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Soporte Tcnico Lubricantes

Cali - Noviembre de 2002

INTRODUCCION. 1. EL PETROLEO El Petrleo es un hidrocarburo natural compuesto normalmente por Gas, Bitumen y Parafina. El nombre petrleo es derivado del Latn Petra (roca) y Oleum (aceite). De acuerdo con la teora ms aceptada hoy en da, el Petrleo se forma por la descomposicin de restos organices (animales y plantas), bajo condiciones de altas temperaturas y presiones durante cientos de miles de altos en la era geolgica. Aunque como su nombre lo indica el petrleo se encuentra entre las rocas, algunas veces brota a la superficie a travs de fisuras, es expuesto por la erosin. La existencia del petrleo fue conocida por el hombre primitivo, el cual lo reconoca como un lquido viscoso y pegajoso que brota de la tierra. 1.1 Historia del Petrleo Probablemente el petrleo se uso por primera vez en Egipto que Importaba btumen de Grecia para embalsamar. Los Egipcios crean que el espritu permaneca inmortal si el cuerpo era preservado. En el comienzo de la era cristiana los historiadores hablan del "Aceite Siciliano" el cual se usaba para iluminacin al quemarlo. Las escrituras contienen muchas referencias acerca del petrleo. As por ejemplo, hablan de como Moiss siendo muy nio fue puesto en el Nilo en una canastilla de juncos impermeabilizada con brea en la cual mas tarde fue recogido por la hija del Faran. Otras referencias de la misma apoca confirman que el petrleo era muy conocido en todas las partes del mundo. En el siglo trece cuando Marco Polo, un mercader veneciano, visit las tierras del Caspio, encontr una fuente de aceite el cual era transportado en camellos y mas tarde utilizado como ungento para las enfermedades de la piel de hombres y ganado, as como combustible para las lamparas. En el Continente Norteamericano los brotes de petrleo fueron indudablemente conocidos por los aborgenes pero el primer registro de la sustancia solo fue hecho hasta 1.629 por el Franciscano Joseph de la Roche D'Allion quien cruzo el ro Niagara desde Canad y visit una zona que mas tarde fue conocida como Cuba, Nueva York.

En este lugar encontr que los indios lo recogan y lo usaban con fines medicinales y para fabricar las pinturas con las cuales dibujaban adornos en sus cuerpos. Tambin, en 1.721, el historiador y misionero Francs Charlevols, quien descendi hasta la desembocadura del ro Mississippi, encontr una fuente de agua aceitosa que servia para aliviar toda clase de dolores. El uso del petrleo para fines curativos est constatado tambin por algunos escritos de la apoca, como por ejemplo en la revista Massachusetts de Julio de 1.789, donde se narra la forma como era obtenido el petrleo, sus caractersticas fsicas y sus propiedades. A pesar de que el proceso de destilacin de las sales bituminosas y de varias substancias orgnicas era muy conocido, fue solo hasta el siglo XIX cuando ese proceso se empez a utilizar para otras substancias tiles como por ejemplo brea para impermeabilizar, gas para iluminacin, y tambin algunos productos qumicos, farmacuticos y aceites. En 1.833 el Dr. Benjamn Siniman escriba ya un articulo en la publicacin "American Journal of Science" en el que describa al petrleo con el nombre de aceite Sneca, el cual posea un color pardo oscuro, de consistencia variable acorde con la temperatura, y olor tan fuerte y conocido que no requera descripcin. La forma como se destilaba en retortas de vidrio, la nafta que se obtena y su mayor inflamabilidad son descritos en ese articulo. En 1.853 George Bissel un hbil hombre de negocios y su socio J.D.Eveleth compraron 100 acres de tierra en Tituaville, Pennsylvania y fundaron la primera compaa petrolera de los Estados Unidos, "La Pennsylvania Rock Oil Company". En 1.856 la Compaa se convirti en la "Sneca Oil Company" y el 27 de Agosto de 1.859 se obtuvo por primera vez petrleo por perforacin. El pozo produca entonces 20 barriles por da. Entre 1.850 y 1.875 muchos hombres experimentaron con los productos disponibles de la destilacin del petrleo esperando encontrar usos adicionales a los de iluminacin. Los productos ms viscosos fueron investigados a fin de utilizarlos como sustitutos de los aceites vegetales y animales previamente utilizados para lubricar. En 1.400 antes de Cristo fueron utilizadas grasas hechas de la combinacin de calcio y sustancias grasosas para lubricar las ruedas de los carros de guerra. Durante el tercer cuarto del siglo XIX se encontraban en el mercado en cantidades limitadas grasas hechas con aceites derivados del petrleo combinados con jabn de potasio, calcio y sodio.

