Prefacio
Diseño de cojinetes - Lubricación Cojinetes planos
Cojinetes con elementos rodantes
Composición y características de las grasas Componentes estructurales de la grasa Aceites base
Agentes espesantes con base en jabón Espesantes con base en jabones complejos Espesantes orgánicos
Espesantes inorgánicos Aditivos
Propiedades de las grasas Consistencia
Estabilidad mecánica Separación de aceite Compatibilidad
Criterio de selección de la grasa Usos múltiples
Requerimientos automotrices Aplicaciones en acerías
Métodos de aplicación de la grasa Consideraciones sobre medio ambiente
Biodegrababilidad Responsabilidad global Pruebas de grasas
Guía para pruebas comunes Requerimientos siderúrgicos
Especificaciones federales: grasas industriales y de uso general
Especificaciones militares
Probador Shell de grasas para
determi-nar por correlación las diferentes
friccio-nes FHD y EHD
Consideraciones previas
Demostración - Caso que presenta condicio-nes reales vehículo vs. prototipo e igual ecua-ción de régimen ZN/P=2.09"
Reproducibilidad caso real del régimen EHD del caso ejemplo a través del probador Bench Marking a través del probador Grasas MP Ahorro de energía con grasas Shell MP según teoría Fluídos Newtonianos
Bench Marking Grasas EP
Guía de compatibilidad agentes espesantes grasas
Cuadro usos de las grasas Citas bibliográficas
Adicional a la descripción de los aspectos bási-cos de las formulaciones de grasas y sus usos, usted encontrará una refencia a los estándares mundiales y a las pautas de fabricación, prueba y uso de estos productos.
Una discusión de la naturaleza del mercado glo-bal de grasas da una perspectiva practica a las secciones más técnicas, al igual que un repaso de las consideraciones ambientales y su impacto en la industria.
El reto de la industria de grasas y las demás in-dustrias de lubricantes / lubricación es el de evo-lucionar de una manera ambientalmente respon-sable.
LUBRICACION
Los componentes de la maquinaria industrial que necesitan grasa lubricante incluyen: cojinetes, acoplamientos, transmisiones abiertas, y una va-riedad de otras partes móviles.
El uso más extendido de las grasas es el de la lubricación de cojinetes que son elementos críti-cos de los equipos usados en acerías, minería, construcción y transporte estas son las industrias que en forma significativa determinan la estabili-dad económica de un país.
Un cojinete es la cámara o soporte para una pie-za rotatoria (un eje que rota dentro de un cojine-te), o uno que se mueve linealmente (movimien-to axial dentro del cojinete). Un cojinete también puede restringir de cierta manera el movimiento. Hay dos clases básicas de cojinetes: Planos y de rodamientos. Los cojinetes planos se basan en el movimiento de deslizamiento entre un ele-mento estacionario y otro móvil; los rodamientos tienen esferas o rodillos que dan cabida al movi-miento entre piezas estacionarias y movibles. En cualquiera de los casos, para prolongar la vida de servicio es esencial contar con una película lubricante que separe las superficies en movimien-to.
Los cojinetes planos que resisten pesos perpen-diculares a sus ejes de rotación se denominan chumaceras (cojinetes muñón); los rodamientos que soportan cargas similares se denominan
co-de rotación se co-denominan cojinetes co-de empuje. Los cojinetes pueden ser autolubricados o lubricarse externamente con aceite o grasa. En general se prefiere la grasa para cargas de impacto, altas temperaturas o, cuando se requie-ren, buenas propiedades adhesivas a las super-ficies de los cojinetes y buenas propiedades de sellamiento.
COJINETES PLANOS
Es el tipo más elemental de cojinete, ya que no contiene partes móviles. En la mayoría de los casos un cojinete plano está elaborado de un material o aleación más suave que el de la pieza que se desliza o mueve contra éste. Por tanto, el cojinete corre con la mayoría del desgaste. Esta es una ventaja económica importante, puesto que los cojinetes se reemplazan o se ajustan más prácticamente que los componentes móviles de relativa inaccesibilidad.
Los cojinetes planos pueden describirse según su configuración, por su movimiento o por el tipo de carga que reciben.
Por tanto, las principales categorías de cojinetes planos son: Chumaceras, y guías de empuje.
También llamados cojinetes muñón o de manga, consisten de una cámara cilíndrica que soporta el eje rotatorio. El término “muñón” se refiere a la parte del eje contenida dentro del cojinete; la “manga” comúnmente se refiere a la configura-ción del cojinete. Ambos términos se usan sinó-nimamente. Si el cojinete es totalmente cilíndri-co, diseño de 3600, se le llama completo. Un eje que recibe carga en una sola dirección puede estar soportado por un cojinete muñón en forma de cilindro parcial.
Tales cojinetes soportan el eje solamente en la zona de carga. Por ejemplo, las grúas, los equi-pos removedores de tierra, etc. usan cojinetes semi-cilíndricos para soportar las cargas dirigi-das contra la parte superior de un eje.
Varias configuraciones de cojinetes planos.
dos o más piezas que facilitan su remoción
o reemplazo. Por ejemplo, los cojinetes
principales del motor del carro tienen dos cami-sas semicirculares que contienen los muñones del cigüeñal. Las partes se acoplan y se unen con pernos.
Cojinetes guía
Los cojinetes guía, soportan piezas de la máqui-na más recíprocas que rotativas; la carga es ge-neralmente menor que la de un cojinete muñón. Las superficies inferiores pueden tener ranuras para ayudar a distribuir el lubricante y aliviar la presión.
Los equipos que tienen cojinetes guía incluyen las crucetas de cabeza en los motores a vapor y algunos compresores de aire.
Un cojinete guía sencillo da cabida para el movimiento lineal.
Muñón Línea de Carga
Punto de Contacto Punto de Equilibrio Rodamiento Casquillo Cojinete de Multiples partes
presión para separar las superficies del cojinete y del muñón, se da origen a la lubricación hidro-dinámica o lubricación de película fluida total.
Lubricación límite
Cuando el eje está en reposo o a bajas velocida-des (generalmente a la iniciación), y/o bajo altas cargas, entran en contacto las asperezas de la superficie del cojinete y del muñón.
La lubricación en estas condiciones depende de la naturaleza de las superficies que se tocan, de la descomposición de los productos lubricantes presentes, o de los aditivos de acción superficial que forman una película delgada y suave, sobre las superficies de metal y que previenen la adhe-rencia de uniones metálicas para reducir la fric-ción. Fig. (a).
En vista de la generación de niveles relativamen-te altos de fricción y calor, y el consecuenrelativamen-te alto índice de desgaste de la superficie, la lubricación límite no sería el modo de operación más desea-ble. Sin embargo, hay veces en que es totalmen-te inevitable.
En cuanto el muñón empieza a rotar, asciende por la superficie del cojinete en dirección opues-ta a la roopues-tación, Fig.(b). Una capa de grasa se adhiere al muñón y rota con él. Esta capa es lle-vada al espacio de convergencia entre el muñón y el cojinete y empieza a formar una película del-gada fluida. El muñón rota con la película hasta Los cojinetes de empuje suministran el
movimien-to axial de un eje rotamovimien-torio. Comúnmente se usan en conjunto con las chumaceras y se lubrican me-diante la grasa que se escapa por las puntas del alojamiento de los cojinetes.
Lubricación de cojinetes planos
La forma de lubricar un cojinete plano depende de las condiciones que afectan la capacidad de éste de desarrollar una película fluida, que per-mita soportar la carga y que pueda separar las superficies del cojinete y del muñón. Si dicha pe-lícula no se produce (o antes de que se produz-ca) el modo de lubricación se denomina de pelí-cula límite, o pelípelí-cula mixta, lubricación en la que las superficies no están completamente
separa-Un cojinete guía sencillo da cabida para el movimiento lineal.
Rotor Alojamiento
Cojinete de Empuje
que una cantidad suficiente de fluido haya sido llevado al espacio de convergencia para separar más aún las superficies, Fig.(c).
Una capa de grasa se adhiere al muñón y rota con él, otra capa se adhiere a la superficie del cojinete y queda fija. Las capas de grasa de la película se deslizan entre las capas exteriores; las más cercanas al muñón son las que se mue-ven más, mientras aquellas capas más cercanas al cojinete se mueven menos.
