Noria Corporation. Traducido por Pilar Esquivel, Noria Latín América

Publicado en la revista Machinery Lubrication (4/2017)

figura1

Los profesionales de la lubricación regularmente están familiarizados con la viscosidad del aceite base de sus lubricantes. Después de todo, la viscosidad es la propiedad más importante de una base lubricante.

Se establece la línea base para los aceites que ingresan a la planta y se monitorea la salud del lubricante basándose solo en la viscosidad. Sin embargo, los lubricantes son más que solo viscosidad. Es primordial entender la importancia de los aditivos y sus funciones dentro del lubricante.

Los aditivos son compuestos orgánicos e inorgánicos, disueltos o suspendidos (como sólidos) en el lubricante. Por lo general, están entre el 0.1 y el 30 por ciento del volumen de aceite, dependiendo de la maquinaria.

Los aditivos tienen tres roles básicos:

  1. Mejorar las propiedades existentes de la base lubricante con el uso de antioxidantes, inhibidores de corrosión, agentes antiespumantes y demulsificantes.
  2. Suprimir las propiedades indeseables de la base lubricante con el uso de depresores del punto de fluidez y mejoradores del índice de viscosidad (MIV).
  3. Impartir nuevas propiedades a la base lubricante con aditivos de extrema presión (EP), detergentes, desactivadores de metales y agentes de lubricidad.

figura2Figura 1. Roles básicos de los aditivos

Aditivos polares

La polaridad de los aditivos se define como la atracción natural direccional de las moléculas del aditivo con otros materiales polares que están en contacto con el lubricante. En términos sencillos, es cualquier cosa que el agua disuelve o se disuelve en el agua.

Una esponja, una superficie metálica, la tierra, el agua y la pulpa de madera, todos son polares. Las cosas que no son polares incluyen la cera, el teflón, la base lubricante mineral, la espalda de los patos y los repelentes al agua.

Es importante tener en cuenta que los aditivos también son sacrificiales. Una vez que se han ido, se han ido. Piense en el entorno en el que trabaja, los productos que fabrica y los tipos de contaminantes que le rodean a diario. Si está permitiendo que entren en su sistema los contaminantes que se adhieren a los aditivos, como la suciedad, la sílice y el agua, los aditivos se pegarán a los contaminantes y se asentarán en el fondo o se filtrarán y agotarán su paquete de aditivos.

Mecanismos polares

Hay algunos mecanismos polares, como envolver las partículas, emulsificar el agua y recubrir los metales, que son dignos de discusión.

Envolver partículas significa que el aditivo se adherirá a la superficie de la partícula y la cubrirá. Estos aditivos típicamente son los desactivadores de metales, los detergentes y los dispersantes. Estos últimos se utilizan para peptizar (dispersar) partículas de hollín con el fin de prevenir la aglomeración, sedimentación y depósitos, especialmente en temperaturas bajas a moderadas. Estos aditivos los observará generalmente en motores de combustión interna. Es una buena razón para reparar y eliminar cualquier problema tan pronto como se detecte a través de un adecuado paquete de pruebas del análisis de lubricante.

La emulsión con agua se produce cuando la cabeza polar del aditivo se adhiere a una microgota de agua. Estos tipos de aditivos son agentes emulsificantes. Tenga presente esto la próxima vez que observe agua en un depósito. Si bien es importante eliminar el agua, es también importante detectar la fuente de ingreso al sistema y repararla con un enfoque de mantenimiento de causa raíz, y adicionalmente debe tener en cuenta si el paquete de aditivos se ha visto afectado por dicha contaminación. En términos de lubricación, esto se conoce como agotamiento de aditivos. El reporte de un adecuado programa de análisis de lubricantes puede determinar la salud de los aditivos remanentes en el lubricante.

Recubrir los metales  es cuando los aditivos se anclan sobre las superficies metálicas, que es lo que se supone que deben hacer. Se adhieren al interior de la caja de engranajes, sobre los dientes de los engranes, cojinetes, ejes, etc.