Gradualmente a medida que los procesos de destilacin y refinacin fueron mejorando una mayor cantidad de aceites derivados del petrleo se fueron produciendo y desplazaron a los aceites de origen animal. Estos aceites minerales empezaron a ser fabricados con un control mas escricto y tenan la ventaja de que no se deterioraban tan rpidamente como los aceites de animal. Algunos de los aceites de origen animal todava se utilizan hoy en da en aplicaciones especiales tales como en lubricacin de cilindros de vapor, pero como componentes en pequeos porcentajes de los aceites minerales ya que los aditivos qumicos los han reemplazado en la mayora de las aplicaciones 2. ACEITES LUBRICANTES 2.1 Tipos de Crudo Los crudos son mezclas muy complejas que contienen hidrocarburos Individuales compuestos de hidrgeno y carbono, los cuales van desde el metano, el principal constituyente de gas natural que posee un tomo de carbono, a los compuestos que tienen en su estructura molecular de 50 ms tomos de carbono. El punto de ebullicin de estos compuestos varia en forma directa con el numero de tomos de carbono as: a. Para los hidrocarburos livianos del gas natural y tienen de 1 a 3 Atomos,

generalmente esta por debajo de -18C. b. Para los componentes de gasolina generalmente esta entre 27 y 204C. c. Para los combustibles diesel (ACPM) y aceites combustibles de calentamiento

generalmente esta entre 204 y 343C. d. Para los aceites lubricantes y combustibles mas pesados el punto de ebullicin

esta por encima de 343C. Los materiales asflticos no pueden ser evaporados ya que se descomponen cuando son calentados y sus molculas 'craquean' formando gas, gasolina y combustibles livianos se unen formando molculas aun ms pesadas. La posterior formacin de residuos carbonosos llamada "coque" Puede considerarse como un producto como un desecho de la refinacin. Los crudos tambin contienen cantidades variables de compuestos de azufre, nitrgeno, oxgeno y metales como el nquel y el vanadio. Algunos contienen agua y sales disueltas. Todos estos materiales pueden causar problemas en la refinacin a en la utilizacin posterior de los productos derivados y su eliminacin incrementa

notablemente los costos de refinacin. Estos materiales deben eliminarse ya que son indeseables y por eso muchos pases hoy en da, por ejemplo, tienen leyes que limitan el contenido de azufre en el combustible. Entre mayor sea el numero de tomos de carbono en la estructura molecular de los crudos mayor es el nmero de configuraciones posibles para la unan de los tomos de carbono e hidrgeno. Cada configuracin posee propiedades diferentes. As por ejemplo, los crudos que poseen los tomos de carbono en lnea recta, llamados comnmente parafinicos producen gasolinas con bajo valor de octanaje pero excelentes combustibles diesel. Estos crudos se caracterizan porque producen aceites lubricantes que al enfriarlos a bajas temperaturas depositan ceras. Los hidrocarburos que poseen configuraciones de anillo con un bajo nmero de hidrgenos a los lados, tales como el benceno, producen mucho humo al quemarse y pueden causar golpeteo en los motores diesel. Los crudos que poseen configuraciones de anillo son llamados naftenicos. Los crudos en general varan de los tipos parafinicos a los naftenicos pasando por los intermedios de base mezclada que poseen propiedades intermedias entre los 2 primeros. El contenido de asfalto vara en los diferentes tipos de crudos 2.2 Refinacin. 2.2.1 Destilacin del Crudo: El crudo algunas veces es usado como combustible en calderas tal cual como sale del pozo. Sin embargo, hoy en da tiene poco valor en su estado natural. Una vez refinado, separado en muchas fracciones y obtenidos sus derivados se convierte en la ms valiosa y verstil fuente de energa. En muchos casos el primer paso es remover del crudo las sales inorgnicas que contiene ya que de lo contrario en el proceso de refinacin se formaran cidos que corroeran los equipos. Para ello el crudo es mezclado con agua para disolver las sales y eliminarlas por decantacin. Despus de la desalinizacin el crudo es bombeado a travs de un horno tubular, donde es calentado y parcialmente vaporizado. Esta mezcla de lquido caliente y vapor entra a la torre de destilacin, en la cual se separan los grupos de hidrocarburos de acuerdo con sus rangos de ebullicin. La Nafta,

termino industrial que se le da a la gasolina cruda que requiere procesos posteriores y los hidrocarburos livianos son enviados a la parte superior de la torre como vapor y son condensados por enfriamiento en un separador de gases. El Kerosene, el combustible diesel, los aceites combustibles y los aceites pesados son obtenidos en niveles intermedios de la torre de destilacin. De la parte inferior de la torre se obtiene un residuo pesado el cual se somete a una destilacin posterior en una torre de vaco para obtener los aceites lubricantes. 2.2.2 Bases Lubricantes. El termino "aceites lubricantes" es utilizado generalmente para Incluir todas aquellas clases de materiales lubricantes que son aplicados como fluidos. A pesar de que da a da crece el desarrollo de los lubricantes sintticos, los cuales se estudiaran mas adelante, la mayor parte de los aceites lubricantes continuara siendo fabricados utilizando bases lubricantes obtenidas de la refinacin del crudo. A continuacin se describen estos productos llamados tambin aceites minerales. Las bases lubricantes son obtenidas de la porcin ms viscosa del crudo que permanece despus de remover por destilacin el gas y las fracciones livianas. Las propiedades de las bases lubricantes varan de acuerdo con el tipo de crudo utilizado. En la tabla 2-1 se muestran dos bases lubricantes que son similares en viscosidad, la propiedad fsica mas Importante de un lubricante. La base lubricante de la izquierda es obtenida de un crudo naftenicos, el cual se caracteriza por no contener cera. Por tal razn, estas bases tienen un punto de fluidez muy bajo. En contraste, la base de la derecha obtenida de un crudo parafinicos, requiere de un proceso de desparafinacin para reducir su punto de fluidez de 270C a -180C. Otra diferencia Importante entre estas bases esta en sus ndices de viscosidad. A pesar de que ambas bases tienen la misma viscosidad a 40C, la viscosidad de la base naftenica cambiara mucho mas con la temperatura que la viscosidad de la base parafinica, lo cual se mide con un Indice de viscosidad mas bajo de la base naftenica. Tipo de Crudo Naftenico Parafinico Viscosidad cSt 40C 20.5 20.5 Punto de fluidez, C -46 -18 Indice de viscosidad 43 95 Para productos que operen en un amplio rango de temperaturas, tales como aceites automotrices, se prefiere la utilizacin de bases parafinicas. En aplicaciones de muy bajas temperaturas, en las cuales asta permanece estable, se recomienda el uso de bases naftenicas.

