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1 2 LUBRICACIÓN DE EQUIPOS Y PROCESOS EN LA INDUSTRIA METALURGICA JUAN ANTONIO MARTOS 3 Copyright © 2020 Juan Antonio Martos Cabeza Todos los derechos reservados ISBN 9798615273216 4 Agradecimientos: A Fali, correctora, organizadora, editora de este libro y compañera en la vida. Sin su apoyo y constancia, este desorganizado y anárquico comercial de lubricantes nunca habría publicado este trabajo. A Luís Brugarolas Fábregas, Don Luís, personaje imprescindible en la historia de la compañía. Sus decisiones vitales y empresariales han hecho posible mi carrera profesional. Mi agradecimiento a todas y todos mis colegas de BRUGAROLAS, con los que comparto empresa y profesión. Juan Antonio Martos 5 INDICE 1. Introducción 2. Un poco de historia para lubricar el relato 3. El petróleo, su refino 4. Tribología: la ciencia imprescindible 5. Lubricante. ¿Qué es y para qué sirve? 6. Aceites lubricantes: los fluidos 7. Bases lubricantes minerales y sintéticas 8. Compatibilidad de los lubricantes con cauchos y termoplásticos 9. Lubricación de maquinaria, equipos y mecanismos industriales 10. Control analítico de lubricantes en el mantenimiento industrial 11. Grasas lubricantes: los semisólidos 12. Grasas en la industria de transformación metalúrgica 13. Lubricación y refrigeración de operaciones de transformación metalúrgica 14. Procesos de deformación metálica 15. Mecanizado y rectificado de metales, fluidos de proceso 16. Fluidos anticorrosivos para piezas y componentes metálicos 17. Excelencia productiva en Metalworking 6 1. INTRODUCCIÓN Esta publicación, dedicada al mundo de la lubricación de equipos y procesos en la industria metalúrgica, pretende servir fundamentalmente como una introducción en ese terreno para aquellos profesionales que, en su día a día laboral, se ven relacionados con el mantenimiento de la maquinaria, los equipos de fabricación o los procesos productivos de conjuntos, piezas y componentes metal-mecánicos. Este es un trabajo divulgativo que no puede, ni pretende, competir con las numerosas y exhaustivas monografías y rigurosos estudios técnicos que, elaborados por cualificados profesionales del mundo de la tribología y la lubricación, han establecido en el tiempo toda una ciencia cierta alrededor de esta materia. Existen miles de informes, estudios, ensayos trazados y artículos específicos elaborados por cualificados científicos y técnicos de la industria química y metalúrgica, profesionales de los sectores derivados del petróleo, así como experimentados ingenieros de la transformación metálica y los procesos de producción de componentes, cuyos trabajos superan ampliamente y en mayor profundidad muchos de los aspectos recogidos en este básico manual formativo e informativo. La humilde intención de quien acomete este trabajo es comunicar de forma sencilla, con un lenguaje cercano, directo, y a través de conceptos básicos y asequibles, los conocimientos necesarios para iniciarse en él, indudablemente resbaladizo, mundo de la lubricación industrial. En este caso en un trabajo centrado específicamente en los equipos industriales, los componentes metal- mecánicos y, sobre todo, en los diferentes procesos de transformación y producción metalúrgica. Son muchos los perfiles y posiciones dentro de la empresa industrial los concernidos en mayor o menor medida por la temática desarrollada en este libro. Si bien es inapelable que los jefes, responsables y operativos de los departamentos de mantenimiento ejercen una labor directamente relacionada en este ámbito, no es menos cierto que operarios y especialistas, supervisores y encargados de línea o sección, directores de producción, jefes de operaciones y especialmente, responsables de ingeniería de procesos deberían tener un cierto nivel de conocimientos y formación en este ámbito industrial. No se puede mantener, operar, supervisar, dirigir, encabezar y mucho menos diseñar, 7 procesos productivos de la índole que sea sin tener unos mínimos conocimientos de tribología y lubricación. Por eso trataremos de la teoría y también de la práctica de la lubricación industrial, pero lo vamos a hacer teniendo siempre en el horizonte que esos conocimientos, informaciones y consejos tienen una misión: su aplicación nos debe hacer avanzar en la búsqueda de la excelencia operativa en la transformación metalúrgica. El objetivo es producir más y mejor. “La lubricación deficiente es una de las principales causas de averías mecánicas en plantas industriales” Esta declaración tiene una base absolutamente lógica fuera de toda duda, y en este trabajo conoceréis los principios que sustentan tal afirmación: la maquinaria está compuesta por elementos en movimiento, el contacto y movimiento relativo entre superficies metálicas crea fricción, la fricción aumenta la temperatura y ocasiona desgaste y el desgaste provoca rotura y, consecuentemente, averías. Nuestro objetivo es controlar esa secuencia de efectos, minimizar, e incluso eliminar sus negativas consecuencias y para ello hemos de emplear todas las herramientas que la técnica y el conocimiento ponen a nuestro alcance; conozcamos y controlemos todas las variables y apliquemos la lógica. Es una cuestión muy sencilla, como veréis a lo largo de estas páginas, solo tenemos que activar los conocimientos, y trabajarlos con método, eficacia y sentido común. El resto vendrá rodado. Cualquier manual técnico suele ser inevitablemente un aburrido tostón y en consecuencia su lectura muchas veces se convierte en una labor harto fatigosa. Con el propósito de facilitar al lector conocimientos básicos que pueden ser muy útiles para su formación y desempeño laboral, de la forma más didáctica y agradable posible, os invito a continuar la lectura de este volumen y a adentraros en unos conocimientos de los que seguro que habéis oído hablar mucho y nunca o casi nunca os atrevisteis a preguntar. Os garantizo que cuando acabéis su lectura, sabréis mucho más que cuando la comenzasteis. 8 2. UN POCO DE HISTORIA PARA LUBRICAR EL RELATO Las principales bases lubricantes se obtienen desde su origen del proceso de refino del petróleo, y para situarnos (por alguna parte tenemos que empezar), vamos a conocer un poco cuál es la historia del famoso “oro negro”; esa piedra angular del desarrollo de la civilización, a la vez que causante de las mayores calamidades de la historia moderna de la humanidad. La palabra “petróleo “proviene del latín “petra” y “óleum”, que en castellano significan piedra de aceite. El petróleo ha estado siempre ahí, en el seno de la tierra. A veces a flor de piel de ésta, en ocasiones en profundas simas geológicas, bajo las montañas y valles, a veces en los desiertos, otras, bajo el fondo de mares y océanos. Existen diversas teorías sobre su origen y formación, aunque la más asequible, científicamente hablando, sería la teoría orgánica, aquella que sostiene que el petróleo se originó, a lo largo de millones de años, por la descomposición de los restos de animales y algas microscópicas acumuladas en el fondo de las lagunas y en el curso inferior de los ríos. Estos restos se fueron mezclando y cubriendo con capas cada vez más gruesas de sedimento como lodos y fragmentos de tierra y rocas, formando depósitos sedimentarios. A partir de ahí el petróleo se ha ido acumulando en bolsas a causa del efecto de las fuerzas tectónicas en las placas de la corteza terrestre. Según los relatos históricos, los más antiguos pueblos de Mesopotamia, Egipto, Persia y Judea dominaron el uso del petróleo que, 4000 años A.C. ya era conocido por aflorar en la región de Oriente Medio. Así los asirios lo usaron como pintura y decoración de sus obras artísticas y arquitectónicas, los hebreos paraencender hogueras o impermeabilizar construcciones y embarcaciones, sus sacerdotes para embalsamar cadáveres y sus guerreros para incendiar lanzas de guerra. También los aztecas construían sus templos empleando asfalto, y los antiguos egipcios elaboraban con él ungüentos e inciensos que empleaban para las ceremonias fúnebres o para iluminar las pirámides con antorchas impregnadas de aquel barro negro que surtía del fondo de la tierra. Pero serían los antiguos chinos los primeros en descubrir explorar y utilizar de una forma incipientemente técnica los recursos petrolíferos; así durante el 9 imperio de la Dinastía Tang (618-907 D.C.) ya el literato Duan Chengshi, describe en detalle el petróleo: "En el río Weishui, del distrito de Gaonu, hay un líquido grasiento que sirve para facilitar el deslizamiento de las máquinas, lubrica las ruedas de los carruajes, y si se le prende fuego puede iluminar." Fijaros, queridos lectores, que hace 1.400 años ya aparecen documentadas las aplicaciones lubricantes derivadas del uso del petróleo. Pero para nuestros fines didácticos lo más conveniente es asomarnos a los hechos acaecidos a mediados del siglo XIX en Estados Unidos, concretamente en el noroeste del estado de Pennsylvania. En ese punto geográfico se sitúa el comienzo de la historia del petróleo de nuestra era moderna. En esa zona el petróleo brotaba de la tierra de una forma natural a través de filtraciones del terreno. En 1850 un perspicaz empresario de Pittsburg comenzó a comercializar, como medicina o ungüento, el producto extraído de debajo de la superficie de la tierra; Samuel Kier denominaría a su negro y pegajoso fluido terapéutico como “petroleum” palabra del latín que quiere decir aceite de piedra y que como hemos dicho anteriormente quedará para siempre como nombre del denso y polivalente líquido. Así, el 27 de agosto de 1859 en Oil Creek (Condado de Crawford) Pennsylvania, Edwin L. Drake, un aventurado perforador de petróleo, conseguiría extraer el deseado fluido cuando, tras múltiples dificultades técnicas y financieras, el pozo que tanto le había costado poner en funcionamiento, alcanzó la profundidad de 69 pies (21 metros), e hizo que este brotara de forma espontánea. Pocas semanas después la producción alcanzaría los treinta barriles diarios. Edwin L. Drake fue envasando el petróleo obtenido en barriles de madera de 42 galones de capacidad, y esa medida quedaría establecida para siempre como unidad de petróleo extraído y base de su cotización. Un barril de 42 galones equivale a unos 159 litros. Ese hecho desató la conocida como “fiebre del petróleo de Pennsylvania”. Un periodo de enfervorecida actividad perforadora y extractiva que duraría hasta primeros de 1870, una década después. Durante ese intervalo se explotaron pozos que llegarían a producir más de 30.000 barriles diarios. 