Formulación de Lubricantes: Aceites base

El aceite base es el componente fundamental de un lubricante, de su calidad van a depender sus propiedades y su duración. Además su contenido es muy elevado, entre el 80 % y el 90 % del total de un aceite lubricante.

Este aceite base tiene, por su composición, una serie de propiedades que marcan el comportamiento del lubricante con el que se han formulado, las propiedades principales son:

· Estabilidad a la oxidación, esto es, al proceso de degradación a la reacción con el oxígeno inducido por la temperatura.

· Estabilidad térmica, o estabilidad a altas temperaturas sin presencia de oxígeno.

· Formación de residuos carbonosos, o cantidad de formación de residuos sólidos por efecto de las altas temperaturas.

· Solvencia natural, es la capacidad de una base lubricante para disolver otros productos químicos, como son los aditivos o contaminantes.

· Protección de juntas, los aceites base no deberían dañar juntas de elastómeros, pero debido a su capacidad disolvente y su polaridad molecular pueden tener algunos efectos que se corrigen con la utilización de aditivos adecuados.

· Índice de viscosidad, o estabilidad de la viscosidad con la temperatura, que depende de la composición del aceite base.

· Comportamiento a baja temperatura, los aceites base no deben tener contenidos en ceras que solidifiquen a bajas temperaturas, sin embargo, las bases que cumplen con esta característica tienen un índice de viscosidad moderado.

· Volatilidad, es una medida de la tendencia a la evaporación de sus partículas más volátiles, lubricantes con alta volatilidad tienen un punto de evaporación más bajo y son más inflamables.

· Herrumbre y corrosión, los aceites base deben estar libres de agua y ácidos para evitar estos problemas.

· Color, el color de la base depende de su grado de refino, así las bases refinadas tienen un color marrón-miel, mientras que las hidroprocesadas presentan un color amarillo-dorado, las bases sintéticas son transparentes o las bases más pesadas presentan colores negro-verdosos. El color no tiene ninguna influencia en el comportamiento final del lubricante.

· Toxicidad, los aceites base son menos tóxicos según son más refinados, logrando obtener incluso bases no tóxicas para algunas aplicaciones.

· Biodegradabilidad, los aceites base muy refinados y sintéticos pueden llegar a ser prácticamente biodegradables, esta biodegradabilidad se garantiza utilizando ésteres de origen vegetal.

· Demulsibilidad, es la capacidad para separar el agua y depende de su polaridad molecular.

· Formación de espuma, depende de su capacidad para absorber partículas de aire.

1.  Bases Minerales.

Los lubricantes con base mineral, son aquellos que utilizan una base destilada y refinada del petróleo. Los productos válidos para la lubricación se obtienen por destilación al vacío. Dependiendo del tipo de petróleo y del proceso de destilación obtendremos lubricantes de diferentes calidades y propiedades.

En todos los casos se trata de una combinación de parafinas, iso-parafinas, naftas, aromáticos y compuestos de azufre y nitrógeno. En función del contenido en parafinas e iso-parafinas, los aceites base se denominan nafténicos (entre 42 % y 50 % de parafinas), neutros (entre 50 % y 56 %) y parafínicos (entre 56 % y 67 %). Este contenido en parafinas depende de la procedencia geográfica del crudo.

Figura 1 Bases minerales: (a) y (b) - Parafinas, (c) - Nafténicos, (d) - Aromáticos

Estas bases aportan, como principales ventajas, una excelente lubricidad y protección contra la corrosión, son compatibles con recubrimientos y juntas, facilitan la solubilidad de los aditivos, aportan estabilidad hidrolítica y unos costes muy competitivos.

Por otro lado estas bases tienen un punto de inflamación bajo, un punto de congelación elevado y baja estabilidad a la oxidación y a la temperatura, lo que limita su rango de temperaturas de trabajo y su duración.

La asociación API (American Petroleum Institute, USA) clasifica las bases minerales por su contenido en azufre, en saturados y su índice de viscosidad.

