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LOS LUBRICANTES PARA AUTOMOCIÓN

Séptima Edición

Enero 2010

© Reservados todos los derechos Depósito Legal M-21067-1998 Séptima Edición

LOS

LUBRICANTES PARA AUTOMOCIÓN

Autor: Carlos Elizagárate Revisión 4ª, 5ª y 6ª edición: Angel González Revisión 7ª edición: Alter Evo Ingenieros

• • • • •

FABRICACION CARACTERÍSTICAS ENSAYOS ESPECIFICACIONES APLICACIONES

La publicación “LOS LUBRICANTES PARA AUTOMOCION” se edita para la formación técnica de la red comercial de VITESS y en muchas ocasiones, se ha huido del rigor científico para una mejor comprensión de su contenido. Es por ello, que rogamos a los lectores con un nivel elevado de conocimientos de la materia, no juzguen esta publicación en su vertiente técnica con un espíritu crítico demasiado severo

LUBRICANTES

DEFINICION DE LUBRICANTE.

La palabra lubricante procede del latín lubricus que significa escurridizo, resbaladizo, etc. y se aplica a aquellas sustancias que con independencia de su estado, sirven para disminuir e incluso evitar el rozamiento entre dos superficies, de las cuales, al menos una de ellas, está en movimiento. Los lubricantes se pueden presentar en diferentes estados físicos: sólido, como el bisulfuro de molibdeno o líquidos como el aceite. Hay otros en los que no se puede aplicar solamente un estado, como son las grasas, porque el estado físico varía según su consistencia (este concepto se tratará posteriormente en profundidad, cuando se consideren las grasas). Se podrían citar la consistencia 6 como ejemplo de sólido y la consistencia 000 como ejemplo de líquido. Finalmente las consistencias 2 ó 3 son ejemplo de un estado semisólido e incluso plástico.

1

Se puede resumir diciendo que los tres objetivos fundamentales de un lubricante son: •

Reducir el rozamiento para disminuir el desgaste y evitar pérdidas de potencia.

•

Actuar como agente refrigerante

•

Limpiar las impurezas

¿Qué cualidades buscamos que tenga un lubricante? •

Formar una película continua y resistente

•

Ser suficientemente fluido

•

Poco volátil

•

Estable

ACEITES LUBRICANTES.

Los lubricantes líquidos se fabrican partiendo de una base, que puede ser un aceite mineral o sintético, a la que se añaden unos aditivos que confieren al aceite las propiedades específicas que requerirá el servicio en el que vaya a ser utilizado.

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A. BASES MINERALES. A la hora de formular un aceite mineral es fundamental elegir las bases más adecuadas. •

Parafínicas En principio las más favorables debido a que tienen índices de viscosidad elevados.

•

Nafténicas Tienen menores índices de viscosidad pero a cambio tienen puntos de congelación más bajos.

El petróleo crudo se somete en las refinerías a una temperatura aproximada de 350ºC dentro una torre de destilación fraccionada. A diferentes alturas de la torre, se recogen diversos productos: en la parte más alta, los más ligeros como metano, etano, propano, butano, etc. En las extracciones intermedias y según se desciende van aumentando los pesos moleculares de los productos extraídos y se obtienen naftas, kerosenos y gasóleos. En el “horno” de la torre, en el que se introdujo el petróleo, queda una masa denominada residuo atmosférico, que se destilará una segunda vez a mayor temperatura que la anterior, sobre los 400ºC y esta vez bajo vacío.

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Es en esta segunda destilación en la que se obtendrán los productos que una vez refinados y mezclados convenientemente, nos producirán los aceites que servirán de bases minerales para la fabricación de lubricantes. El refinado consiste en someter los productos obtenidos en la torre de destilación a diversos tratamientos para mejorar algunas de sus características, como pueden ser la mejora del punto de congelación mediante la eliminación de parafinas, el aumento del índice de viscosidad reduciendo los aromáticos y nafténicos, etc. Finalmente, una mezcla equilibrada de los aceites así obtenidos, nos producirán las bases que emplearemos en la fabricación de lubricantes minerales. Aunque posteriormente se definirán las características físicas de los lubricantes, seguidamente se relacionan las que tienen las bases de uso más frecuente: BASES

SN 90 SN 100 SN 200 SN 350 SN 650

VISC. cSt 100º C 3,65 4,10 6,25 8,40 12,45

4

V.I.

P.I. ºC

92 100 99 97 96

190 193 226 253 272

B. BASES SINTETICAS. Cuando las bases se fabrican químicamente por síntesis y no se obtienen a partir de un proceso puramente físico, como es la destilación fraccionada, el producto final se denomina sintético. Las bases sintéticas más comúnmente utilizadas son: Polialfaolefinas (PAO) Poliésteres Condensados de óxidos de etileno y propileno Siliconas Etc. Estas bases presentan ventajas, que en ciertas condiciones de utilización pueden justificar su elevado precio. Son ejemplos de estas propiedades: buenos puntos de congelación, buena estabilidad térmica, elevados índices de viscosidad, etc. Estas son propiedades comunes prácticamente para todas ellas, que repercutirán en las características de los lubricantes terminados.

C. ADITIVOS. Los aditivos son los elementos que mejoran o de no tenerlas, aportan, las características específicas que requiere cada lubricante según su campo de aplicación: 5

Mejoradores del índice de viscosidad (I.V.) Depresores del punto de congelación Antioxidantes Detergentes Dispersantes Antiespumantes Desemulsionantes Antidesgastes Etc. Los objetivos fundamentales son: •

Limitar el deterioro del lubricante

•

Proteger la superficie lubricada

•

Mejorar las lubricante.

propiedades

fisico-químicas

del

La proporción en que contribuyen a la formulación del producto varía desde porcentajes muy pequeños hasta valores rondando la tercera parte del total, en función del tipo de aditivo y del aceite del que vayan a formar parte. Suelen comercializarse como paquetes de aditivos en los que se incorporan varios distintos con funciones complementarias.

