GRASAS

Por:

PEDRO ALBARRACIN AGUILLON INGENIERO MECANICO UdeA ENERO 29 DE 2003

MEDELLÍN - COLOMBIA

Una grasa es un producto que va desde sólido hasta semifluido y se obtiene por la dispersión de un agente espesante (jabón metálico) en un líquido lubricante (aceite base). La composición de la grasa se puede definir como:

El aceite le confiere a las grasas sus características lubricantes y el espesador le da determinadas propiedades físicas, tales como la capacidad de soportar altas temperaturas, humedad, ácidos y otros tipos de contaminantes. Se podría decir que una grasa es una especie de esponja (espesador), saturada de aceite, que a medida que trabaja lo dosifica sobre el mecanismo que está lubricando.

Las grasas poseen coeficientes de fricción más bajos que los aceites que se utilizan en su fabricación, especialmente cuando en el mecanismo lubricado se presentan condiciones de lubricación límite ó EHL; por lo tanto, para estas condiciones de lubricación se consume menos energía por fricción cuando se lubrica con grasa que con aceite.

En la tabla No1 se comparan los coeficientes de fricción combinado (fc) ó EHL del aceite base y de varios tipos de jabón utilizados en la fabricación de grasas lubricantes.

Tabla No 1
Coeficientes de fricción combinado (fc) del aceite y de varios tipos de jabón utilizados en la fabricación de grasas lubricantes a 38°C

En la mayoría de los casos, los rodamientos lubricados con grasa consumen menos potencia que cuando se lubrican con aceite, lo que a su vez hace que la temperatura de operación sea menor. En una fabrica, en donde hayan muchos rodamientos lubricados con grasa, el ahorro de energía puede ser significativo, así por ejemplo, un rodamiento de rodillos de 100 mm de diámetro exterior girando a 1.800 rpm consumirá aproximadamente 0,11 Kw lubricado con grasa y 0,33 Kw si se hace con aceite. Por consiguiente la grasa es el camino más eficaz y económico para reducir el consumo de energía y el desgaste en los mecanismos lubricados.

La fabricación de la grasa consta de los siguientes procesos:

· Saponificación: es la preparación del jabón en un saponificador ó autoclave, a una presión entre 2 y 6 bares y a una temperatura entre 80° y 250°C, dependiendo del tipo de jabón metálico.
· Cocción: es el proceso de calentamiento progresivo y controlado, en el cual se le añade el aceite al espesador, según la clase de grasa que se esté fabricando. En este proceso se le extraen los vapores a la mezcla de aceite y espesador y se le ajusta la alcalinidad.
· Enfriamiento: durante este proceso se adiciona más aceite hasta lograr la penetración deseada, se agita la mezcla y se agregan colorantes y aditivos.
· Desaireación y alisado: se homogeniza la grasa al vacío en un molino coloidal y se lamina.

COMPONENTES DE LA GRASA

Aceite base

El aceite base utilizado en la fabricación de la grasa se selecciona con las mismas características del que se requeriría si el mecanismo fuese lubricado con aceite. Básicamente se utilizan los aceites de tipo parafínico y nafténico; este último se utiliza ampliamente para grasas que trabajan a bajas temperaturas, por su fluidez y por su habilidad para combinarse con el jabón.

La viscosidad dinámica del aceite base oscila entre 12 y 190 cSt a 40°C. Los de baja viscosidad se utilizan en grasas para aplicaciones de baja temperatura y velocidades altas, mientras que los de alta viscosidad se emplean para condiciones de baja velocidad, cargas altas y de impacto. La relación viscosidad-temperatura del aceite base es importante para aquellas condiciones de operación donde hay fluctuaciones de temperatura.

Los aceites sintéticos se utilizan en grasas que trabajan en condiciones extremas de alta ó baja temperatura y generalmente se utilizan con espesadores de jabón de litio. Cuando el espesador y el aceite base de la grasa son sintéticos, su uso se reduce solamente a equipos que trabajan bajo condiciones extremas.

