ES2253783T3 - Lubricantes solidos y modificadores de friccion para aplicaciones en carga pesada y caminos ferroviarios. - Google Patents

Lubricantes solidos y modificadores de friccion para aplicaciones en carga pesada y caminos ferroviarios.

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ES2253783T3 ES97939912T ES97939912T ES2253783T3 ES 2253783 T3 ES2253783 T3 ES 2253783T3 ES 97939912 T ES97939912 T ES 97939912T ES 97939912 T ES97939912 T ES 97939912T ES 2253783 T3 ES2253783 T3 ES 2253783T3
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Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A NUEVAS COMPOSICIONES LUBRICANTES Y MODIFICADORAS DE FRICCION, QUE COMPRENDEN OPCIONALMENTE UN LUBRICANTE SOLIDO Y UN AGENTE AGLUTINANTE EN MEDIO ACUOSO ADECUADAS PARA LUBRICAR SUPERFICIES DE CONTACTO ACERO-ACERO, COMO ACOPLAMIENTOS DE TRACTORES Y REMOLQUES, SISTEMAS DE FERROCARRILES Y OTRAS APLICACIONES DE CARGAS PESADAS. LA INVENCION SE REFIERE ASIMISMO A COMPOSICIONES DESCRITAS ANTERIORMENTE QUE INCLUYEN MODIFICADORES DE FRICCION CON COEFICIENTES DE FRICCION ELEVADOS O MUY ELEVADOS Y POSITIVOS, DE FORMA QUE EL COEFICIENTE DE FRICCION ES CONSIDERABLEMENTE SUPERIOR AL COEFICIENTE DEL LUBRICANTE SOLIDO. ADEMAS, SE DESCRIBEN COMPOSICIONES QUE COMPRENDEN UN AGENTE AGLUTINANTE Y UN MODIFICADOR DE LA FRICCION, CON UN COEFICIENTE DE FRICCION MUY ELEVADO Y POSITIVO EN UN MEDIO ACUOSO.

Description

Lubricantes sólidos y modificadores de fricción para aplicaciones en carga pesada y caminos ferroviarios.
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con novedosos lubricantes y composiciones modificadoras de fricción que comprenden un modificador de fricción, opcionalmente en compañía de un lubricante sólido, junto con un agente de ligado en un medio acuoso apropiado para lubricar interfaces acero-acero tales como acoples tractor-remolque, sistemas riel-rueda y otras aplicaciones en trabajos pesados.
La invención se refiere también a las composiciones descritas anteriormente que incluyen modificadores de fricción con coeficientes de fricción positivos, elevados o muy elevados de tal forma que el coeficiente de fricción es considerablemente más alto que el lubricante sólido.
La invención se relaciona además con composiciones que comprenden un agente de ligado y un modificador de fricción con un coeficiente de fricción positivo y muy elevado en un medio acuoso.
Antecedentes de la invención
La grasa es un lubricante convencional en acoples tractor-remolque, sistemas rueda-riel y otras aplicaciones en trabajos pesados. Sin embargo, la grasa presenta serias limitaciones en lo que se refiere a la operación y a las implicaciones en la contaminación ambiental. Siguiendo la unión de los componentes de acople después de una aplicación de grasa, una gran parte de la grasa se pierde inmediatamente debido a las dificultades que tiene para adherirse al acople, ensambladura o riel. La grasa que se pierde cae en partes calientes del vehículo y sobre el suelo como contaminante no biodegradable. Además, la grasa se disipa durante el uso lo que ocasiona que su desempeño como lubricante se deteriore hasta condiciones potencialmente peligrosas. Esta conocida disipación anima por lo tanto a los usuarios a aplicar, para compensar, cantidades excesivas de grasa. Además los acoples expuestos, rieles o ruedas pueden llegar a contaminarse con polvo y cascajo con lo cual se forma un compuesto polvoriento que causa un rápido desgaste a las placas de soporte a menos que se limpien y se vuelvan a engrasar antes de usarse.
Normalmente, la grasa se reaplica cada una o dos semanas. Su remoción antes del reengrasado se logra con vapor a alta presión haciendo que sea descargado hacia el abastecimiento de agua. De forma alternativa, solventes más fuertes pueden usarse para remover la grasa los cuales son aún más inaceptables desde el punto de vista ambiental.