A medida que se aumenta la velocidad, la acción de cuña del lubricante se mueve en la dirección de la rotación. La presión sobre la película se hace mayor, de forma que el muñón va ahora montado en una película de fluido, efectuándose la lubri-cación hidrodinámica, Fig.(d). Si se aumenta suficientemente la carga sobre el cojinete, la pe-lícula hidrodinámica puede romperse y el cojine-te regresará al modo de lubricación límicojine-te. La grasa debe introducirse al cojinete por donde sea menor la presión del fluido, el punto de máxi-ma holgura dentro del cojinete. A menudo, se aña-den ranuras al interior de la superficie del cojine-te para aligerar la presión y almacenar lubricancojine-te de reserva. Cuando la carga va en una dirección, las ranuras del eje que van a lo largo de la super-ficie del cojinete y localizadas en áreas de baja presión no alterarán la película lubricante y pue-den aliviar la presión.
Cuando la dirección de la carga es variable, la localización de presión extrema dentro del coji-nete también es variable. Bajo estas condicio-nes, las ranuras anulares o circunferenciales bien espaciadas aligerarán la presión sin interrumpir substancialmente las películas lubricantes. Las ranuras axiales deben ser biseladas, de ma-nera que la grasa lubricante sea arrastrada más fácilmente de la ranura, por el eje rotatorio.
Posiciones del cojinete durante la formación de una película fluida aerodinámica en un cojinete muñón plano.
(c)
(b) (a)
La escogencia entre lubricación de aceite o grasa depende de la relación de la velocidad del muñón a viscosidad. Las velocidades más lentas del mu-ñón requieren viscosidad más alta, mientras que las velocidades altas necesitan de un aceite de cuerpo liviano. Los cojinetes diseñados para mar-chas de baja velocidad tienen, generalmente una tolerancia relativamente amplia entre el eje y el alo-jamiento, mientras que los cojinetes de alta veloci-dad tienen una tolerancia mucho más pequeña.
También debe tenerse en cuenta la carga en un cojinete, cuando se escoge un lubricante. La gra-sa o el aceite seleccionados deben tener
suficien-Baja Velocidad Aceites PesadosGrasas y
Media Velocidad Alta Velocidad Aceites de Mediana Viscosidad Aceites Ligeros
una protección adecuada.
Relación de velocidad del muñón con la liberación interna y la lubricación. Velocidades más bajas requieren lubricantes de
RODANTES
Estos cojinetes tienen esferas o rodillos situados entre un alojamiento fijo y un muñón movible, los rodillos pueden ser cilíndricos, esféricos o cóni-cos. A los rodamientos con rodillos relativamente largos, de diámetro pequeño se les denomina “co-jinetes de agujas”.
Se puede conseguir aumento de la capacidad añadiendo filas de rodillos o, en el caso de coji-nete de aguja, eliminando el retenedor y añadien-do rodillos.
A los rodamientos se les llama con frecuencia co-jinetes “antifricción”, aunque la fricción del torque de un cojinete plano de película total de fluido, pue-de ser tan baja como la pue-de los rodamientos. Sin
Anillo externo Anillo interno Canal Separador Elementos Rodantes miento.
Los elementos rodantes generalmente están en-cerrados entre anillos llamados pistas, típicamen-te el anillo extípicamen-terior es fijo y el anillo intípicamen-terior está unido a un eje rotatorio.
Distinto a los cojinetes planos, los cojinetes de rodamientos, están hechos de aleaciones de ace-ro duace-ro, porque los pequeños ace-rodamientos deben soportar una gama amplia de cargas y las presio-nes en la superficie de contacto de la unidad pue-den ser muy altas.
La mayoría de rodamientos utilizados en la in-dustria se lubrican con grasa.
Cojinetes de bolas
Los cojinetes de bolas son, quizá, el tipo ás fami-liar de rodamientos. Los cojinetes radiales de bolas contienen el movimiento rotatorio de un eje y funcionalmente son similares al cojinete muñón sencillo.
Los cojinetes de empuje de bola son funcional-mente equivalentes a los cojinetes de empuje pla-nos.
El ensamblaje de un cojinete de bola incluye: bolas, un retenedor, anillos, eje rotatorio y el alo-jamiento de soporte. Las bolas están hechas de acero endurecido y brillado pulido.
también deben haber sido pulidos.
Los alojamientos de los cojinetes difieren depen-diendo del diseño y de su aplicación y sirven para soportar el cojinete y contener el lubricante. Ge-neralmente se proveen sellos apropiados para que ni el agua, ni el polvo, ni la mugre u otros contaminantes externos lleguen a los componen-tes del cojinete y para prevenir el escape del lubri-cante del alojamiento.
Cojinetes de rodillos
Los tipos básicos de cojinete de rodillo
miento y sellos. Tal como en el caso de cojinetes de bolas, las superficies de contacto de los rodamientos deben contar con una superficie fina-mente terminada para que trabajen con el máximo de eficiencia.
Cojinetes de rodillos cilíndricos
El tipo más básico de estos cojinetes contiene rodillos cilíndricos colocados entre los anillos. Los rodillos no son verdaderos cilindros, pero gene-ralmente están coronados o tienen extremos re-ducidos para aminorar la concentración de fuer-za del contacto rodillos-anillo. Los rodamientos cilíndricos pueden llevar cargas radiales pesadas y pueden funcionar a alta velocidad.
Cojinete de rodillos cónicos
En razón a su geometría cónica rodillo-anillo, este cojinete puede llevar cargas pesadas tanto radia-les como cargas de empuje.
Este cojinete versátil es bastante popular en la in-dustria automotriz.
Rodamientos esféricos
Esta clase utiliza rodillos convexos o abarrilados que dan cabida a altas cargas radiales y de cho-que y suministran un alto grado de autoalineación. Sin embargo tienen cierta limitación de velocidad.
Cojinetes de agujas
Los cojinetes de agujas contienen rodillos cilín-dricos con una alta relación longitud-diámetro, dan-Doble Fila Rodillo
Rodillo Aguja Cojinete de
mente este tipo no tiene pista interior y puede dar cabida a movimiento oscilante. Los cojinetes de aguja sin un retenedor o jaula y con un comple-mento total de rodillos poseen una gran capacidad de carga pero tienen limitaciones de velocidad. Los cojinetes de aguja con un retenedor, contienen menos rodillos, por lo tanto tienen menor capaci-dad de carga pero pueden funcionar a velocicapaci-dades más altas.
El lubricante para estos cojinetes tiene tres fun-ciones individuales:
- Reducir la fricción tanto rodante como deslizante.
- Proteger, las superficies de los elementos rodantes y de las pistas, contra la corrosión y el desgaste. Esto es crítico para la vida activa del cojinete (duración).
- Actuar como sellante.
Causas de fricción
La acción rodante es la causa predominante de fricción de un rodamiento. La fricción de rodamien-to se origina por la deformación del metal cuando la bola o rodillo presionado por el peso, se mueve por la superficie de un pista. La acumulación de material deformado que precede al elemento rodante opone resistencia al movimiento, lo que a su vez, produce calor por fricción. Otras causas menores de calor por fricción en los cojinetes in-cluyen deslizamiento, desprendimiento y acción abrasiva.
Se produce una pequeña cantidad de fricción cuando los espaciadores entre los cojinetes to-can el to-canal de rodadura. También se produce fricción, por el desprendimiento de los rodantes. Esto ocurre en el área del cojinete que no lleva peso, donde la holgura entre los elementos del cojinete y el canal de marcha es máxima.
La principal fuente de fricción de un cojinete de elementos rodantes es la fricción de rodadura, resultante de la deformación del canal de
rodadura originada por un elemento rodante cargado.
Los desprendimientos también se aumentan con la desaceleración de la velocidad, porque la reduc-ción de la fuerza centrífuga sobre el cojinete, logra una liberación más grande, de fuerza opuesta. La fricción puede provenir también de la corrosión u oxidación de las superficies metálicas que pro-duce partículas abrasivas de óxido.
Películas EHD
Los principios que rigen la lubricación de los coji-netes con elementos rodantes, también llamados rodamientos, son distintos a los de cojinetes pla-nos. En los cojinetes planos de película fluida completa, la carga del eje está soportada por una película lubricante hidrodinámica continua que man-tiene separadas las dos superficies de contacto. En los cojinetes rodantes, las presiones unitarias son extremadamente altas, entre los elementos rodantes, relativamente pequeños y sus pistas
(ca-nales de rodadura). Los lubricantes sujetos a alta presión dentro de la zona de contacto de un roda-miento, sufren un dramático aumento de la visco-sidad. Este aumento de la viscosidad permite a la película lubricante soportar altas fuerzas de con-tacto, a la vez, que previene el contacto; entre las superficies. Las presiones de esta magnitud no existen en la película fluida total del cojinete plano y por lo tanto no se afecta la viscosidad del lubri-cante.
