Tipos, uso y funciones de los lubricantes
Figura 1: El aceite como agente lubricante
Los lubricantes son sustancias que suelen utilizarse para reducir la fricción entre las piezas en contacto. Dependiendo del tipo, los lubricantes también cumplen otras funciones, como la regulación del calor, la transmisión de potencia, el sellado contra el polvo o la suciedad, así como la reducción de la oxidación y la prevención de la corrosión. Los lubricantes suelen presentarse en forma líquida o semisólida, pero pueden existir en diferentes formas. Algunos ejemplos son:
- Sólido: Grafito, disulfuro de molibdeno, politetrafluroetileno
- Semisólido: Grasa
- Líquido: Agua, aceites naturales o sintéticos
- Gaseoso: Aire
Estos lubricantes se utilizan ampliamente en industrias como la del automóvil, la aeroespacial, la de la construcción, la química o la textil para garantizar el buen funcionamiento de su maquinaria y equipos.
Índice de contenidos
- ¿Por qué son importantes los lubricantes?
- Las funciones de los lubricantes
- Tipos de lubricantes
- Aditivos
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¿Por qué son importantes los lubricantes?
El movimiento de dos superficies puede crear resistencia debido a la fricción (figura 1 izquierda). Esto puede provocar el desgaste de la maquinaria. En aplicaciones de automoción o de fabricación, los lubricantes facilitan el movimiento ininterrumpido entre las piezas de la maquinaria. Lo hace reduciendo la resistencia mecánica entre las superficies del material. Al aplicar el lubricante sobre las superficies de los materiales, crea una fina película y amortigua las rugosidades microscópicas de la superficie para facilitar el deslizamiento de los materiales con menos resistencia (figura 1 derecha). Los lubricantes líquidos son especialmente beneficiosos en este caso, ya que pueden adoptar cualquier forma para alisar la superficie irregular y reducir la fricción.
Figura 2: Mecanismo de fricción: La imagen de la izquierda muestra dos superficies rugosas con una gran cantidad de fricción, lo que crea resistencia. La imagen de la derecha muestra cómo la adición de lubricante crea una fina película que facilita el deslizamiento de los materiales.
La cantidad de fricción se puede calcular con la siguiente fórmula de coeficiente de fricción, donde:
- μ = coeficiente de fricción estático (μs) o cinético (μk)
- Fn = Fuerza normal aplicada
- Fr = Fuerza de fricción
Figura 3: Esto muestra el sistema tribológico, aquí Fn es la fuerza aplicada a las superficies de deslizamiento, Fr es la fuerza de fricción (movimiento), y la línea roja indica la adición de lubricante que disminuye el coeficiente de fricción cinética.
La fricción puede dividirse en fricción por deslizamiento, fricción por pivote, fricción por rodadura y fricción por resistencia a la rodadura. La determinación de la fricción es un paso importante en cualquier operación mecánica, aprenda más en nuestra serie de artículos de tribología de tres partes.
Las funciones de los lubricantes
Figura 4: Funciones del lubricante: lubricar (A), separar (B), sellar (C), transferir calor (D), proteger (E)
A pesar de lo que sugieren sus nombres, los lubricantes tienen muchas más ventajas que la simple lubricación y son responsables de prolongar la longevidad y la vida útil de los componentes de las máquinas. Las ventajas incluyen:
- Lubricación (A): En el caso de las superficies que funcionan en contacto entre sí, se pueden utilizar lubricantes como la grasa y el aceite para reducir la fricción y evitar el desgaste.
- Eficiencia energética (B): El uso de lubricantes adecuados reduce la fricción, minimiza el desgaste y maximiza el rendimiento. Así, es posible reducir el consumo de energía y minimizar el uso de recursos.
- Sello contra los contaminantes (C): Los lubricantes crean una fina película en la superficie del material, que crea una barrera entre el componente interno del material y el entorno externo. Además, los posibles contaminantes son transportados al depósito o al filtro con la ayuda de lubricantes, donde pueden ser eliminados.
- Reducción/control del calor (D): El lubricante reduce la fricción entre las piezas, con lo que también se reduce la generación de calor. Sin embargo, en el caso de que se genere calor, el lubricante puede absorberlo y transferirlo junto con la ayuda de los lubricantes que fluyen.
- Prevención de la corrosión (E): El recubrimiento de la superficie que proporcionan los lubricantes evita la posibilidad de oxidación o corrosión en el metal.