Se han usado como alternativas para engrasar, composiciones de lubricantes que comprenden, Inter. alia, lubricantes sólidos y medios de polímeros. Estos lubricantes tienen la ventaja de formar una película sobre la superficie del metal y en razón de esto una mejor adhesión. Sin embargo, como el lubricante se disipa, el medio del polímero puede todavía contaminar el ambiente.
Se han sugerido composiciones lubricantes acuosas pero han sido descartadas por no ser prácticas en la especificación de la patente Suiza CH 669,207 A5 en donde un método para usar una dispersión acuosa de grafito para recubrir o pintar los lados de los rieles se discutió y descartó ya que la dispersión acuosa se remueve aparentemente de forma fácil. La solución de CH 669,207 A5 es una composición que incluye, Inter. alia una resina polimérica que tiene los mismos inconvenientes que otros polímeros como se ha discutido anteriormente.
Se ha reconocido en las patentes U.S. 5,173,204 y 5,308,516 que cuando el coeficiente de fricción se incrementa con la velocidad, se sabe que tiene una característica de fricción negativa. El origen de mucha emisión de ruido en los sistemas de transporte rueda-riel en acero pueden ser atribuidos directamente al hecho de la característica de fricción negativa que bajo ciertas condiciones que surgen del uso, las ruedas de tales sistemas no siempre ruedan sobre los rieles pero algunas veces se deslizan con respecto a ellos. Esto es más pronunciado en las curvas. Una vía efectiva para eliminar el chillido y chirridos es cambiar la característica de fricción de negativa a positiva. Aquí, el término "fricción positiva" significa que el coeficiente de fricción se incremente con la velocidad de deslizamiento y que un "alto" coeficiente de fricción sea superior a 0.10.
Además de la fricción reducida (y ruido) y del desgaste por el uso rueda-riel, el empleo de un modificador de fricción puede prevenir la iniciación y crecimiento de cortos desgastes ondulatorios, previniendo o eliminando los movimientos oscilatorios, comúnmente conocidos como oscilaciones de rodillo, que son provocadas en la interfaz rueda/riel por la presencia de la fricción negativa.
Las patentes U.S. 5,173,204 y 5,308,516, enseñan que en un sistema riel-rueda la composición del lubricante debería ser aplicada al 25% de todas las ruedas del sistema riel-rueda. Considerando que el efecto es más pronunciado en las curvas, se requiere mucha cantidad de lubricante, tiempo y esfuerzo para asegurar que haya suficiente lubricante.
El documento U.S. 3,801,504 revela composiciones lubricantes a base de agua en aplicaciones de forjaduría en caliente. El EP 412,788 enseña composiciones lubricantes para el maquinado plástico en frío de metales. EP 544,822 y EP 745,881 se relacionan a las composiciones para el uso en manufactura de tubos sin costura. El documento GB 1,048,884 provee grasas lubricantes que tienen una alta resistencia al derrumbamiento bajo carga.
Resumen de la invención
La presente invención que ha mejorado las características de adhesión, provee un lubricante a base de agua y composiciones modificadoras de fricción como se define en las reivindicaciones para trabajos de uso pesado con aplicaciones metálicas, tales como acoples tractor-remolque o sistemas rueda-riel. La inclusión de un agente de unión, definido más adelante, en el lubricante, o lubricante y una composición modificadora de fricción, ayuda a unir el lubricante y el modificador de fricción al acople, riel u otra superficie. Por lo tanto, la composición no requiere ser aplicada como se hace frecuentemente o en la misma cantidad y por esto, habrá menos pérdidas de lubricante y modificador de fricción y menos contaminación ambiental.
La invención proporciona una composición lubricante a base de agua que incluye nonilfenoxipoliol como agente humectante. La inclusión de un agente humectante también ayuda a asegurar que haya una mejor adhesión del lubricante sólido al acople, riel u otra superficie y así el lubricante sólido puede ser mejor aplicado.