10 Después de haber creado siete años atrás una refinería de petróleo, John Davison Rockefeller funda en Cleveland, Ohio, la Standard Oil Company en 1870. La compañía se convertiría en pocos años, mediante una agresiva política de compras, fusiones y no poca intimidación, en un auténtico imperio del petróleo cuya actividad alcanzaría en su momento el 90% del mercado de Estados Unidos, en ese momento la principal y única potencia petrolífera del mundo. Tras la primera implosión en el estado de Pennsylvania, se hallaron opulentas reservas en Indiana y Ohio, y en los inicios del siglo XX, en Texas y Oklahoma. Rockefeller continuaría su frenética actividad productora, pero la cantidad y calidad del crudo obtenido en los nuevos yacimientos activarían la aparición de nuevas compañías que disfrutarían de una larga existencia. Fue el caso de la GULF, la SUN o la TEXACO, aún hoy activas bajo esos nombres u otros en la industria petrolera mundial. La propia Standard Oil, obligada por el Congreso de EE.UU. a la disolución en 1911 por sus prácticas monopólicas, (Sherman Anti- Trust Act.) subsistiría en ramas que darían lugar a MOBIL o EXXON, las corporaciones gigantes que todavía hoy dominan el mundo del petróleo y una de ellas, MOBIL, especialmente el del lubricante. En 1876, en la ciudad de Deutz, cerca de Colonia, Alemania, el investigador y empresario Nicolaus August Otto desarrolla y fabrica el primer motor de explosión. El motor Otto se haría famoso en todo el mundo como máquina para 11 el accionamiento de vehículos, trenes, barcos y aviones y ese motor necesitaría combustible y lubricante, ambos derivados del petróleo. En el año 1903, el ingeniero y empresario estadounidense Henry Ford, funda la Ford Motor Company. En el momento de su fundación, la compañía sólo disponía de unas cuantas patentes y de un prototipo construido con ayuda de C. Harold Wills. Posiblemente sería este último personaje el verdadero precursor de la tecnología que hizo posible la transformación industrial más relevante del siglo XX. A Wills se le atribuye el diseño de la primera transmisión planetaria y la cabeza del cilindro desmontable, previamente había trabajado en el desarrollo de nuevas y más ligeras y fuertes aleaciones de acero. Este ingeniero, que había comenzado su aprendizaje en la Detroit Lubricator Company como fabricante de herramientas mientras tomaba cursos nocturnos de metalurgia, química e ingeniería mecánica, fue el constructor original del primer molino destinado a la producción en cantidad industrial del acero que sería utilizado en la fabricación del mítico Ford T. En el desarrollo de su industrialización intervendrían multitud de técnicas de transformación metalúrgica que serán motivo de estudio más adelante en esta publicación que ya está arrancando su relato; la estampación y el mecanizado de piezas de acero y, consecuentemente, la producción y montaje en serie de componentes del automóvil. 12 Por el momento, querido lector (espero que todavía no sufrido...) tenemos las referencias históricas justas para continuar con nuestro relato sobre el mundo de la lubricación industrial. Hemos llegado al momento de realizar un trayecto leve y resumido, pero no menos formativo, sobre el petróleo, su composición, refino y productos derivados de éste. Dicho de otra forma; vamos a chapotear un rato. 13 3. EL PETRÓLEO, SU REFINO El petróleo es una sustancia de color oscuro, casi negro, de un olor fuerte y más ligero que el agua. Se compone de una mezcla de compuestos químicos en los que predominan mayoritariamente los formados por el hidrógeno H y el carbono C, de ahí su denominación: hidrocarburos. Básicamente encontraremos fracciones de etileno, propano, butano, butadieno, benceno, hexano, heptano, octano, ciclohexano o pireno. El petróleo crudo, tal como se extrae de los pozos o yacimientos, no tiene ninguna utilidad, por eso es necesario separarlo en diferentes fracciones, que si tienen una aplicación práctica. Ese proceso se denomina “refino” y se realiza en unas complejas instalaciones que conocemos como “refinerías”. En ellas, el petróleo crudo se convierte en productos derivados que son de utilidad para la sociedad en general. El conjunto de operaciones que se ejecutan en las refinerías para obtener estos productos se denomina “procesos de refino”. Los procesos de refino tienen como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de derivados de una calidad, forma o naturalezas determinadas. Éstos derivados van, en función de su punto de ebullición y/o destilación, desde los gases ligeros, como son el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, como el fuel-oil o el asfalto, pasando por los derivados intermedios: la gasolina, el gasoil y las bases lubricantes. Éstas últimas, sobre las que centraremos en esta publicación, más adelante, nuestro interés, suponen aproximadamente un diez por ciento del total de la cantidad de productos derivados del refino del crudo, siendo a su vez esa cantidad dividida a la mitad entrelubricantes pesados y lubricantes ligeros. De ello resulta lo que conocemos como bases minerales que, combinadas entre sí, darán lugar a las diferentes viscosidades de aceites lubricantes. Pero antes de ello, para disponer de una información más completa, debemos conocer que los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, de forma general y en orden de ejecución, en destilación, conversión y tratamiento La destilación es la operación primordial para el refino del crudo. Su objetivo es la separación, mediante la temperatura, de los diversos componentes del petróleo 14 y esta se realiza en las instalaciones conocidas como “columnas o torres de destilación”, al entrar el crudo en la refinería se somete a este a una temperatura de unos 400 ºC y es canalizado a la torre donde comienza a circular y a evaporarse, descomponiéndose en las diferentes fracciones objetivo. De esa manera se van separando y/o decantando los diferentes productos derivados, dado que los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas y a medida que va aumentando la temperatura, se van evaporando las moléculas más grandes o de mayor peso específico. Las fracciones más ligeras del crudo, como son los gases o la nafta, ascienden hacia la parte superior de la torre y a medida que descendemos se irán conformando los productos más pesados; queroseno, gasoil ligero, gasoil pesado… hasta alcanzar el último grado, el fuelóleo atmosférico. La conversión es la transformación de los productos derivados de la destilación en otros más específicos en función de su aplicación práctica o de acuerdo con producción y demanda de éstos. Los sistemas más aplicados en el proceso de conversión son las operaciones de “cracking” y el “reformado”. Los sistemas de cracking o craqueo consisten en proceder a la ruptura molecular y se realizan fundamentalmente a través de dos técnicas: craqueo térmico, que fragmenta las moléculas a través del calor y el craqueo “catalítico”, que fragmenta las moléculas mediante la incorporación de un catalizador, que es una sustancia química que causa cambios moleculares sin que ella misma sufra alteración alguna. Las técnicas de conversión también se aplican a los derivados más ligeros a través del “reformado”. Por ejemplo, el derivado nafta puede transformarse en presencia de platino, actuando como catalizador, en componentes y aditivos de alta calidad para las gasolinas. La fase de tratamiento es una etapa imprescindible antes de poder considerar a los productos anteriores como productos finales. Antes de introducir estos en los mercados industriales y/o de consumo, deben ser sometidos a diferentes tratamientos con el objetivo de transformar o eliminar compuestos no deseados que forman parte de ellos, principalmente los derivados del azufre. Solo a través de estos últimos procesos, la industria puede obtener productos que cumplirán con las normas y especificaciones exigidas por las instituciones científicas y/o las organizaciones de certificación técnica. 15 Consecuentemente existe una gigantesca industria petroquímica que diseña y produce, a partir de los derivados del crudo; disolventes, glicerina, detergentes, fertilizantes, materias primas medicinales, nailon, pinturas, plásticos, poliésteres, explosivos e infinidad de otros productos que pasarán a formar parte del inmenso catálogo de materias primas que alimentan las industrias transformadoras y productivas de bienes industriales y productos de consumo. Así, querido lector, entraremos de lleno en el terreno que es centro principal de interés de este volumen: la tribología y los lubricantes. Vamos a adentrarnos en el colosal mundo de la lubricación. Tarea a la que partir de este momento dedicaremos nuestro estudio. 