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CLASE 12

Aditivos para Proteger el Desgaste

DIPLOMADO: ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL I. PILARES DEL PROGRAMA

CLASE 12 DESGASTE

–

ADITIVOS

PARA

PROTEGER

EL

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1.- El participante identificará los compuestos químicos de los que están hechos los aditivos antidesgaste y extrema presión y usará esa información para identificarlos en el análisis de lubricante. 2.- El participante reconocerá la diferencia entre los aditivos antidesgaste y extrema presión que son orgánicos o inorgánicos y usará esta información para identificar los mediante el análisis de lubricante. 3.- El participante reconocerá cuáles de estos aditivos son activos sobre el básico y cuáles sobre la superficie de la maquinaria.

TEMA 1 – Protección al desgaste Desarrollo Los aditivos anti desgaste actúan sobre la superficie de la máquina cuando ésta se encuentra en condiciones de lubricación a película límite (donde una pequeña película de lubricante separa las superficies en movimiento). Los compuestos más usados como aditivos anti desgaste son el ZDDP (zinc/fósforo/azufre), TCP (fósforo) y ácidos grasos o carboxílicos sintetizados. Los aditivos anti desgaste como el ZDDP y el TCP reaccionan químicamente con las asperezas de la superficie metálica formando una capa protectora que evita el desgaste. Los ácidos grasos (carboxílicos) o modificadores de fricción se fijan polarmente sobre la superficie de la máquina en condiciones de baja carga, disminuyendo la ficción entre ellas, protegiendo contra el desgaste en condiciones de arranque.

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Efectos de los aditivos EP Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América Noria Corporation Publicado en la revista Machinery Lubrication (6/2012)

Los aditivos del aceite proporcionan variados beneficios, pero en algunas circunstancias pueden ser peligrosos para las máquinas en las que se emplean. Por ejemplo, en las cajas de engranajes del tipo corona-sinfín. Esas máquinas tienen engranajes compuestos de metales amarillos (típicamente bronce). Ciertos aditivos extrema presión (EP) pueden reaccionar químicamente con algunos metales más suaves, provocando desgaste prematuro e incluso hasta la falla. Las cajas de engranajes tipo corona-sinfín están compuestos principalmente de dos unidades: el sinfín y la corona. El sinfín es el que mueve a la corona. Es un rodillo con un maquinado helicoidal en su superficie que le permite engranar con los dientes de la corona para efectuar el movimiento rotatorio.

62%

de los profesionales de la lubricación usan aceites extrema presión (EP) para lubricar engranajes tipo corona-sinfín, de acuerdo con una encuesta reciente efectuada por la revista machinerylubrication.com

Esas cajas de engranajes son buenas para lograr altas relaciones de reducción, así como alto torque. A fin de incrementar esos valores, la corona se fabrica en un diámetro más grande. Mientras más grande es el diámetro de la circunferencia de la corona, mayor es la relación de reducción de velocidad y mayor el torque que se impartirá por el eje de salida. Generalmente, el sinfín se fabrica en acero, mientras que la corona está hecha de un metal amarillo. Sin embargo, en algunos casos, tanto la corona como el sinfín son de acero, o ambas son de metales amarillos. El sinfín siempre es más duro que la corona. Los metales amarillos, como lo sugiere su nombre, son de color amarillento. Son aleaciones que contienen cobre. Una definición estándar sería un tipo de latón que contiene alrededor de 60% de cobre y 40% de zinc. El bronce es otro tipo de metal amarillo. Estas aleaciones se han empelado por siglos para fabricar engranajes y otros componentes de máquinas simples. 337 © Copyright 2013. La transmisión, copia o reproducción total o parcial de este material está estrictamente prohibida y es contra la ley. Este material es para uso individual y exclusivo del alumno registrado en el diplomado.

DIPLOMADO: ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL I. PILARES DEL PROGRAMA Ensayo de corrosión de la tira (lámina) de cobre Una manera sencilla de determinar qué forma de azufre se está utilizando en su aceite EP es viendo los resultados del ensayo de corrosión a la tira (lámina) de cobre (ASTM D130). En este ensayo, se sumerge un tira de cobre en el fluido de prueba a 40°C y después a 100°C. Se saca la tira después de cada ensayo y se inspecciona la decoloración del cobre. Los resultados fluctúan desde muy poco o nulo manchado (1a) siguiendo la escala de colores, hasta manchado obscuro (4c). Si los resultados están en el área de 1b a 2a, entonces los metales amarillos de su engranaje corona-sinfín podrían estar en riesgo de ataque químico.