En otro aspecto, la invención también proporciona una composición lubricante a base de agua que puede ser aplicada a un riel en áreas precisas identificadas como áreas problema tales como curvas o declives. Debido a esta aplicación específica en puntos identificados, la posterior transferencia del riel a la rueda significa que el lubricante será esparcido a lo largo del riel por el movimiento de las ruedas sobre el riel pero principalmente por los puntos identificados. Las ventajas de tal precisión en la aplicación, son que menos lubricante, tiempo y esfuerzo se requieren para lograr los mismos resultados de mejoramiento en el control de ruido, tracción y cortos desgastes
ondulatorios.
De conformidad, la invención proporciona una composición lubricante que es más fácil de aplicar que las composiciones previas. La composición lubricante es a base de agua lo que la hace más fácil de aplicar ya que el agente de ligado absorbe el agua presente en la composición, permitiendo así una rápida adhesión a la superficie metálica.
En un aspecto de esta invención, la composición comprende:
(a) 60 – 90% en peso de agua;
(b) 5-18% en peso del agente de ligado seleccionado del grupo compuesto de arcilla, montmorilonita de sodio y caseína;
(c) 3-32% en peso del modificador de fricción seleccionado del grupo compuesto de silicato de magnesio y silicato de aluminio anhidro y
(d) 0.0002-2% en peso de nonilfenoxipoliol en donde la composición tiene las características de fricción muy alta y positiva.
En otro aspecto, la composición lubricante incluye adicionalmente un lubricante sólido. La composición permite la resolución de la situación rodamiento-deslizamiento acero-acero descrita anteriormente con respecto a las patentes precedentes; patentes U.S. 5,173,204 y 5,308,516 pero con el beneficio adicional de la precisa aplicación, ya anteriormente expuesta, y en particular, que se requiere menos lubricante, tiempo y esfuerzo para lograr el mismo resultado señalado en estas patentes.
De conformidad, en un aspecto adicional, la invención proporciona una composición lubricante que comprende un medio acuoso, un lubricante sólido, un agente de ligado y un modificador de fricción como se señala en las reivindicaciones, teniendo presente que el coeficiente de fricción sea superior a 0.10 entre las carrocerías de acero en movimiento de rodamiento-deslizamiento, que son lubricadas con dicha composición y en donde dicho coeficiente de fricción se incremente con un aumento en la velocidad relativa del movimiento de deslizamiento entre las carrocerías.
Además, de acuerdo con la presente invención, existe un método para reducir el ruido en un sistema riel-rueda de acero, aplicando dicho lubricante, o el lubricante y el modificador de fricción, la composición a la superficie del riel en donde la composición lubricante es efectiva para cambiar las características de fricción negativa entre el riel y la rueda a una característica de fricción positiva.
La presente invención también proporciona composiciones que son capaces de reducir de forma efectiva los cortos desgastes ondulatorios. Esto se logra mediante composiciones que tienen un elevado coeficiente de fricción y características de fricción positiva.
Las composiciones arriba mencionadas tienen la ventaja de ser relativamente no contaminantes y económicas ya que el medio de dispersión permite una aplicación aislada de las composiciones a superficies consideradas como áreas problema.
Descripción detallada de las modalidades específicas de la invención
Generalmente el lubricante y las composiciones modificadoras de fricción son composiciones a base de agua que consisten en agua, un lubricante sólido, según se requiera, un agente de ligado seleccionado de arcilla, montmorillonita de sodio y caseína, un modificador de fricción seleccionado del silicato de magnesio y silicato de aluminio anhidro y nonilfenoxipoliol como un agente humectante.
El lubricante y las composiciones modificadoras de fricción pueden ser formulados seleccionando uno o más lubricantes sólidos y modificadores de fricción, según se requiera. Ejemplos de lubricantes sólidos y modificadores de fricción pueden ser encontrados a partir de las siguientes listas:
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Lubricantes sólidos
Disulfuro de molibdeno
Grafito
Estearato de aluminio
Estearato de zinc
Compuestos carbonados (polvo de carbón, fibras de carbón, etc)
Los lubricantes sólidos preferidos son el disulfuro de molibdeno y el grafito.
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Modificadores de fricción
Silicato de magnesio.
Silicato de aluminio.
El modificador de fricción comprende preferiblemente un mineral en polvo. El modificador de fricción para una composición lubricante de fricción alta y positiva puede tener un tamaño de partículas en el rango de 0.5 micras aproximadamente a 5 micras aproximadamente, y tiene preferiblemente un tamaño de partículas en el rango de una micra aproximadamente a 2 micras aproximadamente. Una muy alta y positiva composición modificadora de fricción puede tener un tamaño de partículas de 10 micras.