16 4. TRIBOLOGÍA: LA CIENCIA IMPRESCINDIBLE Creo sinceramente que nadie estudia conscientemente para ser tribólogo, la tribología es esa ciencia que te encuentras por el camino cuando tu desarrollo profesional circula a través de la inmensa autopista de la industria en general, la maquinaria, los componentes mecánicos, la transformación metalúrgica, o las instalaciones productivas de uno u otro bien industrial o de consumo. Ya trabajes, o quieras trabajar, en producción, mantenimiento, investigación, desarrollo, calidad o como comercial (como es mi humilde caso), la tribología tomará cuerpo, tarde o temprano ante tu carrera profesional como esa ciencia que le pone nombres, métodos y rigor científico a todas las dinámicas de comportamiento de materiales en contacto y/o movimiento. Como definición existen unas cuantas formas de decir lo mismo, pero en definitiva nos podemos quedar con la siguiente: “La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación, comprendiendo la interacción de las superficies en movimiento relativo, en sistemas naturales y artificiales.” El estudio de la Tribología se basa en tres fenómenos fundamentales: la fricción entre dos cuerpos en movimiento, el desgaste como efecto natural de este fenómeno y la lubricación como un medio para evitar el desgaste. El principal objetivo de la Tribología, es elevar la vida útil de las máquinas, mediante la disminución de la fricción y el desgaste; evitando un gasto en materiales, energía y tiempo. La tribología no es una ciencia aislada, sino una tarea conjunta y multidisciplinar en la que intervienen diversas disciplinas técnicas, tales la como ingeniería mecánica, producción, ciencia e ingeniería de materiales, química e ingeniería química, física, matemáticas, ciencias biomédicas y de ingeniería e informática. Otras variantes disciplinares más específicas serán la mecánica de sólidos, la dinámica de fluidos, la termodinámica, la transferencia de calor, la ciencia de materiales y, sobre todo, la lubricación. Con la Tribología como ciencia se estudia la fricción y sus efectos sobre los materiales, fundamentalmente el desgaste, tratando de prevenirlos con mejores diseños y prácticas de lubricación. 17 Toma en cuenta, entre otros aspectos de la maquinaria industrial, los siguientes: • El diseño • Los materiales de las superficies en contacto • El sistema de aplicación del lubricante • El medio circundante • Las condiciones de operación El correcto funcionamiento de casi cualquier sistema mecánico está condicionado por mantener niveles de fricción y desgaste adecuados en sus partes móviles. Los fenómenos de desgaste son consecuencias directas del hecho de no haber considerado suficientemente el diseño tribológico en componentes mecánicos. En términos simples, la fricción es una fuerza que resiste a que una superficie se deslice o ruede sobre otra. Por lo tanto, se puede decir que la fricción solo ocurre cuando dos superficies están en movimiento relativo. Un elemento imprescindible a manejar en este campo es el coeficiente de fricción, entendido como el valor que vincula la oposición al deslizamiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Pero antes de establecer el método para determinar el coeficiente de fricción, hemos de dar un paso anterior a este, hemos de conocer aspectos básicos sobre los fenómenos de la fricción y el desgaste, centrados en nuestro caso en las superficies metálicas. Si observáramos al microscopio dos superficies metálicas veríamos que estas, por muy pulidas y acabadas que estén aparentemente, son ásperas e irregulares, lo que conocemos como rugosidad se manifiesta en la existencia de superficies dentadas e irregulares que forman valles y micro-simas que lógicamente ofrecen una cierta resistencia al deslizamiento perfecto. Si las sometemos a un deslizamiento entre ellas, para lo cual precisaremos aplicar una determinada 18 fuerza, como mínimo se producirá cierta abrasión, adhesión y/o arado de estas asperezas a medida que se produzca el movimiento. Varios factores afectan lascondiciones de fricción en la interfaz entre estas dos superficies metálicas en movimiento relativo. Estos serían: Acabado superficial: el número, la rugosidad e incluso los puntos de contacto direccional de las asperezas en las superficies pueden afectar dramáticamente el coeficiente de fricción. Temperatura: tanto la temperatura ambiente como la generada por la acción de rozamiento operacional pueden afectar la fricción. Carga operativa: la fricción varía directamente con la carga. Una carga que exceda la capacidad diseñada aumentará drásticamente el coeficiente de fricción. Velocidad relativa: aumentar la velocidad más allá de lo que se especifica con seguridad aumentará drásticamente la fricción y la temperatura en la zona operacional. Naturaleza del movimiento relativo entre las superficies: el movimiento deslizante en comparación con el movimiento de rodadura puede afectar el coeficiente de fricción. No es lo mismo un deslizamiento lineal y otro rotativo. 19 Una vez observados estos conceptos podemos definir que el coeficiente de fricción es un valor adimensional (expresado por la letra griega μ) que relaciona la fuerza necesaria para vencer la resistencia de fricción entre dos superficies. La fricción estática está estrictamente determinada por el peso de una superficie sobre otra y se refiere a la fuerza necesaria para poner ésta en movimiento. Una vez iniciado ese movimiento, la fuerza precisa para mantener este a una velocidad determinada siempre será inferior a la inicial. En ese momento ya hablaremos de fricción cinética o dinámica y generalmente, cuando tratemos de las aplicaciones de los lubricantes, siempre nos referiremos a ésta. Ello al margen de analizar en su momento la influencia de la lubricación en variables tales como el torque o el par de arranque. 20 5. LUBRICANTE: ¿QUÉ ES Y PARA QUE SIRVE? ¿Qué es un lubricante? Un lubricante es una sustancia que se interpone entre dos superficies, una de las cuales o ambas están en movimiento, con el objeto de disminuir la fricción y su principal consecuencia; el desgaste. Por tanto, el objetivo principal de un lubricante es la separación de dos superficies, con deslizamiento relativo entre sí, para que no se produzca daño entre ellas. Pueden ser varias las formas de esa sustancia lubricante: líquida, sólida, semisólida y como veremos en adelante, en muchas ocasiones, formada por compuestos de diferente naturaleza. ¿Cuáles son las funciones de un lubricante? El lubricante desempeña seis funciones principales: • LUBRICAR Es la primera función del lubricante pues, cuando interponemos una película lubricante entre dos superficies en movimiento, estamos disminuyendo la fricción entre ellas y por tanto evitando el desgaste, el recalentamiento y la pérdida de potencia. En los componentes metal- mecánicos presentes en toda maquinaria; cojinetes, rodamientos, guías, cilindros, engranajes, cadenas, se ha de mantener una constante presencia y/o aportación de lubricante mientras éstos se encuentran en movimiento. • REFRIGERAR Durante el funcionamiento normal de cualquier máquina se produce un aumento de la temperatura a causa de la fricción y ello contribuye a provocar un recalentamiento de ésta. El lubricante absorbe parte de esa temperatura y la disipa al exterior de la zona de operación aliviando el calentamiento del punto o superficie crítica de fricción. • SELLAR Acción también conocida como estanqueidad. El lubricante, en forma de aceite o grasa, contribuye a evitar la contaminación originada interna o externamente formando una barrera que impide el paso de elementos 21 nocivos y/o abrasivos que puedan dañar las piezas o conjuntos mecánicos presentes en una máquina. Por ejemplo: en un motor de combustión impide el paso de productos de combustión al cárter de este, en una máquina que trabaje en un medio ambiente contaminado (polvo, partículas, humedad...) impedirá la entrada de éstos en el interior de piezas, mecanismos o conjuntos mecánicos. • LIMPIAR A pesar de los efectos anti desgaste y anti contaminación que ha de generar un lubricante, es inevitable la formación de residuos en el interior de un mecanismo; siempre existirán micro partículas formadas por el desgaste, depósitos carbonosos y lodos producidos por el funcionamiento de la máquina. Para evitar que esa formación de elementos dañinos pueda afectar negativamente al equipo, por medio de la acumulación de estos pueda provocar la obstrucción o sedimentación en parte críticas del equipo (circuitos, guías, válvulas...) los aceites lubricantes deben estar formulados con agentes dispersantes o detergentes que actúan sobre esas partículas cuando se encuentran en estado microscópico evitando que éstas se aglomeren, manteniéndolas finalmente dispersas en el mismo cuerpo del aceite. Para optimizar esta función los equipos deberán contar con un sistema de filtración del aceite, más o menos complejo, que facilite a su vez la limpieza y mantenimiento del aceite en las óptimas condiciones de uso durante el máximo de tiempo posible. Por ello, cuando en un automóvil procedemos al cambio de aceite de motor, el hecho de que este salga negro y cargado de partículas sólidas o semisólidas, es señal de que el lubricante ha cumplido su cometido en cuanto a limpieza del interior del cárter. Por tanto, también se ha de proceder a la renovación del filtro de aceite. • PROTEGER CONTRA LA CORROSIÓN Ya sea a causa de un proceso de combustión, en el caso de motores o por efecto de la humedad o agua proveniente de condensación, en el interior de conjuntos y mecanismos se forman sustancias y sinergias indeseables que tiene un efecto ácido y altamente corrosivo. El aceite lubricante debe estar formulado con el fin de neutralizar esas sustancias con el fin de evitar la corrosión y formación de herrumbre en su interior. En este punto, como en el siguiente, cuando hablemos de los tipos de aditivación de los lubricantes, explicaremos con mayor 22 concreción qué propiedades proporcionan éstos a los lubricantes