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ƒ Mejoradores del índice de viscosidad Polímeros de elevado peso molecular cuyo función es proporcionar una viscosidad adecuada en un amplio rango de temperaturas ƒ Depresores del punto de congelación Compuestos que modifican el proceso de cristalización de las parafinas, rompiendo los cristales que se van formando según desciende la temperatura. ƒ Aditivos de untuosidad Disponen sus moléculas adheridas a las superficies metálicas mediante fuerzas de tipo electrostático para evitar el contacto destructivo metal-metal ƒ Aditivos de extrema presión Forman películas de gran resistencia y reducido espesor que evitan que en condiciones límite una vez que ha desaparecido la película clásica de lubricante haya contacto entre metales. ƒ Aditivos detergentes Moléculas capaces de rodear los depósitos carbonosos producidos por las reacciones de oxidación y arrancarlos de las piezas del motor. ƒ Aditivos dispersantes Las partículas arrancadas por los detergentes son mantenidas en suspensión por estos aditivos.

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D. FABRICACION. Las bases anteriormente consideradas, sintéticas o minerales, que se almacenan en grandes tanques en la parte exterior de las plantas de producción, se bombean a los reactores que se encuentran en el interior de la fábrica. Los reactores son unos grandes depósitos cilíndricos, cónicos por su parte inferior o de descarga, en cuyo interior se encuentran unos serpentines alimentados por vapor o algún otro fluido térmico, cuya misión es calentar las bases para una mejor dilución de los aditivos que se añaden a estas. Durante todo el proceso de dilución unas grandes palas que giran lentamente, agitan el líquido. Los aditivos se introducen de forma muy precisa, de acuerdo con la fórmula que tenga cada producto que se esté fabricando. En las plantas modernas esta operación está totalmente automatizada mediante complejos sistemas informáticos. Cuando el servicio responsable del control de la calidad del producto terminado realiza las analíticas establecidas y da su aprobación, el lubricante es enviado a las instalaciones de envasado.

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Fig. 1.- Reactor para la fabricación de aceite.

Fig. 2.- Las bases y los aditivos son conducidos al reactor mediante un complejo sistema de canalizaciones

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Fig.3.- Envasado del producto terminado

Fig.4.- Detalle de la unidad de envasado 10

Posteriormente y antes de proceder a la fabricación de un nuevo producto se efectúa una enérgica limpieza, tanto de los reactores, como de las conducciones por las que ha circulado el producto, para evitar posibles contaminaciones.

ACEITES. CARACTERISTICAS Y ENSAYOS QUE LAS DETERMINAN.

El primero de los aspectos físicos que hay que considerar en un aceite es su densidad, concepto este que erróneamente a veces, se confunde con viscosidad. A. DENSIDAD La densidad de un aceite, al igual que la de cualquier cuerpo físico, es la relación existente entre su masa y su volumen, es decir Masa Densidad = -----------Volumen No obstante, en el caso del aceite el asunto se complica un poco, porque se considera densidad al peso de un volumen de aceite a 60ºF (15,6ºC) dividido por el peso de igual volumen de agua.

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El valor de la densidad puede darse simplemente por el valor resultante o por grados API. Los grados API se obtienen a partir de la siguiente fórmula 141,5 Grados API = ---------- - 131,5 Densidad El valor de la densidad nos aporta información sobre la naturaleza de las bases empleadas. Se puede afirmar que los aceites parafínicos tienen menor densidad que los nafténicos y estos a su vez que los aromáticos. En todo caso, el ensayo para conocer la densidad es sencillo y se realiza directamente introduciendo un densímetro en una probeta con aceite.

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Fig.5.- Determinación de la densidad 13

B. VISCOSIDAD. Son varios los tipos de viscosidad que se pueden determinar (absoluta o dinámica, Engler, cinemática, Redwood, etc.) y consecuentemente sus unidades de medida, pero nos vamos a limitar a la viscosidad cinemática por ser la más utilizada y al ensayo ASTM DL 445 que la determina. Como definición se puede decir, que la viscosidad cinemática es el tiempo en segundos que tarda en pasar a través de un tubo capilar, una determinada cantidad de aceite a 40ºC o a 100ºC. La unidad que se emplea es el centistoke, representado cSt. En el campo práctico, se utilizan otras formas para determinar la viscosidad de un aceite. Las formas de utilización más frecuentes son: Para aceites de motor: VISCOSIDAD SAE (Society of Automotive Engineers). Escala de aceites de motor. Para engranajes: VISCOSIDAD SAE. (Society of Automotive Engineers). Escala engranajes.

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Fig.6 y 7.- Viscosímetro 15

NUMERO AGMA. (American Gear Manufacturers Association). Para engranajes industriales. Para circuitos hidráulicos: GRADOS ISO (International Standard Organization).

La viscosidad SAE, es la más frecuente en aceites de motor y mantiene las siguientes correspondencias cinemáticas:

VISCOSIDAD SAE

20 30 40 50 5W-30 10W-40 20W-50

VISCOSIDAD CINEMATICA (cSt) a 100ºC Mín. Máx 5.6 9.3 12.5 16.3 9.3 12.5 16.3

9.3 12.5 16.3 21.9 12.5 16.3 21.9

SAE ha establecido doce grados de viscosidad para aceites de motor: 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W, 20, 30, 40 (para 0W40, 5W40 y 10W40), 40 (para 15W40, 20W40, 25W40), 50 y 60.

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Los aceite monogrados vienen determinados por un solo número por ejemplo SAE 30, mientras que los multigrados son una combinación de las características de dos aceites monogrados según el modelo 10W40, indicando que para bajas temperaturas se comporta como un 10W y para altas como un 40. Aquí hay que hacer una llamada de atención a algunos mecánicos que suponen poder determinar la viscosidad de un aceite simplemente poniéndolo entre los dedos pulgar e índice y haciendo deslizar uno sobre otro. Ese ensayo organoléptico además de no indicar nada es nocivo para la salud. Las viscosidades a muy bajas temperaturas se miden en poises, unidad denominada así en honor del científico francés Dr. Poiseville. No obstante, al ser el poise una unidad excesivamente grande, se emplea más comúnmente el centipoise. Dejando a un lado el aspecto teórico de la cuestión, la duda que normalmente asalta al profesional es la temperatura mínima de trabajo en la que puede funcionar cada aceite. Esta puede estimarse en la siguiente para cada viscosidad: 0WXX sobre -35ºC 5WXX sobre -30ºC 10WXX sobre -25ºC 15WXX sobre -20ºC 20WXX sobre -15ºC 17