El modificador de fricción debería tener un coeficiente de fricción que es considerablemente más alto que el coeficiente de fricción del lubricante sólido. Los valores dados del coeficiente de fricción son los producidos entre las carrocerías de acero en contacto rodamiento-deslizamiento. Altas y positivas composiciones modificadoras de fricción producen un coeficiente de fricción que es superior a 0.10 y en donde dicho coeficiente de fricción se incrementa con un aumento en la velocidad relativa del movimiento de deslizamiento entre las carrocerías de acero. Para una fricción muy alta y positiva, el coeficiente de fricción acero-acero para la composición lubricante de acuerdo con la invención, debería incrementar desde 0.45 aproximadamente a 0.72 aproximadamente, mientras que el deslizamiento aumenta desde 2.5% aproximadamente a 30% aproximadamente. Composiciones particulares contienen modificadores de fricción pero no lubricantes sólidos para crear características de fricción muy elevadas y positivas.
Se define aquí el término agente de ligado para significar un agente hidrofílico que absorbe agua haciéndola inflarse físicamente en partículas de una forma capaz de adherirse al riel. El agente de ligado crea una matriz de fase continua que es capaz de ligar lubricantes sólidos, modificadores de fricción y otros compuestos a una superficie metálica, dispersando el lubricante sólido o sostén, dicho lubricante sólido en una matriz de fase discontinua. El agente de ligado tiene una rigidez tal que cuando la composición se coloca sobre la superficie metálica, tiene alguna estructura y mantendrá su integridad después de que la rueda pase por la composición. Ejemplos de agente de ligado incluyen arcillas, tales como la bentonita (montmorillonita de sodio) y caseína.
Opcionalmente también se incluyen preservativos y aditivos para que se pueda mezclar la composición con la grasa que ya está en el riel o acople. Son empleados preservativos tales como amoniaco para preservar la composición del lubricante. Pueden ser usados también alcoholes tales como el butoxietanol.
Se define aquí el término agente humectante para significar a un agente de flujo que permite que las partículas de lubricante sólido sean rodeadas de agua dentro de la matriz del agente de ligado y el lubricante sólido. El agente humectante ayuda a reducir la tensión superficial y permite al lubricante sólido llegar a las rajaduras de los rieles u otras superficies y también emulsifica la grasa para permitir una buena adhesión. El agente humectante es nonilfenoxipoliol.
Método de preparación
Las modalidades del lubricante y las composiciones modificadoras de fricción pueden ser preparadas de acuerdo con el siguiente método. En un mezclador de alta velocidad se adiciona hasta un 35% del agua en un tambor mezclador a temperatura ambiente, el agente de ligado (por ejemplo, Bentonita (montmorillonita de sodio) y el agente humectante (nonilfenoxypoliol). Estos compuestos deben ser bien mezclados hasta que se forme un gel grueso. Se mezcla y luego se adiciona el balance de ingredientes en el siguiente orden: agua (el remanente 65%), amoniaco, éter E.B. (si aplica), cualesquiera otros líquidos, lubricante sólido (por ejemplo molibdeno), cuando se requiera y cualesquiera otros sólidos. Estos componentes deben ser mezclados completamente hasta suavizarse para asegurar que el lubricante sólido se dispersa bien.
La composición resultante es un líquido espeso, tixotrópico que es de forma gelatinosa cuando está quieto pero bajo agitación o cuando se bombea la viscosidad disminuye. La composición es una matriz cuya fase continua es el agente de ligado y que contiene también una fase discontinua, el lubricante sólido.
Las composiciones citadas pueden ser aplicadas al acople o al riel o similares por medio de una bomba o cepillo, lo que es reconocido por una persona del oficio. La composición es aplicada para que una película de la composición se extienda de manera uniforme sobre el riel. Dicha película es preferiblemente una gota de un diámetro de aproximadamente un octavo de pulgada.