El esquema del proceso de refinacin para la obtencin de bases lubricantes comprende bsicamente las siguientes etapas: 1. Destilacin en vaco 2. Desasfaltado con propano 3. Extraccin con furfural 4. Desparafinado con Metil Etil Cetona (MEC) 5. Terminado con hidrgeno (Hydrofinishing). Los primeros cuatro pasos son procesos de separacin. El quinto paso, hydrofinishing, es una reaccin cataltica con hidrgeno para mejorar el color de las bases. El propsito de estos procesos es remover materiales que son indeseables en el producto final.

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SECCION I 1. Principios de Lubricacin. Se han postulado muchas y muy diversas teoras para explicar los fenmenos de la lubricacin y de la friccin. Las explicaciones siguientes no son las nicas posibles, pero gozan de gran aceptacin. La lubricacin es un procedimiento para reducir la friccin o rozamiento y el desgaste.

La friccin es la fuerza que se opone al movimiento cuando un objeto se mueve sobre la superficie de otro. (Dos superficies en contacto). Desgaste es cualquier prdida de material o destruccin de la superficie a consecuencia de ese movimiento relativo.

Pieza Esttica

Pieza en MovimientoPieza en Movimiento

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La friccin tiene dos causas: 1-. las superficies jams son perfectamente lisas, y al resbalar una

sobre otra, los puntos altos chocan entre si. 2-. Muchas superficies metlicas limpias tienden a pegarse entre si al

ponerse en contacto directo. Las pelculas de xido, grasa o aire se interponen dificultando ese contacto. Pero al frotarse entre si las superficies, la pelcula protectora puede ser expulsada en cualquier momento, y las partes metlicas recin expuestas al contacto directo, tendern a adherirse y an a soldarse firmemente.

Es obvio que la friccin y el desgaste pueden eliminarse si se mantienen sin tocarse las superficies mviles. Este es el efecto perseguido al usar un lubricante. 2. Tipos De Lubricacin La lubricacin puede ser dividida en varias categoras: lubricacin por pelcula fluida, lubricacin por pelcula parcial, lubricacin por pelcula lmite y lubricacin de presin extrema. 2.1 Lubricacin por Pelcula Fluida Si se llena con aceite lubricante el espacio entre el eje y el cojinete, el aceite que se adhiera al mun tender a ser arrastrado hacia el punto en que el mun descansa en el cojinete. Esta capa de aceite adherente ocasionar el arrastre de ms aceite con ella. De ese modo, el aceite, actuando como cua, levantar pronto el cojinete que, separndose del eje, flotar en el aceite.

El aceite lubricante, como cualquier otro lquido est compuesto de partculas muy pequeas en incesante movimiento; pero ejercen una atraccin tal entre si que muy pocas se dispersan. Como individualmente las partculas estn en libertad de moverse en cualquier direccin, siempre que se mantengan en contacto, colectivamente responden con facilidad a cualquier aplicacin de fuerza. Fluyen libremente para llenar un recipiente de cualquier forma y, por lo tanto ocupan

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fcilmente cualquier espacio entre el eje y el cojinete. En los ejemplos se ha supuesto que la carga sea constante y que acta verticalmente hacia abajo. Estas condiciones no existen en los motores, donde se introducen complicaciones debidas a la variacin de la intensidad y direccin de las cargas. Las condiciones generales que se requieren para establecer una lubricacin por pelcula fluida son las siguientes:

9 Un abastecimiento adecuado de lubricante lquido. 9 Un espacio adecuado entre el eje y el cojinete. 9 Superficies convergentes que crean una cua de aceite. 9 Una velocidad adecuada. 9 Una viscosidad adecuada del lubricante. 9 Una carga que no sea excesiva.

2.2 Lubricacin por Pelcula Lmite Se produce la lubricacin lmite cuando la reduccin del roce entre dos superficies en contacto no es provocada por la viscosidad del lubricante, sino por su naturaleza qumica. Difiere en esta forma de la lubricacin por pelcula fluida en que, a velocidad y carga constante, slo depende de la viscosidad del lubricante. En muchos casos la lubricacin es una combinacin de condiciones lmites y de pelculas fluidas (Combinacin ya citada como lubricacin por pelcula parcial o mixta) pero, por razones de simplicidad, aqu se ha de considerar aisladamente la lubricacin lmite. La lubricacin lmite se presenta en muchos cojinetes cuando se ponen en marcha. Cuando el cojinete est detenido, la carga esttica expulsa todo el lubricante, salvo el que queda detenido por la absorcin sobre la superficie metlica, y cuando el cojinete comienza a moverse, esta pelcula absorbida constituye el nico medio de lubricacin hasta que se forma la cua de aceite. En las partes animadas con un movimiento de vaivn tambin suelen presentarse condiciones de lubricacin lmites. Los cambios constantes de velocidad y direccin son desfavorables para la formacin de una cua de aceite. La lubricacin de un pistn en un cilindro siempre es, hasta cierto punto, un problema de lubricacin lmite. En los cojinetes que sufren cargas bruscas tambin puede presentarse, durante breves perodos, una lubricacin lmite o por pelcula parcial. 2.3 Lubricacin de Presin Extrema Cuando las superficies metlicas se deslizan en contacto mutuo bajo condiciones