presentes en el mercado automotriz e industrial. • PROTEGER CONTRA EL DESGASTE En todo funcionamiento de maquinaria o conjunto automotriz o industrial se da una mayor o menor frecuencia de aumento de presión y carga entre las superficies metálicas. Cuando hablamos de conceptos como anti-desgaste (AW) o extrema presión (EP) referidos estos conceptos al mundo de la lubricación de conjuntos o elementos, o al mundo del metalworking, veremos que los lubricantes han de cumplir una función esencial de protección ante los procesos de desgaste, por tanto, su formulación ha de contemplar la presencia de sustancias u productos componentes de éstos, que mejoran el comportamiento lubricante frente Al pernicioso efector del desgaste. Como decíamos, en los próximos capítulos podremos observar y comprender la necesidad de proporcionar determinadas propiedades a los lubricantes en función de la aplicación específica y las condiciones de trabajo de éstos. Cada máquina, elemento, componente o conjunto metal-mecánico en funcionamiento está sujeto a condicionantes específicos relacionados con su trabajo o cometido. El movimiento de un conjunto metal-mecánico deviene en rozamientos, fricciones, cargas, velocidades, temperaturas, contaminaciones y otros factores que marcan inevitablemente las propiedades que precisamos aprovechar del lubricante que emplearemos en éste. Hemos conocido hasta ahora las diferentes funciones y ventajas que necesitamos obtener de un lubricante de forma general. Ahora es el momento de conocer más a fondo que son, como se componen y que propiedades de estos lubricantes vamos a aprovechar para nuestro objetivo, que es ni más ni menos que conseguir que las máquinas puedan funcionar de una forma regular y permanente, proporcionando medios (lubricantes) y métodos (engrase) para obtener la máxima longevidad delos equipos industriales, su perfecto estado de conservación y el correcto y satisfactorio funcionamiento de éstos en la actividad productiva. En la introducción a esta publicación ya hemos señalado las tres líneas de lubricantes y aplicaciones en las que hemos querido simplificar el papel de la lubricación industrial en el mundo productivo de la trasformación metalúrgica y 23 la fabricación de componentes metal-mecánicos: Aceites (fluidos), Grasas (semisólidos) y Productos de Proceso (Deformación y Mecanizado). Estas tres líneas tienen su concreto cometido y motivación. Los aceites lubricantes o fluidos, en todas sus variables y especificaciones los emplearemos en todas aquellas aplicaciones en las que el aceite lubricante pueda estar ubicado en un cárter, caja o mecanismo estanco o depositado en el seno de un elemento que impida su marcha, fuga o desplazamiento fuera del área de trabajo. Generalmente señalaremos los diferentes tipos de cajas de engranajes (reductores, multiplicadoras, cajas de cambios, etc.) También bombas hidráulicas o de vacío, conjuntos cerrado de bielas, compresores de aire y/o todos aquellos conjuntos o mecanismos en los que el aceite actúa a través de un caudal o baño permanente que lubrica el/los componentes y partes mecánicas y que pueden disponer de un recipiente o depósito en el que se encuentra el fluido lubricante. Existen obviamente elementos abiertos que se pueden lubricar con aceite, como es el caso de muchos tipos de cadenas, guías, articulaciones, rótulas y otros puntos no contenidos en el interior de un elemento estanco, pero en esos casos siempre estaremos sujetos a fluidos especialmente adherentes o polares o a engrases generales y periódicos con una frecuencia especialmente elevada de re- engrase. Otra particularidad muy presente en el ámbito de los aceites lubricantes es la sujeción de éstos a multitud de normas técnicas previamente establecidas, a lo largo de muchos años, por numerosas entidades, instituciones y organismos de carácter científico y normativo. Existen normas y especificaciones establecidas para las categorías de aceites hidráulicos, de engranajes, de compresor, guías, variadores, cabezales de herramientas, neumática, transmisiones y otros. Por eso en este trabajo nos iremos familiarizando con conceptos y nomenclaturas tales como ISO, DIN, HLP, HV, HFDU, HM, CKC, CKD, CKT, QC, HG, CLP, CGLP, DEXRON, ATF, FC, FD, etc... Esto no ocurre, por lo menos de una forma tan evidente, en el ámbito de las grasas lubricantes y mucho menos cuando tratamos productos, tipos y aplicaciones de fluidos y pastas, puros o emulsionables, en el terreno de los productos de proceso, entendiendo estos como todos aquellos fluidos y productos 24 casi siempre imprescindibles, diseñados específicamente para aplicaciones de transformación metalúrgica que se encuentran presentes en el mercado industrial, con la función de auxiliar las necesidades de lubricación, refrigeración y protección de piezas en multitud de procesos productivos de transformación metalúrgica. En los apartados correspondientes a cada una de las “tres patas de la lubricación” veremos las particularidades de cada una de ellas, si bien en los fluidos o aceites lubricantes estaremos sujetos a muchas normas de especificación y formulación. No será así cuando tratemos de grasas o productos de proceso, donde una inmensa cantidad de posibilidades técnicas en constante evolución se crean y modifican en tiempo real con el fin de estar a la par y a la altura de los nuevos desarrollos de mecanismos y procesos productivos. Especialmente entretenida es y será la libertad de formulación y aplicación de los productos dedicados a los terrenos de la deformación plástica de metales y la mecanización y/o rectificado de éstos. 25 6. ACEITES LUBRICANTES: LOS FLUIDOS Son dos los componentes principales de un fluido lubricante: el aceite base y los aditivos. EL ACEITE BASE. Este se conforma por medio de la mezcla de dos o varios fluidos en unas proporciones determinadas con el objetivo de conseguir unas propiedades concretas para esa base como punto de partida, fundamentalmente la viscosidad. Esa mezcla supone la parte mayoritaria del que será el lubricante como producto final acabado. Como fluidos para constituir la base se emplean naturalezas minerales, siendo estos hidrocarburos derivados directamente de refino, o sintéticas, elaboradas por las industrias químicas productoras. Y entre estas naturalezas, se pueden mezclar diversos tipos, en función de las propiedades que se desee conferir al aceite base. También se pueden mezclar bases minerales con otras determinadas sintéticas (no es viable en todos los casos, como ya veremos más adelante) con el fin de obtener lo que se denominan bases semisintéticas. LOS ADITIVOS En función del trabajo específico al que va a ser destinado el lubricante y con el fin de optimizar sus propiedades, características físicas y químicas, en la formulación y producción de lubricantes se emplean los aditivos. Estos son productos y sustancias químicas que, generalmente utilizados en pequeñas cantidades y/o proporciones muy estudiadas, en relación al aceite base ya constituido, le confieren nuevas o mejoradas propiedades al lubricante final. Más adelante, en esta publicación, veremos cómo se relacionan los aditivos, o el tipo y efecto que confieren éstos, con las propiedades que deseamos que tenga un lubricante, y finalmente con la aplicación específica que daremos a éste. Un aditivo determinado empleado en la formulación original del lubricante ya se diseña, en todas las ocasiones, pensando en el equipo, conjunto o mecanismo en el que acabará actuando. El objetivo es el óptimo funcionamiento del mecanismo o conjunto, la reducción de los efectos nocivos inherentes a éste y, por 26 consiguiente, la obtención de la máxima longevidad en perfecto estado de uso de las máquinas, equipos e instalaciones. Podemos repasar, de una forma general, los diferentes tipos de aditivos y su función básica: • Antioxidantes: evitan que el aceite envejezca rápidamente • Inhibidores de corrosión: impiden que el lubricante inicie procesos de corrosión en contacto o frente a determinados metales • Anti-herrumbre: evitan la formación de óxido en hierro y aceros • Anti-desgaste (AW): limitan el desgaste de las superficies metálicas en contacto • Extrema Presión (EP): ante la existencia de elevadas presiones específicas, elevan la resistencia de la película de lubricante en contacto con los metales manteniendo una capa en condiciones límite • Lubricantes sólidos: En la mayoría de las ocasiones, éstos se pueden considerar como aditivos AW o EP, directamente orientados a proporcionar mayor resistencia de la película lubricante ante cargas y golpes, pero merece la pena señalar otras funciones específicas, la principal es la de aportar un “seguro de presencia lubricante” a las diferentes formulaciones; los lubricantes sólidos (básicamente Bisulfuro de Molibdeno, Grafito y PTFE o politetrafluoroetileno) además de mejorar el comportamiento general del lubricante, por medio de su particular capacidad de adherencia a las superficies metálicas, crean una película seca que interfiere y rellena parcialmente las crestas y micro-valles presentes en dichas superficies. Ello redunda en una mejora en los coeficientes de fricción y por otra parte asegura un plazo de lubricación límite ante los casos en que, por causa de pérdida y/o falta de reposición o re-engrase no existe apenas presencia física del fluido o grasa lubricante. • Mejoradores del Índice de Viscosidad (I.V.): Afectan positivamente el comportamiento de la viscosidad frente a los cambios de temperatura suavizando la variación de ésta 27 • Detergentes: facilitan el efecto de captación y arrastre de las partículas y lodos de suciedad alejando ésta de las superficiesy componentes, tal como ya comentamos en el capítulo anterior (funciones del lubricante) en referencia a la