Estas temperaturas son estimativas y ocasionalmente pueden ser sobrepasadas en -4 ó -5ºC. Es frecuente pensar cuando se conocen los grados SAE de aceites para engranajes, que estos son muy altos de viscosidad, porque se incurre en el error de compararlos con los grados SAE del aceite de motor y ello no es así, debido a que se toman otras unidades de medida. Considerando como ejemplo el SAE 75W80 de uso muy frecuente en algunas cajas de cambio modernas, este, en lo que a viscosidad se refiere, se parecería a un SAE 5W30 de aceite de motor. El número AGMA, al igual que la viscosidad anteriormente considerada, tiene parámetros propios. Aunque no se puede tomar de forma totalmente rigurosa, el nº 1 de AGMA, se asemejaría en viscosidad a un ISO VG 46, el AGMA 2 a un ISO VG 68 y así sucesivamente. La viscosidad ISO se emplea fundamentalmente en los aceites para circuitos hidráulicos.

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GRADOS ISO

VISCOSIDAD A 40º (cSt) Mín. Máx.

VG 22 VG 32 VG 46 VG 68 VG 100 VG 150 VG 320 VG 460

19.8 28.8 41.4 61.2 90.0 135.0 288.0 414.0

24.2 35.2 50.5 74.8 110.0 165.0 352.0 505.0

En la siguiente página se incluye un cuadro comparativo de las diferentes unidades.

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Fig.8.- Tabla comparativa de viscosidades 20

C. INDICE DE VISCOSIDAD. En el punto anterior dedicado a la viscosidad, se indicaba que esta se modificaba con la temperatura: más temperatura menor viscosidad, menos temperatura mayor viscosidad. Esta variación de la viscosidad puede ser muy elevada o muy reducida y es por ello, que se ha desarrollado un sistema para determinar el valor de esa modificación de la viscosidad de un lubricante en función de la temperatura. En principio, se han tomado dos patrones de medida: • Un aceite parafínico de Pensilvania que varía muy poco su viscosidad, al modificar su temperatura, al que se ha dado un índice de viscosidad (I.V.) de 100. • Un aceite nafténico mejicano con grandes modificaciones por la temperatura, al que se ha dado un valor para I.V. de 0.

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Fig.9.- Determinación del índice de viscosidad 22

Según Dean y Davis, la determinación del índice de viscosidad (I.V.) para un aceite viene dado por la fórmula: A-B V.I. = --------- x 100 A-C En el cuadro de la página 22, se conocen los valores para A, B y C.

D. DESEMULSION. Los aceites tienen tendencia a emulsionarse con el agua y este elemento además de disminuir el poder de lubricación produce oxidaciones en los circuitos. Este fenómeno ocurre muy especialmente con aquellos lubricantes que están expuestos al agua, como pueden ser los hidráulicos. En este caso, el agua de lluvia o del propio lugar de trabajo puede mojar los vástagos, que al desplazarse pueden hacer entrar agua en el sistema. Es por ello importante que el aceite tenga capacidad para separar con facilidad el agua que pueda contener (desemulsión). Una vez que el agua se ha separado del aceite se extrae mediante purga por la parte inferior del depósito.

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El ensayo para conocer la capacidad que tiene un aceite para desemulsionar el agua, consiste en mantener en una probeta aforada 40 ml. de aceite con igual cantidad de agua destilada. Se lleva la muestra a 130ºF/180ºF (54ºC/82ºC) y se agita durante 5 minutos. Se anotan las diferentes separaciones que se producen en ml. a intervalos de 5 minutos hasta un total de tres mediciones y de esta forma se conoce la capacidad que tiene el aceite para separarse del agua. Este ensayo lo recoge la ASTM D 1401.

E. ESPUMA. Al agitarse un aceite en presencia de aire se produce espuma. Es evidente que la espuma es perjudicial, porque donde hay aire no hay aceite y esta ausencia puede originar no sólo problemas de lubricación, sino también de funcionamiento cuando se emplea en circuitos hidráulicos. El ensayo ASTM D 892 determina la espuma que forma un aceite y si esta desaparece o no con facilidad. La prueba consiste en hacer borbotear aire seco durante 5 minutos en 200 c.c. del aceite muestra. Al cabo de 5 minutos se hace una primera medición de espuma y se hace la anotación correspondiente. 24

Pasados 10 minutos se efectúa una segunda medición. Ambas anotaciones determinarán la tendencia a la formación y la estabilidad de la espuma del aceite analizado. No hay que confundir este ensayo con el de aeroemulsión de un aceite que determina su emulsión aire/aceite y su poder de “desaireación”. Este ensayo se realiza mediante una balanza especial de densidades.

Fig.10.- Espumosidad

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Fig.11.- Determinación de TBN

F. RESERVA ALCALINA (TBN). En los aceites de motor es muy importante su reserva alcalina, porque esta actúa protegiendo las partes vitales, de los ácidos que se pueden producir durante la combustión. En efecto, el azufre que puede contener el combustible se une al oxígeno del aire y forma anhídrido sulfuroso, que mediante otras reacciones en las que estará presente el agua procedente de la humedad que introducirá el aire en la cámara de combustión, llegará a producir ácido sulfúrico. 26

Este ácido sulfúrico tiene que ser neutralizado mediante un álcali, para evitar sus efectos corrosivos. Por ello, entre los aditivos del aceite se encuentran compuestos químicos que realizan esta función. Su actividad se mide por el comportamiento activo que ofrecen, el cual se compara al que tendría 1 mg. de hidróxido de potasio (KOH) en cada gramo de aceite. Por eso, cuando se indica para un aceite de motor que su TBN es 11, quiere decir que su comportamiento frente a los ácidos es el mismo que si mantuviese un contenido de 11 mg. de KOH en cada gramo de aceite. El ensayo para determinar el TBN (Total Base Number) o reserva alcalina, viene recogido en la ASTM D 2896.

G. INDICE DE ACIDEZ (TAN). Determina la totalidad de constituyentes ácidos presentes en un aceite. El TAN (Total Acid Number) se determina mediante ASTM D 974 y determina el álcali necesario para neutralizar la totalidad de los ácidos que contiene el propio aceite.