Los aditivos que realizan esta función son los inhibidores de herrumbre, aditivos antidesgaste (AW, por sus siglas en inglés), aditivos extrema presión (EP), agentes de lubricidad e inhibidores de corrosión.

figura3Figura 2. Aditivos usados comúnmente por tipo de máquina

Los aditivos AW trabajan específicamente para proteger las superficies metálicas durante condiciones límite de operación. Forman una película de contacto dúctil, similar a la ceniza, en temperaturas entre moderadas a altas (65 a 110 grados C).

En condiciones límite, la película AW se cizalla (corta) en lugar del material de la superficie.

Un aditivo antidesgaste común es el dialquilditiofosfato de cinc (ZDDP, por sus siglas en inglés). Reduce el riesgo de contacto metal-metal, lo que puede aumentar el calor, provocar oxidación y afectar negativamente la resistencia de la película.

Ya sea que estén mejorando, suprimiendo o impartiendo nuevas propiedades a la base lubricante, los aditivos desempeñan un papel importante en la lubricación de la maquinaria. Recuerde, cuando los aditivos se han ido, se han ido, así que no olvide revisar el paquete de aditivos.

Tipos de aditivos para lubricantes

Hay varios tipos de aditivos químicos que se mezclan para mejorar, suprimir y posiblemente para agregar algunas nuevas propiedades a las bases lubricantes.

Los aditivos generalmente constituyen alrededor del 0.1 al 30 por ciento del aceite lubricante terminado, dependiendo de la aplicación.

Los aditivos para lubricantes son productos químicos costosos, y diseñar una mezcla o formulación adecuada de aditivos es una ciencia muy complicada. Es la selección de los aditivos lo que diferencia un aceite de turbina (R&O, por las siglas en inglés de Rust and Oxidation), de un fluido hidráulico, de un aceite para engranajes y de un aceite para motor.

Hay una gran disponibilidad de aditivos para lubricantes y se seleccionan para su uso dependiendo de su capacidad para realizar una función determinada. También se eligen por su capacidad para mezclarse fácilmente con las bases lubricantes seleccionadas, que sean compatibles con otros aditivos utilizados en la formulación y que sean económicamente rentables.

Algunos aditivos realizan su función sobre la base lubricante (por ejemplo, los antioxidantes), mientras que otros realizan su trabajo sobre la superficie de la máquina (por ejemplo, los antidesgaste y los inhibidores de herrumbre).

tabla-63-porciento

Aditivos convencionales

Incluyen los siguientes tipos de aditivos:

Antioxidantes

La oxidación es el ataque a los componentes más débiles de la base lubricante ocasionado por el oxígeno en el aire. Ocurre todo el tiempo a todas las temperaturas, pero se acelera a temperaturas más altas, por la presencia de agua, metales de desgaste y otros contaminantes.

Finalmente, causa la formación de ácidos (que producen corrosión) y lodos (que dan como resultado depósitos en la superficie y aumento de la viscosidad). Los inhibidores de oxidación, como también se les conoce, se utilizan para extender la vida útil del lubricante.

Son aditivos de sacrificio que se consumen mientras cumplen con su función de retrasar el inicio de la oxidación, protegiendo así la base lubricante. Están presentes en casi todos los aceites y grasas lubricantes.

Inhibidores de herrumbre y corrosión

figura4Figura 3. Cómo trabajan los inhibidores de corrosión

Estos aditivos reducen o eliminan la herrumbre y la corrosión interna al neutralizar los ácidos y formar una barrera química protectora para repeler la humedad de las superficies metálicas.

Algunos de estos inhibidores son específicos para proteger ciertos metales. Por lo tanto, un lubricante puede contener varios inhibidores de corrosión. Nuevamente, son comunes en casi todos los aceites y grasas. Los desactivadores de metal son otros aditivos inhibidores de la corrosión.

Mejoradores del índice de viscosidad

Los mejoradores del índice de viscosidad (MIV) son polímeros de alto peso molecular que previenen que el aceite se adelgace temporalmente (pierda viscosidad) a medida que aumenta la temperatura. Estos aditivos se utilizan ampliamente en la formulación de aceites multigrado para motor, como los SAE 5W-30 o SAE 15W-40.