El agente de ligado trabaja absorbiendo el agua en la composición. Con el tiempo la composición se deshidrata para dejar una gota sólida y por esto se estimula la adhesión del lubricante y el modificador de fricción al riel sobre las grasas empleadas previamente o composiciones lubricantes de polímeros. Adicionalmente el agente de ligado mantiene al lubricante y modificador de fricción dispersos aun después de que la rueda corra sobre el riel y también reduce la reabsorción de agua. Por lo tanto, la composición no se remueve fácilmente por la lluvia.
El nivel del coeficiente de fricción deseado para las composiciones de esta invención se obtienen mezclando proporcionalmente cantidades apropiadas del modificador de fricción con un alto coeficiente de fricción y el lubricante sólido con un muy bajo coeficiente de fricción. El lubricante sólido y el modificador de fricción están presentes preferiblemente en la composición en cantidades aproximadamente iguales para las composiciones de fricción alta y positiva pero pueden estar presentes en diferentes cantidades o con lubricantes no sólidos con el fin de lograr características de fricción muy altas y positivas.
Lo siguiente, que se da únicamente a manera de ejemplo y no se pretende que sea interpretado de forma restrictiva, ilustra las composiciones conforme a las modalidades de la invención.
Ejemplo 1
Una composición lubricante de fricción alta y positiva a base de agua que comprende:
(a)
80.193% en peso de agua,
(b)
8.940% en peso de montmorilonita de sodio,
(c)
0.004% en peso de amoniaco,
(d)
0.002% en peso de nonilfenoxipoliol,
(e)
4.930% en peso de disulfuro de molibdeno y
(f)
4.93% en peso de silicato de magnesio
y se prepara como se ha descrito anteriormente.
Una estación de tren norteamericana de carga pesada probó la composición arriba mencionada y encontrándose que los niveles de ruido se redujeron por el orden de 20 decibeles en la parte superior del riel y en el flanco de la vía.
Composiciones lubricantes similares pueden ser formuladas seleccionando uno o más lubricantes y modificadores de fricción alternativos como se ha revelado anteriormente.
Ejemplo 2
Se preparó una composición a base de agua, con una fricción muy alta y positiva (sin lubricantes añadidos), como se ha descrito anteriormente, utilizando los siguientes componentes:
(a)
85.254% en peso de agua,
(b)
9.450% en peso de montmorillonita de sodio,
(c)
0.004% en peso de amoniaco,
(d)
0.002% en peso de nonilfenoxipoliol,
(e)
5.20% en peso de silicato de aluminio anhidro y
(f)
0.09% en peso de óxido de hierro (como colorante).
Se probó la composición y se encontró que produce una característica positiva de fricción acero-acero en el rango de 0 a 0.45 mientras que la velocidad relativa de deslizamiento (patinaje) se incrementó de cero a 2.5% aproximadamente, creciendo a 0.72 aproximadamente cuando el patinaje se incrementó a 30% aproximadamente. Estos niveles de coeficientes de fricción están sustancialmente por encima de los niveles de coeficientes de fricción acero-acero obtenidos con lubricantes convencionales y por encima de los de la composición lubricante revelada en las patentes US 5,173,204 y 5,308,516.
Ejemplo 3
(Que no está de acuerdo con la invención)
Se preparó una composición lubricante de la 5a. rueda a base de agua como se describió arriba, usando los siguientes componentes:
(a)
58.994% en peso de agua,
(b)
8% en peso de montmorillonita de sodio,
(c)
0.004% en peso de amoniaco,
(d)
0.002% en peso de nonilfenoxipoliol,
(e)
3% en peso de butoxietanol y
(f)
30% en peso de disulfuro de molibdeno.
Cuando el lubricante se aplicó a la superficie de una cara de la rueda, la composición exhibió un mejoramiento marcado con respecto a la adhesión del lubricante. Los ensayos mostraron que la composición de la quinta rueda dura sustancialmente más tiempo o para más millas sustancialmente, en el orden de 5 a 10 veces más que los lubricantes convencionales.
Ejemplo 4
(Que no está de acuerdo con la invención)
Una composición lubricante a base de agua de bajo coeficiente de fricción se preparó como se describió arriba, usando los siguientes componentes:
(a)
79.502% en peso de agua,
(b)
12.621% en peso de montmorillonita de sodio,
(c)
0.004% en peso de amoniaco,
(d)
0.002% en peso de nonilfenoxipoliol,
(e)
3% en peso de butoxietanol y
(f)
4.871% en peso de disulfuro de molibdeno.
