Como seleccionar los lubricantes -...

La lubricación en la placa metálica yen la pieza de trabajo asociada tieneun papel importante en las

operaciones del conformado demetales, pero de acuerdo a lodescubierto por la industria deconformado metálico, el uso delubricantes adecuados esextremadamente crítico al realizaroperaciones de embutido, deestampados, de formados opunzonados en piezas de componenteshechos con aceros de alta resistencia debajas aleaciones (HSLA, High StrenghtLow Alloy) y con aceros avanzados dealta resistencia (AHSS, AdvancedHigos Strenght Steel). Estos tipos deaceros imponen exigencias sobre loslubricantes durante los procesos deconformado de metales que puedencausar confusión en las expectativas

tradicionales de desempeño de loslubricantes y de los herramentales.Estos aceros poseen características quereditúan en beneficios en el productofinal pero que también imponendesafíos durante los procesos deformado. Los efectos colaterales comola recuperación elástica (springback)pueden requerir de soluciones a travésdel diseño del herramental, o elincremento en el tonelaje aplicado porla prensa, los cuales imponenexigencias en el desempeño dellubricante.

Estos puntos focales únicos crean unambiente propicio para generarproblemas en producción e imponenpruebas muy severas sobre laspropiedades de los lubricantes paraestampados. También, ponen a pruebael nivel de conocimiento de los

Como seleccionar los lubricantes

para estampar aceros avanzados de alta resistencia

Al igual que otras piezas hechas con aceros de alta resistencia, estas rondanas de retén para resortes de asientoshechas con acero de alta resistencia y bajas aleaciones, que fueron estampadas por Batesville Tool & Die, enBatesville, IN, exigen el uso de lubricantes con propiedades mejoradas.

¿Cuáles son losrequerimientos de

lubricación al dar formaa estos aceros cada

vez más popularesy qué lubricantes funcionan mejor?

POR MICHAEL BROWNY PAUL BOSLER JR.

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Michael Brown es Director Técnico yJefe de Formulaciones Químicas y PaulBosler Jr. es Gerente General(CEO) deMid-State Chemical & Supply Corp.,Indianapolis, IN. Tel. 317/925-1407;

www.midstatechem.com.

ingenieros de dados, de los operadores yde los especialistas en lubricantes másexperimentados en este campo. Lasexperiencias relacionadas con los acerosde alta resistencia han dado comoresultado muchas interpretacioneserróneas, en particular las relacionadas alos lubricantes que se requieren paralograr buenos formados. La mejorforma para que el conformador demetales pueda hacer frente a los desafíosque se le vayan presentando, escontando con el entendimiento básicode las características de esta tecnologíadel acero, así como de las tecnologíasdesarrolladas en los lubricantes que seutilizan en estos formados.

Dramático aumento en el uso de HSLA y de AHSS

Con el fin de lograr mayorseguridad en los vehículos al igual queun mejor rendimiento en el consumode combustible, el uso de los acerosAHSS se ha incrementado en formadramática en el ramo de la industriaautomotriz. Como regla general, losaceros AHSS brindan tasas superioresde endurecimiento de trabajo ymayores resistencias a la tensión queaquellas obtenidas con los acerosconvencionales. Básicamente, lascaracterísticas en cuestión se logran alcrear aleaciones con elementos comoel manganeso, el cromo, el vanadio, elnovio y otros más. Dependiendo en laelección del tipo de acero—HSLA, defase doble (DP, Dual Phase), deplasticidad inducida portransformación (TRIP, TransformationInduced Plasticity), de fase compleja(CP, Complex Phase), de tipomartensítico (MARTenisitc) y de otroshíbridos; el objetivo generalmenteradica en reemplazar los tipos de aceroque son más pesados y de calibres másgruesos, con aceros de calibres másdelgados y más livianos que tengan lasmismas o mejores características. Dehecho, los goznes para puertas queanteriormente eran fabricados conaceros más pesados y en calibresgruesos, pueden hoy en día fabricarsecon aceros AHSS más livianos decalibre más delgado y efectuar lamisma función. La base de un asiento

para automóvil fabricado con AHSS damayor seguridad de sujeción en unacolisión. La estructura para lacarrocería de un automóvil fabricadacon AHSS puede reducir el peso delvehículo al igual que mejorar laabsorción de energía generada en unacolisión. Los niveles de cobre, fósforo,cromo y silicón contenidos en losaceros de alta resistencia puedenmejorar la resistencia a la corrosión enlas piezas estructurales.

