Presentacion UT3 ML
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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
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UT 3
Regímenes de lubricación
� Superficie pulida – rayas 1 a 6 µ
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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
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UT 3
Clasificación
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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
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UT 3
� ii) Según su origen- Animal
- Vegetal
- Mineral
- Sintético
Clasificación aceites lubricantes
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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
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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
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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
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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
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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
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UT 3
� Filtrado con tierras
- Terminación final del producto: aceite + tierras
- Absorción de humedad, coloides, colores, ácidos orgánicos
- Retención de tierras en filtros
Clasificación
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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
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UT 3
� Aceite mineral
� Hidrogenado
� Aditivados
� Multigrados
� Semi sintéticos
� Sintéticos
Clasificación aceites SAE
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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
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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
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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)
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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)
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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)
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UT 3
� Viscosidad dinámica
- Estado estacionario: las propiedades son independientes del tiempo
Viscosidad dinámica
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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
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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
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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
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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
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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
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� 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
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Viscosidad
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UT 3
� Relación visc. dinámica - cinemática
viscosidad dinámica (cps)= viscosidad cinemática (cSt) x x densidad (g / ml)
µdinam. = µcinemat. . ρ
Viscosidad
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UT 3
� Influencia de la temperatura
Viscosidad
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UT 3
� Influencia de la temperatura
Viscosidad
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UT 3
� Influencia de la temperatura
T (ºC)
Viscosidad
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UT 3
� Índice de viscosidadIndica la propiedad de resistir los cambios de viscosidad a partir de la variación de la temperatura- Obtención gráfica
Viscosidad
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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
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UT 3
� Mediciones prácticas Líquidos muy viscosos: método de caída de bola
Líquidos poco viscosos: copa Ford
Viscosidad
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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
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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
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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
47
UT 3Ensayos físicos
� Consistencia o penetración
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� 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
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� 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
52
UT 3Ensayos físicos
• Determinación de curva de destilación
53
UT 3Ensayos físicos
• Puntos de inflamación y combustión:Equipo de Pensky-Martens
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UT 3Tipos de grasas
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-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
UsosPRODUCTO
Química AplicadaIngeniería Mecánica
Fuente principal: Guía de estudio Química Aplicada “UT3: Lubricantes” del Ing. Mario Pelizzero