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H. PUNTO DE INFLAMACION. El punto de inflamación corresponde a la mínima temperatura a la cual es preciso calentar un aceite, para que al poner una llama (llamada piloto) próxima a su superficie, el aceite se inflame momentáneamente. Esta determinación es muy importante para conocer cómo es la combustión de un motor. Cuando un motor produce una combustión incompleta, parte del combustible no utilizado se disuelve en el aceite haciendo disminuir su viscosidad y fundamentalmente su punto de inflamación, o lo que es lo mismo, cuando un aceite tiene un punto de inflamación bajo, hay que presumir que tiene combustible disuelto por una mala combustión del motor. Es evidente, que cuando la presencia de combustible en el aceite es anormal y el punto de inflamación es bajo, el aceite debe ser sustituido inmediatamente.

I. PUNTO DE COMBUSTION. Cuando en el ensayo anteriormente descrito, se alcanza una temperatura en la que la combustión del aceite, mediante la llama piloto, es de al menos cinco segundos, se dice que el aceite ha alcanzado el punto de combustión. Este punto suele estar sobre 50ºC por encima del punto de inflamación. 28

J. PUNTO DE ENTURBIAMIENTO. Todos hemos visto que a veces en el aceite doméstico cuando hace frío, aparecen unas dendritas semejantes a unas ramas de pino. Es porque el aceite ha separado las parafinas. Se empieza a poner turbio con el frío. En los aceites industriales ocurre igual y a la temperatura en la que se inicia este proceso se denomina punto de enturbiamiento o cloud point.

K. PUNTO DE CONGELACION. En el ensayo anterior, aunque el aceite se enturbia y se separan las parafinas, aún puede fluir. Cuando el aceite deja de fluir y se hace sólido, se dice que ha alcanzado su punto de congelación. Este ensayo viene definido por ASTM D 97.

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Fig.12.- Determinación del punto de inflamación

Fig.13.- Unidad para la determinación de los puntos de congelación y de enturbiamiento. 30

L. PUNTO DE ANILINA. En determinados aceites que puedan estar en contacto con materiales de goma, como pueden ser los ATF (Automatic Transmissions Fluid) es especialmente importante conocer su punto de anilina, por determinar este punto su comportamiento en servicio frente a la goma. Este punto corresponde a la temperatura mínima en la que una determinada cantidad de anilina se disuelve totalmente en igual cantidad de aceite. Cuanto mayor sea el punto de anilina mejor será el comportamiento del aceite. Este ensayo está recogido por ASTM D 611.

M. CORROSION DEL COBRE. Es importante conocer los resultados de este ensayo para lubricantes que puedan estar en contacto con cojinetes y en general con aleaciones cúpricas, con el fin de conocer su comportamiento en servicio. En este ensayo, se somete una lámina de cobre electrolítico perfectamente pulida a la acción del lubricante, a una temperatura predeterminada. Comparando el aspecto que adquiere el cobre tratado, con los de una plantilla que sirve de patrón, se conoce el grado de corrosión producida. Este ensayo viene reflejado en ASTM D 130.

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N. EVAPORACION. Los aceites de motor, por efecto del calor están sometidos a evaporización. Ello obliga a un control periódico de los niveles. Aunque esta evaporación de forma generalizada, se da como natural, su grado se determina mediante el ensayo Noack, que consiste en someter durante 1 hora el aceite muestra, bajo vacío, a la temperatura de 250ºC. El porcentaje de pérdida que tenga indicará el comportamiento del aceite en trabajo. Evidentemente en lo que a evaporación se refiere.

O. RESISTENCIA AL DESGASTE. Algunos aceites para engranajes, hidráulicos, etc. contienen aditivos que reducen el desgaste de las superficies sobre las que actúan. Para valorar la protección que estos lubricantes ofrecen frente al desgaste e incluso frente al gripaje de las superficies hay varios ensayos, de los cuales seguidamente se describen los más usuales. • Ensayo de cuatro bolas Se disponen cuatro bolas en forma de pirámide. La superior gira sobre las otras tres que permanecen fijas. Además de girar, la bola superior está sometida a cargas que acentúan el esfuerzo de rodadura sobre las otras tres.

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Las cuatro bolas están lubricadas por el aceite objeto de estudio. En determinadas condiciones de trabajo, la bola superior provocará desgaste sobre las otras tres. La huella del desgaste dará un valor sobre la protección que ofrece el aceite. A mayor diámetro de la huella, será menor la protección del lubricante. Si el giro se realiza de forma continuada y las cargas que se aplican sobre la bola que está girando van en aumento, llegará un momento en que se provocará el efecto que técnicamente se conoce como “soldadura por fricción”. Es decir, el calor liberado llegará a fundir el metal y se unirán las cuatro bolas. La carga aplicada se denomina carga de soldadura y cuanto mayor sea esta, mayor también será la protección que aportan los aditivos EP contenidos en el aceite.

Fig.14.-Esquema del ensayo de cuatro bolas 33

Fig.15.- Máquina para el ensayo de 4 bolas

Fig.16.- Medida de la huella 34

• Ensayo Timken Bajo un flujo del aceite que se estudia, se hace girar un anillo de acero sobre un prisma también de acero, durante 10 minutos a un número de vueltas determinado, bajo cargas crecientes. La carga mínima con la que a los 10 minutos se provoca el gripado del anillo sobre el prisma, determinará el comportamiento del aceite. A mayor carga, mayor protección de los aditivos del lubricante considerado.

Fig.17.- Esquema del ensayo Timken 35

• Ensayo Vickers Este ensayo se utiliza para conocer el desgaste que producen los aceites hidráulicos sobre las partes metálicas de los circuitos. Consiste en hacer circular mediante una bomba Vickers durante un periodo de tiempo prefijado, el aceite hidráulico que se estudia. Los datos que aporta el ensayo son los porcentajes de pérdida de peso del rodete y de las paletas de la bomba. Es evidente, que a mayor pérdida de peso, el desgaste producido por el aceite será mayor. ACEITES. ESPECIFICACIONES MÁS USUALES.