Imagen 1 – Estándares del ensayo de corrosión de la tira de cobre

Los aditivos EP que contienen azufre provocan el mayor daño a estos tipos de metales. Pueden emplearse dos diferentes tipos de azufre en esos aditivos. El primer tipo es el azufre activo. En este estado, el azufre reacciona con las superficies metálicas para formar un jabón metálico dúctil que se sacrifica y permite que las superficies en movimiento relativo entren en contacto con mínimo daño. El azufre activo es químicamente agresivo, y como los metales amarillos son más suaves que el acero, comenzarán a formarse picaduras y lajas por el ataque químico. El aumento en la temperatura puede incrementar la velocidad de reacción. Esto se explica por la regla de la tasa de Arrhenius, que establece que la 338 © Copyright 2013. La transmisión, copia o reproducción total o parcial de este material está estrictamente prohibida y es contra la ley. Este material es para uso individual y exclusivo del alumno registrado en el diplomado.

DIPLOMADO: ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL I. PILARES DEL PROGRAMA velocidad de la reacción química se duplica por cada incremento de 10°C (18°F) en la temperatura del aceite. El segundo tipo de azufre empleado dentro de los aditivos EP es azufre inactivo, el cual tiene menos probabilidad de fijarse a la superficie y reaccionar químicamente. El azufre activo presente en algunos aditivos EP reacciona con el cobre presente en el latón o bronce. El azufre, cuando entra en contacto con el cobre en presencia de calor, forma sulfuro de cobre. Esta simple reacción química puede tener efectos devastadores en la confiabilidad de las máquinas. En situaciones de extrema presión, puede formarse bisulfuro de cobre. Ambas formas cristalinas de cobre son muy duras y pueden causar daño abrasivo a las superficies suaves de la máquina.

Imagen 2 – Engranaje tipo corona y sinfín

Con todos los riesgos asociados con el ataque químico sobre los metales amarillos, ¿por qué fabricar engranes empleando ese tipo de metales como primera opción? El latón y el bronce son fáciles de maquinar en diferentes formas y además tienen buena dureza y resistencia. Todo esto tiene que ver con economía. Cuando toma en cuenta los costos de la materia prima y el maquinado, los metales amarillos son una alternativa costo-eficiente en comparación con el acero.

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Imagen 3 – Los aditivos EP pueden dañar a la corona, que comúnmente es de bronce.

Además, las propiedades del latón fácilmente cambian al incorporar distintos metales en la metalurgia. Por ejemplo, puede añadirse plomo para mejorar el maquinado. Para mejorar la resistencia a la corrosión, puede agregarse a la aleación aluminio o estaño. Las posibilidades son interminables para los tipos de aleaciones que puede hacerse con bronce y latón. Entendiendo algo de química y leyendo la hoja de datos del producto que introduce en sus cajas de engranajes, puede incrementar la confiabilidad. Al añadir aceites EP a cajas de engranajes con metales amarillos, recuerde revisar el resultado del ensayo de la tira (lámina) de cobre (ASTM D130) para ayudarle a predecir si habrá algún problema de compatibilidad con la

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Frase Célebre

Mito: “Adicionarle un aditivo que refuerce las propiedades de anti-desgaste y extrema presión a mi lubricante mejora la protección de la máquina” Realidad: “La adición de aditivos antidesgaste y extrema presión a un lubricante puede corroer algunos componentes

Ejemplo Los aditivos anti-desgaste trabajan en condiciones de lubricación a película límite y mixta donde se generan incrementos de temperatura moderados. Para que el aditivo reaccione con la superficie metálica y la proteja se requiere de ese incremento de la temperatura que generalmente es ocasionado cuando la película lubricante es muy pequeña o no existe. En ese momento es que el aditivo reacciona con el metal que protege y forma una película de desgaste químico que evita el desgaste mecánico de la superficie hasta que se forma la película de lubricante.

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Formato Descarga tu formato, el cual muestra la Clasificación de los aditivos más comunes de tipo automotriz e industrial.