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lmites, existir algn contacto directo de metal a metal, por ms eficiente que sea el lubricante. El resultante trabajo de friccin es transformado en un destello de color en los puntos de contacto. Normalmente el color se disipa rpidamente y la capa lmite vuelve a formarse, pero si las condiciones son desfavorables se originar una alta temperatura localizada. Esto puede ablandar o hasta derretir al metal, con el consiguiente peligro de que se produzca una extensa adherencia mutua. Bajo estas condiciones pueden ser tiles a veces los aditivos de "Extrema presin". Estos aditivos en los aceites lubricantes reaccionan qumicamente con las superficies calientes para formar pelculas protectoras de alto punto de fusin. Una pelcula suficientemente gruesa de este tipo impedir todo contacto de metal a metal. Sin embargo, la pelcula protectora puede ser desgastada durante el funcionamiento, y entonces debe ser renovada a expensas del metal que protege. Es preferible que los aditivos de extrema presin slo acten con las temperaturas altas cuando se precisa su ayuda para impedir la adherencia en los puntos calientes. A temperaturas normales de operacin y bajo condiciones de lubricacin de pelcula fluida es preferible que no participen en el proceso de la lubricacin para no causar desgaste alguno a las superficies metlicas.

SECCION II 1. Lubricante Los lubricantes son sustancias fluidas (gases o lquidos) o slidas cuyas propiedades fsicas son apropiadas para disminuir la friccin y, adems, sirven otros propsitos como son: retirar calor, proteger de la contaminacin externa al sistema lubricado y ser vehculo de sustancias tiles para objetivos especficos,

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como son los aditivos. 1.1 Fluidos Los gases (ejemplo: aire) pueden ser empleados como lubricantes en aplicaciones especiales. Es su costo comparado con el de los aceites, el factor que mayormente incide en que su uso est poco difundido. Entre los lquidos, los aceites minerales derivados del petrleo son los lubricantes ms comunes; los motivos ms importantes de ello son:

9 Disponibilidad de aceites en un amplio rango de viscosidades. 9 Otorgan bajos coeficientes de friccin y poseen baja compresibilidad. 9 Retiran efectivamente, calor de las superficies lubricadas. 9 Su costo es relativamente bajo respecto a otros lubricantes lquidos.

Los lubricantes sintticos como Hidrocarburos Sintetizados, Esteres de Fosfato, Siliconas, etc., resultan ser de un costo elevado aunque en aplicaciones especiales muestran un comportamiento mejor que los lubricantes derivados del petrleo. 1.2 Slidos y Semi-slidos El ejemplo ms comn de este tipo de lubricantes son las grasas, otros son el Bisulfuro de Molibdeno y el Grafito. Tambin pueden considerarse dentro de esta categora los lubricantes hechos de plstico. 2. Propiedades de los aceites lubricantes 2.1 Viscosidad Es la propiedad fsica ms importante de un aceite lubricante. La eleccin de la viscosidad es fundamental para la aplicacin del aceite por cuanto uno ms viscoso que el requerido, producir un exceso de friccin interna, prdida de potencia y probablemente aumento de la temperatura del sistema. Por otra parte una viscosidad demasiado baja no dar la suficiente resistencia a la pelcula lubricante.

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Cuando un lquido fluye en el interior de un tubo, la capa delgada que est sobre las paredes tiende a permanecer en reposo. La capa adyacente fluye experimentando una resistencia a la friccin y sus molculas deben efectuar un trabajo en contra de ella para vencerla. Para producir el movimiento relativo entre las capas adyacentes se requiere de una fuerza por unidad de rea ejercida en la direccin del flujo. Este esfuerzo denominado esfuerzo de corte, al ser aplicado sobre el lquido causa una determinada velocidad de corte. Mientras mayor es el esfuerzo de corte, mayor ser la velocidad de corte o el movimiento relativo entre las capas adyacentes del fluido. La viscosidad es la constante de proporcionalidad que iguala el esfuerzo de corte con la velocidad de corte. En trminos simples, es una medida de resistencia a fluir del lquido.

En 1868 Isaac Newton demostr que dos cilindros concntricos separados por una distancia H, sumergidos en un lquido, requieren de una fuerza F para producir el corte de la pelcula entre los dos cilindros e impartir una velocidad V de un cilindro respecto al otro. Esta fuerza depende del rea cubierta por el lquido y se expresa por:

F/A = * V/h en que = constante de proporcionalidad, viscosidad absoluta A = rea de la pelcula B = espesor de la pelcula V = V2 - V1 diferencia de la velocidad de los dos cilindros F/A = esfuerzo de corte

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La unidad de medida de la viscosidad absoluta es el poise (dina-segundo/cm2 gramo/cm x segundo). Un fluido tiene la viscosidad de un poise si una fuerza de una dina por centmetro cuadrado causa que dos superficies paralelas del lquido, de un centmetro cuadrado de rea y separadas por un centmetro, se muevan una respecto a la otra con una velocidad de un centmetro por segundo. 2.2 Viscosidad cinemtica Al dividir la viscosidad absoluta de un fluido por su densidad se obtiene la viscosidad cinemtica, cuya unidad bsica es el centistoke al expresar la viscosidad absoluta en centipoises y dividirla por la densidad del fluido a la misma temperatura.