Considerar las especificaciones que cumplen los lubricantes es muy importante para el utilizador, porque le da idea de los niveles de calidad, y lo es muy especialmente en los aceites de motor, por las severas solicitaciones a los que estos ya sean de gasolina o diesel, están sometidos en servicio. En muchas ocasiones, el utilizador valora el lubricante sólo por su marca, lo cual es erróneo, porque la mayor parte de los fabricantes producen lubricantes con diferentes niveles de calidad. 36

Hay muchas marcas que disponen, por ejemplo, de varios aceites para motor. Unos cumplen el servicio API: SM y otros también de la misma marca cumplen API: SH. Evidentemente, este último servicio es más antiguo y presenta unas prestaciones inferiores al API: SM. De todas las especificaciones internacionales, la americana API (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE) es la más utilizada. Simplificando mucho, se puede decir, que esta especificación de aceites de motor consta de cuatro letras separadas en dos grupos, uno empieza por la letra “S” y otro por la letra “C”. La letra “S” indica el nivel de servicio para motores de gasolina y la letra “C” para motores diesel. Es decir, el nivel API se indicaría API: SX-CY o bien API: CX-SY, según que la aplicación preferente del aceite fuese para motores de gasolina o diesel. Las letras reales que sustituyen a las que hemos indicado para los ejemplos como X o Y, serán las que verdaderamente definen el nivel de calidad del aceite. De una forma también un tanto simplificada, se puede decir que cuanto más avanzadas sean las letras que sustituirán en la realidad a X e Y, más moderna es la especificación y cumplirá requisitos más exigentes. 37

En el caso de los lubricantes para gasolina están en desuso y han quedado totalmente obsoletas desde SA a SG. SH está obsoleta desde 1997 pero se puede seguir usando si va precedida de una categoría C en vigor. Las especificaciones más recientes son SL y SM, las cuales lógicamente cumplen las exigencias API más severas. En el caso concreto de los motores diesel, las especificaciones más actuales son CH-4, CI-4 y CJ-4 (para motores diesel con filtro de partículas). Al igual que ocurría con los motores de gasolina, se siguen fabricando productos con especificación API: CF, CF-2, CF-4 y CG-4 para motores sin prestaciones excesivas. Una vez que se hace mención a las especificaciones, hay que explicar el sentido de un logotipo denominado “donut”. El “donut” es un logotipo propiedad del American Petroleum Institute, cuya utilización autoriza ese organismo para determinados productos, que están fabricados mediante formulaciones que cumplen escrupulosamente unas severas pruebas a las que son sometidos y garantiza que aquellas corresponden a las especificaciones que se indican en el propio logo.

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La concesión de la licencia de utilización del donut se obtiene después de cumplir numerosos requisitos y de establecer un compromiso oficial con API de mantener un código de trazabilidad, que le permita inspeccionar cuando desee, cada envase que contenga el producto objeto de la especificación. El amplio número de dígitos que figuran sobre cada envase es prácticamente una biografía codificada del producto, que recoge desde la formulación, planta en que se ha producido, etc. hasta la fecha en que se ha fabricado. La licencia se otorga a cada producto que cumple las exigencias y se identifica mediante su nombre comercial. Cualquier modificación, debe ser autorizada por API. Esta licencia, debe ser renovada anualmente. En la siguiente página figuran los ensayos técnicos a los que son sometidos los productos candidatos a la obtención del “donut”.

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Fig.18.Producto con “donut”

Fig.19.- Detalle del “donut” 39

40

Fig.20.- Ensayos a los que se someten las formulaciones candidatas a la obtención del “donut” 41

También son de frecuente utilización, aunque oficialmente ya están fuera de vigor, las especificaciones europeas CCMC (Comité des Constructeurs du Marché Commun) que han sido sustituidas por las también europeas ACEA (Association des Constructeurs Européens de l´Automobile). Las especificaciones CCMC vienen definidas por un número a continuación de la letra que indica el tipo de motor para el que están consideradas: D (motores diesel pesados), PD (motores diesel ligeros) y G (motores de gasolina). Los máximos niveles que contemplan las especificaciones se relacionan en la página siguiente. NIVELES MAXIMOS DE LA ESPECIFICACION Diesel pesado:

D-5

Diesel ligero:

PD-2

Gasolina:

G-4.

Aquí se puede añadir también simplificando mucho que G-4 pasaría a G-5 si la viscosidad SAE del lubricante es 5WXX o 10WXX. Para 15W, ya sería necesariamente G4, aunque la formulación respondiese a los más elevados niveles de calidad.

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Las modernas especificaciones europeas ACEA, que han reemplazado a las anteriores CCMC, venían definidas hasta la edición de 2002 por las letras A (motores de gasolina), B (motores diesel ligeros) y E (motores diesel pesados). En la última edición correspondiente a 2004, se unifican las categorías A y B creando una única categoría para vehículos ligeros y aparece una nueva C para los últimos y futuros vehículos gasolina y diesel con catalizadores y sistemas postratamiento. Existe el documento ACEA EUROPEAN OIL SECUENCES que define de forma precisa los requerimientos de cada una de las especificaciones europeas, pero su contenido se podría simplificar, evidentemente dejando a un lado gran parte de rigor científico de la forma que se indica en la siguiente página. A/B. Motores de gasolina y diesel ligero. Las especificaciones de 2008 recogen las siguientes categorías: A1/B1-08, A3/B3-08, A3/B4-08 y A5-B5-08. A1/B1-08.- Aceites de baja viscosidad y baja fricción, estos aceites pueden ser no utilizables por algunos motores. A3/B3-08.- Para vehículos de altas prestaciones y/ó largos intervalos de cambio de aceite y/ó condiciones de funcionamiento severas. 43

A3/B4-08.- Para uso en vehículos de gasolina de altas prestaciones y en diesel de inyecciones directas pero también válidas para las aplicaciones descritas en la categoría anterior. A5/B5-08.- Aceites de baja viscosidad y baja fricción que permitan periodos de cambio prolongados, estos aceites pueden ser no utilizables por algunos motores. C (Catalyst compatibily oils) Aceites compatibles con catalizadores para motores de gasolina y diesel con tratamiento de los gases de escape. C1-08.- Para vehículos con catalizadores DPF (Diesel Particle Filter) y TWC (Three ways catalyst) que requieran viscosidades bajas. Estos aceites incrementaran la vida del DPF y del TWC y proporcionan ahorro de combustible. Los lubricantes que cumplan esta especificación pueden no ser válidos para algunos motores. C2-08.- Para vehículos con catalizadores DPF (Diesel Particle Filter) y TWC (Three ways catalyst). Estos aceites incrementaran la vida del DPF y del TWC y proporcionan ahorro de combustible. Permiten contenidos en SAPS superiores a los C1. Los lubricantes que cumplan esta especificación pueden no ser válidos para algunos motores.