Resumen Durante condiciones de arranque y paro y en otras condiciones de operación donde la película lubricante se ve comprometida y se requiere de un compuesto que impida que las superficies se desgasten. Los aditivos anti-desgaste cumplen con ésta función al reaccionar químicamente con la superficie de la máquina y formar una cubierta protectora.

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¿Sabías qué?

¿Sabías que los modificadores de fricción son empleados en todos los lubricantes multigrados para motores de combustión interna clasificados como ahorradores de combustible?

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Reflexiona

Recuerda que el aditivo anti-desgaste es polar y se adhiere a otros compuestos polares. Si en el lubricante hay una alta concentración de partículas de desgaste (las cuales son polares), éstas serán cubiertas por el aditivo y será un desperdicio. Cuando las partículas sean filtradas o se asienten en el fondo de la máquina se llevarán consigo a los aditivos que las cubren. Para incrementar la vida de estos aditivos, es mejor que el lubricante esté libre de partículas de desgaste.estos aditivos, es mejor que el lubricante esté libre de partículas de desgaste.

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DIPLOMADO: ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL I. PILARES DEL PROGRAMA TEMA 2 – Protección a las altas cargas Desarrollo Los aditivos para proteger contra las altas cargas (extrema presión) actúan creando una película protectora mediante una reacción química con la superficie metálica. Funcionan de la misma manera que los aditivos anti desgaste, pero en una proporción mayor para proteger a la maquinaria. Los aditivos extrema presión más comúnmente usados son a base de compuestos de azufre(S) - fósforo (P). El fósforo actúa bajo condiciones moderadas de extrema presión y el azufre en altas cargas y cargas de choque. También se utilizan aditivos sólidos como el disulfuro de molibdeno (MoS2), el grafito, compuestos de boro y el teflón. Los aditivos sólidos se introducen en las asperezas de las superficies y por su estructura molecular de bajo coeficiente de fricción y alta resistencia a las altas cargas protegen la superficie contra el desgaste.

¿Sabías qué?

¿Sabías que los aditivos EP pueden ser muy corrosivos y pueden atacar los componentes de equipos fabricados con cobre o aleaciones de este?

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El Papel de los Aditivos Extrema Presión (EP) en los Aceites para Engranajes Noria Corporation

¿Qué hacen? En la mayoría de las aplicaciones de engranajes, las cuales se caracterizan por ser lentas y altamente cargadas, existe una condición de lubricación que es, en última instancia, la responsable por la mayoría de las fallas debidas al desgaste adhesivo. Esta condición es conocida como lubricación a película límite. En esta condición no hay separación entre las superficies en contacto. La función de un aditivo de extrema presión (EP) es prevenir este desgaste adhesivo y proteger los componentes cuando la viscosidad del aceite no es suficiente para suministrar un espesor de película adecuado. ¿Cómo trabajan? Los aditivos EP son moléculas polares. Imagínense una molécula con una “cabeza” y una “cola”. La cabeza de la molécula es atraída hacia la superficie del metal, mientras que la cola es compatible con la base lubricante (oleofílica). En la medida en que la interacción metal con metal se torna más severa, debido a las grandes temperaturas y presiones (mayores cargas), la película lubricante se ve estresada bajo tales condiciones. La distancia entre las superficies ha disminuido a tal punto donde se produce rozamiento y es muy probable de que ocurra soldadura (adhesión) entre las superficies. Los aditivos tradicionales para la lubricación a película límite (por ejemplo: aditivos antidesgaste) no pueden prevenir adecuadamente el desgaste y el daño a la maquinaria, visto bajo estas condiciones de operación. Se requiere por lo tanto el uso de aditivos de extrema presión para permitir que la operación específica de esta aplicación, bajo dichas condiciones, tenga continuidad. Existen dos tipos de aditivos de extrema presión: aquellos que son dependientes de la temperatura y los que no.

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Los tipos de aditivos de extrema presión dependientes de la temperatura, más comunes son los de Boro, Cloro, Fósforo y Azufre. Estos se activan reaccionando con la superficie del metal cuando la temperatura es elevada originada por la extrema presión. La reacción química entre el aditivo y la superficie metálica es forzada por el calor generado por la fricción entre las superficies.