También son responsables de un mejor flujo de aceite a bajas temperaturas, lo que reduce el desgaste y mejora el ahorro de combustible. Además, los mejoradores del índice de viscosidad se utilizan para fabricar aceites hidráulicos y de engranajes con alto índice de viscosidad para mejorar los arranques y la lubricación a bajas temperaturas.

Para visualizar cómo funciona un aditivo mejorador de índice de viscosidad, piense que se trata de un pulpo o de un resorte helicoidal que permanece enrollado a bajas temperaturas y tiene muy poco efecto sobre la viscosidad del aceite. Luego, conforme aumenta la temperatura, el aditivo (pulpo o resorte) se expande o extiende sus brazos (haciéndolos más grandes) y evita que el aceite pierda demasiada viscosidad a altas temperaturas.

Los MIV tienen un par de características negativas. Los aditivos son polímeros grandes (alto peso molecular), lo que los hace susceptibles de ser cortados por los componentes de la maquinaria (esfuerzo de corte) en pequeños pedazos. Los engranajes son notoriamente una aplicación muy severa para los MIV. El corte permanente del MIV puede causar pérdidas significativas de viscosidad, que pueden detectarse con el análisis de aceite.

Otra forma de pérdida de viscosidad se produce debido a las altas fuerzas de corte en la zona de carga de las superficies de fricción (por ejemplo, en cojinetes planos). Se cree que el aditivo que mejora el IV pierde su forma u orientación uniforme y, por lo tanto, pierde algo de su capacidad de espesamiento del aceite.

La viscosidad del aceite disminuye temporalmente dentro de la zona de carga y luego regresa a su viscosidad normal después de que la abandona. Esta característica realmente ayuda en la reducción del consumo de combustible.

Hay diferentes tipos de MIV (los más comunes son los copolímeros de olefina). Los MIV de alta calidad son menos susceptibles a la pérdida permanente de viscosidad por cizallamiento que los MIV de bajo costo y baja calidad.

Agentes antidesgaste (AW)

Estos aditivos normalmente se utilizan para proteger las piezas de la máquina contra el desgaste y la pérdida de metal durante las condiciones de lubricación límite. Son aditivos polares que se adhieren a las superficies metálicas y reaccionan químicamente cuando se produce contacto metal-metal en condiciones de lubricación mixta y límite.

Se activan por el calor de contacto para formar una película que minimiza el desgaste. También ayudan a proteger a la base lubricante y al metal del daño causado por los ácidos corrosivos de la oxidación. Estos aditivos se «agotan» al realizar su función, después de lo cual aumentará el daño por desgaste adhesivo.

Generalmente son compuestos de fósforo, siendo el más común el dialquilditiofosfato de cinc (ZDDP). Existen diferentes versiones de ZDDP, algunas para aplicaciones en sistemas hidráulicos y otras para temperaturas más altas, como en los aceites de motor. El ZDDP también tiene algunas propiedades antioxidantes e inhibidoras de corrosión. Además, otros productos químicos a base de fósforo se utilizan para la protección contra el desgaste como el tricresil fosfato (TCP, por sus siglas en inglés).

figura5Figura 4. Cómo funcionan los aditivos antidesgaste y extrema presión

Aditivos de extrema presión (EP)

Estos aditivos son más agresivos químicamente que los aditivos AW. Reaccionan químicamente con las superficies de metal (hierro) para formar una película de sacrificio que evita la soldadura y el aferramiento de las asperezas causadas por el contacto metal-metal (desgaste adhesivo).

Se activan por el contacto que se crea con altas cargas y altas temperaturas. Normalmente se usan en aceites para engranajes y dan a esos aceites un olor único y fuerte a azufre. Estos aditivos generalmente contienen compuestos de azufre y fósforo (y ocasionalmente compuestos de boro).

Pueden ser corrosivos para los metales amarillos, especialmente a altas temperaturas, y por lo tanto no deben usarse en engranajes sinfín-corona (si la corona es de bronce) y aplicaciones similares donde se usan aleaciones en base a cobre. Existen algunos aditivos EP a base de cloro, pero rara vez se usan debido a problemas de corrosión.

Los aditivos antidesgaste y de extrema presión forman un grupo grande de aditivos químicos que cumplen su función protegiendo las superficies metálicas durante condiciones de lubricación límite o escasa, formando una película protectora o una barrera sobre las superficies de desgaste.