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C3-08.- Para vehículos con catalizadores DPF (Diesel Particle Filter) y TWC (Three ways catalyst). Estos aceites incrementaran la vida del DPF y del TWC. Los lubricantes que cumplan esta especificación pueden no ser válidos para algunos motores. C4-08.- Para vehículos con catalizadores DPF (Diesel Particle Filter) y TWC (Three ways catalyst). Estos aceites incrementaran la vida del DPF y del TWC. Los contenidos en SAPS son más restrictivos que los C4. Los lubricantes que cumplan esta especificación pueden no ser válidos para algunos motores. E (diesel pesado) E4-08.- Motores que cumplan con los requerimientos EURO 1, EURO 2, EURO 3 y EURO 4 que funcionen bajo muy severas condiciones p.ej. intervalos de cambio de aceite significativamente extendidos. Válido para motores sin filtro de partículas y para algunos motores EGR (recirculación de gases de escape). E6-08.- Motores que cumplan con los requerimientos EURO 1, EURO 2, EURO 3, EURO 4 y EURO 5 que funcionen bajo muy severas condiciones p.ej. intervalos de cambio de aceite significativamente extendidos. Válido para motores con EGR con y sin filtro de partículas y para motores equipados con sistemas de reducción de NOx. Recomendada para motores con filtro de partículas. 45

E7-08.- Motores que cumplan con los requerimientos EURO 1, EURO 2, EURO 3, EURO 4 y EURO 5 que funcionen bajo muy severas condiciones p.ej. intervalos de cambio de aceite significativamente extendidos. Válido para motores sin filtro de partículas y para la mayoría de motores EGR y la mayoría de motores equipados con sistemas de reducción de NOx E9-08.- Motores que cumplan con los requerimientos EURO 1, EURO 2, EURO 3, EURO 4 y EURO 5 que funcionen bajo muy severas condiciones p.ej. intervalos de cambio de aceite significativamente extendidos. Válido para motores con EGR con y sin filtro de partículas y para motores equipados con sistemas de reducción de NOx. Recomendada para motores con filtro de partículas.

Además algunos fabricantes de automóviles incluyen sus propios requerimientos para los aceites lubricantes de sus motores, algunas de especificaciones más destacables son: Mercedes Benz MB 228.3.- Para diesel pesado. Cambios prolongados de aceite, 40.000 km. teóricos. MB 228.5.- Para aceites sintéticos de diesel pesado. Cambios teóricos extremadamente largos, 100.000 km. 46

MB 228.51.- Para aceites sintéticos de diesel pesado con filtro de partículas. Cambios teóricos extremadamente largos, 100.000 km. MB 229.1.- Nivel normal para turismos gasolina y diesel MB 229.3.- Nivel para turismos gasolina y diesel larga duración, exclusiva de bajas viscosidades, válida para inyección directa, implica ahorro de combustible. MB 229.31.- Nivel para turismos gasolina y diesel con filtro de partículas y larga duración, exclusiva de bajas viscosidades, válida para inyección directa, implica ahorro de combustible. MB 229.5.- Nivel para turismos gasolina y diesel de altas prestaciones y larga duración, exclusiva de bajas viscosidades, válida para inyección directa, implica ahorro de combustible. MB 229.51.- Nivel para turismos gasolina y diesel de altas prestaciones con filtro de partículas y larga duración, exclusiva de bajas viscosidades, válida para inyección directa, implica ahorro de combustible.

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Volkswagen Motores de gasolina: VW 500.00.- Norma clásica para viscosidades bajas, 5W y 10W. VW 501.01.- Análoga a la anterior para viscosidades altas. VW 502.00.- Para bajas viscosidades, mejora a la 500.00 VW 503.00.- Viscosidad SAE 0W30, baja viscosidad y largos periodos de cambio (~ 30.000 km.) VW 503.01.- Exclusivamente para motores AUDI de muy altas prestaciones: 200 CV, cambios extremadamente espaciados, 30.000 km., por el momento solo se homologan marcas que sean proveedoras del grupo. VW 504.00.- La última especificación de VW, lubricantes SAE 5W30, largos periodos de cambio (~ 30.000 km.). Estos lubricantes pueden utilizarse cuando se requieran alguna de las especificaciones anteriores. Motores diesel ligero: VW 505.00.- Norma clásica que sigue vigente, para diesel convencional, turbo diesel y TDI con bomba inyectora siempre que no sobrepasen los 110 CV. 48

VW 505.01.- Específica para motores diesel con turbo e inyector-bomba de gran potencia por encima de los 110 CV, para el resto la norma sigue siendo la 505.00 VW 506.00.- Viscosidad SAE 0W30, baja viscosidad y largos intervalos de cambio (~ 50.000 km.). No válida para motores con inyector bomba VW 506.01.- Viscosidad SAE 0W-30, baja viscosidad y largos intervalos de cambio. Motores de altas prestaciones y motores con inyección directa e inyectorbomba. VW 507.00.- La última especificación de VW, lubricantes SAE 5W30, largos periodos de cambio (~ 50.000 km.) y filtro de partículas. Estos lubricantes pueden utilizarse cuando se requieran alguna de las especificaciones anteriores, excepto en algunos casos en los que se requiere VW 506.01. Muchos otros fabricantes incorporan sus propias normas: BMW, VOLVO, MAN, MACK, SCANIA, RENAULT... También dentro del capítulo de especificaciones de lubricantes para automoción hay que considerar la clasificación API para engranajes, la cual, evidentemente, difiere de la API para aceites de motor.