Viscosidad absoluta = Viscosidad cinemtica x densidad La viscosidad cinemtica se determina midiendo el tiempo que demora una cantidad exacta de lquido en fluir por la fuerza de gravedad a travs de un capilar. La viscosidad de los aceites lubricantes se expresa comnmente en trminos de unidades arbitrarias basadas en el tipo de viscosmetro usado para la medicin, siendo los ms usuales Saybolt, Redwood y Engler. 2.3 Fluidos Newtonianos y No Newtonianos Los lquidos que fluyen de acuerdo a la ley de Newton, aplicable cuando existe un flujo viscoso o laminar, se denominan Newtonianos y en ellos la viscosidad o razn del esfuerzo de corte a la velocidad de corte es constante, o la viscosidad no cambia con el esfuerzo de corte. La mayora de los aceites lubricantes se comportan como lquidos Newtonianos a las temperaturas, presiones y velocidades de flujo comunes. Cuando el flujo es de carcter turbulento o la naturaleza del fluido es tal que la viscosidad no es una funcin lineal del esfuerzo de corte, el fluido es no Newtoniano.

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2.4 Relacin viscosidad - temperatura Para todos los lquidos el coeficiente viscosidad - temperatura es alto y este ltimo debe indicarse en forma bien definida en cualquier expresin de la viscosidad. Para aceites lubricantes la ecuacin emprica de Walther es utilizable en un amplio rango.

log (V + k) = A + B log T

donde V = viscosidad cinemtica en centistokes T = Temperatura absoluta A y B = constantes para un aceite dado

k = constante universal de valor 0,6 para viscosidades mayores que 1.5 centistokes. Basndose en esta ecuacin, ASTM (American Society for Testing and Materials) ha publicado grficos de viscosidad en centistokes vs la temperatura en grados Fahrenheit para aceites lubricantes. Se obtienen rectas con pendientes que muestran como disminuye la viscosidad al aumentar la temperatura.

2.5 Indice de Viscosidad Las pendientes de las curvas para los aceites minerales dependen del peso molecular y configuracin de los compuestos que los constituyen. En general para un mismo nmero de tomos de carbono, los compuestos parafinados contribuyen a una pendiente menos pronunciada, aumentando con los naftnicos y ms an con los aromticos. En trminos de un nmero simple, la variacin de viscosidad con la temperatura se expresa comnmente mediante el Indice de Viscosidad, que se basa en una escala emprica en que arbitrariamente se le ha asignado un IV de 100 a una serie de tipos de crudo y de 0 a otra. Para un aceite de viscosidad conocida a 210F, se puede calcular su IV a partir de la viscosidad a 100F del mismo aceite y las de aquellos aceites patrones que tienen igual viscosidad a 210F que el de IV desconocido. La frmula aplicable es:

I. V. = (L - U) x 100 / (L - H) En que L, H y U son las viscosidades a 100F de los aceites patrones de IV cero,

Viscosidad

Temperatura

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IV cien y de aquel cuyo IV se desea determinar respectivamente. Como actualmente se hace ms frecuente encontrar aceites con IV mayor de 100 es necesario utilizar en este caso el mtodo ASTM D2270 en el cual est basado el grfico de la figura. Simplificando el IV es una medida del cambio de viscosidad que experimenta un aceite al variar la temperatura. Para una misma variacin de temperatura un aceite con IV bajo sufrir un cambio significativo en su viscosidad y por el contrario uno de IV alto experimentar una variacin menor en su viscosidad.

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)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170-10-20 180

Carta Viscosidad-Temperatura

para Lquidos derivados del Petrleo

Centistokes vs Grados Celsius

Temperatura,Grados Celsius

Mobilgear 630, IV 95

Mobilgear SHC 220, IV 152

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3. Grasas. Es un compuesto slido a semi-slido, obtenido por la dispersin de un agente espesante, normalmente jabn metlico (o arcillas para alta temperatura), y conteniendo tantos aditivos como se requieran para impartir caractersticas especiales en un aceite mineral o sinttico. Las grasas espesadas con jabn se clasifican generalmente respecto al lcali usado en su fabricacin, por ejemplo calcio, sodio o litio. Tambin se usan materiales no jabonosos como espesantes de grasa, estos incluyen arcillas orgnicamente tratadas como la bentonita, siliconas, pigmentos, poliureas. La utilizacin de las grasas en vez de aceites se recomienda en aplicaciones donde se requiere un lubricante que mantenga su posicin original en un mecanismo, especialmente donde los periodos de relubricacin son prolongados. 3.1 Propiedades dispensadoras y de manejo La primera consideracin para cualquier aplicacin es - Puede una grasa ser transferida a la parte que va a ser lubricada? Esto depende de como la grasa es transferida por el mtodo ms simple del empaque a mano o por presin dentro de cojinetes y engranajes; por la pistola de presin, algo ms sofisticada; o por mtodos ms modernos un sistema centralizado. Sin tomar en cuenta el mtodo de aplicacin, la adaptabilidad de la grasa para este mtodo es determinada por dos propiedades:

A. La consistencia de la grasa en su envase. B. La viscosidad cuando est deslizndose dentro de tuberas, bombas, etc.

3.2 Consistencia. La consistencia es un grado de rigidez y dureza de una grasa y est definida como "La resistencia de una sustancia plstica, como una grasa o la deformacin bajo la aplicacin de fuerza ".