Tipos de lubricantes
Figura 5: Aceite utilizado como lubricante en un rodamiento
Dependiendo de la aplicación, un tipo de lubricante funcionará mejor que otro. Para la fricción intensa y las aplicaciones de alta velocidad, los lubricantes a base de aceite suelen ser la mejor opción. Sin embargo, para los componentes que sufren cargas pesadas, o que se colocan o se mueven verticalmente, suelen requerir una grasa. La grasa se mantiene en su sitio y proporciona una barrera más duradera entre los componentes, como los rodamientos de las ruedas, las tuercas, los pernos, etc. Lea nuestro artículo sobre los rodamientos para saber más sobre todos los aspectos relacionados con la lubricación de los mismos.
aceites
El aceite es el lubricante más utilizado en las plantas de fabricación. Se utiliza para aplicaciones con engranajes, bisagras, rodamientos, etc. Son adecuados para su uso a altas temperaturas y en aplicaciones de alta velocidad. Para prevenir la oxidación y la corrosión, es posible utilizar aditivos como antioxidantes o inhibidores de la corrosión con el aceite base para mejorar sus propiedades. El aceite base se refiere al ingrediente principal que está presente en la mayoría de los lubricantes. Para facilitar la selección, los aceites base se dividen en los siguientes tipos:
| Aceite base | Densidad [a 20°C (g/ml)] | Punto de ajuste [°C] | Punto de inflamación [°C] |
|---|---|---|---|
| Aceites minerales | 0.9 | -40 a -10 | < 250 |
| Hidrocarburos sintéticos | 0.85 | -50 a -30 | < 200 |
| Aceites de ésteres | 0.9 | -70 a -35 | 200 a 270 |
| Aceites de poliglicol | 0.9 a 1,1 | -55 a -20 | de 150 a 300 |
| aceites de silicona | 0.9 a 1,05 | -80 a -30 | de 150 a 350 |
Viscosidad del aceite
La viscosidad es un parámetro importante en la selección del aceite. Se refiere a la naturaleza del flujo que presenta el aceite a una temperatura determinada. A continuación se exponen algunos aspectos generales que se aplican al atributo viscoso del petróleo:
- El aumento de la temperatura disminuye la viscosidad del aceite y viceversa.
- Baja viscosidad para una baja tensión de presión y altas velocidades de deslizamiento.
- Alta viscosidad para una alta presión, bajas velocidades de deslizamiento y altas temperaturas.
Para determinar la viscosidad de su aceite, es necesario comprender las dos categorías de viscosidad: la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática. La viscosidad dinámica es la medida de la resistencia del fluido al flujo, mientras que la viscosidad cinemática es la medida de la velocidad del flujo del fluido. Matemáticamente esto se puede mostrar como:
Figura 6: Cálculo de la viscosidad dinámica
Además, los aceites industriales se dividen en varios grados de viscosidad según la norma ISO. Estos grados y su valor respectivo se presentan en la tabla siguiente.
| Grado de viscosidad cinemática ISO | Viscosidad [a 40°C] [mm²/s] |
|---|---|
| 15 | 13.5 – 16.5 |
| 22 | 19.8 – 24.2 |
| 32 | 28.8 – 35.2 |
| 46 | 41.4 – 50.6 |
| 68 | 61.2 – 74.8 |
| 100 | 90 – 110 |
| 150 | 135 – 165 |
| 220 | 198 – 242 |
| 320 | 288 – 352 |
| 460 | 414 – 506 |
| 680 | 612 – 748 |
| 1000 | 900 – 1000 |
| 1500 | 1350 – 1650 |
A pesar del tipo de aceite base y del grado de viscosidad del aceite, la forma de aplicarlo desempeña un papel importante. El aceite que se aplica después de la preparación adecuada de la superficie evita que el polvo se pegue. También es desaconsejable utilizar aceite en las superficies mojadas, ya que el agua puede disminuir la adherencia del aceite y desprenderlo de la pieza con el tiempo.
grasas
Figura 7: Aplicación de grasa con una pistola de engrase.
La grasa es la mezcla de aceite, espesante (jabón) y lubricantes adicionales (como el teflón). La mezcla de estos componentes da a la grasa una textura, un espesor y una viscosidad diferentes. Sin embargo, presenta una propiedad lubricante similar a la del aceite. Se utiliza en aplicaciones en las que no se pueden utilizar aceites o en las que no se requiere el atributo de refrigeración del aceite. La grasa ofrece una excelente protección contra el desgaste y proporciona una excelente estanqueidad contra las partículas extrañas. Suele utilizarse con engranajes, rodamientos, husillos, cadenas, eslabones, etc.
