aceite Spindel Aceite de Maquinas Aceite de Cilindros
Fracciones Inferiores:
Residuos (se obtienen Brea o Brightstock)
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De hecho, estos aceites lubricantes contienen elementos indeseables, como por ejemplo componentes químicos de fácil reacción, que hace necesario que los mismos sean reprocesados mediante refinaciones especiales. Los diferentes procesos de refinación utilizados son: Refinación con ácido sulfúrico Prácticamente ya no es usado actualmente para obtener aceites lubricantes (debido a serios problemas de descontaminación y su elevado costo) Es muy utilizado para la “re-refinación de Aceites usados” usados” o en la fabricación de aceites medicinales (aceite blancos) , aceite para transformadores y para turbinas. Refinación por Hidrogenación Siendo uno de los procesos modernos, no permite la formación de residuos, eliminándose principalmente el azufre, que es un componente no deseado en la fabricación de aceites lubricantes. Refinación por solventes Permite la eliminación de componentes indeseados, principalmente Aromáticos que son extraídos por el solvente.
Desparafinizacion Permite eliminar la Parafina sólida a través de solventes, componentes estos encontrados principalmente en Destilados Parafínicos. Con esto se consigue mejorar el comportamiento de los lubricantes a bajas temperaturas.
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TIPOS DE ACEITES LUBRICANTES
Con el fin de poder atender las exigencias de las Técnicas de Lubricación se hace necesario agregar as los los Aceites Lubricantes Lubricantes Refinados, determinados compuestos llamados Aditivos. A partir de aquí, estaremos hablando de Aceites Lubricantes Refinados Aditivados. Recuerde que los Aceites no Aditivados, del mismo mismo tipo ( Mineral o Sintético ) son mezclables. mezclables. Aceites lubricantes lubricantes Aditivados no pueden ser mezclados mezclados indiscriminadamente, indiscriminadamente, ya que los aditivos podrán cambiar la eficiencia de los mismo mutuamente. Los aditivos más conocidos son:
ADITIVOS Aditivos contra la corrosión Aditivos Antioxidantes Aditivo Antiespuma Aditivos Extrema Presión Aditivos Antidesgastes Mejorador de la Adhesividad
EFECTOS Dificultan la corrosión Protegen contra la oxidación Evitan la formación de espuma Evitan el engranamiento de las superficies metálicas Reducen el desgaste Mejora la capacidad adhesiva del Lubricantes
Nota: Corrosión = Reacción de un material material metálico con el medio ambiente. ambiente. Oxidación = Reacción química del material material con el oxigeno . En forma Genérica se dice que la Viscosidad constituye la resistencia interna de un fluido, o sea es la resistencia que un fluido ofrece al libre movimiento movimiento de la mayoría de los fluidos. 9
Un producto viscoso como la miel ofrece una resistencia al movimiento libre, bastante mayor que en un producto más fluido, como la leche. En base a esto es que decimos que la miel tiene una viscosidad mayor que la leche. La Viscosidad Cinemática de un fluido, puede ser medida medida mediante la determinación determinación del tiempo de escurrimiento de un volumen definido del fluido a través de un tubo capilar. Dentro de lo que llamamos Viscosidad Viscosidad diferenciamos lo siguiente: Viscosidad Dinámica ( n ) cuyo dimensionamiento dimensionamiento es medido medido en mPas Es la Viscosidad efectiva, necesaria en procesos de lubricación en Cojinetes y Engranajes, obtenida mediante cálculos o ensayos empíricos. (la dimensión era dada hasta entonces en Centipoise; cp ; 1 cp = 1 mPas) Viscosidad Cinemática ( V ) cuyo dimensionamiento es dado en mm2 / s Es una relación relación entre la viscosidad y la densidad. (la dimensión era dada en Centistokes cSt Donde 1 cSt = 1 mm2 / s. En la práctica solo se mide la Velocidad Cinemática. Cuando hay necesidad de establecer establecer la “ Viscosidad Viscosidad Dinámica Dinámica “ a partir de la “ Viscosidad Viscosidad Cinemática “ la obtenemos de la formula:
Viscodidad Dinamica = Viscosidad Cinemática x Densidad ( Densidad = Relación entre la masa de un Volumen, a temperatura constante ) La Viscosidad de un aceite depende de : a) de la estructura interna molecular molecular del aceite b) de la Temperatura. Recordemos que con el aumento de ella disminuye la Viscosidad, en cambio con la disminución, aumenta la viscosidad. Cuando se indica la viscosidad de un aceite, es imprescindible se indique la temperatura temperatura para la cual es válida. Normalmente se define define la misma a 40 °C a la presión atmosférica. atmosférica.
