Química AplicadaIngeniería Mecánica

FRBA

2013

Fuente principal: Guía de estudio Química Aplicada “UT3: Lubricantes” del Ing. Mario Pelizzero

Materiales lubricantes

Movimiento Fricción

Desgaste

Definición lubricante

� Sustancia� Sólida� Semi sólida� Liquida

� Origen� Animal� Vegetal� Mineral� Sintético

� Reducir rozamiento

� P y T de trabajo

Fricción

Fuerza que se opone al movimiento relativo de 2 cuerpos

Fricción

� Ventaja: permite control del movimiento

� Desventajas:� Desgaste

� Perdida de Potencia� Generación de calor

� Consumo energético

Degradación de superficies

� Desgaste Diseño inadecuadoLubricante incorrecto

� Corrosión H2OAireDescomposición

del lubricante

Fricción

La fricción genera calentamiento, desgaste y pérdida de potencia

Fricción

FRICCIÓN SECA FRICCIÓN FLUIDA

Fijación de lubricantes

� Adhesión física

� Reacción química

Funciones que debe cumplir

� Minimizar el desgaste

� Mantener sus características operativas

� Proteger a los mecanismos de la corrosión

� Evacuar el calor generado por fricción

� Evacuar impurezas (filtro)

� Transmitir potencia

03

UT 3

Funciones secundarias

� Limpieza

� Sellado

� Evitar la corrosión y herrumbre

� Prevenir la formación de depósitos y lacas

� Aislante eléctrico

� Agente de templado

� Fluido para maquinado03

UT 3

Regímenes de lubricación

� Etapa de funcionamiento- Movimiento inicial

- Movimiento uniforme

� Tipos de régimen de lubricaciónCapa límite Mixta Completa (hidrodinámica)

04

UT 3

Regímenes de lubricación

� Transición entre regímenes

05

UT 3

Regímenes de lubricación

� Superficie pulida – rayas 1 a 6 µ

06

UT 3

Regímenes de lubricación

� Régimen hidrodinámico- Película lubricante lo suficientemente gruesapara impedir todo contacto metal-metal

- Espesor mínimo > suma promedio deirregularidades superficiales

- Resistencia al movimiento sólo por viscosidad del lubricante

07

UT 3

Clasificación

08

UT 3

- Sólidos: grafito, teflón. Sulfuro de molibdeno y

fullerenos (aditivos)

� i) Según su estado físico

- Semi-sólidos: grasas. Aceite lubricante+jabón

metálico (espesante)

- Líquidos: aceites (aceite o mezcla de aceites +

aditivos)

- Gaseosos: aire

Clasificación

09

UT 3

� ii) Según su origen- Animal

- Vegetal

- Mineral

- Sintético

Clasificación aceites lubricantes

10

UT 3

� iii) Según su composición- Base parafínica: alto contenido de hidrocarburos saturados de elevado peso molecular. Bajo contenido de compuestos volátiles.

- Base nafténica: contienen gran cantidad decompuestos cíclicos o policíclicos saturados e insaturados. Alto contenido de compuestos volátiles.

- Base aromáticos: inadecuados, volátiles, baja viscosidad, emulsionan en agua. Se usan para solubilizaraditivos

Clasificación

10

UT 3

� iii) Según su composición- Base mixta: proceden de los crudos de base mixta.

- Sintéticos: obtenidos a partir de una síntesis química

(ésteres del ácido fosfórico, aceites de siliconas, glicoles)

Historia

� Agua� Aceite de oliva p soja� Grasas animales

- SXIX a mediados de S XIX: esperma de ballena

� Destilación del C mineral : kerosene+liquido mayor viscosidad

Historia

� Explotación del petróleo: destilación� mediados de S XX:

-industria automotriz….aceites multigradoaceites sintéticosaceites aditivados

� Fines S XX requerimientos de ↑T y ↓Plubricantes derivados del teflon (PFPE)

Unidad 3: Lubricantes

� DefiniciónSustancias que se utilizan con el fin de reducir el

rozamiento de los elementos de máquinas en

movimiento a la temperatura de trabajo

� ElaboraciónPrincipalmente por refinación en atmósfera reducida

del subproducto de la refinación primaria (fuel oil)

01

01-05-11

UT 3

Unidad 2: Productos energéticos

� Petróleo - Refinación

25

Elaboración

02

UT 3

ACEITES LIVIANOS

ACEITES PESADOS

Refinación

12

UT 3

� Unidad de furfural- Se eliminan hidrocarburos nafténicos y aromáticos pues reducen la viscosidad

- Se mezclan los aceites en un reactor con elfurfural que disuelve los hidrocarburos aeliminar que luego se separan por decantación.