Las altas presiones del contacto en un cojinete rodante, deforman elásticamente también las su-perficies rodantes, para ampliar el área de contac-to que soporta la carga. La combinación de la de-formación de la superficie y la acción lubricante hidrodinámica, produce una película lubricante del-gada elastohidrodinámica (EHD), que provee lubri-cación a las zonas de contacto de los elementos rodantes del cojinete.
Aumento de viscosidad en los lubricantes corrientes debido a la presión. Viscosidad Absoluta Viscosidad Absoluta 106 105 104 103 102 101 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Silicona Silicona Aceite mineral Aceite mineral Aceite mineral Aceite mineral Diester Diester a 55 C a 55 C a 74 C a 74 C a 50 C a 50 C a 58 C a 58 C Diester Diester a 73 C a 73 C Presión en Psi x 1000 Presión en Psi x 1000
Lubricación con grasa
Las grasas proveen una película lubricante a la su-perficie de los elementos rodantes, separadores y canales de rodadura. En realidad el lubricante es una fina película de aceite que se libera cuando la red fibrosa tridimensional de la grasa se quiebra por el esfuerzo cortante. Solamente se malogra la parte de la grasa en contacto íntimo con las super-ficies movibles, el resto permanece intacto y fun-ciona como sellante.
Cuando un cojinete recientemente cargado empie-za a girar, la grasa es lanempie-zada desde los elemen-tos rodantes y puesta a circular rápidamente por el alojamiento. Después de corto tiempo la grasa del anillo rotatorio externo es lanzada de regreso a los elementos rodantes, donde se produce el cor-te.
Este ambiente turbulento al iniciar la rotación, crea calor de fricción que alcanza un máximo y que des-pués disminuye gradualmente, a medida que la ac-ción continua de corte libera la película de aceite lubricante. Al tiempo que se efectúa la lubricación, la temperatura del cojinete que se ha cargado apro-piadamente bajará y asumirá un equilibrio.
Carga Carga
Patrón de esfuerzo
Deformación (exagerada) y esfuerzo producido por un rodillo sobre una
suprficie plana Patrón de esfuerzo Dirección de rodamiento
Relación tiempo/temperatura de un rodamiento cargado normalmente y lubricado con grasa y de uno que ha sido sobrecargado con
lubricante. Temperatura en C Temperatura en C 75 75 50 50 25 25 100 100 200200 300300 Tiempo en minutos Tiempo en minutos Temperatura en C Temperatura en C 75 75 50 50 25 25 100 100 200200 300300 Tiempo en minutos Tiempo en minutos Sobrecarga Sobrecarga
COMPOSICION Y CARACTERISTICAS
DE LAS GRASAS
La facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones, bajo una amplia varie-dad de condiciones y medios ambientales, consti-tuyen un testimonio de la flexibilidad de su compo-sición. Las grasas son fórmulas complejas de espesantes,
componentes estructurales, bases fluidas y aditi-vos diseñados para cumplir los requisitos de apli-caciones específicas.
Cuando se usan como lubricantes, las grasas tie-nen un comportamiento muy parecido al de los aceites. Reducen la fricción proveyendo una pe-lícula que separa superficies en movimiento. Sin embargo, tienen la ventaja de permanecer don-de se aplican, y tienen menos probabilidad don-de escapar de una máquina o de las superficies que lubrican, si se encuentran bajo efectos de la fuer-za de gravedad o fuerfuer-zas centrífugas.
Al mismo tiempo, las grasas pueden formar un sello efectivo contra la húmedas y los contami-nantes sólidos.
Estructura grasa LITIO
LA GRASA
La grasa tiene dos componentes estructurales bá-sicos: un agente espesante y el fluido líquido, o base fluida en el que se dispersa el agente espesante. Muchos tipos y combinaciones de espesantes y fluidos base, junto a modificadores de estructura suplementarios y aditivos de desem-peño, le dan sus características especiales a las fórmulas finales de grasa.
Al examinar, bajo una alta ampliación, una grasa basada en un jabón, se nota una malla tridimensional de fibras de jabón microscópicas. La forma de actuar de una grasa, se ha explicado como si esta malla actuara como una esponja y atrapara molé-culas de aceite, que luego serían liberadas al au-mentar la presión y la temperatura.
Sin embargo, parece ser que el mecanismo de acción de una grasa es aún más complicado, y que la grasa es un lubricante efectivo. Esto se demuestra con el hecho de que, analizando el material en superficies lubricadas con grasa, mues-tra que contiene la misma concenmues-tración de agen-te espesanagen-te, sin haber un exceso de aceiagen-te base. Se piensa que las fibras del jabón utilizado como agente espesante, se mantienen juntas gracias a fuerzas moleculares débiles. Esto da a la grasa, en un comienzo, una estructura relativamente sólida. Pero al someterla a un incremento en la presión o la temperatura, las uniones entre las fi-bras se rompen y dejan fluir la grasa. Al terminar el
Las bases de los lubricantes utilizados en la for-mulación de grasas son generalmente de origen mineral (petróleo) o sintético, aunque los aceites vegetales también son usados en aplicaciones es-pecializadas. Las bases sintéticas pueden elabo-rarse de petróleo o de aceite vegetal comestible y se les acondiciona para el trabajo que deben realizar.
Los aceites lubricantes son los componentes prin-cipales de las fórmulas de grasa y, como tales, ejercen gran influencia en él comportamiento de la misma. Al formular una grasa, se escoge ge-neralmente la viscosidad del aceite base que tie-ne similitud al que normalmente se escogería si el equipo se lubricara con aceite. Por ejemplo, un aceite liviano podría escogerse para formular una grasa lubricante apropiada para cojinetes de car-ga liviana y alta velocidad. Por otro lado, un equi-po de carga pesada y lento movimiento necesita-ría de un aceite de alta viscosidad.
La resistencia de una grasa a la oxidación puede ser deficiente si su componente de aceite base, tiene un índice de viscosidad bajo o moléculas polinucleares aromáticas. Se prefieren los acei-tes parafínicos de alto índice de viscosidad por su innata y buena estabilidad a la oxidación, pero su falta de compatibilidad con algunos jabones espesantes de calcio y sodio puede exigir el uso de aceites nafténicos. En tales casos, se hacen ne-cesarios los inhibidores suplementarios de oxida-ción.
de una grasa terminada, puesto que ciertos espesantes pueden por sí mismos funcionar como depresores del punto de fluidez.
La compatibilidad con sellos de caucho, puede estar influenciada por el tipo de aceite base pre-sente. Los aceites parafínicos ejercen un efecto mínimo sobre éstos, mientras que los aceites nafténicos pueden hacer que el material sellante se infle.
Aceites sintéticos
Los fluidos sintéticos están incrementando su im-portancia, en grasas diseñadas para aplicaciones especiales, en temperaturas extremas, estos in-cluyen: Polialfaolefinas, diésteres, poliglícoles, és-teres e hidrocarburos halogenados, bases sintéti-cas.
Exceptuando los fluidos de poliglicol, todos tie-nen viscosidades en la escala de aceites minera-les HVI más ligeros. Sus índices de viscosidad y
Tipo Aplicaciones principales Polialfa Olefinas (PAOs)
Esteres de acidos Dibásicos Esteres de Poliol Aromáticos alquilados Polialquilen Glicoles Automotriz e industrial Aérea y automotriz Aérea y automotriz Automotriz e industrial Industrial
Esto los convierte en valiosos componentes de combinación cuando se mezclan aceites de ser-vicios extremos en altas y en bajas temperatu-ras.
Las principales desventajas de los sintéticos es que son más costosos que los aceites minerales. Esto limita su utilización en grasas y aceites para especialidades. Los ésteres tienen la desventaja adicional de tener más tendencia a inflar los se-llos que los hidrocarburos, por tanto, se debe te-ner precaución cuando se les usa en aplicaciones en las que puedan entrar en contacto con elastómeros diseñados para usarse con aceites minerales.
Agentes espesantes con base en jabón
metálico
Los jabones se forman cuando un ácido o éster graso de origen vegetal o animal se combina con un álcali o hidróxido metálico y reacciona, o se saponifica, generalmente por aplicación de calor, presión o agitación.
La estabilidad mecánica y propiedades reológicas de la grasa final resultan de la estructura de fibra dada por el jabón de metal.
El agua llega durante el proceso como un deriva-do. Por tanto el sistema de fabricación en sí mis-mo es una conveniente fuente de agua. Una pe-queña porción del agua que se forma por la
reac-Esta agua, hidroliza una cantidad equivalente de jabón metálico, resultando en ácido carboxílico libre que ayuda en la dispersión de las moléculas de jabón. Cantidades más grandes de agua se in-corporan algunas veces dentro del marco molecular y se convierten en elementos estructu-rales esenciales como el caso de las grasas de calcio convencionales.