El espesante es lo que proporciona consistencia y favorece el rendimiento de la grasa. A continuación se indican los tipos de espesadores y sus especificaciones:
| Espesante (jabón) | Temperatura de funcionamiento [°C], Aceite mineral | Temperatura de funcionamiento [°C], Syntheseol | Punto de caída [°C] | Resistencia al agua | Capacidad de carga |
|---|---|---|---|---|---|
| Calcio | -30 a 50 | N/A | < 100 | ++ | + |
| Litio | -35 a 120 | -60 a 160 | de 170 a 200 | + | - |
| Al- complejo | -30 a 140 | -60 a 160 | >230 | + | - |
| Complejo Ba- | -25 a 140 | -60 a 160 | >220 | ++ | ++ |
| Ca-complejo | -30 a 140 | -60 a 160 | >190 | ++ | ++ |
| Complejo Li- | -40 a 140 | -60 a 160 | >220 | + | - |
| Bentonitee | -40 a 140 | -60 a 180 | N/A | + | - |
| Policarbamida | -30 a 160 | -40 a 160 | 250 | + | - |
Consistencia de la grasa
La consistencia es un atributo que define la evaluación de la fuerza de la grasa. Está muy influenciado por la viscosidad del aceite base y la cantidad de espesante utilizado. La selección de la consistencia correcta es importante en la aplicación de la lubricación, ya que las grasas blandas pueden alejarse de la zona de aplicación, mientras que las grasas duras pueden no ser capaces de moverse adecuadamente y reducir la eficacia de la lubricación.
pastas
La pasta cumple una función similar a la de la grasa. Sin embargo, se compone de una mayor mezcla de lubricantes sólidos que le dan su textura espesa. El efecto combinado del aceite base, los espesantes (pueden o no estar incluidos) y un lubricante sólido como el PTFE protege contra el desgaste por fricción. La adición de diferentes lubricantes sólidos hace que el uso de la pasta sea adecuado en diferentes tipos de aplicaciones.
| Tipo | Temperatura máxima de funcionamiento [°C] |
|---|---|
| PTFE | < 300 |
| MoS₂ (disulfuro de molibdeno) | < 450 |
| Aluminio | < 1100 |
| Cobre | < 1100 |
| Cerámicos de óxido | < 1400 |
| Grafito | < 600 |
El PTFE y el MoS₂ son dos lubricantes sólidos muy utilizados. El PTFE proporciona una buena capacidad de carga y puede soportar una alta resistencia a la compresión. Presenta un bajo coeficiente de fricción. El MoS₂ presenta un coeficiente de fricción nominal. Sin embargo, ofrece una excelente capacidad de absorción de la presión y resistencia al desgaste.
La mayoría de las pastas son fiables cuando se trata de la protección contra la corrosión y la lubricación en aplicaciones de alta presión y temperatura. Lo más habitual es que las pastas se utilicen como lubricantes con tuercas, tornillos o ruedas dentadas.
lubricantes secos
Figura 8: Polvo de MoS2 con un alto grado de pureza
El lubricante seco es adecuado cuando no se puede utilizar aceite o grasa para la lubricación en condiciones de funcionamiento extremas, como el vacío, el entorno corrosivo o las temperaturas extremas. Pueden clasificarse en lubricantes sólidos en forma de polvo, película deslizante o revestimientos adheridos y suelen estar disponibles en forma de spray. También pueden mezclarse con agua, alcohol u otros disolventes. Hay tres formas principales de aplicar estos lubricantes secos:
- Inmersión: Adecuado para lotes de elementos de fijación, u otros componentes con diámetros más pequeños.
- Pulverización: Es el más utilizado; el proceso de aplicación puede verse obstaculizado por las curvas internas o los diámetros más pequeños.
- Quemado: No se utiliza habitualmente; se requiere una aplicación manual.
Una vez que se aplica el lubricante mediante cualquiera de estos métodos, se deja que se evapore, lo que acaba dejando una fina película de lubricante en la superficie del metal. Las partículas de los lubricantes secos, como el grafito, pueden ser extremadamente resbaladizas, lo que significa que el polvo o la suciedad no son fácilmente atraídos para adherirse a la superficie. Además del grafito, el PTFE y el MoS₂ también se utilizan habitualmente como partículas sólidas en el lubricante seco.
Aditivos
Figura 9: Grafito
Los aditivos son una adición importante al aceite base para mejorar las propiedades de los lubricantes. Se trata de compuestos químicos orgánicos o inorgánicos que suelen mezclarse en una proporción de entre el 1 y el 35% del volumen de aceite. La mayoría de las aplicaciones industriales incluyen los siguientes tipos de aditivos en el aceite con el fin de mejorar el rendimiento para solucionar sus problemas:
- Antioxidante: Para evitar que el oxígeno descomponga el lubricante y provoque su oxidación.
- Presión extrema: Para aumentar la capacidad del lubricante de soportar la carga, por ejemplo en los engranajes y los rodamientos.
- Demulsificador: Para mejorar la capacidad de los lubricantes de repetir el agua.
- Antiespumante: Para ayudar a romper las burbujas de espuma.
- Reforzadores de película: Para mejorar la capacidad de adhesión de la película lubricante a la superficie.
- Mejorador de la viscosidad: Para mejorar la viscosidad del lubricante a altas temperaturas.
- Punto de vertido: Para disminuir la temperatura del punto de fluidez del lubricante en frío. El punto de fluidez de un aceite se mide según la norma DIN ISO 3016. Se encuentra unos pocos grados por debajo de la temperatura de funcionamiento más baja recomendada.