limpieza • Dispersantes: necesarios para mantener partículas, lodos u otros contaminantes en suspensión para que estos sean evacuados del mecanismo en el momento del cambio o filtrado del lubricante • Depresores del punto de congelación: disminuyen el punto de congelación del lubricante • Anti Stick-slip: evitan el desplazamiento a golpes o tirones sobre guías o elementos deslizantes • Antiespumantes: evitan la formación y permanencia de espumas • Multifuncionales: son paquetes de aditivos de composición determinada destinadas al cumplimiento de normas o requerimientos concretos. Por ejemplo, en la formulación de aceites hidráulicos en sus categorías HM, HV, etc. PROPIEDADES MÁS IMPORTANTES Los aceites lubricantes poseen una serie de características que son importantes para determinar sus propiedades, así como para su correcta prescripción y aplicación en determinado punto de engrase. Describiremos los más destacables: Viscosidad: Es la propiedad más importante y determinante en la elección de un aceite lubricante. Toda idea y diseño de un componente mecánico móvil que requiera lubricación cuenta desde su origen con la prescripción de una determinada viscosidad. La viscosidad puede definirse como la resistencia que ofrece un fluido a su propia fluidez. Mientras más grandes sean las moléculas de un líquido, mayor resistencia pondrán a su desplazamiento, por lo tanto, en este caso se dice que estos fluidos son más viscosos debido a que el desplazamiento que pueden presentar sus moléculas se da de una manera más lenta, en caso el contrario, cuando las 28 moléculas que lo conforman son más pequeñas tendrán menor fuerza de oposición por lo que su movimiento será más rápido. De hecho, la determinación del grado de viscosidad se efectúa a través del tiempo que un fluido, en cantidad determinada por norma, tarda en pasar por un conducto o pipeta también determinada según norma. Para la caracterización y determinación de los lubricantes se utiliza usualmente la viscosidad cinemática y se expresa en Centi-Stokes (cSt) como unidad de medida. La viscosidad de un aceite es un factor que sufre una gran variación en función de la temperatura a la que está sometido, ello es motivo de que generalmente el grado de viscosidad en Centi-Stokes se exprese acompañado del término “a 40ºC” que es la temperatura cuyo resultado de medición se liga directamente al 29 número ISO, según la norma ISO 3448 y este número ira precedido de la nomenclatura VG, viscosity grade, así por ejemplo un aceite de engranajes VG 220 nos indica una viscosidad ISO 220. La norma ISO 3448 establece definitivamente los grados de viscosidad de una forma más correcta y precisa que sistemas de medidas anteriores, como son los grados SAE, salvo en los aceites de automoción, que es para lo que fueron creados, al igual que cada vez están más en desuso otras unidades tales como Grados Engler, Saybolt y otros. Densidad: No debe confundirse la densidad con la viscosidad, descrita anteriormente. Es el peso, en kilos, por ejemplo, de un determinado volumen (un litro) de aceite. En los aceites minerales dicho valor suele oscilar entre 0,850 y 0,900 kilo/litro, menor que el del agua, cuyo valor se sitúa alrededor de 1 kilo/litro, por eso el aceite flota sobre ella. Los aceites de base sintética, dependiendo de su formulación pueden presentar una densidad entre 0,800 hasta 2,000 kilos/litro. Color: El color de un lubricante no tiene ninguna relación con las prestaciones que puede presentar ni con el mayor o menor nivel de calidad de su formulación. El color viene determinado por el aceite base, por una parte, y de otra por el color de los aditivos que contenga en su seno. El aceite de base mineral es un producto de origen natural, no está sujeto a una coloración absolutamente definida; puede oscilar entre un tono amarillento y un color ámbar más oscuro e intenso. Por otra parte, los aditivos pueden ser de color claro hasta muy oscuros y estos pueden influenciar en la coloración del lubricante. Por otra parte, existen aceites lubricantes de base y formulación sintética que pueden presentarse tan transparentes e incoloros como el agua y son, evidentemente, excepcionales fluidos lubricantes con excelentes prestaciones técnicas. Nunca debe juzgarse la calidad de un lubricante por su color. Índice de viscosidad (I.V.): ES un número adimensional que se calcula a partir de las viscosidades a 40ºC y 100ºC de temperatura de un aceite lubricante determinado. NO da una idea de la variación de la viscosidad del aceite en frío y en caliente. Un aceite parafínico mineral normal, procedente de primer refino del petróleo suele poseer un índice de viscosidad, por su propia naturaleza, de 95 a 100. De esa manera, si gracias a la específica formulación de un aceite lubricante conseguimos que este tenga un IV de 200, este tendrá un comportamiento más estable y constante frente a la temperatura. 30 Punto de congelación: Es la temperatura a la que se produce el proceso de congelación del aceite lubricante. Como en el punto de inflamación existen diversos métodos de obtención del mismo, es necesario por ello que, en el momento de comparar dos aceites, esta comparación se realice en función de la misma prueba, test o norma. Punto de inflamación: Es la temperatura a la que se produce la combustión de un fluido lubricante en presencia de aire y de llama. Es lógicamente, un valor que se ha de estimar en el momento de prescribir un lubricante, por una cuestión de seguridad, no obstante, salvo excepciones, siempre encontraremos puntos de inflamación a partir y alrededor de 180ºC en fluidos lubricantes, no así cuando más adelante hablemos de fluidos de proceso; en muchos de ellos, en función de su formulación específica y su aplicación técnica e industrial, presentan puntos de inflamación más bajos que hay que tener muy en cuenta. 31 Índice de acidez o neutralización: Este dato sirve para comparar el estado del aceite después de su empleo en el punto o conjunto a lubricar en relación con éste cuando era nuevo, es la manera de conocer el nivel de envejecimiento o agotamiento y por tanto la vida útil del aceite lubricante. Valora la totalidad de constituyentes ácidos en el seno del fluido y siempre se debe comparar con el valor del índice obtenido inicialmente con el mismo aceite. No sirve para comparar diferentes aceites de otras marcas o procedencias, puesto que es un valor que se constituye a partir de la naturaleza y origen del aceite base y por el efecto sobre este valor del paquete o conjunto de aditivos con el que se dota la formulación. Si a través del análisis comparativo se evidencia una elevada diferencia entre los índices de acidez original y tras el uso, debemos interpretar este dato como degradación del aceite. La cantidad de acidez en el aceite tiene que estar limitada ya que puede causar corrosión química en los componentes de la maquinaria, reduciendo la vida útil de los equipos. El TAN (Número ácido total) es una medición similar al índice de acidez. Se expresa como la cantidad de miligramos de hidróxido de potasio necesarios para neutralizar la acidez permitida para cada tipo de aceite. 32 En algunos casos la acidez del aceite puede estar causada por la presencia de humedad o agua en el aceite, este es también un factor que determinará la vida en perfecto estado de uso del aceite lubricante. Índice de desemulsión: Este dato nos señala la facilidad del aceite de separarse del agua cuando se le somete a una mezcla. Este es un dato muy importante a tener en cuenta en aquellas aplicaciones en que un fluido lubricante puede estar en contacto en mayor o menor medida con un ambiente húmedo u acuoso. Eso puede ocurrir en cualquier mecanismo o conjunto debido a filtracionesy/o contaminación con agua, defectos de estanqueidad o simplemente condensaciones efecto de fluctuaciones de temperatura. Así se pueden ver afectados por mezcla o presencia de agua en el aceite lubricante; reductores, variadores, compresores y otros elementos componentes de maquinaria. El sistema de evaluación de este valor se realiza mezclando 40 mililitros de aceite y 40 de agua por medio de un tiempo de agitación, luego se deja en reposo durante un nuevo periodo de tiempo y se comprueba el resultado. Éste se expresa, por ejemplo, en 40/37/3 en 30 minutos: el primer número es la cantidad de aceite, el segundo la cantidad de agua y el tercero la emulsión entre ambos no separada. Si lo que deseamos en un lubricante es una separación perfecta, un resultado 40/40/0 en 30 minutos, sería el óptimo. Otro factor a tener en cuenta es el tiempo necesario para la obtención del resultado, ese dato cobrará especial relevancia cuando analicemos ciertos comportamientos de los fluidos lubricantes, refrigerantes o protectivos en procesos de metalworking, pero ello forma parte de próximos capítulos en este trabajo. 