Espesadores

Los espesadores ó jabones de las grasas se fabrican a partir de una base metálica que puede ser calcio, sodio, litio, aluminio, bario, etc, que es sometida a un proceso de calentamiento en donde se le añaden ácidos grasos ó hidróxidos. El espesador se mezcla con el aceite en un agitador y la mezcla resultante se calienta de nuevo. Durante la reacción se produce glicerina y agua, ésta se vaporiza, quedando solamente la glicerina, la cual ayuda a que el espesador se solubilice en el aceite. Una vez solubilizado éste, la mezcla se enfría, y el espesador pasa a estado de cristalización, en la forma deseada. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento y del medio en el cual se lleve a cabo, se obtiene la estructura de la grasa, la cual puede ser de fibra corta, media ó larga. Esta estructura permite utilizarla para cada caso en particular. El tipo de fibra se puede determinar por medio del microscopio.

Las propiedades de los espesadores dependen de las bases metálicas ó jabones utilizados. La reacción química para la formación del espesante a partir de una base metálica es siguiente:

Tipos de espesadores

Los espesadores más utilizados y el comportamiento de las grasas en las cuales trabajan son:

· Sodio: presentan una contextura fibrosa, un buen rendimiento a temperaturas moderadamente altas, soportan mayor batimiento, vibración y agitación sin sufrir ninguna alteración ó separación. Poseen buena resistencia a la oxidación. La temperatura de goteo es aproximadamente de 195°C, para un contenido de jabón metálico entre un 14 y un 18%. Se recomiendan para una temperatura máxima de operación continua comprendida entre 0° y 80°C. Se descomponen fácilmente con el agua. Presentan un buen desempeño en la lubricación de los rodamientos de los motores eléctricos. Las grasas de baja consistencia se utilizan en la lubricación de máquinas textiles, debido a que se pueden remover fácilmente del producto terminado, durante los procesos de lavado.
· Calcio: contienen agua de hidratación, la cual utilizan para su estabilidad. Son resistentes al efecto del lavado por agua, sin embargo no la absorben y esto hace que sus propiedades anticorrosivas sean deficientes y sea indispensable recubrir totalmente los mecanismos lubricados. Se recomiendan donde las condiciones de batido, vibración y agitación no sean críticas. Se emplean entre -10°C y 55°C para un contenido de calcio entre 21 y 25%. Las frecuencias de relubricación son cortas.
· 12-hidroxyestearato de calcio: no utilizan agua de hidratación y se recomiendan para aquellas aplicaciones donde la grasa puede estar accidentalmente en contacto con alimentos. Se utilizan hasta temperaturas máximas de operación de 121°C.
· Complejos de calcio: le confieren a la grasa propiedades de Extrema Presión sin necesidad de agregarle este tipo de aditivo. El estearato acetato de calcio y las sales de ácido ácetico se emplean como modificadores de los jabones de calcio. El punto de goteo está sobre los 250°C; sin embargo este tipo de grasas se endurecen a bajas temperaturas.
· Litio ó multipropósito: tiene un rango de trabajo comprendido entre -20° y 80°C, para un contenido máximo de litio entre 9-11%. Poseen buen resistencia al lavado por agua, pero no ofrecen una protección adecuada contra la corrosión. Las que contienen estearato de hidróxido de litio son especialmente útiles para condiciones de alta temperatura y ambientes húmedos. Se conocen también como grasas de uso múltiple ó multipropósito y sustituyen a las de calcio y de sodio.
· Complejas de litio: presentan puntos de goteo hasta de 250°C, excelente estabilidad mecánica y muy buena resistencia al lavado por agua.
· Aluminio: poseen buena resistencia al lavado por agua, buenas características antiherrumbre y excelente adhesividad. Se emplean hasta 77°C. Su alto costo limita su uso.
· Compleja de aluminio: poseen elevados puntos de goteo y alta resistencia al lavado por agua, muy buena bombeabilidad debido a su estructura fibrosa corta y buena estabilidad mecánica.
· Bario: fueron las primeras grasas multipropósito utilizadas debido a su buena estabilidad a las altas temperaturas y a su resistencia al lavado por agua. La temperatura máxima permisible de trabajo es de 100°C. Debido A su alto contenido de jabón, no se recomienda su utilización en sistemas centralizados de grasa ya que los pueden obstruir.
· Base mixta: sus propiedades dependen del porcentaje de sus componentes, así como del método de fabricación. Se utilizan poco porque el fin que se persigue con ellas es obtener las características de los diferentes tipos de jabones en uno solo, lo cual raras veces se logra, por lo que es más práctico utilizar una grasa de un jabón específico que da mejores resultados a un menor costo.
· Sin jabón metálico: utilizan como espesante el negro de humo, gel de sílice, alquilos de úrea y arcillas modificadas. Son resistentes al lavado por agua y su rata de oxidación es más baja que las fabricadas con otros espesadores. Poseen un elevado punto de goteo y las temperaturas de trabajo pueden estar alrededor de los 200°C; sin embargo a estas temperaturas resulta más práctico hacer una evaluación y seguimiento del producto, con el fin de determinar si es mejor y más económico utilizar grasas sintéticas.
· Bisulfuro de molibdeno (MoS2): se emplean para condiciones de lubricación EHL, poseen bajos coeficientes de fricción y reducen el desgaste de los mecanismos lubricados, tienen excelente adhesividad y resisten el lavado por agua. Su principal aplicación es en rodamientos, cojinetes de fricción, husillos y articulaciones. La película lubricante límite que forman este tipo de grasas persiste durante largos períodos de tiempo, lo cual permite que los intervalos de relubricación sean prolongados. Si la base lubricante es sintética se pueden emplear hasta 370°C. No se deben utilizar con mecanismos de bronce porque, si hay presencia de agua, el MoS2 se puede volver un agente corrosivo.
· Poliurea: se obtienen de combinaciones orgánico-sintéticas. Poseen excelente resistencia al envejecimiento y las temperaturas de servicio están comprendidas entre -30° y 175°C. Su mayor aplicación se presenta para condiciones de alta temperatura, elevadas cargas y altas velocidades de giro. Tienen la notable propiedad de ser más viscosas a elevada temperatura y volver a sus condiciones normales a temperatura ambiente.
· Bentonita: están compuestas de aceites sintéticos y espesantes de bentonita. Permiten temperaturas máximas de operación comprendidas entre -20° y 170°C. Presentan buen estabilidad al envejecimiento y un comportamiento estable en presencia de agua.
· Sintéticas: están constituidas por aceites sintéticos de elevado índice de viscosidad (alrededor de 195), se pueden utilizar para temperaturas muy amplias de servicio (entre -78° y 165°C ), presentan una excelente estabilidad térmica y bajos coeficientes de fricción. Permiten amplias frecuencias entre relubricaciones.