De modo general, las bases del Grupo I se producen de forma tradicional mediante procesos de refino y eliminación de ceras, mientras que las bases del Grupo II y Grupo III se obtienen mediante procedimientos de hidroprocesado, acompañados de eliminación de ceras o de isomerización respectivamente. 

Base	Contenido en saturados	Contenido en azufre	Índice de viscosidad
Grupo I	<90 %	>0.03 %	80 – 120
Grupo II	>90 %	<0.03 %	80-120
Grupo III	>90 %	<0.03 %	>120

Tabla 1 Clasificación API (1ª parte)

2.  Bases Regeneradas.

El lubricante, una vez utilizado, presenta restos de metales de desgaste, restos de oxidación, sustancias procedentes de la combustión, combustible, agua y refrigerantes, lo que hace que debamos sustituir el lubricante; sin embargo la mayoría de las moléculas del aceite base se encuentran en buenas condiciones y pueden utilizarse de nuevo, para ello se puede realizar un proceso de regeneración que elimine estos contaminantes así como su contenido en aditivos.

El proceso de regeneración comienza con un pre-tratamiento químico que aglomera metales de desgaste y lodos para facilitar su eliminación.

Posteriormente, se procede a un proceso de destilación que comienza con una deshidratación de la base, para eliminar todo el contenido en agua calentando la base por encima de 100º C; eliminación de combustible mediante calentamiento de la base a alta temperatura y baja presión; finalizando con un proceso de destilación al vacío.

Por último, se lleva a cabo un proceso de hidroprocesado en el que, mediante hidrogenación catalítica a alta temperatura y alta presión, se eliminan los restos de azufre, nitrógeno, cloro y componentes oxidados.

Con este proceso se producen bases del Grupo I pudiendo alcanzarse, según la calidad del proceso de hidroprocesado, bases del Grupo II.

3.  Bases Gas-to-Liquids (GTL).

Gas-to-Liquids es un proceso que transforma gas natural en combustible y aceite base, consiste en agrupar moléculas de gas natural hasta alcanzar cadenas de hidrocarburos más largas. El resultado es una base de gran pureza, compuesta por iso-parafinas, sin presencia de contaminantes como azufre, aromáticos o metales; que puede considerarse como Grupo III o incluso transformarse para considerarse Grupo IV.

Las iso-parafinas producidas por este proceso presentan una buena viscosidad, resistencia a la oxidación y buen comportamiento a bajas temperaturas.

4.  Bases Sintéticas.

Los lubricantes sintéticos utilizan como bases moléculas sintéticas, es decir obtenidas por síntesis en laboratorio, pudiendo ser o no de origen petrolífero. Este proceso permite obtener productos de muy alta calidad y duración, adecuados para las más duras condiciones de trabajo, incluso en competición.

De modo general, las bases sintéticas tienen una mayor capacidad para soportar temperaturas extremas que las bases minerales, por lo que proporciona una mayor protección a altas y bajas temperaturas.

Base	Tipo de Base
Grupo IV	Polialfaolefina
Grupo V	Resto de bases sintéticas

Tabla 2 Clasificación API (2ª parte)

Las bases sintéticas más habituales son:

a.  Hidrocarburos sintéticos:

Los hidrocarburos sintéticos (SHF) suponen el tipo de base sintética de más rápido crecimiento, tienen la característica común de que son totalmente compatibles con las bases minerales.

Las Polialfaolefinas (PAO) se componen de estructuras de oligómeros hidrogenados de un alfa-olefina, con la fórmula general (-CH₂-)_n, hidrocarburos libres de azufre, fósforo, metales y ceras. Aportan una excelente estabilidad térmica y fluidez a bajas temperaturas, un alto índice de viscosidad, una baja volatilidad y son compatibles con bases minerales. En su contra tienen baja resistencia a la oxidación y solvencia de aditivos, por lo que a menudo se combinan con otras bases sintéticas para compensar este problema.

Estas propiedades convierten a esta base en muy recomendable para la formulación de lubricantes de motor y para transmisiones en automoción. 