Jabones de calcio, el jabón convencional de calcio o grasas a base de cal se prepara median-te la reacción de ácidos o ésmedian-teres grasos con hi-dróxido de calcio en un medio de aceite mineral. Como resultado de las fibras pequeñas y estre-chamente ajustadas que constituyen su marco es-tructural, el producto que así se produce tiene una textura suave.
Las principales ventajas de las grasas de jabón de calcio son:
- Quizás las más baratas para fabricar entre las grasas a base mineral.
- No son emulsificables en agua por tanto, resisten el arrastre desde los cojinetes. A ba-jas temperaturas no sufren transformación de fase y por lo tanto mantienen capacidad de bombeo.
Sus mayores desventajas son:
grasas derivadas de 12-hidroxisteárico pue-den funcionar 1200 -1300 C.
- Las grasas de jabón de calcio se utilizan prin-cipalmente para lubricar bombas de agua, la-zos de alambre y partes de maquinaria que funcionan bajo condiciones ligeras.
- Su utilización en cojinetes planos y de rodamientos está severamente limitada por su baja estabilidad térmica y susceptibilidad al corte.
Cuando se involucran ácidos grasos simples, la adsorción de agua durante la reacción de saponificación, es un factor crítico para lograr una estructura grasa estable. Si el agua de la hidratación se hace salir, la red fibrosa caracte-rística se rompe para producir ablandamiento y por último, separación de fase. Si el jabón contie-ne el ácido 12-hidroxiesteárico, no se contie-necesita el agua de la hidratación. Las grasas de calcio anhidro 12-hidroxiesterato son de hecho, más térmicamente estables, que las grasas de jabón de calcio hidratadas convencionalmente.
Jabones de sodio, El espesante de las grasas a base de sodio se forma mediante la reacción de ácidos o ésteres grasos con hidróxido de sodio en un medio de aceite mineral. Las grasas de ja-bón de sodio tienen une estructura esponjosa. Estas grasas han sido desplazadas
signifi-jabón de sodio son bastante limitadas para aplica-ciones en cojinetes modernos, en razón a su alto grado de solubilidad en agua. Por tanto, estas gra-sas están totalmente descartadas para uso en acerías, en donde los cojinetes están sometidos a la caída de grandes volúmenes de agua. Las gra-sas sódicas también son susceptibles de transfor-maciones de fase y de endurecimiento.
Sin embargo las grasas sódicas poseen ciertos perfiles positivos que las hacen útiles en algunos cojinetes de rodamientos, cojinetes de alta velo-cidad y engranajes. Sus ventajas incluyen:
- Excelentes propiedades inhibidoras de la corrosión y oxidación.
- Buena estabilidad a alta temperatura. - Estabilidad promedio al corte.
- La máxima temperatura de operación de las grasas de sodio en los rodamientos, es alre-dedor de 1000 C aunque las grasas de sodio con 12-hidroxiesterato son algo más estables térmicamente.
Jabones de Litio, Los jabones de litio son los más importantes y versátiles de las grasas a base de jabón y tienen por lo menos el 50% de la pro-ducción de grasa. Las grasas de litio se preparan mediante la reacción de ácidos grasos o ésteres con hidróxido de litio en aceite mineral. Estos tie-nen una textura suave y fibrosa.
velocidad y en rodamientos.
- Altos puntos de goteo y buena estabilidad térmica. La temperatura máxima de servicio se acerca a los 1400 C.
- Buena tolerancia al agua; resiste el arrastre en los cojinetes de fresadoras.
- La protección contra la corrosión y la oxida-ción es por lo menos igual a la de las grasas de sodio.
- Los aditivos (inhibidores de corrosión, inhibidores de oxidación, agentes EP) mues-tran generalmente mayor respuesta que otros medios de jabón; por tanto las grasas de litio se pueden acomodar fácilmente a condicio-nes y ambientes específicos.
- Excelentes propiedades sellantes.
Algunos estudios de los espesantes de jabón de litio sugieren que la relativa falta de solubilidad del jabón en aceite lleva a una estructura de ma-lla de grasa más fina que a su vez reduce la se-paración del aceite durante el servicio.
ciones
Tipo de Tipo de Espesante Espesante Características de Características de las grasas las grasas Aplicaciones Aplicaciones ••De apariencia suave, tipo gel. BajoDe apariencia suave, tipo gel. Bajo de goteo.
de goteo.
Excelente resistencia al agua. Excelente resistencia al agua. Tendencia a suavizar / endurecer. Tendencia a suavizar / endurecer. Altamente dependiente de la rata Altamente dependiente de la rata de corte.
de corte.
•
•Lubrica cojinetes de bajaLubrica cojinetes de baja velocidad. velocidad. Aplicaciones en ambientes Aplicaciones en ambientes húmedos o de alta húmedos o de alta contaminación química contaminación química (cloro, amoniáco). (cloro, amoniáco). Disminución de uso. Disminución de uso. • •AluminioAluminio •
•Apariencia aspera, fibrosa.Apariencia aspera, fibrosa. Punto de goteo moderadamente Punto de goteo moderadamente alto.
alto.
Poca resistencia al agua. Poca resistencia al agua. Propiedades de buena adherencia Propiedades de buena adherencia (cohesiva).
(cohesiva).
•
•Equipo industrial antiguo enEquipo industrial antiguo en el que la relubricación es el que la relubricación es constante. constante. Rodamientos. Rodamientos. • •SodioSodio •
•Apariencia suave, mantequillosa.Apariencia suave, mantequillosa. Puntos de goteo bajos. Puntos de goteo bajos. Buena resistencia al agua. Buena resistencia al agua.
•
•Cojinetes en aplicacionesCojinetes en aplicaciones húmedas. húmedas. Lubricante de rieles de Lubricante de rieles de ferrocarril. ferrocarril. • •CalcioCalcio •
•Apariencia suave, mantequillosa aApariencia suave, mantequillosa a algo fibrosa.
algo fibrosa. Punto alto de goteo. Punto alto de goteo. Resistencia a escape y Resistencia a escape y ablandamiento. ablandamiento. Buena resistencia al agua. Buena resistencia al agua.
•
•Chasis de automotor yChasis de automotor y cojinetes de las ruedas cojinetes de las ruedas Grasas industriales Grasas industriales multipropósito multipropósito Lubricantes para la Lubricantes para la industria de perforación de industria de perforación de petróleo petróleo • •LitioLitio
plejos
Las grasas de jabones complejos sé desarrollaron para soportar las temperaturas de peración más elevadas de los equipos modernos. La estructura del espesante se forma mediante la reacción si-multánea de un derivado de ácido graso y algún otro componente polar llamado agente de com-plexión, con un componente básico. Por ejemplo, correaccionando el ácido 12-hidroxiesteárico y un ácido azelaico con hidróxido de litio se produce una estructura de malla más intrincada que la de un jabón de litio simple. Los agentes de complexión tienen usualmente un peso molecular más bajo que un derivado del ácido graso.
Jabones de complejo de calcio, las grasas de complejo de calcio se usan para lubricar los rodamientos que trabajan a temperaturas de 1600 -2000 C. (comparados con una temperatura máxi-ma de funcionamiento de solo 900 C para las gra-sas de jabón de calcio sencillo). Más allá de este rango empiezan a desestabilizarse y a liberar cetonas.
Estas grasas se preparan mediante reacción de una mezcla de ácido esteárico o 12-hidroxiesteárico y un ácido orgánico de menor peso molecular co-múnmente ácido acético con un exceso de hidróxi-do de calcio en un medio de aceite mineral. Las temperaturas de reacción inicial se mantie-nen bajas para evitar la volatilización de los agen-tes de complexión. Así como el agua se va
des-Jabones de complejo de litio, los jabones de complejo de litio toleran temperaturas más altas y ofrecen una vida útil más larga que la de sus equi-valentes de jabones simples. Típicamente, los pun-tos de goteo están por encima de 2600 C, o cerca de 800 C más altos que aquellos de las grasas de litio convencionales. La temperatura máxima de ser-vicio de las grasas de complejo de litio es alrede-dor de 1750 C, mientras que las grasas de litio sim-ple generalmente no tolerarían temperaturas de servicio por encima de los 1400 C.
Jabones de complejo de aluminio, las grasas de complejo de aluminio se preparan usualmen-te medianusualmen-te la reacción de la mezcla de un ácido graso, ácido benzoico y agua con isopropóxido de aluminio en un medio de aceite mineral. Si la pro-porción de ácido graso sobre el ácido benzoico se aumenta, la solubilidad en aceite del espesante de complejo se aumenta, pero la estabilidad es-tructural se disminuye. Las grasas de complejo de aluminio de óptima composición, tienen pun-tos de goteo cercanos a los 2600C, mientras que las grasas de jabón de aluminio sencillo pueden tener un punto de goteo de solo 1100 C.