Aditivos

Los aditivos más comunes utilizados en las grasas son los antioxidantes, los inhibidores de la herrumbre, de la corrosión, los aditivos de extrema presión (EP) y los mejoradores de untuosidad ó adhesividad hacia las superficies metálicas.

PROPIEDADES DE LAS GRASAS

Consistencia de las grasas

Depende de la viscosidad del aceite y del tipo y porcentaje de espesador que posea, el cual puede fluctuar entre 5-30% por peso, ó más, dependiendo del tipo de grasa. La consistencia es un factor importante de la grasa porque ella determina su capacidad de lubricación y sellamiento, de permanencia en su sitio, de bombeabilidad, y capacidad de soportar temperatura. Dos grasas con igual consistencia ó dureza, no tienen necesariamente el mismo desempeño.
Penetración trabajada

La consistencia de las grasas de determina según el método ASTM D217, conocido como cono de penetración de las grasas lubricantes y establecido por la NLGI (Instituto Nacional de Grasas Lubricantes). Este método permite hallar la consistencia de una grasa en términos de penetración, sin agitación (durante el almacenamiento). Penetración trabajada, penetración no trabajada y penetración trabajada durante prolongados períodos de tiempo. La consistencia normalmente se reporta en términos de penetración trabajada, porque es el factor más representativo de las condiciones bajo las cuales opera una grasa, principalmente si se utiliza en la lubricación de rodamientos.

