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Centro América y CaribeDe todos los ensayos para aceites en uso, ninguno brinda mejor repetitividad o consistencia que la viscosidad. De igual forma, no hay propiedad más crítica para le lubricación efectiva de un componente que la viscosidad del aceite base. Sin embargo, hay más acerca de la viscosidad de lo que se ve a simple vista. La viscosidad puede medirse y reportarse como dinámica (absoluta) o como cinemática. Las dos son fácilmente confundibles, pero son significativamente diferentes.
La mayoría de los laboratorios de análisis de aceite miden y reportan la viscosidad cinemática. En contraste, la mayoría de los viscosímetros en sitio miden la viscosidad absoluta, pero por lo general están programados para estimar y reportar la viscosidad cinemática, por lo que las mediciones de viscosidad reportadas reflejan números cinemáticos reportados por la mayoría de los laboratorios y fabricantes de lubricantes.
Dada la importancia del análisis de la viscosidad, aunada a la creciente popularidad de los instrumentos para el análisis de aceite en sitio para empleados para su análisis y sustitución de los laboratorios externos de análisis de aceite, es esencial que los analistas de lubricante comprenda la diferencia entre las mediciones de viscosidad absoluta y cinemática.
Dicho en forma simple, la viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir (esfuerzo de corte) a una temperatura dada. En ocasiones erróneamente se le define como el grosor (o peso). La viscosidad no es una medida dimensional, por lo que llamar a un aceite altamente viscoso como grueso y a un aceite menos viscoso como delgado es una malinterpretación. De igual forma, el reportar la viscosidad para propósitos de tendencia sin hacer referencia a la temperatura no tiene sentido. Típicamente, la viscosidad se reporta a 40°C y/o 100°C o en ambas si se requiere determinar el índice de viscosidad.
Determinación de la viscosidad
Se emplean varias unidades de ingeniería para expresar la viscosidad, pero la más común, por mucho, es el centistoke (cSt) para la viscosidad cinemática y el centipoise (cP) para la viscosidad dinámica (absoluta). La viscosidad cinemática en cSt a 40°C es la base para el sistema de clasificación de viscosidad cinemática ISO 3448, que es el estándar internacional. Hay otros sistemas para clasificar la viscosidad cinemática como Segundos Saybolt Universal (SSU) y el sistema de clasificación SAE, que miden la viscosidad en cSt ya sea a 40°C o a 100°C.
La viscosidad cinemática tradicionalmente se mide observando el tiempo que le toma al aceite para pasar a través del orificio de un capilar bajo la fuerza de gravedad (figura 1). EL orificio del viscosímetro cinemático genera una resistencia fija al flujo. Se emplean capilares de diferentes diámetros para fluidos de diferente viscosidad. El tiempo que le toma al fluido para fluir a través del capilar se convierte directamente a viscosidad cinemática empleando una constante simple de calibración propia de cada tubo. El procedimiento dominante para efectuar las mediciones de viscosidad cinemática es el ASTM D445, a menudo modificado por los laboratorios de análisis de aceite para ahorrar tiempo y hacer más eficiente el ensayo.
La viscosidad absoluta se mide como la resistencia al flujo cuando una fuerza externa y controlada (bomba, aire comprimido, etc.) empuja al aceite a través de un capilar (ASTM D4624), o un cuerpo es forzado en medio del fluido por una fuerza externa controlada, como un husillo o paleta impulsados por un motor. En cada caso, se mide la resistencia al flujo (o esfuerzo de corte) como una función de la fuerza de entrada, la cual refleja la resistencia interna de la muestra hacia la fuerza aplicada, o su viscosidad dinámica. Hay varios tipos de viscosímetros absolutos.
El método rotatorio Brookfield mostrado en la figura 2 es el más común. La medición de la viscosidad absoluta en el campo de la lubricación de maquinaria se ha empleado históricamente para investigaciones, control de calidad y análisis de grasa.
El procedimiento para analizar la viscosidad absoluta en el laboratorio por el método tradicional Brookfield está normado por ASTM D2983, D6080 y algunos otros. Sin embargo, la viscosidad absoluta en el campo del análisis de aceite usado está volviéndose más popular debido a que los viscosímetros en sitio actualmente en el mercado miden viscosidad absoluta, no cinemática. Los proveedores de viscosímetros absolutos en sitio son Cambridge, Kittiwake, CSI, Spectro y Entek.