Los Alquilatos Aromáticos se forman por alquilación de un compuesto aromático, normalmente benceno o naftaleno. Aportan un buen comportamiento a bajas temperaturas, buena solvencia de aditivos, buena estabilidad térmica y lubricidad. Aunque su índice de viscosidad es similar al de las bases minerales, su volatilidad es inferior y son más estables a la oxidación, las altas temperaturas y la hidrólisis. Se utilizan en lubricantes de motor y transmisiones.

Los Polibutenos se obtienen por polimerización de butenos e isobutilenos. Comparándolos con otras bases sintéticas, es más volátil, menos resistente a la oxidación y tiene un menor índice de viscosidad; tiene baja tendencia a formar humos y carbonillas por lo que se utilizan en la formulación de lubricantes de 2 tiempos. Se utiliza también como base de lubricantes para cajas de cambios, en combinación con bases minerales o sintéticas.

b.  Polialquilenglicoles (PAG):

Se obtienen por polimerización de óxidos de etileno o de propileno para formar copolímeros. La solubilidad de la base en agua o en hidrocarburos depende del óxido utilizado.

Aportan excelentes características viscosidad/temperatura, bajo punto de congelación, buena estabilidad térmica, alto punto de inflamación, buena lubricidad, buena estabilidad al cizallamiento, no es corrosivo para la mayoría de metales y es respetuoso con cauchos.

Sus principales desventajas son su baja solvencia de aditivos y su incompatibilidad con otros lubricantes y con recubrimientos y juntas.

Se utilizan como base de los líquidos de frenos (tipos DOT3 y DOT 4), por su capacidad para absorber el agua; y en lubricantes para motores de 2 tiempos ya que no produce depósitos a altas temperaturas.

c.  Ésteres sintéticos:

Son el resultado de la reacción química entre un ácido orgánico y un alcohol. Presentan una excelente lubricidad, estabilidad térmica y a la hidrólisis, solvencia de aditivos y presentan una buena compatibilidad con otras bases y con aditivos.

Sin embargo algunos ésteres pueden dañar y envejecer juntas por lo que requiere materiales especiales.

Se utilizan como bases de lubricantes de motor, mezclados con otras bases sintéticas porque mejoran el comportamiento a bajas temperaturas, reducen el consumo de combustible, aumentan la protección al desgaste y la retención de la viscosidad.

Como base de lubricantes de motores de 2 tiempos, reducen la formación de residuos, protegiendo segmentos, pistones y bujías. Además, al proporcionar una mejor lubricidad, permite reducir la proporción de lubricante en el aceite de los 50:1 de una base mineral hasta 100:1 e incluso 150:1.

Los Ésteres Fosfatados se utilizan como aditivos anti-desgaste de otras bases lubricantes debido a su gran lubricidad, y como base para fluidos hidráulicos y lubricantes de compresores debido a su baja inflamabilidad. Sin embargo tienen una baja estabilidad hidrolítica y térmica, bajo índice de viscosidad y comportamiento pobre a bajas temperaturas. Además, es una base muy disolvente por lo que es muy agresivo con pinturas, recubrimientos y juntas.

Los Ésteres de Poliol presentan una alta estabilidad a altas temperaturas, buena estabilidad hidrolítica y buen comportamiento a bajas temperaturas, baja volatilidad y bajo índice de viscosidad; es una base agresiva con pinturas y juntas. Gracias a su buena miscibilidad con gases hidrofluorocarbonados (HFC) se utilizan en compresores de sistemas de refrigeración.

d.  Poliéteres:

En este grupo podemos encontrar Poliéteres Perfluorados, como el PFPE, que presenta una densidad de aproximadamente el doble que otras bases, con las que no es miscible, y no es inflamable. Tiene muy viscosidad muy estable con la temperatura, son muy estables a la oxidación y al agua, y son químicamente inertes a la vez que presentan estabilidad a la radiación. estas propiedades, junto a su estabilidad al cizallamiento, lo hacen adecuado como fluido hidráulico en aplicaciones aeroespaciales.