Para determinar la penetración trabajada de una grasa, se llena una vasija especial con suficiente cantidad de ésta (una libra aproximadamente) y se somete inicialmente a 60 carreras dobles (ciclos) de un pistón, a 25°C (77°F) en un dispositivo llamado trabajador de grasa patrón, el cual consiste en un disco perforado (pistón) el cual al subir y bajar dentro de un cilindro, hace que la grasa pase repetitivamente de un lado a otro, hasta completar 60 carreras dobles.

Una vez que se completan los 60 ciclos se coloca la muestra de grasa trabajada debajo de un cono de peso y dimensiones normalizadas llamado penetrómetro. La punta de éste se coloca tocando ligeramente la superficie de la grasa, se deja caer el cono por su propio peso dentro de la grasa y luego de cinco segundos se lee en un dial (cuya aguja es accionada por el cono al caer) la profundidad en décimas de milímetro que la punta de éste ha penetrado dentro de la grasa. Esta profundidad representa la consistencia de la grasa. El ángulo del cono es de 90°, de la punta de 30° y el peso de 102,5 gr. Para determinar la penetración no trabajada, se somete la muestra de grasa (una libra aproximadamente) al mismo procedimiento utilizado para la penetración trabajada, excepto que en este caso, la grasa no se somete al batido en el trabajador de grasa patrón.

La penetración de las grasas según el método ASTM D217 tiene su correlación con una escala numérica estandarizada por la NLGI, para clasificar la consistencia de las grasas. Este número es el que aparece al final del nombre de las grasas, así, por ejemplo, la grasa Mobilux EP2 de Mobil, Balina 3 de Shell y Unirex 4 de Exxon significa que estas grasas tienen una consistencia 2, 3 y 4 respectivamente. En la tabla No2 se da la clasificación ASTM y su equivalencia en el sistema NLGI.

Tabla No2
Clasificación ASTM y Consistencia NLGI

SELECCIÓN DE LA GRASA

Para seleccionar correctamente la grasa para una aplicación específica es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros:

· Consistencia: los grados NLGI que se emplean comúnmente son 1, 2 y 3.
· Tipo de espesante: los más utilizados son los de litio, sodio y calcio.
· Viscosidad dinámica: se específica de acuerdo con la velocidad y temperatura de operación del mecanismo.
· Factor de velocidad: el factor de velocidad (Fv) de la grasa es característico de cada grasa y siempre debe estar, en el caso de la lubricación de rodamientos, por encima del factor de giro (Fg) del rodamiento que se obtiene de multiplicar el diámetro medio del rodamiento (Dm) en mm por su velocidad de giro (n) en rpm. El Fg es igual a Dmn. El Fv de la grasa es importante tenerlo en cuenta en aquellas aplicaciones de altas velocidades, ya que si éste es mayor que el del rodamiento se podrá garantizar que durante el funcionamiento de éste, la grasa no será expulsada por fuerza centrífuga de las pistas de rodadura y elementos rodantes, evitándose de esta manera una lubricación deficiente y la posibilidad, en el caso de máquinas textiles como mecheras e hiladoras, que se manche la tela que se está procesando. Las grasas que presentan los mayores valores de Fv son las de jabón de litio y sodio y menores las de calcio, aluminio, poliurea y complejas. El valor de Fv se encuentra en el catalogo del fabricante de la grasa.
· Temperatura de trabajo: permite seleccionar el grado NLGI y el tipo de jabón de la grasa.
· Aditivos: es necesario tener en cuenta el tipo de lubricación (fluida ó EHL) que se está presentando en los mecanismos lubricados con el fin de determinar si la grasa requiere ó no aditivos de Extrema Presión.
· Sistema de aplicación: influye en la selección de la consistencia de la grasa, así, para sistemas de lubricación centralizada por lo regular es NLGI 0 ó 1; para reengrase es 2 y para sistemas de grasa empacada es 3.