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Clasificacin NLGI

(Instituto Nacional de Grasas Lubricantes) Grados de consistencia de las grasas.

GRADOS Penetracin Trabajada Grados Fluidos a 25C y semi-fludos 000 445 - 475 00 400 - 430 0 355 - 385 1 310 - 340 2 265 - 295 3 220 - 250 4 175 - 205 5 130 - 160 6 85 - 115 Mayores Grasas de Bloque Obviamente la grasa en el envase - a la temperatura de aplicacin - no debe ser tan dura como para no poder ser removida del envase, y sin embargo ser lo suficientemente rgida a la temperatura operacional para ser retenida donde se necesite. La consistencia es medida por el cono penetrmetro ASTM. Este es solamente un modo cientfico de meter el dedo dentro de la grasa para saber como es de suave o dura. El mtodo consiste en permitir a un cono de metal con peso, hundirse en la grasa por cinco segundos y midiendo, en dcimos de un milmetro, la profundidad hasta la cual penetra la punta bajo la superficie. Esta profundidad es conocida como la "Penetracin" de la grasa. De esta manera, cuanto mayor es la penetracin ms suave es la grasa.

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3.3 Viscosidad Aparente

Las caractersticas de flujo de una grasa se controlan por la viscosidad del aceite base y el tipo y cantidad de espesante utilizado. Sin embargo las grasas son pseudoplsticas "fluidos no newtonianos" y su viscosidad disminuye con el aumento de temperatura y la rata de corte. A ratas de corte altas la viscosidad de la grasa se aproxima a la de su aceite base a una temperatura dada. Viscosidad aparente de una grasa es su viscosidad a una temperatura y a una rata de corte dadas.

Las grasas espesas ofrecen complicaciones al ser comparadas con los fluidos simples como los aceites, agua, o hasta asfalto, que son conocidos como fluidos Newtonianos. En stos la viscosidad es constante, sin tomar en cuenta con que rapidez estn siendo movidos. La viscosidad es definida como "la medida de la resistencia de un fluido a deslizarse" y puede ser expresada matemticamente como la proporcin de tensin de corte (la fuerza que causa el deslizamiento del fluido) a la rata de corte. Para los fluidos Newtonianos esta proporcin se mantiene constante, pues al aumentar la tasa de corte, una proporcionalidad de mayor fuerza es necesaria para mover el fluido.

Con las grasas, esta proporcionalidad no continua constante, esto es, la fuerza necesaria, para mover o cortar una grasa, no aumenta proporcionalmente con la tasa de corte. Por consiguiente no podemos usar correctamente el trmino "viscosidad" para las grasas sino nos debemos referir a la "viscosidad aparente". Esta es la viscosidad que parece ser en una tasa de corte especfico. Como la viscosidad aparente cambia con cada tasa de corte distinta, la tasa de corte debe ser especificada siempre que una viscosidad aparente sea citada para una grasa. Tambin, como en el caso de los fluidos Newtonianos, la temperatura a la cual la determinacin de la viscosidad o viscosidad aparente es realizada, debe ser citada.

3.4 Propiedades de trabajo Las propiedades de una grasa que pueden mostrar el ser apropiadas para el mtodo de aplicacin, no son suficientes para indicar si trabajar en la unidad que va a ser lubricada. Las ltimas pueden ser referidas como " Propiedades de trabajo ".

3.5 Estabilidad de la Consistencia a. Efecto del trabajo mecnico en la consistencia

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La propiedad de trabajo ms fundamental de una grasa es su capacidad para volver su consistencia necesaria para un desempeo apropiado despus de un corte o trabajo mecnico prolongado. Mientras el corte se esta llevando a cabo, la grasa en el rea inmediata de las superficies en movimiento asume caractersticas Semifluidas y fluidas, dependiendo de la tasa de corte, pero para el proceso de trabajo (tasa de corte se vuelve cero) la grasa debera, idealmente, volver a su consistencia deseada. Para la mayora de las aplicaciones, esta consistencia deseada es aproximadamente la consistencia original de la grasa en el envase, pero en algunos casos es deseable para la grasa el volverse prcticamente "tiesa" despus de ser sometida a la accin de la unidad trabajadora. Por ejemplo, las grasas utilizadas en cojinetes de balineras a alta velocidad deben endurecerse para controlar el grado para que as puedan canalizarse y mantenerse lejos de las partes de movimiento rpido, pero al mismo tiempo permiten que pequeas cantidades emigren a las superficies de contacto para dar lubricacin.

b. Efecto de temperatura en la consistencia

Es necesario que una grasa no se vuelva excesivamente suave o dura con cambios en la temperatura. Aunque la mayora de los espesantes de jabn se vuelven ms suaves con el aumento de temperatura hasta el punto de ser esencialmente fluidas, algunos se vuelven ms duros progresivamente al ser expuestos a mayores temperaturas. Los espesantes no jabonosos muestran muy pocos cambios en su consistencia con un aumento de temperatura.