Furfural - C5H4O2

heterociclo monosustitutono saturado

Refinación

13

UT 3

� Unidad de desparafinadoIndispensable para aceites base parafinica

- Alto contenido de parafinas

& baja T de operación � formación de ceras- Solventes (MEK, benceno, tolueno) +enfriamiento � parafinas retenidas en filtros prensa

Refinación

13

UT 3

� Unidad de ácidoSólo para aceites de alta viscosidad y ↑ T

- Se agrega ácido sulfúrico (H2SO4). Compuestos aromáticos generan sulfonatos de petróleo solubles en agua �separación por decantación- Aceites resistentes a alta temperatura

Refinación

14

UT 3

�Unidad de desasfaltado

Separar los comp. asfálticos

- Asfalto + gas propano a presión reducida y alta temperatura � separar distintos aceites

- obtengo mejoradores de la viscosidad de lubricantes

Refinación

14

UT 3

� Unidad de hidrogenación

- Proceso catalítico (Ni, 200 ºC, baja P) en atmósfera de H2 � dobles enlaces a simples enlaces � mayor resistencia a la oxidación

Refinación

15

UT 3

� Filtrado con tierras

- Terminación final del producto: aceite + tierras

- Absorción de humedad, coloides, colores, ácidos orgánicos

- Retención de tierras en filtros

Clasificación

10

UT 3

� iiii) Según su aplicación - Carter de motores a explosión- Rodamientos- Engranajes (o de caja)- Turbinas a vapor- Compresores- Aceites dieléctricos (transformadores)

- Fluidos térmicos

- Fluidos hidráulicos

Clasificación aceites para carter de motores de explosión

10

UT 3

� Aceite mineral

� Hidrogenado

� Aditivados

� Multigrados

� Semi sintéticos

� Sintéticos

Clasificación aceites SAE

10

UT 3

� SAE 30-50 automóviles

� SAE 90-140 engranajes

� ISO Europa

� µ= µ (Τ) ensayos a 98,9°c (carter)

37,8°c (lubricación industrial)

FLUIDEZ=1/ µ

Deterioro de aceites lubricantes

� Mal olor� Oscurecimiento

� ↑ µ

� ↑ indice de acidez

� Presencia H2O� Partículas metálicas� ↑ T� ↑ carga� O2

Aditivos

16

UT 3

� Definición:Son compuestos químicos que se agregan para

mejorar o conferir una propiedad

Las exigencias actuales de diseño de vehículos no

son posibles de lograr a partir de la destilación de

crudos reducidos

Clasificación de aditivos

� Propiedades físicas− µ ( fluidez)- T congelamiento

� Propiedades químicas- oxidación- corrosión

� Propiedades físico químicas- detergencia- ↑ P- dispersión de coloides- eliminación de espuma

Como son los aditivos?

Soluble en el aceite Cabeza químicamente activa

Tipos de aditivos

17

UT 3

� Mejoradores de viscosidadMantienen constante la viscosidad con los cambios de

temperatura

� Depresores de la T de congelamientoEvitan la formación de cristales a bajas T

Tipos de aditivos

18

UT 3

� AntioxidantesRetardan o impiden la adición del oxígeno a los

dobles enlaces de los compuestos de aceites

Tipos de aditivos

18

UT 3

� AnticorrosivosForman una película protectora sobre las partes

metálicas a fin de evitar la corrosión del material

Tipos de aditivos

19

UT 3

� DetergentesMantienen en suspensión ácidos grasos insolubles,

hidrocarburos polimerizados y residuos de combustión

Tipos de aditivos

19

UT 3

� DispersantesDispersan en forma coloidal compuestos carbonosos

para evitar su aglomeración.

Complementan a los detergentes

Tipos de aditivos

20

UT 3

� Condiciones de extra presiónProtegen al metal en situaciones de máxima fricción

mediante anclaje superficial del grupo ácido del aditivo

Tipos de aditivos

20

UT 3

� AntiespumantesAseguran la capa lubricante evitando la formación de

espuma (burbujas de aire)

resumen

� Viscosidad� COPOLIMEROS DE ALQUIL

METRACRILATO Y POLIISOBUTENO

� T Congelamiento� POLIACRILAMIDAS

� Anti Oxidantes� TERPENOS SULFURIZADOS� GRASA DE CERDO SULFURIZADA� BHT (BUTIL HIDROXI TOLUENO)� DI TER BUTIL PARA CRESOL