Paralelamente a la producción de los tradicionales aceites minerales, se producen oleos básicos químicamente (aceites sintéticos) 10
Aceites sintéticos encuentran aplicación aplicación como elemento en la producción de aceites lubricantes y como aceite básico en la fabricación de grasas lubricantes. Aceites sintéticos se destacan para aplicaciones en condiciones extremas, como por ejemplo: -
altas o bajas temperaturas altas cargas altas rotaciones agentes agresivos
para los diferentes casos de aplicación técnica, son empleados tipos diferentes de oleos lubricantes, con el objeto de evitar fraude. Los oleos lubricantes son agrupados conforme a la norma existente. Su identificación es diferenciada en base a: - Símbolos (cuadrados, rectángulos) - Letras de identificación - Letras de identificación suplementarias - Numero de identificación - El color de los símbolos es blanco Símbolo de identificación para aceite lubricante C = Letra de identificación identificación de aceites de circulación circulación CL 68
L = Letra de identificación suplementaria para aditivos contenidos 68 = Numero de identificación identificación de la clase clase ISO VG (viscosidad en mm2 mm2 / a 40° C)
Símbolo de identificación para fluido fluido hidráulico de difícil inflamación HFC = Letras de identificación para para soluciones acuosas acuosas de polimeros polimeros H F C 46
46 = Numero Numero de identificación de la clase ISO VG (viscosidad en mm2 / a 40° C) ISO VG = Clasificación ISO conforme conforme DIN 51519
Los aceites lubricantes no son adecuados para todas las necesidades de la técnica, una vez que no permanecen por un largo tiempo en el punto a ser lubricado. Tampoco es posible constructivamente, suplir todos los puntos de rozamiento con una lubricación. Para estos y otros casos, se aplican grasas lubrificantes.
Tipos de grasas lubricantes Genéricamente las Grasas Lubricantes se diferencian en dos tipos:
Tipo I
GRASAS LUBRICANTES CON ESPESANTE / JABON Jabón simple. Mezcla de jabones, jabón complejo de bases metálicas Distintas, por ejemplo: Calcio (Ca), Sodio (Na), Litio (Li), Aluminio (Al), etc. ACEITE MINERAL COMO FASE FLUIDA
ACEITE SINTETICO COMO FASE FLUIDA (por ejem. silicona. Ácido con alcohol.
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Tipo II
GRASAS LUBRICANTES – SIN JABON Componente sólidos orgánicos e inorgánicos como por ejemplo: . Bentonita, Silicagel, Silicagel, Poliurea, Negro de humo, colorantes. colorantes.
ACEITE MINERAL COMO FASE FLUIDA
ACEITE SINTETICO COMO FASE FLUIDA
Los llamados lubricantes adhesivos, que en función de su excepcional adhesión adhesión a las superficies de los componentes en rozamiento, son formados en su estructura básica de las llamadas grasas lubrificantes tipo 1 o 2. Los principales grupos, los lubricantes adhesivos son divididos en: -
Lubricantes adhesivos pulverizables, no Betuminosos con o sin Lubrificantes Sólidos. Lubricantes Betuminosos. Lubricantes Betuminosos / no Betuminosos con o sin Lubricantes sólidos conteniendo solvente.
Los espesantes son diferenciados en: - A base de Jabón - Sin Jabón Para la fabricación de Grasas Lubricantes con espesante a base de jabón se necesita de: - aceite básico - ácido graso - base
(aceite mineral o sintético) ( por ejemplo: Ácido estearico o esteres glicéridos de los ácidos grasos) ( por ejem. Hidróxido de Litio= Li OH) Hidróxido de sodio = Na OH Hidróxido de Calcio = Ca (OH)2 entre otros.