33 Propiedades mecánicas: Un valor fundamental de los aceites lubricantes es su capacidad de resistencia ante el trabajo mecánico. Suele ser habitual conocer previamente este dato antes de la prescripción y aplicación de un lubricante; la resistencia y presencia constante garantizada de la película lubricante en el punto de fricción es vital para asegurar la correcta función del fluido en el elemento o conjunto. Son los más usuales los test de las 4 bolas de carga de soldadura y de desgaste (diámetro de huella), el SRV, el FZG, el test Reitchert, el Timken, los test Vickers, de FAG, de SKF, etc... Cada uno de ellos evalúa a través de sistemas diferentes el comportamiento del lubricante frente a condiciones mecánicas límite en entornos de laboratorio que simulan las aplicaciones reales de campo industrial y proporcionan una cierta idea de las capacidades del aceite sometido a diferentes pruebas físicas. Conceptualmente, el test de carga de soldadura de 4 bolas, puede ser el más clarificador respecto a esta propiedad de los lubricantes: se someten 4 bolas de acero, con una norma de dureza y acabado ya determinada, en posición de pirámide (3 en la base y una sobre ellas) a un número de revoluciones con la presencia del lubricante entre ellas, ya sea en baño o mediante película, en el caso de una grasa, se va aplicando carga de peso sobre el conjunto en movimiento y se traza el resultado cuando las bolas quedan soldadas entre sí formando un conjunto. El peso en kilos de la carga necesaria para alcanzar la soldadura será el dato expresado en CS > 500 kg, o la cantidad que hemos detectado en el test antes de la soldadura de las 4 bolas entre sí. Otro de los ensayos para contrastar las propiedades de los lubricantes en relación a la fricción es el test Reitchert, también ampliamente utilizado junto a la carga de soldadura. El probador de fricción y desgaste Reitchert consiste en un rodillo de prueba montado de forma estática, ejerciendo presión y carga contra una 34 rueda de fricción giratoria. La rueda de fricción está semi sumergida en el fluido cuyas propiedades estamos ensayando y la velocidad de rotación garantiza la permanencia constante de lubricante en el área de contacto entre el rodillo de prueba y la rueda de fricción. Debido a la disposición transversal de los ejes, se forma una superficie de desgaste elíptica, cuyo tamaño crece en función del tiempo de funcionamiento. La extensión de esa superficie, en milímetros cuadrados, es el resultado indicativo de la resistencia del fluido ensayado en términos de capacidad antidesgaste. El test de desgaste Reitchert se suele realizar de forma típica con muestras (rodillos) de un volumen de 25 cm3, a una velocidad de fricción de 1000 rpm (1,83 metros/segundo aproximadamente), a 1,5 kilogramos de carga en fricción deslizante sobre una rueda de fricción de acero endurecido que ensayará rodillos de prueba en el material que se estime específicamente en función del ensayo; acero, cobre, aluminio o latón. 35 7. BASES LUBRICANTES MINERALES Y BASES SINTÉTICAS El mundo de los Lubricantes se puede dividir en dos grandes grupos: Minerales y Sintéticos. ¿Qué los diferencia? Lo explicamos a continuación. El proceso de obtención es lo que diferencia el lubricante. Los Lubricantes Minerales se obtienen a partir de la destilación y refinamiento del crudo, tras la obtención del gasóleo y antes del alquitrán, llegando a la proporción del 50% de un barril de crudo lo que es aprovechable como Lubricante. A partir de lo que se llama base, se le añaden unos determinados aditivos químicos para mejorar sus propiedades. Por contra, y a pesar de que la materia prima para su obtención sigue siendo componentes seleccionados del crudo, los Lubricantes Sintéticos se obtienen mediante la optimización molecular por síntesis química. Dicho de otra manera, se obtienen en laboratorio mediante procesos químicos con el objetivo de adaptar a las necesidades las estructuras moleculares de los componentes de la materia prima. Existe un tercer tipo de Lubricantes, los llamados Semi-Sintéticos. Se trata de una mezcla química de lubricantes Minerales y Sintéticos. Se trata de bases minerales fuertemente aditivitas. ¿En qué se traducen estas diferencias? Se podría resumir en que los Lubricantes Minerales parten de unas determinadas características de base, que tienen que modificarse y aditivarse para mejorar sus propiedades iniciales. Por contra, los Lubricantes Sintéticos están “hechos a medida” desde el primer momento para obtener así las mejores propiedades según las especificaciones requeridas en el momento de su fabricación. BASES MINERALES Las bases minerales se obtienen mediante la destilación del crudo. Pueden ser tanto de origen parafínico como nafténico. • Bases parafínicas. Son las más ampliamente utilizadas. Son relativamente estables a altas temperaturas, pero, debido al alto contenido en parafinas que poseen, no funciona satisfactoriamente a bajas temperaturas. Los aceites parafínicos con alto índice de viscosidad 36 tienen una buena resistencia a la oxidación, pero no son compatibles con jabones de calcio o sodio (espesantes típicos). • Bases nafténicas. Estas bases a altas temperaturas son menos estables que las parafínicas. Circulan bien a bajas temperaturas. Si se utilizan estas bases se deben añadir inhibidores de la oxidación. En algunas aplicaciones se utilizan nafténicos con índices de viscosidad medios o bajos porque tienen un bajo contenido en ceras, lo que mejora el funcionamiento a bajas temperaturas. BASES SINTÉTICAS Para la mayoría de las aplicaciones, un aceite mineral convencional es suficiente para garantizar una lubricación eficiente. Sin embargo, para los casos en que las condiciones de lubricación son especialmente severas, suele resultar muy conveniente utilizar una grasa que posea un aceite base sintético. Las bases sintéticas se obtienen mediante procesos sintéticos, a partir de unidades de moléculas simples para obtener estructuras mayores con unas propiedades específicas. Son refinados de aceites vegetales y/o de petróleo. Al producir un hidrocarburo sintético, es posible elegir el porcentaje de cada tipo de moléculas en el lubricante final. Las bases sintéticas más típicas son: • Polialfaolefinas (PAO). Son las bases sintéticas más usadas. Poseen una buena estabilidad térmica, pero requieren de antioxidantes y tienen una capacidad limitada para disolver algunos aditivos. Además, se caracterizan por una baja tendencia a la formación de depósitos y baja corrosividad. Posee un elevado índice de viscosidad, lo cual, añadido a un paquete de aditivos bien equilibrado, minimiza la descomposición del aceite y prolonga la vida útil del aceite. A altas temperaturas de trabajo, esteelevado índice de viscosidad ofrece un espesor de la película lubricante mayor que los productos en base a aceite mineral. Es compatible con la mayor parte de las piezas comunes de las máquinas, así como con los aceites minerales. 37 • Ésteres. Tienen buena estabilidad térmica y excelente solvencia. Fluyen limpiamente y tienden a disolver barniz y sedimentos, no dejan depósitos. Si hay peligro de contaminación por agua, deben adicionarse aditivos específicos para evitar la hidrólisis y proporcionarle una estabilidad a la oxidación. Poseen un amplio intervalo de temperaturas de trabajo, buena resistencia de la película y baja volatilidad. • Poliglicoles (PAG). Las bases de Poliglicol presentan un alto índice de viscosidad (I.V.) natural, bajo coeficiente de fricción y muy buen comportamiento frente a altas cargas. Su alta estabilidad térmica y oxidación proporcionan a este tipo de bases una muy buena resistencia al envejecimiento. Tienen baja o nula formación de residuos carbonosos y compatibilidad con la mayoría de cauchos y elastómeros de estanqueidad. Sus óptimos valores de conductividad térmica proporcionan una fácil evacuación de calor y buena estabilidad al cizallamiento. Estas características hacen de las bases PAG o PEG las más recomendables para la formulación de aceites de engranajes, de compresor o en la formulación de grasas de alto rendimiento para rodamientos. Alguna desventaja supone su especial incompatibilidad ante la contaminación o contacto incidental con lubricantes de otras bases (PAO y minerales). • Siliconas. Poseen una buena resistencia térmica y buena resistencia a la oxidación y poseen un elevadísimo índice de viscosidad, por tanto, sufren pequeñas variaciones en la viscosidad en una amplia gama de temperaturas. Su grado de atoxicidad ha hecho que las bases de silicona hayan sido durante mucho tiempo las más utilizadas en aplicaciones de lubricación en entornos de producción y transformación de alimentos, en maquinaria relacionada con éstos, e incluso como fluido de transmisión térmica en hornos y autoclaves. Pero no son el lubricante ideal; tienen unas limitadas características anti- desgaste, dado que su exposición a la temperatura puede producir óxidos de silicona, y éstos son abrasivos y pueden ocasionar desgastes prematuros en las superficies metálicas. Por otra parte, presentan una baja tensión superficial, ello se traduce en una excesiva extensión en las superficies, especialmente en los aceros y ese efecto compromete que las 38 películas hidrodinámicas sean lo suficientemente eficaces, carecen de adherencia y consecuentemente de lubricidad. • Perfluoropolietileno (PFPE). Las bases sintéticas de PFPE suponen hoy en día las mejores y más desarrolladas bases lubricantes; poseen una elevada resistencia térmica y química, un alto índice de viscosidad (I.V.) y muy bajos niveles de oxidación, evaporación y envejecimiento. Otra de sus muchas ventajas es su gran capacidad lubricante, que proporciona unos bajos coeficientes de fricción. Como el más moderno de los desarrollos de base sintética, su formulación ha sido dotada de otros grandes avances: elevada resistencia al agua, a los ácidos y los gases agresivos (resisten el oxígeno), son compatibles con casi todos los cauchos y termoplásticos y permiten una óptima lubricación de componentes de contacto metal-plástico y plástico-plástico. Sus costes de producción y de adquisición en el mercado técnico los hacen un tanto exclusivos a la hora de su empleo en la formulación de lubricantes de carácter general, pero los desarrollos derivados del PFPE en fluidos lubricantes y sobre todo en grasas especiales, permiten su aplicación en puntos, mecanismos y componentes de alto cometido y compromiso técnico. BASES VEGETALES El uso de bases vegetales biodegradables para aceites lubricantes presenta varias ventajas sobre las mucho más extendidas bases minerales. Estas ventajas se centran sobre todo en su biodegradabilidad, en ser un recurso renovable de producción local, en su lubricidad y en su índice de viscosidad, presentando además costes más bajos que las bases sintéticas. Sin embargo, estas ventajas no han extendido el uso de bases vegetales ni en industria ni en automoción debido a su menor estabilidad y sus mayores puntos críticos de fluidez. Los aceites vegetales son ésteres de ácidos grasos y glicerol y sus propiedades físico-químicas dependen principalmente de su composición acrílica. Así, para asegurar los máximos niveles de estabilidad manteniendo un comportamiento aceptable a bajas temperaturas los ácidos grasos 39 monoinsaturados son los más apropiados para este fin. Además, la presencia de antioxidantes naturales también mejora las propiedades como lubricantes de estas bases vegetales. Estos aceites requieren por lo demás aditivación para mejorar su valor de viscosidad, estabilidad oxidativa y propiedades a bajas temperaturas. 