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En principio, aunque esta clasificación recoge desde API: GL-1 a API: GL-6, la realidad es, que las utilizadas en la actualidad son las API: GL-4 y API: GL-5, aunque aún algunos fabricantes sigan produciendo, por razones de precio y necesidades de baja aditivación, el nivel de calidad API: GL-3. Dejando a un lado las clasificaciones que ya no se utilizan, seguidamente se relacionan las características y aplicaciones de esta clasificación API: GL-3.- Engranajes cilíndricos y cónicos que trabajen bajo esfuerzos moderados de carga y velocidad. Lubricante con muy baja aditivación EP. GL-4.- Todo tipo de engranajes incluidos los hipoides que trabajen a cargas moderadas y baja velocidad o viceversa, baja carga y alta velocidad. Compatible con metales blandos, contenido intermedio en aditivos EP. GL-5.- Cargas muy severas y velocidades altas y bajas en todos los engranajes y en especial de los hipoides. No es compatible con metales blandos, contenido muy elevado en aditivos EP. GL-6.- Aceites muy especiales para hipoides en condiciones de deslizamientos constantes

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Los aceites hidráulicos, pueden ser contemplados tanto como industriales (prensas, plegadoras, etc.), como aceites de automoción (maquinaria de obras públicas, agrícola, etc.) y es por ello que se incluyen en este capítulo. Las clasificaciones más usuales las ofrecen la norma alemana DIN 51524 y la norma internacional ISO que determinan diferentes categorías según su nivel de aditivación, de los cuales los más habituales son: DIN HL (ISO HL) .- Además de cumplir con su principal misión de transmisión de movimiento, contienen elementos en su formulación que aportan protección al circuito, frente a oxidaciones por el agua, que accidentalmente pueda entrar. Se emplean muy poco. DIN HLP (ISO HM).- Son iguales a los anteriores pero se les añaden elementos antidesgaste, normalmente compuestos de zinc. Son los más utilizados. DIN HVLP (ISO HV).- Estos pertenecen claramente al terreno industrial y están indicados especialmente para aquella maquinaria que trabaje a elevadas temperaturas, porque poseen altos índices de viscosidad.

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GRASAS.

Las grasas, según se ha indicado anteriormente, son lubricantes sólidos, semisólidos y líquidos, obtenidos al espesar un aceite con jabón. Las características y evidentemente el campo de aplicación de cada grasa, dependen del tipo y proporción del aceite y el jabón empleados, y de los aditivos que se le añaden. El comportamiento de la grasa en la lubricación es comparable al de una esponja que estuviese embebida de aceite y lo fuese soltando lentamente durante el trabajo. En función del tipo de jabón que se utilice, la grasa puede ser: cálcica, lítica, alumínica, etc., o compleja, si se obtiene con una mezcla de jabones diferentes. Las grasas cálcicas y alumínicas resisten muy bien los efectos del agua pero no soportan bien las temperaturas elevadas Las grasas sódicas aguantan bien las temperaturas altas pero son barridas por el agua. Las grasas líticas y de bario conjugan el soportar altas temperaturas y el resistir el agua. Las líticas mejoradas con disulfuro de molibdeno proporcionan unas propiedades EP al actuar este compuesto como lubricante límite en ausencia de la grasa. 52

A. FABRICACION. La primera de las operaciones para fabricar las grasas es la denominada saponificación, mediante la que se obtiene el jabón que servirá de espesante del aceite. Esta operación puede realizarse en una caldera o saponificador a la presión atmosférica o en un autoclave bajo presión, pero siempre a una determinada temperatura en función del tipo de jabón que se esté fabricando. Este jabón se lleva a cocción, y se le añade aceite lentamente, hasta la proporción deseada. En todas estas operaciones se somete la masa a una agitación o batido continuo, mediante unas palas que mueven dos ejes concéntricos y que giran muy lentamente en contrasentido unas de otras. Es decir, si la primera fila de palas gira a derechas, la segunda lo hará a izquierdas y así sucesivamente. Una vez que se ha añadido el aceite en el porcentaje deseado, se incorporan los aditivos que mejorarán las características de la grasa. Finalmente se homogeneizará y molerá. Con estas operaciones y después del obligado control de calidad, si este da resultados correctos, la grasa queda preparada para su envasado.

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Fig.21.- Caldera o saponificador

Fig. 22.Homogeneización de la grasa

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GRASAS. CARACTERISTICAS Y ENSAYOS QUE LAS DETERMINAN.

Dejando a un lado la naturaleza del jabón espesante del aceite que será en definitiva el que determinará la aplicación de la grasa (véase la página 52) y comenzando por los aspectos físicos de las mismas, el primero que hay que mencionar es su consistencia o resistencia a la penetración. Aún es frecuente la denominación generalizada de algunos mecánicos para este lubricante como grasa consistente.

A. CONSISTENCIA/PENETRACION. Para conocer la consistencia de una grasa o lo que es lo mismo, su dureza, se realiza un ensayo, que consiste en la penetración de la misma mediante un cono de acero con un ángulo en su vértice de 30º sometido a una carga de 150 gramos. El ensayo, que se efectúa a 25ºC, mide las décimas de milímetro de penetración del cono, el cual, como se ve en la representación del esquema, está coronado por un tronco de cono con un ángulo en el vértice de 90º.

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Fig.23.- Esquema de cono de penetración El ensayo ASTM D 217 define el modo de realizar la determinación: Primeramente, se introduce la grasa en un recipiente y mediante una espátula se alisa la parte superior del mismo. 56

Posteriormente, se hace coincidir la punta del cono con la superficie alisada y se “dispara” la carga. Todo ello, manteniendo la temperatura de 25ºC. Finalmente, transcurridos 5 segundos se miden las décimas que ha penetrado el cono en la grasa. Debido a que en el campo práctico se utiliza más el número NGLI (National Lubricating Grease Institute) o consistencia, que la penetración conocida mediante lectura directa del anterior ensayo, hay que llevar los datos obtenidos a la tabla de conversión siguiente. GRADOS DE CONSISTENCIA N.L.G.I.

Penetración A.S.T.M. mm/10

Tipo de grasa

Nº N.L.G.I.