Resumen

� Anticorrosivos� DI ALQUIL DI TIO FOSFATOS DE Zn

� Detergentes (solubilizan depositos C)� JABONES ACIDOS SUPERIORES

� SULFONATOS DE PETROLEO

� Dispersantes� COPOLIMEROS DE ESTER, AMINA � POLIMEROS AMIDO EPOXIDICOS

Resumen

� Extra P� PARAFINAS CLORADAS

� ACIDOS GRASOS SUP SULFONADOS

� Antiespumantes� COMPUESTOS SILICONADOS

Propiedades físicas de los aceitesViscosidad (µ)

25

UT 3

� DefiniciónResistencia a fluir, es una medida del rozamiento de las moléculas que componen el lubricante

� Características principales- µ ≈ 1/T

- µ ≈ 1/fluidez

- µ ≈ velocidad relativa (v)

- µ ≈ 1/ tamaño del ducto

Viscosidad (µ)

26

UT 3

� Tipos de viscosidades- Cinemática: tiempo necesario para escurrir un volumen de lubricante a través de un capilar normalizado a una Tnormalizada

- Dinámica: fuerzas tangenciales generadas al mover un plano de fluido sobre otro paralelo

F┴ = S . (v / h) . µµµµ

v

h

F┴

Viscosidad (µ)

27

UT 3

� Viscosidad dinámica

- Estado estacionario: las propiedades son independientes del tiempo

Viscosidad dinámica

28

UT 3

� Interpretación

F┴ = S . (v / h) . µµµµ ............reordenando

µ µ µ µ = (h / v) . (F┴ / S) � µ µ µ µ = (F┴ / S)

(v / h)

Esta expresión de viscosidad refleja la existencia de una transferencia de energía mecánica a lo largo de un gradiente de velocidad resultando por lo tanto una de las formas más representativas de este fenómeno.

τ

15-06-11

Viscosidad dinámica

29

UT 3

� Unidades

µ µ µ µ = (F┴ / S)

(v / h)

Sistema internacional: Pa . sSistema cegesimal (cm, g, s): poise (P) = 1 g.(cm.s)-1

de uso común: 1 cP (cps) = 1 mPa . s

presión

tiempo-1

Criterio de selección

11

UT 3

� Viscosidad (µ)- Velocidad (v) alta v � baja µ- Carga (F) alta F � alta µ

- Temperatura (T) alta τ � alta µ

Propiedades térmicas

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UT 3

� Temperatura de combustión- Punto de combustión, o fire Point

- Se ensayan aceites sometidos a alta T

� Temperatura de congelamiento- A las temperaturas de trabajo se observa si elaceite en estudio forma cristales o se enturbia

- Se ensayan aceites sometidos a baja T

Ej. alta T:turbina de vapor

Ej. baja T:compresor NH3

Propiedades químicas

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UT 3

� Número de neutralización- Son los mg de KOH necesarios para neutralizar1 g de muestra (� pH = 7)

- La acidez puede deberse a la descomposiciónde aditivos o compuestos presentes

� Residuos de carbón- Porcentaje de residuos carbonosos obtenidosluego de estar sometido a condiciones de trabajo

- Tendencia a la coquificación

Propiedades químicas

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UT 3

� Corrosión al cobreSe expone una lámina de cobre pulida al aceite durante 3 h a 100 ºC. Se evalúa el color y aspecto final por comparación con placas normalizadas

Norma: ASTM D 130

Aplicación: mantenimiento

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UT 3

� Mantenimiento en sistemas mecánicosElemento fundamental: control de lubricación

� Tipos de mantenimiento- Mant. correctivo: cambio ante falla

- Mant. preventivo: cambio/renovación periódico

- Mant. predictivo: análisis de parámetros

Viscosidad dinámica

30

UT 3

� Medición: viscosímetro Brookfield- Funcionamiento: resistencia que ofrece un rotor- Posee rotores intercambiables de distinto tamaño, usados para diferentes viscosidades- Medición: resistencia del fluido a diferentes velocidades de corte

Viscosidad dinámica

31

UT 3

� Medición: viscosímetros

Viscosidad cinemática

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UT 3

- Se determina midiendo el tiempo que tarda un volumen determinado de fluido, en escurrir a través de un orificio de diámetro pequeño a una temperatura de trabajo establecida

� Unidades- Stock o centistock (1 cSt = 0,01 St)- SSU (segundos Saybolt Universal)

� Pipeta viscosimétrica Ubbelohde- Se carga el tubo “G” con el fluido, de tal manera que el nivel se encuentre entre los aforos “L” y “M”- Se coloca la pipeta en baño termostatizado- Se lo succiona por “I” hasta que se encuentre por encima del aforo “E”- Se mide el tiempo que tarda en atravesar los aforos “E” y “F”

viscosidad cinemática (cSt)= cte de calibración (cSt.s) x x tiempo de escurrimiento(s)