Reflexiona

Los aditivos de extrema presión requieren de una alta carga y un incremento de temperatura significativamente alto (arriba de 60°C debe ser a más de 100°C). Si esta carga y temperatura no se presentan, el aditivo no se activará, pero si existen componentes sensibles a la corrosión por los compuestos de este aditivo, serán afectados. Selecciona correctamente tu lubricante y no adiciones aditivos suplementarios.

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DIPLOMADO: ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL I. PILARES DEL PROGRAMA Al igual que cuando uno se frota las manos, en la medida en que las superficies metálicas entran en contacto una con otra, se genera calor por efecto de la fricción y la presión. Al reaccionar con la superficie metálica, estos aditivos forman compuestos nuevos tales como cloruros, fosfatos y sulfatos de hierro (dependiendo del compuesto utilizado). Estas sales metálicas producen una película química (tipo jabón) que actúa como una barrera para reducir la fricción, el desgaste, rayado del metal y la posibilidad de soldadura. Aquellos aditivos de extrema presión que no dependen de la temperatura, como los sulfonatos sobre-básicos, trabajan bajo un mecanismo diferente. Contienen una sal carbonatada coloidal dispersa dentro del sulfonato. Durante la interacción con el hierro, el carbonato coloidal formará una película que puede actuar como una barrera entre la superficie del metal al igual que los aditivos extrema presión dependientes de la temperatura; sin embargo, no necesitan de una elevada temperatura para comenzar a reaccionar con el metal. Básicamente, los aditivos EP son su protección contra el desgaste cuando la viscosidad, por sí sola, no es capaz de separar las superficies en movimiento. Ahora usted puede respirar tranquilo sabiendo que ha recomendado un lubricante con EP donde es requerido. ¿No es verdad?

Ejemplo Los aditivos EP son utilizados en condiciones extremas de presión y temperatura, donde reaccionan químicamente con la superficie de la máquina formando un compuesto de menor coeficiente de fricción que contribuye a controlar el desgaste en condiciones de película límite cuando la viscosidad del lubricante no es suficiente para mantener las superficies separadas y evitar el contacto metal-metal. Estos aditivos por lo general están hechos de un compuesto de azufre y fósforo que es polar. Al tener contacto con las superficies de la máquina se adhiere (también lo hace con otros compuestos polares) y forma una película protectora que se activa con el incremento de las cargas y temperatura para formar sulfatos de hierro y fosfatos de hierro que protegen del desgaste. El límite de funcionamiento de estos aditivos es de 95°C. La literatua dice que estos aditivos tienen dos rangos de temperatura. A temperatura moderada funciona el fósforo y a alta temperatura el azufre. Esta combinación de temperaturas hace que el aditivo proteja los componentes del equipo bajo condiciones de operación diferentes.

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DIPLOMADO: ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL I. PILARES DEL PROGRAMA Resumen Cuando la máquina está sujeta a condiciones de alta carga en la operación y la presencia de cargas de choque, la película lubricante se ve comprometida presentándose situaciones de lubricación límite. Estas condiciones son controladas por el aditivo de extrema presión, que se activa ante el incremento de la temperatura y reacciona con la superficie metálica de la máquina para formar una película química que controla el desgaste.

LINGOTE DE ORO 1. Durante el arranque-paro o cargas extremas, la película lubricante disminuye. 2. Los aditivos anti-desgaste y extrema presión reaccionan en la superficie de la máquina para formar películas de desgaste químico que controlan el desgaste mecánico. 3. Sin estos aditivos, la máquina quedaría desprotegida.

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Palabras Clave Aditivo anti-desgaste: Aditivo disuelto en el lubricante para prevenir el contacto metal-metal entre las superficies en movimiento cuando se presentan condiciones de lubricación mixta o límite y bajo carga y temperatura moderadas. Mejora la vida de elementos tribológicos que operan en régimen de lubricación escasa. Los compuestos anti-desgaste (ZDDP y TCP), se descomponen entre los 90 y 100°C y aún a menores temperaturas si hubiera agua. Aditivo de Extrema Presión: Aditivos de Extrema Presión: aditivos polares disueltos en el lubricante para prevenir el contacto metal-metal entre las superficies cuando se presentan condiciones de lubricación mixta o límite y bajo condiciones de carga y temperatura elevadas o cargas de impacto.

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