445-475 400-430 355-385 310-340 265-295 220-250 175-205 130-160 85-115

Semifluida Semifluida Muy blanda Blanda Blanda media Media Dura Muy dura Muy dura

000 00 0 1 2 3 4 5 6

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La penetración y evidentemente la consistencia, varían con el trabajo mecánico. Por eso, para conocer el comportamiento en servicio de una grasa, la penetración debe ser medida antes y después de trabajar esta. En el laboratorio se hace trabajar la grasa, mediante una máquina que está compuesta por un cilindro parecido al de un motor de explosión, en cuyo interior se introduce el lubricante, la pieza que equivaldría al pistón es una chapa perforada, que mediante una excéntrica y una biela, se desplaza longitudinalmente en ambos sentidos, extrusionando la grasa a través de unos orificios que posee, cuyos diámetros y números se indican seguidamente. El ensayo ASTM 217 A se divide en dos partes: 1.- La chapa perforada, que utiliza la máquina anteriormente descrita, tiene 51 taladros de 1/4” de diámetro. Esta placa se desplaza longitudinalmente 60 veces. Posteriormente se mide la profundidad alcanzada por el cono que corresponderá con la penetración a 60 golpes. 2.- Sustituyendo la chapa perforada por otra con 270 taladros de 1/16” de diámetro se realiza el mismo desplazamiento, pero en esta ocasión, 10.000 veces.

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59 Fig.24.Aparato para medir la penetración

Fig.25.- Máquina para trabajar la grasa a 60 y a 10.000 golpes

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La medida de la profundidad del cono corresponderá a la penetración a 10.000 golpes. Si el aumento de la penetración entre ambas mediciones es superior a 30%, el comportamiento de la grasa es aceptable. Si es menor a 15%, puede considerarse ya de estabilidad buena y si es inferior a 5% la grasa puede considerarse excelente. Otra forma de hacer trabajar la grasa, para conocer su estabilidad frente al trabajo mecánico, es la que se realiza con el aparato denominado SHELL ROLLER. Este aparato está formado por un cilindro hueco, al que hace girar un motor a 160 vueltas por minuto. En el interior, se pone juntamente con la grasa un cilindro de acero de menor diámetro que el cilindro hueco. Al girar el cilindro exterior, el interior también gira y produce un efecto de laminado sobre la grasa. El aparato se mantiene en giro durante 4 horas, al cabo de las cuales se realiza una medición de la penetración. Por efecto del trabajo mecánico al que ha sido sometida la grasa, la penetración habrá variado. De forma general, se puede considerar aceptable el comportamiento de una grasa que tiene hasta 50% de variación entre la penetración de la grasa nueva y la que tiene después de haber trabajado, pero indudablemente, será mejor la grasa cuanto menor sea la variación.

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Fig. 26.- Principio del ensayo SHELL ROLLER

B.- RESISTENCIA A LA OXIDACION. La grasa debe mantener sus características en el trabajo y no oxidarse por estar expuesta durante un periodo prolongado de tiempo a la acción del oxígeno del aire. El ensayo de resistencia a la oxidación viene determinada por ASTM D 942. El aparato para realizar este ensayo consiste en un recipiente hermético, muy parecido a un autoclave, en cuyo interior hay 5 bandejitas sobre cada una de las cuales se deposita 4 g. de muestra. 61

Se introduce oxígeno, mediante una bomba, en el recipiente hasta que este alcanza una presión de 100 libras por pulgada cuadrada (psi, pound-force/square inch). El conjunto se mantiene a una temperatura de 98ºC (208,4ºF) durante 24 horas y se anota la presión del oxígeno en el recipiente, presión que se volverá a anotar nuevamente a las 100 horas de haber medido la primera. Es evidente, que el oxígeno que se combina con la grasa, al dejar de estar en forma de gas, provoca una pérdida de presión en el recipiente. Cuanto menor sea esta pérdida de presión la grasa será más estable. De forma generalizada se consideran muy buenos los valores de pérdida de hasta 5 psi. Son buenos los comprendidos entre 5 y 10 psi. Regulares, hasta 15 psi y francamente malos los que superen los 15 psi.

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Fig.27.- Esquema de la máquina para ensayo de oxidación 63

C. PUNTO DE GOTA. Se da esta definición a la mínima temperatura a la que la grasa pasa de estar en el estado plástico que tiene, al estado líquido. El ensayo para conocer el punto de gota viene definido por ASTM D 566. El aparato para realizarlo consiste básicamente en un pequeño recipiente con un taladro en su fondo, en el que juntamente con la muestra de grasa se encuentra alojado un indicador de temperatura. Todo el conjunto se encuentra introducido en un baño que se va calentando lentamente. Cuando a través del orificio inferior del recipiente cae la primera gota líquida, se comprueba la temperatura y se considera esta como el punto de gota de la grasa analizada.

Fig.28.- Detalle del ensayo del punto de gota 64

D. SEPARACION DE ACEITE. Es evidente que las grasas deben ceder lentamente el aceite que contienen porque precisamente en esa cesión se basa su poder de lubricación, pero no es conveniente que esta separación de aceite sea excesiva y mucho menos en condiciones estáticas o por temperatura. El ensayo para conocer el aceite que cede o separa estáticamente una grasa viene definido en la ASTM D 1742. Consiste en someter 10 g. de grasa durante 50 horas a 100ºC de temperatura, en una estufa de laboratorio y en pesar el aceite que se ha separado. El ensayo es sencillo: la grasa se deposita en un cono realizado con una malla metálica fina y este cono sobre un vaso de precipitado cuyo peso vacío se conoce. Después de sometido el conjunto al tiempo y temperatura indicados se deja enfriar y posteriormente se pesa el vaso con el aceite. Evidentemente la diferencia entre esta pesada y la del vaso vacío, será el peso del aceite separado.

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Además de los ensayos que se han indicado en este capítulo dedicado a las grasas, existen otros muchos como pueden ser: pérdidas por evaporación, resistencia al lavado, etc., pero estos, ya más específicos y para determinadas aplicaciones especiales.

En todo caso, si hay que resaltar por su importancia el ensayo de 4 bolas, que ya fuera considerado en el capítulo dedicado a los lubricantes líquidos (véase página 32).

Madrid, Enero de 2010

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