Adicionalmente a las buenas propiedades de alta temperatura que tienen, las grasas de complejo de aluminio son estables al corte y resisten el arrastre del agua. Por tanto, son una alternativa competitiva de las grasas de complejo de calcio para la lubricación de los cojinetes de rodamientos.
Grasas espesadas sin jabón. Tipo de Tipo de Espesante Espesante Características de Características de las grasas las grasas Aplicaciones Aplicaciones •
•PoliúreaPoliúrea ••Apariencia suave, algo Apariencia suave, algo opaca.Punto de goteo por opaca.Punto de goteo por encima de 240° C encima de 240° C Buena resistencia al agua Buena resistencia al agua Resistencia a la oxidación Resistencia a la oxidación Menor resistencia al Menor resistencia al ablandamiento y al escape. ablandamiento y al escape. •
•Cojinetes industriales Cojinetes industriales de elemento rodante. de elemento rodante. Uniones de velocidad Uniones de velocidad constante de los constante de los automotores automotores • •Organo clay - Organo clay -
Arcillas
Arcillas ••Cojinetes de alta Cojinetes de alta temperatura con temperatura con relubricación frecuente. relubricación frecuente. Cojinetes de cuello de Cojinetes de cuello de rodillo de acerías rodillo de acerías •
•Apariencia suave y mantequillosa Apariencia suave y mantequillosa Punto de goteo sobre 260° C Punto de goteo sobre 260° C Resistencia al escape Resistencia al escape Buena resistencia al agua Buena resistencia al agua nudo no se puede corregir fácilmente con
aditi-vos suplementarios.
Espesantes orgánicos
Los espesantes orgánicos, no poseen jabones, los más utilizados son las poliúreas, que se pre-paran mediante la reacción de isocianatos con aminas. Químicamente el producto se puede pre-sentar así:
O
[ ~N- C -N CH* CH* ~ ] n
Cuando se incorporan a la cadena de polímeros grupos de acetatos, se puede aplicar la denomina-ción de “Complejo de acetato de poliúrea”. Las grasas de poliúreas se caracterizan por su buena resistencia al agua y buena estabilidad tér-mica.
Por su durabilidad, las grasas poliúreas se usan frecuentemente en los cojinetes de sellado perma-nente, que se llenan durante el ensamblaje, se sellan y trabajan sin relubricación durante la vida normal del equipo.
Las grasas de poliúrea necesitan de procesos más sofisticados y sus materias primas son más costosas que las grasas convencionales. La mala capacidad de bombeo de ciertas grasas de poliúrea limitan su uso en los sistemas centrali-zados grandes.
ácidos tereftálicos; ácidos fosfóricos, ácidos tiofosfóricos y ácidos fosónicos; y polietileno, policarbohidratos y polietilenos halogenados. Es-tos se usan en pocas aplicaciones comerciales y en su mayoría son solo de intereses académicos.
Las características particulares de las grasas ba-sadas en espesantes inorgánicos, básicamente arcilla y sílice, las ha hecho útiles en aplicacio-nes especiales:
Arcillas, dos arcillas la bentonita y hectorita son los agentes espesantes inorgánicos más impor-tantes. Las grasas basadas en estos materiales son funcionales en rangos de temperatura extre-madamente amplios porque carecen de puntos de goteo y resisten otras transformaciones de fase. Por tanto, las grasas a base de arcilla son valiosas para aplicaciones aerospaciales.
Ciertos aditivos de desempeño incluyendo sulfonatos, naftenatos de plomo y algunos com-puestos organofosfóricos (se sabe que son incom-patibles con las grasas de arcilla porque tienden a desestabilizar la estructura de gel).
Sílice, los agentes espesantes con base sílice se preparan mediante el tratamiento fino del silicato sódico disperso con di-isocainatos o epóxidos. La estructura de gel resultante es más bien amorfa que cristalina.
En razón de su tolerancia a la radiación, las gra-sas de sílice que contienen fluidos de base aro-mática se usan frecuentemente para lubricar los rodamientos en las plantas nucleares (rodamientos de turbinas y generadores).
terísticas de la grasa
Suave 199 Sencillo 163 Suave 260 Arcilla 177 Opaca, algo harinosa > 232 Poliúrea 177Complejo Suave,algo fibroso > 232 177 Gel suave
Complejo de
Aluminio > 232 149
Espesante Estructura Temperatura Max. de servicio (°C) Fibra 177 Jabón de Sodio Punto de goteo (°C) 93 - 136 Jabón de Calcio Suave 132 - 143 Simple 121 Suave, mantequilloso > 232 Complejo 149 Jabón de Litio
Los aditivos químicos pueden alterar en forma significa-tiva el desempeño de las grasas lubricantes. Los facto-res que influyen en la selección del aditivo son:
- Exigencias de desempeño (aplicación del producto).
- Compatibilidad (reacciones sinérgicas/ antagónicas).
- Consideraciones ambientales (aplicación del producto, olor, biodegradabilidad, residuos de descomposición).
- Color. - Costo.
La mayoría de los aditivos descritos son química-mente activos, es decir, producen su efecto a tra-vés de una reacción química ya sea dentro del medio lubricante o sobre la superficie metálica. Los aditivos químicamente activos incluyen: Inhibidores de oxidación, inhibidores de he-rrumbre y de corrosión Agentes antidesgaste y de extrema presión E.P.
Los modificadores de estructura y espesantes tam-bién pueden incluirse en esta categoría, al igual que los polímeros que mejoran las propiedades adherentes y de resistencia al agua.
Por otra parte, los aditivos químicamente inertes afectan unas propiedades físicas de la grasa tales como estructura, reología o tolerancia al agua.
Los aditivos químicamente inertes incluyen: - Modificadores de la viscosidad.
- Depresores del punto de fluidez. - Agentes antiespumantes. - Emulsificadores.
- Demulsificadores. - Aditivos de las grasas.
M M GG Calcio (Hidratado) Calcio (Hidratado) P (90)P (90) M - G M - G PP Sodio Sodio G (200)G (200) M M GG Complejo de Calcio Complejo de Calcio G (300)G (300) Calcio (
Calcio (AnhidroAnhidro)) GG G G Litio Litio MM G (180)G (180) G G M (140)M (140) G G M - GM - G Litio
Litio acomplejante acomplejante G (250)G (250) M
M GG
Aluminio
Aluminio acomplejante acomplejante G (250)G (250) M - G M - G GG Poliúrea Poliúrea G (240)G (240) M M MM Arcilla
Arcilla Bentonita Bentonita G (Ninguno)G (Ninguno) * ( ) Punto de goteo , C
Como los aceites lubricantes, las grasas bajo con-diciones de oxidación producen materiales inesta-bles llamados peróxidos. Una vez formados, los peróxidos se descomponen rápidamente y forman otros materiales que son incluso más suscepti-bles de oxidación. El proceso es una reacción en cadena que se acelera por el aumento de la tem-peratura y que se cataliza mediante ciertos meta-les particularmente aquellos presentes en los agen-tes espesanagen-tes con base de jabón.
Los productos finales de la oxidación son gomas, lacas y materiales acídicos.
En la composición de grasas, la oxidación se ma-nifiesta en cualquiera o la combinación de los si-guientes síntomas:
- Resecamiento y agrietamiento. - Aumento de penetración. - Disminución de punto de goteo. - Aumento de absorción de oxígeno. - Aumento de la acidez.
Los sedimentos en los cojinetes son las señales más obvias de oxidación en el servicio.
Función: los inhibidores de oxidación funcionan combinándose preferencialmente con los peróxidos o especies radicales, por tanto, termi-nando la reacción en cadena de radicales libres. Los inhibidores se destruyen gradualmente du-rante el proceso.
Aditivos Protectores de Superficie
Aditivos Protectores de Superficie
Agente EP y Agente EP y Antidesgaste
Antidesgaste Reduce la fricción Reduce la fricción y el desgaste yy el desgaste y previene el rayado previene el rayado y el agarrotamiento. y el agarrotamiento.