Mientras la película hidrodinámica o elastohidrodinámica se mantenga entre las superficies metálicas en movimiento, no se producirá una lubricación límite o escasa, haciendo que estos aditivos no sean necesarios para realizar su función.

Cuando la película de aceite se rompe por alta carga o alta temperatura y entran en contacto las asperezas de las superficies, estos aditivos de lubricación límite protegen las superficies contra el desgaste.

figura6Video: El riesgo de usar aditivos EP en aceites de engranajes (en inglés)

Detergentes

Los detergentes realizan dos funciones. Ayudan a mantener las superficies metálicas calientes libres de depósitos (limpias) y neutralizan los ácidos que se forman en el aceite. Los detergentes se utilizan principalmente en aceites de motor de combustión interna y son de naturaleza alcalina o básica.

Son la base de la reserva alcalina de los aceites de motor, que se conoce como número base (BN, por sus siglas en inglés). Son típicamente sustancias químicas que contienen calcio y magnesio. En el pasado se usaron detergentes a base de bario, pero ahora rara vez se usan.

Dado que estos compuestos metálicos dejan un depósito de cenizas cuando se quema el aceite, pueden causar la formación de residuos no deseados en aplicaciones de alta temperatura. Debido a este problema de cenizas, muchos fabricantes de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) están especificando aceites con bajo contenido de cenizas para equipos que operan a altas temperaturas. Un aditivo detergente se usa normalmente junto con un aditivo dispersante.

Dispersantes

Los dispersantes se encuentran principalmente en el aceite para motor junto con los detergentes para ayudar a mantener los motores limpios y libres de depósitos. La función principal de los dispersantes es mantener las partículas de hollín del motor diésel finamente dispersas o suspendidas en el aceite (por debajo de 1 micrón de tamaño).

figura7Figura 5. Cómo trabaja el aditivo dispersante

El objetivo es mantener el contaminante suspendido y no permitir que se aglomere en el aceite, de modo que minimice los daños y se pueda drenar del motor durante el cambio de aceite. Los dispersantes son generalmente compuestos químicos orgánicos y sin cenizas. Como tales, no son fácilmente detectables con el análisis de aceite convencional.

La combinación de aditivos detergentes/dispersantes permite que más compuestos ácidos se neutralicen y que más partículas contaminantes permanezcan suspendidas. A medida que estos aditivos cumplen sus funciones de neutralizar ácidos y suspender contaminantes, eventualmente superarán su capacidad, lo cual requerirá un cambio de aceite.

Antiespumantes

figura8Figura 6. Cómo funcionan los aditivos antiespumantes

Los compuestos químicos a los que pertenece este grupo de aditivos poseen una baja tensión interfacial, lo que debilita la pared de la burbuja de aceite y permite que las burbujas de espuma exploten más fácilmente. Tienen un efecto indirecto sobre la oxidación al reducir la cantidad de contacto aire-aceite.

Algunos de estos aditivos son compuestos de silicona, insolubles en el aceite, que no se disuelven, sino que se dispersan finamente en el lubricante. Generalmente se requieren concentraciones muy bajas. Si se agrega demasiado aditivo antiespumante, puede tener un efecto inverso y promover la formación de espuma e incrementar el aire atrapado en el aceite.

Modificadores de fricción

Los modificadores de fricción se usan normalmente en aceites de motor y fluidos de transmisión automática para alterar la fricción entre los componentes del motor y de la transmisión. En los motores, el énfasis está en disminuir la fricción para mejorar la economía de combustible.

En las transmisiones, el objetivo es mejorar el acoplamiento de los materiales del embrague. Los modificadores de fricción pueden considerarse aditivos antidesgaste para cargas más bajas que no se activan por las temperaturas de contacto.

Depresores del punto de fluidez

El punto de fluidez de un aceite es aproximadamente la temperatura más baja a la que un aceite se mantiene fluyendo. A bajas temperaturas los cristales de cera que se forman en los aceites minerales parafínicos se cristalizan (se vuelven sólidos). Los cristales sólidos forman una cadena enredada que impide la fluidez del fluido.