Los Polifenil Éteres presentan mayor estabilidad pero tienen peor comportamiento viscosidad - temperatura, se utilizan principalmente como fluidos hidráulicos resistentes a las altas temperaturas y a la radiación.

Los Polisiloxanos o Siliconas aportan índices de viscosidad muy elevados, bajo punto de congelación y buena estabilidad térmica y a la oxidación lo que les hace adecuados para operar en un amplio rango de temperaturas; son químicamente inertes y no tóxicos, resistentes al fuego y al agua, tienen baja volatilidad y son compatibles con plásticos y elastómeros. Sin embargo presentan varios inconvenientes, tales como la formación de residuos abrasivos al degradarse, no forman películas lubricantes adherentes debido a su baja tensión superficial, y no presentan una buena solvencia con aditivos. Se utilizan como fluidos en sistemas de frenos hidráulicos y como aditivos antiespuma en lubricantes.

En la tabla se comparan los comportamientos de diferentes bases sintéticas con una base mineral.

Tabla 3 Comparación entre aceites base

5.  Bases Biológicas.

Proceden principalmente de la soja, colza, palma, girasol y cártamo. Los lubricantes de base biológica aportan una gran biodegradabilidad, gran lubricidad, elevados puntos de inflamación e índice de viscosidad; por el contrario su punto de fluidez es muy elevado y tienen baja estabilidad a la oxidación, a esto hay que añadir la dificultad que presenta su reciclado.Sus aplicaciones principales son sistemas hidráulicos, transmisiones y reductores, compresores y grasas. Principalmente en aplicaciones a pérdida, en interior o en condiciones que no sufran bajas temperaturas, aplicaciones de industria alimentaria o donde se exija un especial cuidado del medio-ambiente.

1.- Introducción a la Tribología y Lubricación

Introduction to Tribology and Lubrication

Tribology is the science of the mechanisms of Friction, Lubrication, and Wear of interacting surfaces that are in relative motion.

  A Tribological System (Tribosystem) transform Inputs as a type of motion, the sequence of motion, load, velocities, temperatures, and loading time; by Disturbance Variables as material and geometry properties and interactions between elements; in Outputs as force, torque, speed, motion, mechanical energy, material variables, and signal variables; and Loss Variables as friction and wear.

Friction is the resistance to movement of one body over body, the friction laws were formulated by Guillaume Amontons:

1st Law: Friction force is proportional to the applied load.

2nd Law: Friction force is independent of the apparent contact area.

3rd Law (also Coulomb's Law): Friction is independent of sliding velocity.

Generally, friction force F is the result to multiply the normal load N by the coefficient of friction m. The static coefficient of friction may be greater than the kinetic coefficient of friction. 

The microscopic mechanics that are involved in generating friction are:

1.   Adhesion.

2.   Mechanical interactions of surface asperities.

3.   Plowing of one surface by asperities on the other.

4.   Deformation and/or fracture of surface layers.

5. Interference and local plastic deformation caused by third bodies primarily agglomerated wear particles trapped between the moving surfaces.

Wear is the succession of events whereby atoms, products of chemical conversion, fragments, et al., are induced to leave the system. 

The major wear modes are:

·     Abrasive Wear: occurs whenever a solid object is loaded against particles of a material that has an equal or greater hardness.

·     Adhesive Wear: Cold-welding describes the formation of small connections whereby tiny disruptions arise during translation.

·     Corrosive & Oxidative Wear: Chemical the reaction between the worm material and a        corroding medium can be a chemical reagent, reactive lubricant, or even air.

·     Fatigue Wear: By deformations sustained by the asperities and surfaces make contact. They are accompanied by very high local stresses that are repeated a large number of times.

·     Erosive Wear: By the impact of particles of solid or liquid against the surface of an object.

·     Electrical Erosion Wear: Occurs when electric current passes between two metal surfaces through the oil or grease film. 

·     Fretting Wear: Occurs whenever short amplitude reciprocating sliding between contacting surfaces is sustained for a large number of cycles. If micro-particles are present then the name is Polishing Wear. 

·     Cavitation Wear: By the cyclic formation and the collapse of bubbles on a solid surface in contact with a fluid.

