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Aceites para la lubricación

Contenido del artículo
Generalidades
Aceites minerales
Antioxidantes
Antiespumantes
Estabilizadores de la viscocidad
Reductores del punto de gelificación
Detergentes
Aditivos para extrema presión
Aceites sintéticos




Lubricación
Figura 1

 

Generalidades

Para que un fluido pueda tener buenas cualidades en la lubricación, es decir, sea "resbaloso", debe estar constituido preferentemente por moléculas cuyos átomos se enlacen en un mismo plano, formando anillos. Estos anillos planos pueden desplazarse muy fácilmente unos sobre otros  como si se tratara de láminas separadas sin grandes fuerzas de cohesión.

En la figura 1 se muestra un esquema del proceso de movimiento de un cuerpo A sobre una superficie, separado de ella, por un fluido de este tipo. Se ha exagerado el espesor de las láminas para facilitar la comprensión.

En este caso cada lámina constituyente del fluido puede moverse muy fácilmente sobre la adyacente de manera que la resistencia al movimiento en general del cuerpo A resulta muy disminuida con respecto al valor que se obtiene sin la presencia del fluido.

En el esquema se ha considerado que la capa adyacente a ambos cuerpos A y B están adheridas a las superficies respectivas y no se desplazan en ellas, por lo que todo el movimiento se realiza por el desplazamiento de las láminas internas del fluido.

Esta condición de ser "pegajoso" o "untoso" es otra propiedad deseable de un buen lubricante, de manera que una vez en contacto con la superficie no se escurra de ella muy rápidamente.

Estas propiedades deseables están presentes en muchas sustancias químicas o sus mezclas tanto de origen mineral, animal, vegetal o sintética y en general, genéricamente, se conocen como aceites.

Una tercera condición necesaria para que un aceite sea un buen lubricante es que mantenga esas propiedades deseables, esto es, sea estable al tiempo en las condiciones donde va a ser utilizado.

En general los aceites de naturaleza animal y vegetal son menos estables y mas caros que los aceites minerales y sintéticos, por lo que su utilización en el campo de la lubricación es mas restringida, y esta dirigida solo a ciertas aplicaciones. De esta forma, el gran mundo de los lubricantes está invadido por aceites de origen mineral y sintético.

Aceites minerales

Los aceites minerales, están constituidos casi exclusivamente por mezclas de hidrocarburos de largas cadenas carbonadas resultantes de la destilación fraccionada del petróleo, estas fracciones se obtienen a temperaturas de evaporación mayores que la fracción de combustibles Diesel, y por debajo de la de los aceites superpesados, asfaltos y alquitranes presentes en el petróleo original.

Aunque de manera natural, estas mezclas de hidrocarburos de carácter aceitoso presentan muy buenas características como lubricantes (aceite mineral puro) en condiciones normales; son suceptibles al cambio de sus propiedades a valores no deseables cuando se someten a las condiciones de alta temperatura, presión, elevada agitación y contaminantes, comunes en el trabajo en las máquinas actuales, especialmente en aplicaciones como los motores de combustión interna.

En algunas aplicaciones se puede, y hasta es conveniente, la utilización de estos aceites minerales puros con objetivos lubricadores, pero, lo mas común es, que en la inmensa mayoría de los aceites comerciales se hayan agregado a las bases de aceite mineral puro, otras sustancias que sirven para incrementar las capacidades funcionales de la base. A estas sustancias agregadas se les conoce como aditivos.
Veamos ahora algunas características de los aditivos mas comunes e importantes:

Antioxidantes

Cuando los aceites minerales puros se someten a temperaturas elevadas en presencia de oxígeno (aire), los hidrocarburos que los constituyen sufren un lento proceso de oxidación en la que el hidrocarburo reacciona con el oxígeno para formar otras sustancias, incluyendo ácidos orgánicos derivados. Resultado de esta oxidación se modifican cualidades importantes para su efectividad como lubricante, las principales son:
  1. Se incrementa la acidez del aceite, por lo que el lubricante se torna mas agresivo con las partes metálicas, especialmente las no ferrosas.
  2. Se modifica la viscosidad, esto significa que se altera su capacidad de formación de una película que evite el contacto directo de las superficies en movimiento relativo para la aplicación específica.