Los aditivos en este grupo reducen el tamaño de los cristales de cera en el aceite y su interacción entre sí, permitiendo que el aceite continúe fluyendo a bajas temperaturas.

Demulsificantes

Los aditivos demulsificantes previenen la formación de una mezcla de aceite y agua o una emulsión estable al cambiar la tensión interfacial del aceite para que el agua se una (efecto de coalescencia) y se separe más fácilmente del aceite. Esta es una característica importante de los lubricantes expuestos al vapor o al agua para que el agua libre se asiente y pueda ser drenada fácilmente del depósito.

Emulsificantes

Los emulsificantes se utilizan en fluidos para el trabajo de metales a base de agua/aceite y fluidos resistentes al fuego, para ayudar a crear una emulsión estable de aceite y agua. El aditivo emulsificante se puede considerar como un pegamento que une el aceite y el agua, porque normalmente ellos querrían separarse uno del otro debido a la tensión interfacial y las diferencias en gravedad específica.

Bactericidas

Los bactericidas a menudo se agregan a los lubricantes a base de agua para controlar el crecimiento de bacterias.

Agentes de adhesividad

Los agentes de adhesividad son materiales fibrosos utilizados en algunos aceites y grasas para prevenir que el lubricante se desprenda de la superficie metálica durante el movimiento de rotación.

Para que sean aceptables tanto para los mezcladores como para los usuarios finales, estos aditivos deben poder manejarse en equipos de mezclado convencionales, ser estables durante el almacenamiento, libres de olores desagradables y no ser tóxicos de acuerdo con estándares industriales normales.

Dado que muchos son materiales altamente viscosos, generalmente se venden al formulador de aceite como soluciones concentradas diluidas en una base lubricante.

Un par de puntos clave sobre los aditivos

Más aditivo no siempre es mejor. El viejo dicho: «Si un poco de algo es bueno, entonces más de lo mismo es mejor», no es necesariamente cierto cuando se trata de aditivos para lubricantes. A medida que se mezcla más aditivo en el aceite, a veces no se obtiene ningún beneficio adicional y, en ocasiones, el desempeño esperado se deteriora. En otros casos, el rendimiento del aditivo no mejora, pero sí alarga su duración en servicio.

Lo bueno es bueno, pero no demasiado

Cuando se usan aditivos en el aceite, más no siempre es mejor. A medida que se mezcla más aditivo en el aceite, a veces no se obtiene ningún beneficio adicional y, en ocasiones, el rendimiento realmente se deteriora. En otros casos, el desempeño del aditivo no mejora, pero sí mejora su duración en servicio.

Además, aumentar el porcentaje de un determinado aditivo puede mejorar una propiedad en el aceite, pero al mismo tiempo degradar otra. Cuando las concentraciones especificadas de aditivos se desequilibran, la calidad global del aceite también puede verse afectada.

Algunos aditivos compiten entre sí por el mismo espacio en la superficie metálica. Si se agrega al lubricante una alta concentración de un agente antidesgaste, el inhibidor de corrosión puede volverse menos efectivo. El resultado puede ser un aumento en los problemas relacionados con la corrosión.

Cómo se agotan los aditivos del aceite

Es muy importante entender que la mayoría de estos aditivos se consumen y se agotan al:

  1. “Descomposición” o degradación,
  2. “Adsorción” sobre superficies de metal, partículas y agua, y
  3. «Separación» por sedimentación o filtración.

Los mecanismos de adsorción y separación implican la transferencia de masa o el movimiento físico del aditivo.

figura9Video “Los aditivos y su agotamiento”

Para muchos aditivos, mientras más tiempo permanezca el aceite en servicio, menos efectivo será el paquete de aditivos remanente para proteger la máquina.

Cuando el paquete de aditivos se debilita, la viscosidad aumenta, los lodos comienzan a formarse, los ácidos corrosivos comienzan a atacar a los cojinetes y a las superficies metálicas, y el desgaste comienza a aumentar. Si se usan aceites de baja calidad, el punto en el que comienzan estos problemas ocurrirá mucho antes.