Ditiofosfatos Ditiofosfatos de Zinc, de Zinc, fosfatos orgánicos, fosfatos orgánicos, azufre orgánico y azufre orgánico y compuestos compuestos orgánicos de azufre orgánicos de azufre y cloro. y cloro. Reacción química Reacción química con superficies metálicas con superficies metálicas para formar una película para formar una película con más baja fuerza de con más baja fuerza de corte que el metal, por corte que el metal, por lo tanto previene el lo tanto previene el contacto metal con metal. contacto metal con metal. Inhibidor Inhibidor de la de la herrumbre y la herrumbre y la corrosión corrosión Previene la corrosión Previene la corrosión y la oxidación de las y la oxidación de las partes metálicas en partes metálicas en contacto con el contacto con el lubricante. lubricante. Ditiofosfatos Ditiofosfatos de Zinc, de Zinc, fenolatados fenolatados de metal, de metal, sulfonatos sulfonatos básicos de básicos de metal, ácidos grasos y metal, ácidos grasos y aminas aminas. .
Absorción
Absorción preferencial preferencial del del constituyente polar de la constituyente polar de la superficie metálica para superficie metálica para suministrar una película suministrar una película protectora o neutralizar protectora o neutralizar los ácidos corrosivos. los ácidos corrosivos. Modificador de
Modificador de fricción
fricción Alterar el coeficienteAlterar el coeficientede fricción.de fricción. Acidos grasosAcidos grasosorgánicos yorgánicos y amidos amidos,, aceite de manteca, aceite de manteca, fósforo orgánico de fósforo orgánico de alto peso molecular y alto peso molecular y ésteres ésteres ácidos ácidos fosfóricos. fosfóricos. Modificador de
Modificador de la viscosidad
la viscosidad Aumenta laAumenta laviscosidad del aceiteviscosidad del aceite base. base. Pólimeros Pólimeros y y copolímeros copolímeros de de metacrilatos metacrilatos,, butadieno butadieno olefinas
olefinas o estirenos o estirenos alquilados. alquilados.
Absorción
Absorción preferencial preferencial de de materiales activos en materiales activos en superficie. superficie. Aditivos Protectores Aditivos Protectores Antioxidantes Antioxidantes Retarda laRetarda la
descomposición descomposición oxidativa oxidativa
Ditiofosfatos Ditiofosfatos de Zinc, de Zinc, fenoles limitados, fenoles limitados, aminas aminas, fenoles, fenoles sulfurados. sulfurados.
Deactivador Deactivador metálico
metálico Reducir el efectoReducir el efectocatalítico de loscatalítico de los metales en las ratas metales en las ratas de oxidación de oxidación Acomplejantes Acomplejantes orgánicos que orgánicos que contienen azufre, contienen azufre, aminas aminas,, sulfitos sulfitos y y fosfatos y sulfuros. fosfatos y sulfuros.
Forma una película Forma una película inactiva sobre superficies inactiva sobre superficies metálicas al acomplejarse metálicas al acomplejarse con iones metálicos. con iones metálicos. Descompone los Descompone los peróxidos peróxidos y termina las y termina las reacciones de radical reacciones de radical libre.
depende del tipo de espesante, la acidez relativa o la basicidad del sistema y la naturaleza del com-puesto del aceite base.
Las grasas espesadas con jabón frecuentemen-te dificultan su inhibición porque los metales ac-túan como catalizadores de la oxidación. Los espesantes a base de arcilla también son difíciles de inhibir pero por diferentes razones. Los espesantes de bentonita tienen afinidad por cier-tos aditivos, tales como aminas aromáticas, y tien-den a absorber esos aditivos en la superficie de las plaquetas. Por tanto se consumen los aditi-vos de la fase de aceite y se reduce la resisten-cia a la oxidación.
La naturaleza de los constituyentes de los acei-tes nafténicos o parafínicos pueden afectar la res-puesta del inhibidor. Los aceites nafténicos de bajo índice de viscosidad son naturalmente me-nos resistentes a la oxidación, posiblemente a causa de su polaridad y el contenido aromático. Las grasas que contienen aceites parafínicos de altos índices de viscosidad son innatamente más estables y más rápidamente inhibidas (Alvania, Retinax).
Inhibidores de Herrumbre
La corrosión de los componentes de los cojine-tes de hierro y acero causada por la presencia de oxígeno atmosférico y de agua pueden cau-sar serios daños. La protección de las superfi-cies de metales contra la herrumbre es espe-cialmente importante en las aplicaciones de las
de se espera que las grasas lubricantes en fun-cionamiento absorban mucha más agua sin dis-minuir su desempeño.
Función: los espesantes y modificadores de es-tructura frecuentemente generan propiedades na-turales de resistencia a la herrumbre pero si las condiciones lo exigen se podrían requerir inhibido-res suplementarios. Usualmente estos son compuestos de alta polaridad solubles en aceite que funcionan por adsorción en superficie de metal para formar una delgada película protecto-ra que excluye aire y agua.
Extrema Presión
Agentes antidesgaste
Las grasas se formulan con agentes de extrema presión (EP) para prevenir desgaste en condicio-nes de altas temperaturas, cargas pesadas o periodos de operación muy extensos. Los quími-cos que sirven como agentes de extrema presión generalmente contienen azufre, cloro, fósforo, me-tales o combinaciones de estos elementos. Función: los agentes de extrema presión funcio-nan bajo condiciones de lubricación límite, en las que, las superficies metálicas están en contacto íntimo. Cuando las
superficies se mueven unas contra otras, la coli-sión de las asperezas de la superficie produce elevaciones localizadas de temperatura que
acti-forma de película delgada sobre la superficie me-tálica. Las películas de sulfuro, cloro y fósforo cor-tan más fácilmente que el metal mismo; por cor-tanto se genera menos calor por fricción y se reduce el peligro de soldadura severa.
Llenadores sólidos
Los llenadores que frecuentemente se denominan “aditivos físicos” o “lubricantes secos” son mate-riales sólidos orgánicos o polímeros que tienen como fin dar a las grasas protección EP y durabi-lidad. Algunos ejemplos incluyen:
- Bisulfuro de molibdeno. - Grafito.
- Oxido de zinc.
Estos materiales son muy útiles en especial para evitar que los cojinetes con carga pesada rocen y se agarroten.
Distinto a los agentes EP orgánicos convenciona-les, los llenadores sólidos no producen su efecto reaccionando químicamente con superficies me-tálicas.
Bajo condiciones límites, los sólidos suspendidos se sedimentan físicamente en la superficie metá-lica y producen películas de baja fuerza cortante. Por ejemplo en el caso del bisulfuro de molibdeno, los átomos de azufre se adhieren fuertemente a
las adyacentes. Cuando comienza el corte los enlaces débiles azufre-azufre se parten y las mo-léculas se resbalan fácilmente una sobre otra. Después de que la película de lubricante hidrodi-námica se ha roto queda una película sólida en el área de contacto que no permite que ocurra calor por fricción. Los llenadores sólidos y agen-tes orgánicos EP producen el mismo efecto final por medios físicos y químicos respectivamente.
Propiedades de flujo
Al aplicar presión a un líquido normal, tal como un aceite lubricante, empezará a fluir aún con una pre-sión muy baja. A cualquier temperatura, la tasa de flujo (o tasa de corte) es proporcional a la pre-sión aplicada (esfuerzo cortante), en un amplio rango de condiciones. La viscosidad del líquido (la relación entre el esfuerzo cortante y la tasa de corte) permanece siempre constante.
Las grasas, por lo contrario, dada su estructura semisólida, se comportan en forma diferente. Cuan-do se aplica presión a una grasa, ésta no comien-za a fluir hasta que se alcancomien-za una presión crítica, que se conoce como límite elástico aparente. A medida que se aplica más presión, la tasa de flujo aumenta aún más y la viscosidad de la grasa dis-minuye. La viscosidad observada de una grasa es llamada viscosidad aparente y varía con la tempe-ratura y la tasa de flujo.
La viscosidad aparente de una grasa está princi-palmente determinada por la viscosidad del acei-te base. Al conocerse su grado de viscosidad a una temperatura y a una tasa de flujo específicas, se puede dar una buena idea de las propiedades de desempeño de la grasa y puede ser útil para predecir la tendencia de la grasa, a escaparse de las pistas de los rodamientos.
La viscosidad aparente se mide forzando mues-tras de grasas a través de tubos capilares con caudales conocidos. Con la dimensión de los
ca-viscosidad aparente.
Cuando una grasa es forzada por entre un tubo, un cilindro de grasa en el centro del tubo avanza como un tapón.
Caudal (Tasa cortante)
El caudal aumenta desproporcionadamente a la presión aplicada.
Presión (Esfuerzo cortante)
Viscosidad aparente
La viscosidad del flujo no depende del caudal
Caudal
La viscosidad aparente de la grasa disminuye al aumentar el caudal.
Siempre y cuando el caudal no sea muy rápido, un líquido normal fluye suavemente por un tubo. El líquido adyacente a las paredes del tubo es inmóvil, mientras que el del centro fluye más rápido.