Es algo difcil obtener una medida vlida del efecto del calor en perodos prolongados, pues el tiempo de exposicin a niveles mayores de temperatura tiene un efecto profundo en las caractersticas de consistencia.

c. Efecto del agua en la consistencia Una grasa que es contactada por una gran cantidad de agua - en oposicin a la pequea cantidad que puede ser introducida por la condensacin de un ambiente altamente hmedo - debe obviamente tener un espesante que no es soluble en agua. De otra forma se emulsionar, fluir o no ser capaz de mantenerse donde se requiera.

Una de las pocas generalizaciones que pueden hacerse es que los jabones de calcio, litio y aluminio son altamente resistentes al agua, y por esto las grasas elaboradas a partir de stos, tambin deben ser resistentes al agua. Las grasas de jabn de sodio tienen una reputacin de mala resistencia al agua, aunque frecuentemente muestran buena resistencia al agua fra.

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3.6 Estabilidad a la Oxidacin

Las grasas se deterioran por la oxidacin de ambos, el aceite de petrleo y el espesante, especialmente si este ltimo es un jabn. Aunque los efectos de la oxidacin pueden ser variados, stos se manifiestan con un endurecimiento a travs de la grasa, formacin de pelculas de barniz, y carbonizacin eventual. Esto es esencialmente causado por la polimerizacin del aceite, del jabn, o de ambos.

3.7 Capacidad Lubricante Hasta ahora no hemos mencionado la funcin principal de una grasa: sus capacidades lubricantes. La capacidad de una grasa para reducir la friccin y el desgaste puede ser derivada de tres fuentes:

9 El aceite en la grasa 9 El espesante 9 Los aditivos

4. Anlisis De Laboratorio y Su Significado La mayora de los procedimientos para anlisis de lubricantes adoptados por ExxonMobil de Colombia S.A., corresponden a los estndares establecidos por ASTM (American Society for Testing and Materials). 4.1 Viscosidad La viscosidad es la propiedad fsica ms importante de los lubricantes. La viscosidad cinemtica es aquella que se mide basndose en el tiempo que demora un determinado volumen de lquido en fluir por gravedad a travs de un tubo capilar. La medicin directa de la viscosidad cinemtica es posible cuando se trata de lquidos simples o Newtonianos, los lubricantes son de este tipo a las temperaturas y presiones normalmente encontradas en las aplicaciones.

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Significado Un aumento en la viscosidad de un aceite usado normalmente indica que hay un deterioro en l, una disminucin comnmente indica dilucin. El grado de tolerancia de la variacin de viscosidad es materia de experiencia y juicio principalmente del operador. 4.2 Indice de Viscosidad Una de las caractersticas inherentes a los aceites derivados del petrleo es la de aumentar la viscosidad con el fro y disminuirla con el calor. Sin embargo, todos los aceites no responden igual a un cambio dado de temperatura, habiendo notables diferencias. La tendencia del aceite a variar su viscosidad con la temperatura se evala numricamente mediante el ndice de viscosidad. Un ndice de viscosidad alto, significa un menor cambio en la viscosidad al cambiar la temperatura, que un ndice bajo. Significado Es importante establecer el ndice de viscosidad de un aceite para seleccionar su posible aplicacin en casos que el sistema est sometido a cambios significativos de temperatura durante su operacin, obligando al aceite a tener un comportamiento apropiado dentro del rango de temperatura en cuestin. 4.3 Nmero de Neutralizacin (Nmero Acido o Nmero Base) El nmero de neutralizacin de un aceite es un ndice de su acidez o basicidad. Se define como los miligramos de hidrxido de potasio (KOH) necesarios para neutralizar los cidos en un gramo de muestra, o los miligramos de cido clorhdrico (HCL) necesario para neutralizar el material bsico en un gramo de

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AceiteMuestraen reposo

El aceitese subepara iniciarsu descenso

Al pasar porel primeraforo, searranca elcronmetro Al pasar por

el segundoaforo, separa elcronmetro

Aceite de Bao @ 40C o 100C

Cronmetro Cronmetro

Cada viscosmetro tiene un factor, el cual semultiplica por el tiempo obtenido dndonosla Viscosidad en Centistokes ( cSt ).

TuboCapilar

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muestra. El contenido cido o bsico de muestras de productos del petrleo se expresa usualmente en trminos de Nmero Acido Total (TAN) o Nmero Base Total (TBN). Significado El Nmero de neutralizacin se usa considerablemente como criterio de calidad de un aceite usado. Sin embargo, el nmero de neutralizacin de un aceite usado no tiene valor al menos que se conozca el nmero de neutralizacin del aceite cuando nuevo. Un aumento del nmero de neutralizacin puede indicar contaminacin con material cido u oxidacin. Para algunos productos, dependiendo del paquete de aditivos, una disminucin en el nmero cido o base puede deberse a agotamiento del aditivo. 4.4 Punto de Inflamacin y Punto de Ignicin El Punto de Inflamacin de un producto del petrleo es la temperatura a la cual el producto debe calentarse, en condiciones especificadas en el mtodo, para desprender suficientes vapores que al mezclase con el aire se encienden momentneamente por una llama.