Viscosidad cinemática UT 3

33

� Viscosímetro Saybolt- Saybolt Universal (aceites livianos): orificio de diámetro 1,7 mm. Unidades: SSU

- Saybolt Furol (aceites pesados): orificio de diámetro 3 mm. Unidades: SSF

� Funcionamiento- Se regula la temperatura del baño calefactor- Se carga la muestra en los contenedores- Se mide el tiempo que tarda el llenado del vaso colector

Viscosidad cinemática UT 3

34

Viscosidad

35

UT 3

� Relación visc. dinámica - cinemática

viscosidad dinámica (cps)= viscosidad cinemática (cSt) x x densidad (g / ml)

µdinam. = µcinemat. . ρ

Viscosidad

36

UT 3

� Influencia de la temperatura

Viscosidad

37

UT 3

� Influencia de la temperatura

Viscosidad

38

UT 3

� Influencia de la temperatura

T (ºC)

Viscosidad

39

UT 3

� Índice de viscosidadIndica la propiedad de resistir los cambios de viscosidad a partir de la variación de la temperatura- Obtención gráfica

Viscosidad

40

UT 3

� Comportamiento reológico en estado estacionario

Viscocidad vs T

Viscosidad

41

UT 3

� Mediciones prácticas: ensayos no normalizados- Se pueden obtener valores de referencia- Ensayos comparativos- Siempre a una misma temperatura

Viscosidad

42

UT 3

� Mediciones prácticas Líquidos muy viscosos: método de caída de bola

Líquidos poco viscosos: copa Ford

Viscosidad

43

UT 3

� Medición de densidad

Grasas lubricantes

� Mezclas obtenidas al dispersar aceites minerales o sintéticos con un agente espesante

� Caraterísticas reológicas viscoso plásticas� Agentes espesantes: jabones alcalinos metálicos

(oleatos alcalinos)Ej: ácido oleico + hidrox. de sodio � oleato de sodio

� Relación aceite-espesante puede variar desde 70/30 hasta 95/5

UT 3

44

Clasificación grasas

SIMPLES: tienen un solo tipo de jabón metálico

COMPUESTAS: tienen más de un tipo de jabónmetálico

COMPLEJAS: además del jabón contienen aditivoscomo arcillas, bentonitas o aceite de siliconas

UT 3

45

Fabricación grasas

Reacción del ácido graso con el hidróxido, sobre la base del aceite lubricante.

Neutralización del producto (pH = 7)

Eliminación del agua. Agregado de aditivos

Homogeneización del producto

UT 3

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Ensayos físicos

� Consistencia o penetración- Medida de la dureza o consistencia del producto.- Se mide en mm la penetración de un cono estandarizado sobre la muestra a una dada temperatura.

UT 3

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UT 3Ensayos físicos

� Consistencia o penetración

48

� Punto de goteo (pour point)-Temperatura a la cual la grasa pasa de ser plástica a líquida.- En este punto fluye a través de un orificio estandarizado

UT 3Ensayos físicos

49

� Pérdidas por evaporación� Absorción de agua� Separación de aceite

(%) = peso inicial – peso final x 100peso inicial

UT 3Ensayos físicos

50

UT 3Ensayos físicos

• Determinación del contenido de agua

Trampa de Dean Stak

51

UT 3Ensayos físicos

• Determinación de curva de destilación

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UT 3Ensayos físicos

• Determinación de curva de destilación

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UT 3Ensayos físicos

• Puntos de inflamación y combustión:Equipo de Pensky-Martens

54

UT 3Tipos de grasas

55

-50 a 250°C260°CBuena

Multi propósito para condiciones extremas, tanto

bajas como altas temperaturas.

Grasa compleja con Siliconas

0 a 170ºC185ºCBuenaPara condiciones de

lubricación límite.Grasa compleja con

Sulfuro de molibdeno

0 a 240ºC260ºCBuenaPara cojinetes utilizados en

altas temperaturas.Grasa compleja con

Bentonita

0 a 180ºC200 a 250ºCExcelenteMulti propósito en la industria

automotriz y sistemas sumergidos en agua.

Grasa de Bario

0 a 70ºC85 a 105ºCBuenaPara sistemas de tracción,

tipo orugas y cintas transportadoras.

Grasa de Calcio

0 a 130ºC140 a 170ºCBajaPara cojinetes de bolillas y

ruedas.Grasa de Sodio

0 a 150ºC170 a 200 ºCBuenaMulti propósito en la industria

automotriz.Grasa de Litio

Temperatura de Aplicación

Punto de Goteo

Resistencia al agua

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