Los datos que normalmente especifica el fabricante de un equipo en el catalogo de mantenimiento cuando tiene rodamientos lubricados con grasa son la consistencia, tipo de jabón, temperatura de goteo y aditivos. Con estos parámetros conocidos, se busca la más adecuada en el catalogo del fabricante de grasas. Si la velocidad de giro es alta, surge como muy importante tener en cuenta el Fg del rodamiento y seleccionar una grasa que además de cumplir con los parámetros anteriormente mencionados, tenga un Fv mayor que el Fg del rodamiento.

MISCIBILIDAD DE LAS GRASAS

En la práctica de la lubricación se debe evitar mezclar grasas de diferentes marcas ó especificaciones porque en muchos casos, tanto los espesadores, la viscosidad del aceite base y los aditivos son incompatibles y por lo tanto pueden llegar a reaccionar desfavorablemente, descomponiendo la grasa resultante. Solamente son compatibles las grasas de jabón de calcio y de litio (CALI), siempre y cuando los aceites sean del mismo tipo ( parafínicos, nafténicos ó sintéticos) y tengan la misma viscosidad. Para evitar problemas de contaminación de una grasa con otra, es necesario que cada una de ellas se aplique con su respectiva pistola engrasadora. Cuando se vaya a cambiar una grasa por otra, se debe limpiar el mecanismo de tal forma que no queden trazas de la grasa anterior. Las grasas a base de aceite mineral han demostrado perfecta inalterabilidad frente a los plásticos, elastómeros, pegamentos, lacas u otros tipos de materiales de construcción de las máquinas.

CASO DE LA SEMANA MAL FUNCIONAMIENTO DE LA GRASA Los motores eléctricos de las bombas de agua de refrigeración de la Central Paraíso están ubicados a 1.636 metros sobre el nivel del mar; los rodamientos de estos motores eléctricos, cuando se lubrican con la grasa Mobilux EP2, a la media hora de estar funcionando, se licua y se sale por el desfogue de grasa. En otra de nuestras empresas, la Central Guaca, que queda a 640 metros sobre el nivel del mar, tenemos las mismas bombas con idénticas especificaciones técnicas y utilizamos la misma grasa, pero en los rodamientos de estas bombas, la grasa funciona sin problema alguno. Los rodamientos son 6312, giran a 1.770 rpm y la potencia del motor es de 100 HP, el motor eléctrico acciona una bomba centrifuga que una capacidad de 5,5 metros cúbicos por minuto. Tenemos las siguientes inquietudes que nos gustaría que nos la resolvieran: · Por qué grasa se debe cambiar la grasa en mención? · Será que la altura sobre el nivel del mar influye en el deterioro de grasa? · El problema debería estar en Guaca y no en Paraíso? BRB, Bogotá-Colombia

Muchas gracias por su consulta. El problema se puede analizar de la siguiente manera: la grasa Mobilux EP2 ha trabajado correctamente en los rodamientos de los motores eléctricos que trabajan en Central Guaca a una altura de 640 metros sobre el nivel mar, lo que indica para la temperatura ambiente de este lugar, la velocidad del eje del motor de 1.770 rpm y la carga que actúa sobre el rodamiento correspondiente a 100 HP, son los parámetros que se tuvieron en cuenta cuando el fabricante seleccionó las propiedades físico-químicas de la grasa para esta aplicación; siendo una de las propiedades más importantes de la grasa, la viscosidad del aceite base. En los motores eléctricos que funcionan en la Central Paraíso se utiliza la misma grasa, lo cual es incorrecto, ya que la temperatura ambiente en este lugar es menor, lo cual hace que la viscosidad del aceite base de la grasa aumente, trayendo como consecuencia un incremento en la fricción fluida y por lo tanto en la temperatura de operación del rodamiento, la cual ocasiona que el aceite base se separe del jabón metálico y se salga por el desfogue de grasa. En este caso se debe utilizar una grasa de un grado NLGI 1, con un aceite base de menor viscosidad que el de la grasa Mobilux 2EP. La grasa seleccionada no requiere aditivos de EP. ENVIENOS SUS INQUIETUDES Y PROBLEMAS DE LUBRICACIÓN QUE TENGAN QUE CON GUSTO SE LOS RESOLVEREMOS Y PUBLICAREMOS EN ESTA SECCION.