40 8. COMPATIBILIDAD DE LOS LUBRICANTES CON CAUCHOS Y TERMOPLÁSTICOS Toda maquinaria contiene elementos de guía, transmisión, soporte o estanqueidad en su seno y, en base a su función específica, estos elementos pueden ser de diversos materiales encuadrados en el mundo de los materiales poliméricos; casquillos, aros de guía, acoplamientos, juntas, retenes, collarines, silemblocks y un largo etcétera de elementos específicos cuya base material de manera total o parcial está constituida por elastómeros y derivados del caucho. Si bien es harto complejo el mundo de los materiales poliméricos y sus propiedades y comportamientos, no lo es menos el de las compatibilidades e incompatibilidades de éstos cuando entran en contacto, más si lo es en entornos dinámicos y de fricción, con las diferentes naturalezas de lubricantes, ya sean estos de las bases anteriormente descritas (minerales y sintéticas) como en forma de fluidos o grasas lubricantes. En las tensiones internas y externas de piezas preformadas de polímeros termoplásticos y termoestables pueden aparecer fisuras por la acción de los lubricantes. Por influencia de la humectación, la difusión y las propiedades del lubricante, si se utiliza un lubricante inapropiado, se pueden desencadenar dos efectos negativos en los cauchos y plásticos: La absorción del elemento lubricante por parte del material de sellado: En cuyo caso el elemento no metálico sufrirá un efecto de hinchamiento y absorción que puede hacer que este se torne deformable e inconsistente. La extracción de las partes solubles que forman parte – especialmente los plastificantes- del material de sellado: En este caso el elemento no metálico sufrirá un encogimiento y se tornará frágil y propenso a la rotura. Cualquier cambio de volumen, ya sea hinchamiento o encogimiento, conlleva cambios en las propiedades mecánicas del material de sellado. Afecta a su dureza, elasticidad, resistencia a la tracción y al alargamiento de rotura. Estos cambios acabarán provocando la destrucción completa del material de estanqueidad, guía, transmisión o soporte conformado por cauchos, termoplásticos y otros materiales poliméricos. Por ello, una de las exigencias primordiales de una aplicación lubricante es la compatibilidad entre este y el/los materiales no metálicos con los que tiene que interaccionar. 41 La estabilidad de los elastómeros frente a los lubricantes se verifica siguiendo un procedimiento definido. Para evaluar la estabilidad se utilizan, en la mayoría de los casos, las variaciones de volumen y de dureza, así como de la resistencia a los desgarros experimentados una vez producida la reacción. La búsqueda de esta reacción se realiza a través de test de tiempo/temperatura en estufa aplicado estos a probetas del material sumergidas o impregnadas en el medio lubricante. Por ejemplo: 100ºC a 70 horas (Norma ASTM D461) 42 9. LUBRICACIÓN DE MAQUINARIA, EQUIPOS Y MECANISMOS INDUSTRIALES Eneste capítulo repasaremos aplicaciones de lubricantes en función de tipos de equipos o mecanismos que generalmente forman parte de una planta o taller de transformación metalúrgica. Eventualmente nos ceñiremos a lubricación por medio de fluidos, si bien es cierto que algunos puntos y aplicaciones de los equipos que trataremos se pueden también cubrir con grasas, en capítulos posteriores a este, cuando veamos de forma específica las grasas lubricantes, podremos señalar esas aplicaciones concretas, así como los tipos de producto y las recomendaciones técnicas al respecto. A continuación, describiremos esas aplicaciones y equipos o mecanismos, pero es importante hacer un comentario previo. En los dos primeros casos; fluidos hidráulicos y fluidos térmicos, si bien se trata de productos con propiedades lubricantes y que éstas son de utilidad en su empleo en la maquinaria, no es la lubricación su función principal. En los dos casos se trata de funciones de transmisión; en los fluidos hidráulicos lo que se transmite es potencia y en el caso de los térmicos lo que se transmite es calor (temperatura). 43 Las aplicaciones más importantes son: A. Fluidos hidráulicos B. Fluidos térmicos C. Aceites de engranajes D. Aceites para lubricación de compresores de aire E. Aceites para la lubricación de cadenas de transmisión F. Lubricación de guías de máquina herramienta G. Lubricación de cabezales y husillos A. FLUIDOS HIDRÁULICOS ¿Qué es un fluido o aceite hidráulico? Los aceites hidráulicos son fluidos transmisores de potencia que se utilizan para transformar, controlar, y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de presión o de flujo. Para esa función es imprescindible que la viscosidad y otras propiedades del aceite hidráulico estén en línea con las necesidades del equipo en el que ha de cumplir su cometido. Para mejor comprensión de estos conceptos es fundamental que previamente veamos de una forma esquemática que es y cómo funciona un sistema hidráulico: Accionamiento hidráulico básico. 44 Este esquema puede ser útil para comprender, de manera básica, como se comportan las fuerzas a través de 2 cilindros provistos de sendos pistones y conectados a través del fluido hidráulico. Imaginemos que el cilindro grande es 100 veces mayor que el pequeño, por tanto, sus diámetros y áreas o superficies respectivas mantienen esa proporción; 1:100. Si aplicamos una fuerza determinada al pistón pequeño, esta se transmite a través del fluido hidráulico al pistón grande y en él se produce una fuerza ascendente amplificada en la misma proporción que la relación entre las áreas o superficies entre el pistón pequeño y el grande. En definitiva: si aplicamos al cilindro pequeño una fuerza de 1 kilogramo, esta fuerza se traduce en 100 kilogramos de empuje en el cilindro grande. Ese incremento de fuerza se produciría por el recorrido del pistón del cilindro pequeño que obliga al pistón del cilindro grande a efectuar su recorrido aumentando la fuerza de empuje gracias a la incompresibilidad del aceite o fluido. De forma también muy esquemática podemos ver cuáles son los elementos básicos de un circuito o sistema hidráulico: • Depósito. En el que está ubicado el fluido. • Bomba. Que impulsa el fluido hacia los conductos inyectando este a alta presión. • Válvula primaria anti-retorno. Permite el paso del fluido en un solo sentido. 45 • Cilindro de doble efecto. Accionado por el fluido transforma la presión en fuerza. • Válvula secundaria. Controla el paso del fluido y el retorno del cilindro. También podríamos incluir como un elemento básico en este esquema un filtro o sistema de filtrado que eliminase las posibles partículas presentes en el fluido. El sistema de filtro generalmente se situaría en el retorno de este hacia el depósito. De la misma forma podemos ver la configuración básica de un cilindro hidráulico de doble efecto y sus componentes fundamentales: • Camisa de cilindro. Propiamente el cuerpo del cilindro, carcasa exterior. • Vástago. Eje de movimiento axial. • Pistón y junta de pistón. Cuerpo sujeto al vástago que se desliza por la superficie interior de la camisa y que contiene alojada la junta de pistón (caucho y termoplástico) • Entrada y salida de fluido hidráulico. Conductos por los que circula el fluido. • Elementos de sellado. Estanqueidad en la salida del vástago (collarín de interior y/o junta tórica) 46 ¿CUÁLES SON LAS FUNCIONES DE UN FLUIDO HIDRÁULICO? En general, un fluido hidráulico tiene 4 funciones primarias: 1. Transmitir potencia: a este fin todos los fluidos serían válidos (excepto los gases por ser compresibles), siempre que su viscosidad sea la adecuada a la aplicación. Para cumplir esta función el fluido deberá fluir fácilmente a través de los conductos internos de los componentes. Una resistencia excesiva a su circulación produciría considerables pérdidas de carga y consiguientemente un incremento en la potencia necesaria para el funcionamiento del equipo. Por eso, cuando el ingeniero desarrolla y diseña un sistema, circuito o central hidráulica, calcula las especificaciones que ha de cumplir el fluido: su viscosidad, su naturaleza y categoría. Así mismo habrá de preconizar una frecuencia de cambio y/o reposición del nivel de aceite en base a la vida útil que le supone al fluido en correcto estado de uso. 2. Lubricar las partes en movimiento: Esta es una de las principales misiones del fluido, y razón por la cual dejó de usarse agua para los circuitos hidráulicos. Por eso, el fluido hidráulico ha de disponer de una serie de propiedades exclusivamente orientadas a la óptima lubricación de todas las piezas y componentes dinámicos presentes en una instalación hidráulica: resistencia a la propia oxidación o envejecimiento, resistencia al cizallamiento, buena capacidad lubricante, adherencia controlada a las superficies metálicas, eficacia en la acción anticorrosiva y anti-herrumbre. Mientras más complejo sea el sistema hidráulico, mayores competencias se han de exigir al fluido o aceite hidráulico. 