El Punto de Fuego es la temperatura a la cual el producto debe calentarse, de acuerdo al mtodo establecido, para que arda continuamente cuando la mezcla de vapor y aire se enciende con una llama. Significado Tanto el punto de Inflamacin como el de fuego se usan principalmente para determinar el peligro de inflamacin de los productos del petrleo. El punto de Inflamacin de un aceite lubricante es una medida estimativa de la tendencia a

vaporizarse a altas temperaturas, y por lo tanto del posible consumo de aceite, especialmente en mquinas de combustin interna. En caso de aceite usado, el Punto de inflamacin es un ndice de la dilucin que puede producirse con combustible. 4.5 Contaminacin y Sedimento El contenido de contaminante de un aceite es un factor determinante para decidir si un lubricante puede continuar en uso; para establecer la necesidad de cambios

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de filtros de aire y aceite; o para estudiar lo adecuado de las prcticas de mantenimiento. Los contaminantes pueden incluir resinas orgnicas (productos de oxidacin), agua, polvo, herrumbre y otras materias extraas. 4.6 Tensin Interfacial Este ensayo mide la tensin en la interfase de dos lquidos inmiscibles (aceite y agua). En la interfase, cada lquido ejerce su propia tensin superficial as que para un aceite nuevo de calidad conocida existe una tensin Interfacial definida. Los contaminantes, particularmente materiales polares tales como productos de oxidacin, generalmente reducen la tensin de un aceite. As, la tensin Interfacial se relaciona con la oxidacin del aceite y la calidad que tiene el lubricante una vez usado. Significado Algunos usuarios de aceites estiman que la tensin Interfacial es ms sensible para indicar una oxidacin incipiente que el aumento en el nmero de neutralizacin. Los aceites de turbina y para transformadores son comprobados en cuanto a calidad midiendo los cambios de la tensin Interfacial. 4.7 Resistencia Dielctrica Los aceites derivados del petrleo son no conductores de electricidad. Su resistencia al flujo elctrico es una funcin del nivel de contaminacin con cantidades menores de agua, polvo, suciedad y materias orgnicas polares formadas por oxidacin. El ensayo ASTM D-877 es excelente para determinar contaminacin con pequeas cantidades de agua y detectar presencia de otras materias. Es usado ampliamente en el control de especificaciones y calidad de aceites elctricos empleados en transformadores y equipos elctricos.

4.8 Anlisis Qumico de Aceites Lubricantes Los aceites lubricantes modernos, especialmente aquellos usados en motores de combustin interna, contienen metales, fsforo y azufre aportados por los aditivos. La mayora de los aceites EP (Extrema Presin), para engranajes y para trabajo de metales se formulan con aditivos que contienen azufre, fsforo y cloro. En aceites nuevos la concentracin que exista de estos elementos es til para determinar el nivel de calidad que poseen. En aceites usados, conocer la concentracin de elementos metlicos presentes en

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pequeas cantidades, tales como hierro, cobre, plomo, estao, zinc, plata, aluminio, slice, etc., es de importancia para tomar decisiones relacionadas con las condiciones mecnicas de los equipos y la necesidad de efectuar cambios de filtros y aceite. Los mtodos empleados para la determinacin de elementos metlicos en aceites lubricantes pueden ser del tipo gravimtrico por anlisis qumico hmedo, o los ms modernos basados en las tcnicas de Espectrofotometra de Absorcin Atmica, Espectroscopia de Emisin, Espectrografa de Rayos X. Los niveles permisibles de contaminacin desgastada de metales varan considerablemente segn la marca del motor y las condiciones de operacin. Es necesario que si se desea aplicar el anlisis espectrogrfico como una herramienta para el mantenimiento preventivo, se establezca un sistema de anlisis peridicos para cada motor, esta es la nica forma de poder detectar cambios abruptos para cada elemento en particular, lo cual es un ndice de alguna anomala que hay que reparar antes de que se produzca un dao mayor. 5. Ensayos de Grasas Las principales pruebas realizadas a las grasas para su control de calidad se pueden resumir as: 5.1 Alcalinidad. Prueba que se establece por el mtodo ASTM D-128. Este mtodo es aplicable a grasas que son compuestos de aceites del petrleo y jabones, mas no para grasas fabricadas con espesantes no metlicos. Este anlisis suministra el grado de alcalinidad de la muestra. 5.2 Penetracin Al Cono. Prueba realizada con base en el mtodo ASTM D-217. Es una medida de la consistencia de la grasa y de la caracterstica de flujo. Se mide por el nmero de dcimas de milmetro que penetre un cono dentro de una muestra dada a 25C. Una muestra muy dura tendr un nmero de penetracin bajo y una blanda tendr un nmero alto. 5.3 Punto De Goteo. Mide la temperatura a la cual la grasa pasa del estado slido plstico al lquido. El punto de goteo es un ndice de la temperatura aproximada a la cual las grasas empiezan a perder su consistencia y es por tanto una limitante de su temperatura de trabajo. Para esta prueba se

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utiliza el mtodo ASTM D-566. 5.4 Estabilidad a la Oxidacin. Es la resistencia de una grasa al deterioro qumico causado por la exposicin al aire (oxgeno), por lo que depende bsicamente de la estabilidad de los componentes individuales de la grasa. Esto usualmente est fomentado por la adicin de aditivos inhibidores de la oxidacin. La alta resistencia a la oxidacin es requerida para evitar problemas durante largos perodos de almacenamiento o para la vida misma del producto en servicio en donde pueda encontrarse altas temperaturas. Este mtodo analizado con base en el ASTM D-942 mide el ndice de la resistencia de la grasa a la oxidacin. Es una prueba para el control de calidad pero su trascendencia no es importante. No puede ser utilizado este anlisis para comparar la estabilidad relativa de grasas de diferente composicin o expuestas a diferentes servicios.