Una prueba similar se hizo a lo que se describió en el ejemplo 1, registrándose los mismos resultados.

Claims (15)

1. Una composición lubricante a base de agua que comprende:
(a) 60 a 90% en peso de agua,
(b) 5 a 18% en peso del agente de ligado seleccionado del grupo que contiene arcilla, montmorillonita de sodio y caseína;
(c) 3 a 32% en peso de un modificador de fricción seleccionado del grupo que consiste en silicato de magnesio y silicato de aluminio anhidro y
(d) 0,002% a 2% en peso de nonilfenoxipoliol, en donde la composición tiene las características de una fricción muy elevada y positiva.
2. La composición según la reivindicación 1, en donde se obtiene un coeficiente de fricción que se incrementa a 0.45 a niveles de patinaje hasta 2.5% entre las carrocerías de acero en contacto rodamiento-deslizamiento que son lubricadas usando dicha composición.
3. La composición según la reivindicación 1, en la cual la composición es tal que el coeficiente de fricción se incrementa de 0.45 a 0.72 cuando el patinaje aumenta de 2.5 a 30%.
4. La composición de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, en donde el modificador de fricción tiene un tamaño de partículas de 10 micras.
5. La composición de la reivindicación 1, que comprende además:
De 3 a 24% en peso de un lubricante sólido seleccionado del grupo que consiste en disulfuro de molibdeno, grafito, estearato de aluminio, estearato de zinc y compuestos carbonados, en donde la composición tiene la característica de fricción elevada y positiva.
6. La composición de la reivindicación 5, en donde la composición produce un coeficiente de fricción que es superior a 0.10 y en donde dicho coeficiente de fricción se incrementa con un aumento de la velocidad relativa del movimiento de deslizamiento entre las carrocerías de acero en contacto rodamiento-deslizamiento, que son lubricadas empleando dicha composición.
7. La composición de acuerdo con las reivindicaciones 5 o 6, en donde el modificador de fricción tiene un tamaño de partículas en el rango de 0.5 a 5 micrones.
8. La composición de acuerdo con la reivindicación 7, en la cual el modificador de fricción tiene un tamaño de partículas en el rango de 1 a 2 micrones.
9. La composición según las reivindicaciones 5 a 8, en donde el lubricante sólido es uno o más del disulfuro de molibdeno o grafito.
10. La composición de acuerdo con la reivindicación 9, en la cual el lubricante sólido es el disulfuro de molibdeno.
11. La composición conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde el agente de ligado es montmorillonita de sodio.
12. La composición de acuerdo con las reivindicaciones 5-8 que comprenden:
(a) 60 a 90% en peso de agua,
(b) 5 a 18% en peso de montmorillonita de sodio,
(c) 3 a 24% en peso de disulfuro de molibdeno,
(d) 3 a 24% en peso de silicato de magnesio y
(e) 0.002 a 2% en peso de nonilfenoxipoliol,
en donde dicho disulfuro de molibdeno y silicato de magnesio están presentes en una relación de 1:1 de tal forma que el coeficiente de fricción resultante se sitúe entre 0.17 y 0.35 cuando los niveles de patinaje se incrementan desde 2.5% a 30% entre las carrocerías de acero en contacto de rodamiento-deslizamiento, que son lubricadas usando dicha composición.
13. La composición de acuerdo con las reivindicaciones 1-4, que comprenden:
(a) 60-90% en peso de agua;
(b) 5-18% en peso de montmorillonita de sodio,
(c) 3-32% en peso de silicato de aluminio anhidro y
(d) 0.002% - 2% en peso de nonil fenoxipoliol
en donde el coeficiente de fricción resultante de dicha composición se sitúe entre 0.45 y 0.72 cuando los niveles de patinaje aumentan desde 2.5% a 30% entre las carrocerías de acero en contacto de rodamiento-deslizamiento al utilizar dicha composición.
14. La composición de acuerdo con las reivindicaciones 1-13 para el uso en lubricación de superficies en acero.
15. Un método para lubricar una superficie metálica que reduzca la fricción y el desgaste por el uso, utilizando una composición de lubricante de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 13 que comprende el depósito de una capa de la composición de lubricante sobre la superficie metálica y permitiendo que el agua se evapore.
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