Ambas cualidades son evidentemente indeseables en el aceite.

La velocidad de oxidación de un aceite está condicionada por dos factores:
  1. La temperatura: Mientras mas alta la temperatura de trabajo, mayor será la oxidación, esta relación no es lineal, la duplicación de la temperatura de trabajo puede producir un incremento mucho mayor que la duplicación de la velocidad de oxidación.
  2. La presencia de ciertas sustancias: La presencia de azufre en el material original o agregado, la adición de agua o de aceite ya oxidado, ácidos agregados o auto-producidos, partículas metálicas de cobre o hierro y otras, catalizan la oxidación acelerándola.

Esta oxidación de los aceites es inevitable, pero puede ser disminuida notablemente utilizando aditivos de tipo alcalino que van neutralizando los ácidos formados durante el trabajo. No obstante, tarde o temprano los aditivos neutralizadores se irán agotando al reaccionar con los ácidos presentes, y finalmente en un plazo mayor o menor el aceite debe ser cambiado por nuevo.

La utilización de filtros adecuados va retirando del aceite las partículas catalizadoras en suspensión y el uso de una base "libre de azufre" son elementos muy importantes en la vida útil del lubricante.

Antiespumantes

En las condiciones de extrema agitación a las que están sometidos los aceites en la máquinas rápidas actuales, estos pueden retener pequeñas burbujas de aire en el interior de su masa, formando una emulsión de carácter espumoso. Esta espuma tiene dos inconvenientes:
  1. Interrumpe la integridad del aceite, por lo que la película fluida que soporta la carga entre las dos piezas cargadas con movimiento relativo (cojinetes) puede quedar fraccionada e inestable con la consecuente posibilidad de contacto físico de las superficies y su elevado desgaste.
  2. La viscosidad neta de la emulsión es diferente a la del aceite no emulsionado, por lo que se produce el cambio de un elemento muy importante en la estabilidad del estado de la lubricación, la que puede pasar incluso a lubricación límite.

Ciertas sustancias tienen la capacidad de reducir la tensión superficial del aceite y con ello, facilitan la unión de las burbujas pequeñas formadas en la masa del aceite a burbujas mas grandes. Estas grandes burbujas que no se estabilizan en la emulsión, suben a la superficie del aceite en el depósito y se rompen para liberar el aire.



Estabilizadores de la viscosidad

Uno de los elementos mas importantes y que salen de la mesa del proyectista de una máquina, es la viscosidad del aceite que será utilizado como lubricante es sus partes en movimiento. Solo con lubricantes con viscosidad igual o muy próxima a la de diseño, se garantizará las condiciones adecuadas de lubricación para lograr la expectativa de vida útil de la máquina.


Sin embargo, los aceites naturales utilizados como base para la fabricación de los lubricantes tiene una marcada tendencia a la disminución de la viscosidad con el aumento de la temperatura. Esta tendencia produce el efecto negativo de que la calidad de la lubricación en la máquina, se vea afectada por la temperatura del aceite y el cambio de viscosidad resultante.

La temperatura del aceite a su vez estará condicionada por la temperatura ambiente, los diferentes estados de carga de la máquina o en los periodos de arranque frío después de un largo reposo.

Para palear este problema, ya que no se resuelve totalmente, a las bases de aceite mineral puro se le agregan sustancias que mejoran la relación viscosidad-temperatura.

Estas sustancias tienen la capacidad de realizar una suerte de polimerización reversible, que produce moléculas mas grandes y de menor movilidad dentro de la masa del aceite cuando la temperatura crece, y mas pequeñas y mas fluidas cuando baja, produciendo un efecto de cambio de la viscosidad contrario a las del aceite base por lo que la viscosidad de la mezcla resulta un tanto estabilizada.