Para la fabricación de grasas lubricantes sin jabón se necesita de: -
aceite básico (mineral o sintético) componentes sólidos orgánicos o inorgánicos ( por ejemplo, Bentonita, Silicagel, negro de Humo, Colorantes etc. ..)
Ácido Esteárico Estere Glicéricos Glicerina Base Hidróxido
= Ácido Orgánico Monovalente. = Ácido Graso neutralizado con glicerina = Alcohol = Solución Acuosa de un Hidróxido = Ligación de un metal con uno o mas grupos de Hidróxidos ( Grupo OH)
Las grasas lubricantes con base de jabón, están divididas en tres grupos principales: Espesante Jabon
Tipo de grasa lubricante Hidróxido de calcio Ca Grasa a base de (OH)2 calcio Hidróxido de Sodio Sodio Na OH Grasa a base de sodio Hidróxido de Litio Li OH Grasa a base de litio
Comportamiento con agua Repelente de agua Sin repelente de agua Repelente de agua
Temperatura de utilización Hasta un máximo de 60° C Hasta un máximo de 120° C Hasta un máximo de 140° C
Recuerde: Grasas Lubricantes con la misma base de saponificación y aceite básico pueden ser mezclados. El mismo sirve para grasas de Calcio y litio; Nunca se deben mezclar grasa de sodio con otros. 12
La fabricación de grasa lubricante ocurre conforme a los siguientes procesos: FABRICACIÓN CONTINUA Este proceso es usado principalmente para la g randes empresas de aceites minerales, para la fabricación de productos de masa ( grasas lubrificantes de un mismo tipo). FABRICACIÓN DESCONTINUA Este proceso es aplicado para la fabricación de lubrificantes especiales. Observación: La fabricación de grasas lubricantes, a través del proceso descontinúo es practicada por la empresa KLUBER LUBRICATION. LUBRICATION. Este proceso será tratado en técnica de lubricación II. Es de conocimiento general, que la viscosidad de un Aceite Lubricante es expresada expresada por un valor característico. La dureza ( consistencia ) de una grasa lubricante es determinada por la penetración. Esta es medida en función de la penetración de un Cono de Prueba Normalizado, en una muestra de grasa durante un tiempo de 5 segundos.
El valor que expresa la penetración es dado en decimos de milímetro (1 / 10). La determinación de penetración se diferencia en -
Penetración en reposo Penetración trabajada
Cuando de la medición de la penetración trabajada se somete a la grasa a ser medida a un batido de la grasa. Esto puede ser manual o mecánicamente. Recuerde: La penetración trabajada de una misma grasa es generalmente generalmente mayor que la penetración en reposo. Los diversos valores de penetración ( en 1 / 10 ) son agrupados en grados NLGI
NLGI – GRADO 000 00
PENETRACIÓN EN DECIMA DE MILÍMETRO 445 hasta 475 400 “ 430 Grasos Fluidos 13
0 1 2 3 4 5 6
355 310 265 220 175 130 85
“ “ “ “ “ “ “
385 340 295 Grasas Masas 250 205 160 Grasas Mas Duras 115
NGLI = National Lubricating Grease Grease Institute (USA) Las grasas de uso general son, de la misma forma como los aceites codificados ( símbolos). Los símbolos diferenciados en función de: -
Señales (triángulos) Letras de identificación Letras suplementarias de identificación Clase de consistencia de Grasa Lubricante (NGLI) Letra suplementaria
Como en los casos de aceite el color de los símbolos es el blanco El Símbolo (triangulo) identifica identifica grasas lubricantes de base mineral mineral K H 3 K
KH = Letras características características para temperaturas de utilización superiores A 140° C (Tabla) 3
= Clase de Consistencia Consistencia (NGLI) (NGLI)
K
= Letra Suplementaria (Comportamiento de la grasa en la la presencia presencia de Agua y rango de temperatura de utilización.
Símbolo (rombo) identifica grasa lubricantes a base de aceite sintético. K = Letra de identificación (tabla). K SI2N
S1 = Letra de Identificación para aceite básico “Aceite de silicona” 2 = Clase de consistencia (NGLI) N = Letra Suplementaria Suplementaria (comportamiento (comportamiento de la grasa en la presencia de Agua y rango de temperatura temperatura de utilización)
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