Caudal (Tasa cortante) El caudal es proporcional a la presión aplicada
Presión (Esfuerzo cortante)
Viscosidad
La viscosidad del flujo no depende del caudal
Caudal
CONSISTENCIA
La consistencia de una grasa es una medida de su suavidad o dureza. Esta varía con la temperatu-ra, dependiendo principalmente de la cantidad y clase de espesante utilizado. También influye la clase del aceite base y las condiciones bajo las cuales trabaja la grasa.
La consistencia de la grasa a base de jabón, de-pende de los siguientes parámetros relacionados con el espesante.
- Cantidad de jabón.
- Grado de separación. - Cantidad de no saturación.
- Presencia de grupos polares en la cadena de ácidos grasos.
Inclusión de modificadores especiales de e s -tructura.
- Tamaño de partícula.
El aumentar la cantidad de jabón produce casi siempre el respectivo incremento de consisten-cia o la dureza. Los ácidos grasos con cadenas de longitud de 18 carbones, son usualmente las más utilizadas. Longitudes de cadena más larga causarían ablandamiento por su alta solubilidad en aceite, mientras que cadenas más cortas tam-bién originarían ablandamiento, debido al mal con-tacto por la limitada solubilidad en aceite. La presencia de cadenas ramificadas reduce la consistencia, porque producen una estructura cristalina no uniforme. Las moléculas no satura-das de ácido graso no se usan como espesantes de las grasas ya que su relativa solubilidad en aceite reduce tanto su consistencia como su punto de goteo.
Números de consistencia NLGI
Número NLGI Penetración Trabajada a 25°C (dé-cimas de milímetro).
La consistencia, lo mismo que otras propiedades
micos llamados modificadores de estructura. La naturaleza polar de estos materiales ayudan a la dispersión de las moléculas del espesante. El tamaño de la partícula también es un parámetro importante que afecta la consistencia de las gra-sas a base de jabón.
Si el tamaño de la partícula se hace pequeño es decir si la proporción de la superficie de área con-tra volumen disminuye los valores de penecon-tración tienden a aumentar.
Los tamaños óptimos de partícula se pueden ob-tener regulando cuidadosamente la temperatura du-rante el proceso.
Las grasas varían desde semi-líquidos muy sua-ves con una consistencia de crema espesa, has-ta sólidos duros parecidos a la cera. Se clasifican habitualmente según el sistema NLGI desarrolla-do por el American National Lubricative Grease Institute (Instituto Americano de Grasas Lubri- can-tes).
Este sistema describe nueve grados desde 000, el más suave, pasando por 00, 0, 1, 2, 3, 4, y 5, hasta 6, el más duro. Los grados más utilizados son los 1, 2, y 3; los grados 1 y 2 suelen utilizarse para la lubricación de puntos de apoyo rodantes, mientras el grado 3 puede ser requerido para pun-tos de apoyo operando a temperaturas más altas.
Se mide la consistencia utilizando un cono de un tamaño y un peso específico llamado penetró-metro. Se coloca el cono con la punta apenas to-cando la superficie de la muestra de grasa. Luego se suelta el cono dejándolo hundir bajo su propio peso durante 5 segundos.
sa. A mayor penetración del cono, más blanda es la grasa y su grado es bajo en el sistema.
ESTABILIDAD MECANICA
El trabajo mecánico, tal como el de una caja de velocidades, puede descomponer la estructura de una grasa y cambiar su consistencia. La mayoría de las grasas tienden a ablandarse ligeramente durante un trabajo pesado y luego recuperan poco a poco su consistencia original cuando el trabajo ha terminado. La capacidad de una grasa para re-sistir a cambios en su consistencia durante el tra-bajo, manteniendo la lubricación se llama dad mecánica. Una grasa debe tener una estabili-dad mecánica adecuada, para mantener una lubri-cación eficiente particularmente cuando existen vi-braciones. Grasas inestables las cuales sé suavisan excesivamente, podrían eventualmente es-caparse de los cojinetes.
Ya que la mayor parte de las grasas demuestran un cambio de consistencia al hacerlas trabajar, las penetraciones suelen ser medidas antes y des-pués del trabajo de la grasa en lo que se llama un trabajador de grasa de 60 golpes dobles. La estabilidad mecánica sé evalúa midiendo la con-sistencia de la grasa antes y después de trabajarla durante un período prolongado. Dos métodos co-rrientes de trabajo se utilizan; el primero hace tra-bajar la grasa varios miles de golpes en un trabaja-dor de grasa; el segundo muele una muestra de
(Décimas de milímetro) (Décimas de milímetro) 000 000 00 00 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 445 - 475 445 - 475 400 - 430 400 - 430 355 - 385 355 - 385 310 - 340 310 - 340 265 - 295 265 - 295 220 - 250 220 - 250 175 - 205 175 - 205 130 - 160 130 - 160 85 - 115 85 - 115 Grasa Grasa Penetrómetro
grasa en un tambor de metal durante dos horas con un rodillo pesado.
Varios fabricantes de puntos de apoyo también han encontrado sus propios métodos para probar la tabilidad mecánica de una grasa. Típicamente es-tos involucran operar un punto de apoyo lubricado con una grasa durante un tiempo específico y lue-go evaluar la condición de la grasa y los compo-nentes del punto de apoyo.
Punto de goteo
Al calentar una grasa a base de jabón, se suaviza gradualmente hasta una temperatura crítica, a la cual se descompone su estructura y la grasa se derrite. La temperatura a la cual se produce esta licuación se llama punto de goteo. Si se deja en-friar después de llegar a este punto, es posible que no recupere su consistencia original. El punto de goteo da, entonces, una indicación de la tem-peratura a la cual puede ser utilizada una grasa,
Una grasa no debe ser trabajada a la temperatu-ra de su punto de goteo, sino, por debajo de éste, entre 200 y 400 C. dependiendo del tipo de jabón. Cuando una grasa se enfría, se endurece gradual-mente, hasta que llega a un punto en que ya está demasiado dura para actuar como un lubricante efectivo. La temperatura más baja de trabajo de una grasa, está determinada principalmente por el aceite base.
Punto de goteo. Trabajador de grasas.
rrada a la punta de un termómetro. Se anota la temperatura en el momento en que cae la primera gota de grasa de un agujero en el fondo de la tasa. En instrumentos más modernos, se mide la tem-peratura y la formación de la gota de aceite electrónicamente.
SEPARACION DE ACEITE
Bajo ciertas circunstancias el aceite base en una grasa puede separarse del espesante. Algún gra-do de separación es esencial, de otra manera la grasa no podría proveer una lubricación adecua-da. La formación de pequeñas cantidades de acei-te, en la superficie de la grasa, en recipientes al-macenados, es por lo tanto normal y no debe causar preocupación. Este aceite debe ser mez-clado con la grasa antes de ser utilizada.
La separación excesiva del aceite, en sistemas de lubricación por grasa, puede causar problemas. Por ejemplo, cuando la grasa es bombeada a presión a través de un tubo, el aceite base puede separar-se de su espesante, como si estuviera siendo fil-trado. En este caso, el aceite puede escaparse de los rodamientos que debe lubricar, mientras que el jabón se queda bloqueando el tubo.
Por esta razón, las grasas que deben ser bombea-das a través de tubos muy largos, deben ser fabri-cadas para que esto no suceda.
La separación de aceite puede también ocurrir cuando se mezclan dos grasas.
El aceite base y los espesantes en cada grasa individual, son escogidos cuidadosamente para ser compatibles y proveer las propiedades reque-ridas. El aceite base de una grasa puede ser in-compatible con el espesante de otra, de tal ma-nera que cuando las grasas se mezclan, la es-tructura de una o de ambas se rompe. Esto resul-tará en una pérdida de la eficiencia lubricante y puede resultar en una falla total. Por lo tanto dos grasas diferentes, normalmente, no deben mezclar-se en el mismo sistema. La compatibilidad de la grasa con los empaques y otros componentes del sistema de lubricación es también importante y depende de las propiedades del aceite base.