En general, la viscosidad cinemática (cSt) está relacionada con la viscosidad absoluta (cP) en función de la densidad relativa del fluido, de acuerdo con las ecuaciones en la figura 3.
Figura 3. Ecuaciones de viscosidad
Así como se ven de simples y elegantes, esas ecuaciones son ciertas sólo para los llamados fluidos Newtonianos. Además, la densidad relativa del fluido debe permanecer constante durante el periodo de análisis de tendencia. Ninguna de esas condiciones puede asumirse como constante en el análisis de aceite usado, por lo que el analista debe estar consciente de las condiciones bajo las cuales puede presentarse.
Fluidos Newtonianos vs. No-Newtonianos
Un fluido Newtoniano puede describirse como un fluido que mantiene constante su viscosidad a través de todas las tasas de corte (el esfuerzo de corte varía linealmente con la tasa de corte). Esos fluidos se llaman Newtonianos debido a que siguen la fórmula original establecida por Sir Isaac Newton en su Ley de Mecánica de Fluidos. Sin embargo, algunos fluidos no se comportan de esta manera, y son llamados fluidos No-Newtonianos. Un grupo de fluidos No-Newtonianos conocidos como tixotrópicos son de particular interés en el análisis de aceite usado debido a que la viscosidad de estos fluidos disminuye conforme aumenta la tasa de corte. La viscosidad de un fluido tixotrópico incrementa conforme decrece la tasa de corte. Con los fluidos tixotrópicos, se puede incrementar la viscosidad aparente, como en el caso de la grasa.
Un ejemplo práctico
Imagine que tiene dos frascos frente a usted, uno lleno con mayonesa y el otro lleno con miel. Asumiendo que ambos frascos están fijos con Velcro sobre la mesa, imagínese que introduce cuchillos para mantequilla idénticos dentro de cada uno de los fluidos, con el mismo ángulo y a la misma profundidad. Imagínese moviendo los cuchillos en círculos a las mismas rpm conservando la misma inclinación. ¿Cuál de los dos fluidos es más difícil de batir? Su respuesta debería ser la miel, la cual es más difícil de batir que la mayonesa. Ahora imagine que despega el velcro de los frascos y los voltea sobre su costado. ¿Cuál fluye más rápido del frasco, la miel o la mayonesa? Su respuesta debe ser la miel; la mayonesa probablemente no fluirá con sólo voltear el frasco. ¿Cuál fluido es más viscoso, la miel o la mayonesa?
Si contestó que la mayonesa, está en lo cierto… al menos parcialmente. Del mismo modo, si contestó que la miel será parcialmente correcto. La razón de la aparente anomalía es que al rotar el cuchillo en ambas sustancias, la tasa de corte varía, mientras que al voltear los frascos sobre su costado simplemente se está midiendo la resistencia estática al flujo. Debido a que la miel es un fluido Newtoniano mientras que la mayonesa es uno No-Newtoniano, la viscosidad de la mayonesa cae conforme incrementa la tasa de corte o al rotar el cuchillo dentro de ella. La agitación somete a la mayonesa en el frasco a un esfuerzo de corte, causando que ceda a la acción de la fuerza. Por el contrario,el hecho de solo recostar el frasco sobre su costado somete a la mayonesa a un bajo esfuerzo de corte, dando como resultado poco o nulo cambio en la viscosidad, por lo que tiende a permanecer en el frasco.
Uno no puede medir convencionalmente la viscosidad de un fluido No-Newtoniano. En su lugar, debe medirse la viscosidad aparente, la cual toma en cuenta la tasa de corte a la que fue hecha la medición de la viscosidad.
Así como las mediciones de viscosidad no tienen sentido a menos que se reporte la
temperatura a la que se midió, las mediciones de viscosidad aparente no tienen sentido a menos que se reporten la temperatura y la tasa de corte. Por ejemplo, la viscosidad de la grasa nunca se reporta, en su lugar se reporta la viscosidad aparente de la grasa en centiPoises (cP). Nota: Puede reportarse la viscosidad del aceite base empleado en su manufactura, pero no la del producto terminado).