Es por estos motivos que siempre se deben seleccionar lubricantes de alta calidad que cumplan con las especificaciones correctas de la industria (por ejemplo, las clasificaciones de servicio para aceites de motor del API). La siguiente tabla se puede usar como una guía para una comprensión más completa de los tipos de aditivos y sus funciones en las formulaciones de aceite de motor.

tabla4

Es evidente, a partir de la información anterior, que hay una gran cantidad de química en la mayoría de los aceites que se utilizan para lubricar las máquinas. Son mezclas complicadas de productos químicos que están en equilibrio entre sí y deben ser respetadas.

Es por esas razones que se debe evitar la mezcla de diferentes aceites y la adición de aditivos lubricantes adicionales.

Aditivos postventa y acondicionadores suplementarios de aceite

Hay disponibles en el mercado cientos de aditivos químicos y acondicionadores suplementarios para lubricantes. En ciertas aplicaciones o industrias especializadas, estos aditivos pueden dar lugar a una mejora en la lubricación. Sin embargo, algunos fabricantes de lubricantes suplementarios hacen señalamientos de sus productos que son exagerados, no han sido comprobados, o no mencionan un efecto secundario negativo que el aditivo pueda causar.

Tenga mucho cuidado en la selección y aplicación de estos productos, o mejor aún, evite usarlos. En primer lugar, si desea un mejor aceite, compre un mejor aceite y deje la química a las personas que saben lo que están haciendo.

A menudo, las garantías del aceite y del equipo se anulan por el uso de aditivos de postventa o suplementarios, porque la formulación final nunca ha sido probada ni aprobada. El comprador debe tener cuidado. Al considerar el uso de un aditivo suplementario para resolver algún problema, es prudente recordar las siguientes reglas:

Regla 1

Un lubricante inferior no se puede convertir en un producto Premium simplemente por la adición de un aditivo. Comprar un aceite de mala calidad e intentar superar sus pobres cualidades lubricantes con algún aditivo especial es ilógico.

Regla # 2

Algunas pruebas de laboratorio pueden ser engañadas para proporcionar un resultado positivo. Algunos aditivos pueden engañar a una prueba determinada para obtener un resultado satisfactorio. A menudo, se realizan múltiples pruebas de oxidación y desgaste para obtener una mejor indicación del desempeño de un aditivo. Luego se realizan pruebas de campo reales.

Regla # 3

Las bases lubricantes solo pueden disolver (transportar) una cierta cantidad de aditivo. Como resultado, la adición de un aditivo suplementario en un aceite que tiene un bajo nivel de solubilidad o que ya está saturado con aditivos puede significar simplemente que el aditivo se asentará fuera de la solución y permanecerá en la parte inferior del cárter o depósito. El aditivo nunca podrá llevar a cabo su función pretendida o prevista.

Si elige usar un aditivo suplementario, o antes de agregar cualquier aditivo o acondicionador de aceite a un sistema lubricado, tome las siguientes precauciones:

  1. Determine si existe un problema de lubricación real. Por ejemplo, un problema de contaminación de aceite suele estar relacionado con un mantenimiento deficiente o una filtración inadecuada y no necesariamente con una lubricación deficiente o un aceite de mala calidad.
  2. Elija el aditivo suplementario o el acondicionador de aceite adecuado. Esto significa tomarse el tiempo necesario para investigar la composición y compatibilidad de los diversos productos en el mercado.
  3. Insista en que se pongan a su disposición datos de pruebas de campo reales que respalden las afirmaciones hechas con respecto a la efectividad del producto.
  4. Consulte a un laboratorio de análisis de aceite independiente y de buena reputación. Haga analizar el aceite existente al menos dos veces antes de agregar un aditivo suplementario. Esto establecerá un punto de referencia.
  5. Después de agregar el aditivo o acondicionador especial, continúe analizando el aceite regularmente. Solo a través de este método de comparación se pueden obtener datos objetivos sobre la efectividad del aditivo.

Existe una gran controversia en torno a la aplicación de aditivos suplementarios. Sin embargo, es cierto que algunos aditivos suplementarios reducirán o eliminarán la fricción en algunas aplicaciones, como las guías de las máquinas herramientas, los engranajes de extrema presión y ciertas aplicaciones en sistemas hidráulicos a alta presión.