Lubrication is the process or technique employed to reduce friction between, and wear of one or both, surfaces in proximity and moving relative to each other, by interposing a substance called a Lubricant in between them. 

The main property of a lubricant is Viscosity that is defined as the internal resistance to flow of one layer of the fluid, moving in relation to an adjacent layer; Absolute Viscosity or Dynamic Viscosity (h) is the proportional factor of the shear stress in a fluid to the rate of change of velocity with respect the the thickness of the fluid film. Kinematic Viscosity (u) is the ratio of the dynamic viscosity to the density of the fluid.

Stribeck Curve, defined by Richard Stribeck, is basically a curve between Coefficient of Friction and a number defined as dynamic viscosity with relative sliding velocity per unit load. The curve defines four different forms of lubrication called the Lubrication Regimes.

 (Stribeck Curve, from Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Boundary Lubrication. The condition when the fluid films are negligible and there is considerable asperity contact. The mean film thickness is lower than the surface roughness; the coefficient of friction is a maximum in this area. 

b. Mixed Lubrication. The number is higher, the mean film thickness is just higher than surface roughness, so the tallest asperities of the bounding surfaces will protrude through the film and occasionally come in contact. The coefficient of friction reduces dramatically until a minimum.

c. Elastohydrodynamic Lubrication (EHL). The condition that occurs when a lubricant is introduced between surfaces that are in rolling contacts, such as ball and rolling element bearings. In this lubrication regime, the load is sufficiently high enough to produce Hertzian pressures for the surfaces to elastically deform, in those points, the lubricant film has got a Non-Newtonian behavior. The coefficient of friction is minimum in this area; the behavior is defined by the Cheng equation.

d. Hydrodynamic Lubrication. The condition when the load-carrying surfaces are separated by a relatively thick film of lubricant. This is a stable regime of lubrication and metal-to-metal contact does not occur during the steady-state operation of the bearing. The lubricant pressure is self-generated by the moving surfaces drawing the lubricant into the wedge formed by the bounding surfaces at a high enough velocity to generate the pressure to completely separate the surfaces and support the applied load. The coefficient of friction increase in this area, the behavior is defined by the Reynolds equation.

 Also the Hydrostatic Lubrication regime can be added, in which surfaces are fully separated by a lubricating film of liquid or gas forced between the surfaces by external pressure.

Introducción a la Tribología y la Lubricación

Denominamos Tribología a la ciencia que estudia los mecanismos de fricción, lubricación y desgaste entre dos superficies en movimiento relativo.

 Un Sistema Tribológico transforma unas variables de entrada, que son tipo de movimiento, carga, velocidad y temperatura, mediante unas variables de alteración como son material y geometría de las superficies y el medio de interacción entre ellas en variables de salida que son fuerza, par, velocidad y energía y unas pérdidas que son fricción y desgaste.

Podemos definir Fricción como la resistencia al movimiento de un cuerpo deslizando sobre otro, la fricción cumple con las siguientes leyes, enunciadas por Guillaume Amontons:

1ª Ley: La fuerza de fricción es proporcional a la carga aplicada.

2ª Ley: La fuerza de fricción es independiente al área aparente de contacto.

3ª Ley (o Ley de Coulomb): La fuerza de fricción es independiente a la velocidad de deslizamiento. 

De modo general, la fuerza de fricción F se define como el producto de la carga normal al plano N y el coeficiente de fricción m. El coeficiente de fricción estática puede ser superior al de la fricción cinemática.

Los mecanismos que están involucrados en la generación de fricción son los siguientes:

1.   Adhesión.

2.   Interacciones mecánicas entre las superficies.

3.   Formación de surcos en una superficie por asperezas de la otra.

4.   Deformación y/o fractura de capas superficiales.

5. Interferencias y deformaciones plásticas causadas por un tercer elemento, principalmente aglomeración de partículas de desgaste entre las superficies en movimiento.

Respecto al Desgaste, lo podemos definir como la sucesión de sucesos a través de los cuales los átomos, productos resultantes de la conversión química, fragmentos, etc. son inducidos a abandonar el sistema. 