3. Disipar calor o refrigerar: El fluido debe ser capaz de absorber el calor generado en determinados puntos del sistema para luego liberarlo al ambiente a través del depósito, manteniendo estable la temperatura del conjunto durante el normal funcionamiento del equipo. Si bien en sistemas hidráulicos en los que las temperaturas son tan excesivamente elevadas como para poner en peligro el normal funcionamiento y preservación de conjunto y componentes (fundición, minería, altos hornos, etc..) se prescriben fluidos hidráulicos NO basados en bases minerales sino en bases sintéticas o en base agua que ejercen un efecto mucho más refrigerante de instalaciones y mecanismos, tema que comentaremos más adelante al ver las clasificaciones y categorías de los fluidos hidráulicos, lo cierto es que en la generalidad de las aplicaciones hidráulicas presentes en gran parte de la 47 industria de la transformación metálica están cubiertas con fluidos de base mineral con aditivos con los que se cumplen las categorías básicas: HM/HLP o HV. Las propiedades de absorción y disipación térmica son inherentes a la naturaleza del fluido, a sus propiedades de conductividad térmica y a su viscosidad; lógicamente a menor viscosidad mayor disipación y liberación de la temperatura al exterior, por tanto, mejor refrigeración. Pero esa selección de la viscosidad está también limitada por otros factores, no solo por la capacidad refrigerante, tal como ya hemos visto (grosor de la película, capacidad lubricante, de transmisión de fuerzas, etc…) 4. Sellar los espacios libres entre elementos: Por ejemplo, el fluido hidráulico debe ubicarse entre los espacios existentes dentro del sistema cilindro-émbolo o pistón. Observemos que, en el momento de diseñar la estanqueidad o sellado del cilindro,tanto los alojamientos o ranuras en los que se han de situar los elementos de caucho como los propios elementos de estanqueidad, están calculados en dimensiones y tolerancias para conseguir el efecto de sellado evitando que ese cierre suponga el corte absoluto del paso de la película lubricante. La película lubricante siempre debe permanecer en las zonas de fricción (pistón y salida del vástago) puesto que, si esa presencia se tornase en nula a causa del excesivo cierre de los cauchos sobre eje y camisa, se producirían inevitablemente roturas y/o desgaste de material en ambos elementos. Tras la fractura de la película lubricante, la avería del cilindro y su deficiente funcionamiento estarían servidos. ¿CÓMO SE CLASIFICAN LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS? Dependiendo de la aplicación y las características requeridas, los fluidos hidráulicos presentan estructuras distintas: Bases de aceite mineral El fluido hidráulico más comúnmente utilizado está compuesto por una base de aceite mineral con los aditivos apropiados. También lo denominamos como aceite hidráulico. Los requisitos para estos aceites hidráulicos se definen en la norma ISO 6743-4 con los nombres HL, HM y HV. De una forma más o menos equivalente, según DIN 51524, los denominaríamos HL, HLP y HLVP. También veremos específicamente la categoría HMD o HLPD. 48 HL: Categoría formulada con aditivos para aumentar la protección contra la oxidación y el envejecimiento. Tiene ya una baja incidencia en el mercado de maquinaria y una nula preconización en nuevos diseños. Totalmente superado por la categoría HM/HLP. Índices de viscosidad I.V. < 95 HM/HLP: Categoría que contiene aditivos para aumentar la protección contra la oxidación, inhibidores de corrosión, resistencia al envejecimiento y reducción del desgaste en el área de fricción. Índices de viscosidad I.V. entre 95 y 110. Desde hace bastantes años, las categorías HM y HLP dominan cuantitativamente el mercado de maquinaria, es una categoría de uso casi universal, desde la máquina herramienta a la de obra pública y/o la inyección de plástico, entre otras muchas aplicaciones. HV/HVLP: Esta categoría se suele recomendar para aquellos circuitos y mecanismos sujetos a considerables variaciones de temperaturas. Ofrecen iguales o mejores características anti-desgaste, resistencia a la corrosión y estabilidad a la oxidación que la categoría HM/HLP, pero proporcionando unos índices de viscosidad I.V. de entre 145 y 180, lo que los hace bastante más estables frente a fluctuaciones de temperatura. Presenta una baja variación de viscosidad por cizallamiento. Si bien en su origen se ha preconizado para aplicaciones de alta cometido, sus propiedades técnicas y su universalización en el mercado industrial lo hace una de las categorías con mayor crecimiento de participación en nuevos conjuntos y maquinarias. HMD/HLPD: Categoría con un nivel de propiedades similar a HM/HLP, pero con aditivos que le confieren un efecto detergente que facilita y mejora el transporte de partículas y la capacidad de dispersión de estas en el seno del fluido. Contiene aditivos para aumentar la protección contra la corrosión. Los I.V. en esta categoría especial se sitúan en los mismos valores que HM/HLP. En este caso se trata de una denominación alemana no estandarizada, pero sí muy presente en las especificaciones de determinada maquinaria. Bases sintéticas HFD: Son fluidos hidráulicos resistentes al fuego que no contienen agua. Los fluidos HFD se basan generalmente en aceites de base sintética o ésteres que combinan propiedades de resistencia al fuego satisfactorias con excelentes prestaciones de lubricación. Los fluidos HFD están diseñados para su uso en equipos sometidos a un alto régimen de temperaturas. Gracias a su baja 49 inflamabilidad se emplea en entornos críticos de riesgo, a la vez que aportan una muy alta capacidad lubricante y anti-cizallamiento. Los fluidos sintéticos tienen una densidad más alta que el aceite mineral o el agua (no HFD-U), pueden causar problemas en la succión de las bombas y atacan a muchos materiales de sellado. Se pueden utilizar con temperaturas entre -20° C y 150° C. • HFD-R: Basados en ésteres de ácido fosfórico • HFD-S: Basados en hidrocarburos clorados anhidros • HFD-T: Conformados por una mezcla de HFD-R y HFD-S • HFD-U: Formulados en composición anhidra a partir de ésteres de ácidos grasos Fluidos difícilmente inflamables HFA Los fluidos HFA o con alto contenido en agua son fluidos hidráulicos que combinan las excelentes propiedades de resistencia al fuego del agua, con la lubricación y la protección contra la corrosión de un producto aditivo concentrado. Debido a que el agua es el principal componente del fluido HFA, los equipos hidráulicos en los que se usa este tipo de fluidos deben ser capaces de funcionar con un fluido de baja viscosidad. Los fluidos HFA se subdividen, en función del porcentaje de contenido en agua y la naturaleza del concentrado de activos empleado para la emulsión o disolución (glicol, aceite mineral con emulgentes, Poliglicoles solubles, otros polímeros...) en las categorías HFAE, HFAS, HFB y HFC. Biodegradables Los fluidos hidráulicos biodegradables son de baja o nula utilización en entornos industriales de manufactura, producción o transformación metalúrgica. Son fluidos a base de aceites vegetales, por ejemplo, la colza o el girasol alto oleico. Se emplean en entornos donde los derrames o pérdidas podrían provocar daños en el medio ambiente o contaminar efluentes hídricos. Para ser considerado como biodegradable, un aceite lubricante debe tener acreditado científicamente que el 60%, como mínimo, de su volumen se descompone en menos de 28 días en contacto con la naturaleza. 50 La categoría con la que se denominan estos fluidos es HE y la clasificación en las que se divide en función de su naturaleza son: • HETG: Base de triglicéridos = aceites vegetales • HEES Base de éster sintético • HEPG Base de Poliglicoles (PAG) • HEPR Otros fluidos de base, principalmente, Polialfaolefinas (PAO) En la selección de un aceite hidráulico, de una forma general, podemos señalar que los principales centros de interés serían, la viscosidad, el índice de viscosidad IV y el grado de pureza o microfiltración que presenta el producto. B. FLUIDOS TÉRMICOS ¿QUÉ ES Y CUÁL ES LA FUNCIÓN DE UN ACEITE TÉRMICO? Un aceite térmico es un fluido empleado para trasladar calor dese un punto a otro. Previamente habrá sido calentado por medio de un quemador, una resistencia, una caldera o cualquier otro sistema de calentamiento. Se pueden denominar como fluido calo-portador, de transferencia térmica o HTF, del inglés heat transfer fluid. En las aplicaciones de transferencia térmica se utilizan diversas naturalezas de fluidos, en muchas ocasiones empleando el agua como base, adicionado a ésta inhibidores de corrosión y/o en diluciones de glicol a determinados porcentajes, en nuestro caso nos centraremos en las bases oleosas derivadas directa o indirectamente del refino de petróleo. Al igual que las bases utilizadas en la formulación de aceites lubricantes, la obtención de un aceite térmico procede de la destilación del petróleo; de unas bases minerales refinadas que mediante tratamiento y/o aditivación pueden adquirir modificaciones que varíen sus condiciones de viscosidad y temperatura de servicio o congelación, o de productos que son sometidos a transformaciones físico-químicas más profundas, que afectan a su composición molecular, que 51 originan lo que se conoce como aceite térmico sintético y al que se pueden conferir propiedades o comportamientos superiores, fundamentalmente de rendimiento y longevidad del fluido en instalación. Para proporcionar, como en anteriores capítulos, una visión de carácter básico sobre el empleo del aceite térmico en las aplicaciones industriales, observaremos de forma
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