Reductores del punto de gelificación

Las mezclas de hidrocarburos a temperaturas muy bajas, pero perfectamente alcanzables en zonas geográficas frías, pasan a un estado de gel, se solidifican. Este estado reduce casi a cero la fluidez del aceite cosa inaceptable en un lubricante.

Para mejorar esta situción se agregan sustancias que bajan la temperatura de gelificación. Se dice que estas sustancias son capaces de rodear los micro cristales parafínicos de los hidrocarburos en gelificación evitando su unión en cristales mas grandes que inmovilizarían la masa de aceite.

Detergentes

En aquellos casos donde el aceite de lubricación puede estar en contacto con superficies a muy elevada temperatura, como en los motores de combustión interna, estos pueden producir polímeros densos en forma de finos sólidos en suspensión que luego se depositan en las superficies por donde circula, formando duras capas de lacas, barnices o barros endurecidos que pueden obstruir los conductos de circulación del lubricante.

En otros casos al aceite pueden ir a parar por combustión incompleta sustancias de la misma naturaleza con el mismo resultado final.

Para evitar la sedimentación de estas partículas, se agregan sustancias al material base que las mantienen en suspensión y puedan ser retenidas por los filtros, o, en el peor de los casos, se sedimenten en el depósito principal.

Estos detergentes tienen carácter alcalino por lo que también producen un efecto antioxidante al reaccionar con los ácidos del aceite.
En ocasiones de les llama aditivos dispersantes.

Aditivos para extrema presión


Ciertos aceites se usan en maquinarias donde tienen que servir como lubricantes entre dos superficies entre las cuales se produce una extrema presión de contacto como el caso de los engranajes que trasmiten elevadas cargas.

Estas extremas presiones pueden romper completamente la película de lubricante entre las superficies, establecerse contacto intenso entre las piezas, y producirse micro soldaduras que las erosionan.

Para aumentar la resistencia al rompimiento de la película de lubricante se usan los aditivos de extrema presión.
 
Hay muchas variantes de aditivos para este propósito, pero los mas comunes son sustancias a base de fósforo o azufre que liberan, por la propia presión elevada de contacto, estos elementos como una capa muy adherida a las superficies en contacto , evitando así la interacción metálica plena.
Son materiales que poco a poco se agotan en el lubricante por lo que de tiempo en tiempo debe sustituirse el lubricante viejo por nuevo, o en casos especiales, agregar mas aditivo.

Prácticamente hoy en día, todos los tipos de aceites contienen al menos un aditivo y un número bastante representativo de estos, varios tipos diferentes.

El porcentaje por volumen de aditivos utilizados en un aceite varía entre el 0,1 (aceites para transformadores) y el 30% (aceites automotores) por volumen.

Adicionalmente a los efectos beneficiosos que producen, los aditivos pueden tener efectos colaterales perjudiciales, especialmente si la dosis es excesiva, si ocurren reacciones entre ellos o se usan en la aplicación equivocada. Por esto, es responsabilidad del fabricante del aceite obtener un balance exacto entre los diferentes aditivos para que el desempeño del lubricante sea el óptimo, y asegurarse por medio de análisis de laboratorio y pruebas de campo que la combinación de los aditivos lograda no produce efectos colaterales indeseables; si esto se logra, es usualmente innecesario y además no recomendable que se le agreguen por el operador aditivos adicionales a un aceite que se encuentra trabajando en una máquina.

Aceites sintéticos

Los Aceites Sintéticos son de relativa reciente introducción, no tienen su origen directamente de los aceites minerales obtenidos de la destilación del petróleo, sino que son creados en procesos industriales partiendo de elementos individuales o mezclas específicas obtenidas como sub-productos del petróleo o por procesos de refinación especial de los aceites minerales.

Estos procesos de refinación y modificación producen lubricantes con características nativas mejores que los aceites minerales puros y la necesidad de aditivos se hace menor y mas selectiva.

Al ser más larga y compleja su elaboración, resultan más caros que los aceites minerales.

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