Un fluido No-Newtoniano está compuesto de una sustancia suspendida (pero no disuelto químicamente) en un fluido receptor. Para que esto pase, hay dos categorías básicas, emulsiones y suspensiones coloidales. Una emulsión es la coexistencia física estable de dos fluidos inmiscibles. La mayonesa es un fluido No-Newtoniano común, compuesta de huevos emulsionados en el aceite, el fluido receptor. Como la mayonesa es No-Newtoniana, su viscosidad cambia con la fuerza aplicada, haciéndola más fácil de untar. Una suspensión coloidal está compuesta de partículas sólidas suspendidas establemente en un fluido receptor. Muchas pinturas son suspensiones coloidales. Si la pintura fuese Newtoniana sería fácil de aplicar, pero escurriría si su viscosidad fuera baja, o se aplicaría con mucha dificultad y dejaría marcas de la brocha, pero no escurriría debido a su alta viscosidad. Dado que la pintura es un fluido No-Newtoniano, su viscosidad cambia bajo la fuerza de la brocha, pero regresa cuando se saca el cepillo de ella. Como resultado, la pintura se aplica con relativa facilidad, pero no deja marcas de la brocha y no escurre.
Enlazando los conceptos
La viscosidad absoluta determina el espesor de la película provista por el aceite. La viscosidad cinemática es simplemente un intento conveniente para estimar el grade del espesor de película que puede proporcionar el aceite., pero tiene menor significado si el fluido es No-Newtoniano.
Muchas formulaciones de lubricante y condiciones encontradas comúnmente producirán u fluido No-Newtoniano, entre las cuales están:
- Aditivos mejoradores de índice de viscosidad – Los aceites multigrado base mineral para motores (exceptuando los aceites base con alto índice de viscosidad) están formulados con un aditivo elástico que se compacta a baja temperatura y se expande en alta temperatura respondiendo a la solvencia del fluido. Debido a que la molécula de este aditivo es diferente de la mayoría de las moléculas del aceite, su comportamiento es similar al de un fluido No-Newtoniano.
- Contaminación con agua – El aceite y el agua libre no se mezclan, al menos químicamente. Pero bajo ciertas circunstancias, se combinarán para formar una emulsión, similar a la mayonesa discutida anteriormente. Quienquiera que haya visto aceite con apariencia como de café con crema puede atestiguar este hecho. Aunque esto puede parecer contradictorio, la contaminación con agua, cuando está emulsionada en el aceite, realmente incrementa la viscosidad cinemática.
- Sub-productos de la degradación térmica y oxidativa – Muchos subproductos de la degradación térmica y de la oxidación son insolubles, pero son transportados por el aceite en una suspensión estable. Dichos subproductos crean un comportamiento NoNewtonian-
- Hollín – Comúnmente encontrado en los motores a diésel, el hollín es una partícula que resulta en una suspensión coloidal en el aceite. El aditivo dispersante del aceite, diseñado para evitar la aglomeración y crecimiento de las partículas facilita la formación de una suspensión coloidal.
Si midiéramos la viscosidad absoluta de una de esas emulsiones o coloides comúnmente encontradas y descritas anteriormente con un viscosímetro absoluto de tasa variable (por ejemplo, ASTM D4741), la medición decrecería conforme incrementara la tasa de corte, hasta alcanzar un punto de estabilización. Si dividiéramos la viscosidad absoluta estabilizada entre la densidad relativa del fluido par estimar la viscosidad cinemática, el valor calculado diferiría del valor medido de viscosidad cinemática. Una vez más, las ecuaciones de la figura 3 aplican sólo para fluidos Newtonianos, no para los No-Newtonianos descritos arriba, razón por la que ocurre la discrepancia anterior.
Efectos de la densidad relativa
La viscosidad absoluta determina el espesor de la película provista por el aceite. La Mire una vez más las ecuaciones de la figura 3. Las viscosidades, absoluta y cinemática, de un fluido Newtoniano, están en función de la densidad relativa del fluido. Revise el aparato en la figura 1,el bulbo que contiene la muestra de aceite, la cual se libera cuando se elimina el vacío, produce un cabezal de presión que impulsa el aceite a través del tubo capilar. ¿Podríamos asumir que todos los fluidos producirán el mismo cabezal de presión? No, la presión es una función de la densidad relativa del fluido, o del peso relativo de un volumen idéntico de agua. La mayoría de los aceites lubricantes base hidrocarburo típicamente tienen una densidad relativa de 0.85 a 0.90. Sin embargo, este valor puede cambiar con el tiempo confirme el aceite se degrada o se contamina (glicol, agua y metales de desgaste, por ejemplo), lo que produce un diferencial entre las mediciones de viscosidad absoluta y cinemática.