  El desgaste se puede clasificar en estos tipos:

· Desgaste Abrasivo: por presencia de partículas duras sobre un objeto más blando.

· Desgaste Adhesivo: por formación de microsoldaduras inmediatamente seguidas de sus roturas, y transferencias de material de una superficie a otra, durante el movimiento de las superficies.

· Desgaste por Reacciones Químicas: Principalmente corrosión, herrumbre y oxidación, producidas por la reacción entre el material y un agente corrosivo, que puede ser un agente químico, un lubricante, agua o incluso el aire.

· Desgaste por Fatiga: Por deformaciones sostenidas en las capas superficiales de superficies opuestas, acompañadas por grandes tensiones locales muy repetitivas.

· Desgaste Erosivo: Producido por el impacto de pequeñas partículas sólidas o líquidas sobre un objeto.

· Desgaste Electro-Corrosivo: Producido por el paso de corriente eléctrica entre dos superficies a través del lubricante. También puede deberse a la formación de arco eléctrico, por elevación de voltaje, en la superficie metálica. 

· Desgaste por Fretting: Producidos por deslizamientos sucesivos, de baja amplitud, entre superficies de contacto durante un gran número de ciclos. También se denomina pulido si está acompañado de micropartículas. 

· Desgaste por Cavitación: Por la formación y colapso cíclico de burbujas sobre una superficie sólida en contacto con un fluido.

Cualquier procedimiento que reduzca esta fricción y el desgaste se denomina Lubricación y cualquier material utilizado para este propósito se denomina Lubricante.

La característica principal de un lubricante es la Viscosidad, que podemos definir como la resistencia a fluir, y es la relación entre la tensión de cortadura sobre un fluido y la tasa de variación de la velocidad del fluido con respecto a la altura del fluido. Esta relación se denomina viscosidad absoluta, o viscosidad dinámica (h); al dividir esta viscosidad entre la densidad del fluido se obtiene la viscosidad cinemática (u).

Las formas en que un lubricante líquido puede reducir la fricción se denominan Regímenes de Lubricación y vienen definidos por la Curva de Stribeck, descrita por Richard Stribeck, que relaciona el Coeficiente de Fricción con el resultado de un parámetro resultante de multiplicar la viscosidad dinámica por la velocidad relativa del fluido dividido entre la carga normal sobre el objeto.

 (Curva de Stribeck, tomado de Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Lubricación Límite. El parámetro es muy bajo, lo que da como resultado una película lubricante muy fina, inferior a la rugosidad media de las superficies en contacto, por lo tanto no evita el contacto entre metales. En esta zona la fricción alcanza valores máximos. 

b. Lubricación Mixta. El parámetro es superior, dando como resultado una película lubricante fina, aproximadamente del mismo grosor que la rugosidad media, por lo que no garantiza que en algunos casos no haya contacto entre metales. En esta zona la fricción disminuye hasta aproximarse a su valor mínimo.

  

c. Lubricación Elastohidrodinámica (EHL). Se produce cuando el valor del parámetro es ligeramente superior dando como resultado una película lubricante tiene un grosor ligeramente superior a la rugosidad media. En estas condiciones se producen presiones Hertzianas que deforman de forma elástica las superficies metálicas, produciendo presiones puntuales extremadamente elevadas en el lubricante que producen un comportamiento no-newtoniano. La fricción alcanza un mínimo en este régimen de lubricación, que queda definido con la Ecuación de Cheng.

d. Lubricación Hidrodinámica. Se produce cuando el parámetro es superior dando como resultado un grosor de película lubricante muy superior a la rugosidad media, de manera que se impide el contacto entre las superficies metálicas. En esta zona el coeficiente de fricción aumenta de forma progresiva, su comportamiento que da definido por la Ecuación de Reynolds.

Además de estos regímenes se puede añadir la Lubricación Hidrostática en el que las superficies están completamente separadas por una película de un lubricante líquido o gaseoso mantenido entre las superficies por una presión externa.