Propiedades
Propiedades SodioSodio Calcio (Calcio (ConvencConvenc)) Calcio (Calcio (AnhidroAnhidro)) LitioLitio
Punto de goteo (°C) Punto de goteo (°C) Temperatura Temperatura máxima de goteo máxima de goteo Resistencia al agua Resistencia al agua11 Estabilidad mecánica Estabilidad mecánica Estabilidad a la Estabilidad a la oxidación oxidación Protección contra Protección contra herrumbre herrumbre Bombeabilidad Bombeabilidad (en sistemas (en sistemas centralizados) centralizados) Separación de aceite Separación de aceite Apariencia Apariencia Otras propiedades Otras propiedades Volumen de Volumen de producción y tendencia producción y tendencia 163 - 177 163 - 177 121 121 P - R P - R R R P - B P - B B - E B - E P - R P - R R - B R - B Suave a Suave a fibrosa fibrosa Adhesiva, Adhesiva, cohesiva cohesiva En declive En declive 96 - 104 96 - 104 93 93 B - E B - E R - B R - B P - E P - E P - E P - E B - E B - E P - B P - B Suave Suave mantequillosa mantequillosa En declive En declive Disponibilidad Disponibilidad EP EP 135 - 143 135 - 143 110 110 E E B - E B - E R - E R - E P - E P - E R - E R - E B B Suave Suave mantequillosa mantequillosa Sin cambio Sin cambio Disponibilidad Disponibilidad EP EP 177 - 204 177 - 204 135 135 B B B - E B - E R - E R - E P - E P - E R - E R - E B - E B - E Suave Suave mantequillosa mantequillosa Líder Líder Disponibilidad Disponibilidad EP, reversible EP, reversible Complejo de Calcio
Complejo de Calcio Complejo de LitioComplejo de Litio PoliúreaPoliúrea Organo-arcillaOrgano-arcilla
R - E R - E R -B R -B P - B P - B R - E R - E P - R P - R B - E B - E EP, antidesgaste EP, antidesgaste inherente inherente En declive En declive B - E B - E R - E R - E R - E R - E B - E B - E B - E B - E Suave Suave mantequillosa mantequillosa Disponibilidad Disponibilidad EP EP 243 243 177 177 B - E B - E R -B R -B B - E B - E R - E R - E B - E B - E B - E B - E Suave Suave mantequillosa mantequillosa Estable Estable Disponibilidad Disponibilidad EP EP 260 260 177 177 R -E R -E R -B R -B B B P - E P - E B B B - E B - E Suave Suave mantequillosa mantequillosa Complejo de Aluminio Complejo de Aluminio 260 + 260 + 177 177 B - E B - E R - E R - E B - E B - E R - B R - B B - E B - E En aumento En aumento B - E B - E Disponibilidad Disponibilidad EP, reversible EP, reversible Suave Suave mantequillosa mantequillosa 260 + 260 + 177 177 Suave Suave mantequillosa mantequillosa B - E B - E 260 + 260 + 177 177 En aumento
En aumento En decliveEn declive
1
1 P= pobre; R= regular; B= bueno; E= excelente
1P=Pobre; R=Regular; B=Bueno; E=Excelente
DE LA GRASA
La escogencia de un lubricante para aplicaciones especificas es un asunto que debe resolverse ar-monizando las características ya sea de los acei-tes o las grasas, con las exigencias de servicio, (tabla página siguiente) y sopesando las relativas ventajas de cada una. En general la lubricación de grasa es la mejor opción para:
- Equipos que trabajan intermitentemente o que se guardan por largos períodos de tiem-po.
- Condiciones extremas de funcionamiento(al-tas temperaturas, alfuncionamiento(al-tas presiones, cargas de choque, bajas velocidades)
pacios muertos agrandados). Las grasas se utilizan para:
- Prevenir el desgaste.
- Reducir la frecuencia de la relubricación. - Actuar como sellante.
- Proveer protección contra la corrosión y la herrumbre.
- Inhibir la oxidación.
- Suspender (actúa como un reservorio de adi tivos sólidos)
- Minimizar escapes, goteos y salpicaduras. Por su consistencia, las grasas se mantienen más fácilmente en los alojamientos de los cojinetes y se facilita un diseño de sello más sencillo. Cuando los sellos se gastan o deterioran, es más probable que la grasa permanezca en su sitio, mientras que el aceite escapa fácilmente. Esta es una ventaja especial cuando se debe evitar la contaminación del lubricante, como en el caso de los equipos procesadores de alimentos.
La grasa se comporta como un sellante natural al prevenir la pérdida del lubricante o la entrada de materiales extraños. La grasa se usa frecuente-mente para lubricar transmisiones y cadenas des-cubiertas ya que forma una barrera entre los con-taminantes y los componentes.
Las grasas se usan muy a menudo para compo-nentes que están aislados o son relativamente in-accesibles. En estas aplicaciones no sería prácti-co suministrar un prácti-colector de aceite o relubricar los componentes con frecuencia.
La grasa necesita menor frecuencia de aplicación ya que su alta consistencia resiste los arrastres. Como la grasa posee gran resistencia al movimien-to, las funciones de alto y bajo torque, indican la escogencia de aceites u otros lubricantes fluidos. La lubricación apropiada de los rodamientos nece-sita menores cantidades de grasa, que de aceite.
neja más fácilmente cuando se drenan o se relle-nan los depósitos de los cojinetes y las cajas de transmisión cerradas.
El aceite también actúa como refrigerante. La gra-sa por su consistencia semifluida no está equipa-da para disipar el calor y no debe ser lubricante, en aplicaciones que involucren altas velocidades y excesiva fricción.
Las grasas se pueden formular para cubrir una am-plia escala de requisitos de aplicación,
Aunque el mercado de grasas se divide entre los segmentos automotor e industrial, no siempre se hace énfasis en la distinción entre las característi-cas y la calidad que cada uno requiere.
Muchas aplicaciones industriales, pueden servir-se con las grasas de alta calidad para cojinetes de automotores. En realidad, las especificaciones para automotores funcionan frecuentemente como guías para la selección de grasas industriales. Cierta-mente, algunos ambientes industriales requieren perfiles especiales de desempeño, tales como, resistencia al agua y alta estabilidad térmica para ser utilizadas en los laminadores de acero. Los fabricantes de puntos de apoyo utilizan varios factores en los cálculos para determinar las gra-sas adecuadas para los rodamientos.
El factor de la velocidad del punto de apoyo (ndm) es igual a la velocidad rotatoria en revoluciones por minuto (n) multiplicacda por el diámetro del círculo primitivo (pitch cicle) del punto de apoyo en milí-metros (dm).
El diámetro del círculo primitivo se toma como el promedio del diámetro interior (d) y del diámetro exterior (D) del punto de apoyo:
ndm = n x (d+D)
2
Los factores de velocidad máxima de los puntos de apoyo se han determinado para varios tipos de pun-tos de apoyo lubricados con grasa y aceite.
Requisitos de formulación y aplicaciones.
Servicio
Servicio RequisitosRequisitos
•
•Alta TemperaturaAlta Temperatura ••EspesanteEspesante de alta temperatura de alta temperatura Aceite de alta viscosidad Aceite de alta viscosidad Aceite de alto punto de chispa Aceite de alto punto de chispa Grado más alto de NLGI Grado más alto de NLGI Resistencia a la oxidación Resistencia a la oxidación •
•Baja TemperaturaBaja Temperatura ••Bajo porcentaje deBajo porcentaje de espesante espesante Grado más bajo de NLGI Grado más bajo de NLGI Aceite de baja viscosidad Aceite de baja viscosidad Aceite de bajo punto de fluidez Aceite de bajo punto de fluidez Resistencia a la oxidación Resistencia a la oxidación •
•Amplio Rango deAmplio Rango de Temperatura de Temperatura de Operación Operación
•
•EspesanteEspesante de alta temperatura de alta temperatura Buen
Buen torque torque a baja temperatura a baja temperatura Buena capacidad de bombeo Buena capacidad de bombeo Baja evaporación Baja evaporación Resistencia a la oxidación Resistencia a la oxidación Resistencia a la corrosión Resistencia a la corrosión •
•Bajo arrastre de aguaBajo arrastre de agua Baja atomización Baja atomización Consistencia firme Consistencia firme Resistencia a la herrumbre Resistencia a la herrumbre •
•Exposición al AguaExposición al Agua
•
•Extrema PresiónExtrema Presión ••Vapores bajos de prueba de Vapores bajos de prueba de desgaste
desgaste
Valores altos de prueba EP Valores altos de prueba EP Aditivos sólidos, si son requeridos Aditivos sólidos, si son requeridos Aceite de alta viscosidad (preferido) Aceite de alta viscosidad (preferido)
•
•Usual antidesgaste EPUsual antidesgaste EP Resistencia a la oxidación Resistencia a la oxidación Resistencia a la corrosión Resistencia a la corrosión Aceptable capacidad de bombeo Aceptable capacidad de bombeo Resistencia al agua
Resistencia al agua •
•MultiusosMultiusos
•
•Bajo arrastre de agua Baja atomización Bajo atomización de agua Consistencia firme Consistencia firme Resistencia a la herrumbre Resistencia a la herrumbre