Considere los datos presentados en al tabla 2. Cada uno de los escenarios es idéntico, y en ambos casos la viscosidad absoluta incrementa en un 10%, usualmente el límite condenatorio por cambio en la viscosidad. En el escenario A, el modesto cambio en la densidad relativa resulta en un ligero diferencial entre la viscosidad absoluta medida y la viscosidad cinemática. Este diferencial podría retardar ligeramente el disparo de la alarma de cambio de aceite, pero no provocará un gran error. Sin embargo, en el escenario B, el diferencial es mucho mayor. Aquí, la densidad relativa incrementa significativamente, lo que resulta en un incremento medido de 1.5 por ciento en la viscosidad cinemática, contra un incremento de 10 por ciento medido con un viscosímetro absoluto. Esta es una diferencia importante que puede llevar al analista a identificar la situación como no reportable. El error que se ha cometido es asumir en ambos escenarios que los fluidos permanecen Newtonianos.
Debido a las muchas posibilidades para formar fluidos No-Newtonianos, el verdadero parámetro de interés para el analista de lubricantes y técnico en lubricación debe ser la viscosidad absoluta. Esta es la que determina el espesor de la película de aceite y el grado en que estarán protegidas las superficies de los componentes.
Con fines de economía, simplicidad y el hecho de que los procedimientos de ensayos para lubricantes nuevos comúnmente sin replicados para el análisis de aceites usados, la viscosidad cinemática del aceite es típicamente el parámetro medido empleado para tendencia y toma de decisiones de lubricación. Sin embargo, en ciertos casos puede introducir errores innecesarios al determinar la viscosidad de un aceite. El problema puede reducirse a matemáticas simples. Como lo sugiere la ecuación de la figura 3, la viscosidad absoluta y cinemática están en función de la densidad relativa del aceite. Si tanto la viscosidad como la densidad relativa son dinámicas, pero sólo una es medida, ocurrirá un error, y la viscosidad cinemática no proporcionará una evaluación exacta del cambio en la viscosidad absoluta del fluido, el parámetro de interés. El tamaño del error es una función de la cantidad de cambio en el parámetro no medido, la densidad relativa.
Conclusiones importantes
Se pueden sacar las siguientes conclusiones de esta discusión de la medición de la viscosidad:
- Asumiendo que el laboratorio mide la viscosidad por métodos cinemáticos, el añadir la medición de la densidad relativa a un programa de análisis de aceite de rutina en laboratorio ayudará a eliminar esta como una variable al estimar la viscosidad absoluta a partir de la medición de la viscosidad cinemática.
- Al emplear un viscosímetro en sitio, no trate de encontrar un completo acuerdo entre los resultados del viscosímetro cinemático del laboratorio con los del instrumento en sitio. La mayoría de esos dispositivos miden viscosidad absoluta (cP) y aplican un algoritmo ahora estimar la viscosidad cinemática (cSt), con frecuencia empleando una densidad relativa constante. Considere llevar la tendencia de los resultados del viscosímetro en sitio en cP. Este es el parámetro que se está midiendo y ayuda a diferenciar la tendencia en sitio de la de los datos generados en el laboratorio con un viscosímetro cinemático.
No trate de encontrar un perfecto acuerdo entre las mediciones de ambos viscosímetros; es fútil y no agrega valor. Mejor, busque su correlación. Siempre determine la línea de base del aceite nuevo con el mismo viscosímetro que empleará con el aceite en operación-
- Reconozca que los fluidos No-Newtonianos no proporcionan la misma protección de película para una viscosidad cinemática determinada que un fluido Newtoniano de la misma viscosidad cinemática. Debido a que la viscosidad de un fluido No-Newtoniano variará con la tasa de corte, la resistencia de la película se debilita bajo condiciones de carga y velocidad. Esta es una de las razones por las que el agua emulsionada incrementa la tasa de desgaste en componentes como rodamientos, en donde la resistencia de película es crítica (por supuesto, el agua también causa otrosmecanismos de desgaste como la cavitación vaporosa, herrumbre y fragilización por hidrógeno).
La viscosidad es una propiedad crítica de los fluidos, y su monitoreo es esencial para el análisis de aceite. Las técnicas de medición de viscosidad absoluta y cinemática pueden producir resultados muy diferentes al analizar aceites usados. Conozca los pros y los contras de la medición de la viscosidad y que entiende el comportamiento de los fluidos para que se tomen las decisiones de lubricación correctas.
Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.