Nuevos aceros: Nuevosdesafíos de lubricación

Mientras que por un lado estascaracterísticas les proporcionan obviosbeneficios a los productos finales, lascaracterísticas requeridas en los aceroscrean nuevos desafíos en los procesos deconformado de metales. Con frecuencialos conformadores de metales eligen eltipo de lubricante a utilizar tomandocomo base el calibre del acero y laseveridad en el tipo de embutido o delformado. Tradicionalmente, los aceros

convencionales de calibres gruesos y deformados complejos exigían el uso delubricantes para uso pesado, mientrasque por otro lado, los aceros de calibresmás delgados y de formas másmoderadas requerían de lubricantesmenos robustos para formar las partessatisfactoriamente. El acero de altaresistencia puede afectar este criterio. Lafuerza de tensión, las características dedureza inicial y el endurecimiento detrabajo requieren que el tipo delubricante que vaya a ser utilizado, seatan robusto como cualquier otro tipo delubricante usado en los aceros decalibres gruesos. De hecho, existen otrospuntos que tornan más difícil trabajarcon los aceros de alta resistencia y queexponen a los lubricantes usados enestampados a nuevos niveles de trabajo.

Un lubricante para estampados conun buen desempeño debe proteger alherramental, al revestimiento delherramental y a la pieza en proceso, delos efectos abrasivos causados por lafricción, que pueden presentarse a

ºC1000

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Rangos de Temperatura de operación de aditivos de Presión Extrema (EP)

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medida que se le da forma o se corta elacero. El lubricante debe tambiénpermitir un flujo controlado en laalimentación del acero hacia la zona deformado y así evitar la formación decuellos y de arrugas. En operacionessencillas, el lubricante no requiere másque una leve película de separación o deagentes de deslizamiento. Lasoperaciones de mayor dificultadrequieren del uso de aditivos parapresiones extremas (EP, ExtremePressure). El acero de alta resistenciapresenta algunas de las situaciones máscomplejas en el conformado de metales,y para lograr los mejores resultados enlos procesos, requiere de un tipo delubricación de tecnología avanzada.

El acero convencional, en calibresmás gruesos, fue la elección históricaen piezas que requerían alta resistenciay eran difíciles de formar. Comoresultado de este tipo de aplicaciones,se desarrollaron lubricantes quecontenían substanciosos aditivos depelículas de separación y EP. Lamayoría de los conformadores demetal están familiarizados con loslubricantes hechos a base de petróleoque contienen parafina u olefinascloradas, sulfuradas o fosfatadas, loscuales actúan como significativosaditivos EP. Se han desarrollado

lubricantes sintéticos que contienenaditivos EP, tacificadores y aditivos conlimites mejorados que muestran unabuena funcionalidad al ser expuestosen aplicaciones de estampado severas(vea la tabla superior donde se detallanlos rangos de temperatura deoperación de los aditivos EP). Se hanutilizado con éxito lubricanteshíbridos semi-sintéticos enaplicaciones de estampado paraformar aceros convencionales. Laelección en el uso de este tipo delubricantes para este tipo de acerostiende a girar en torno a cuestionesambientales, de seguridad y de post-proceso. Cuestiones similares sonaplicables a la elección de lubricantes autilizar con el acero de alta resistencia,con una consideración adicional acausa de las nuevas complejidades queestos introducen al proceso deconformado de metales.

Las operaciones de conformado demetales usadas para los acerosconvencionales y para los aceros de altaresistencia difieren principalmente enlas características únicas de estosúltimos. Con ambos tipos de aceros elesfuerzo inicial que se experimenta en elpunto donde se encuentran lasdeformaciones iniciales requiere uncomplemento total por parte de las

características del lubricante. Laprotección de frontera (lascaracterísticas hidrodinámicas yelastodinámicas de la película y de lapresión del fluido) debe de permanecerpresente sobre todo contacto delherramental con la pieza. Si la friccióndegrada la película limítrofe, se requiereque el calor asociado con la mismaactive a los aditivos EP que crean losrecubrimientos metálicos moleculares yse proporcione protección residual. Demanera ideal, el fluido mismo deberetardar la necesidad de este efectodisipando el calor y dando protección ala película limítrofe y a la viscosidad delfluido. Con los aceros convencionales, amedida que se da forma a la pieza, estegeneralmente se suaviza, o al menos nose endurece y la demanda en laspropiedades del lubricante disminuye.De hecho, un lubricante debe sobreviviral esfuerzo inicial de cada una de lasdeformaciones para funcionaradecuadamente. Sin embargo, el acerode alta resistencia requiere de unfuncionamiento multifásico por partedel lubricante utilizado.

Desempeño requeridoa medida que se trabajael acero

El acero de alta resistencia tambiénrequiere de un desempeño por parte dellubricante durante el proceso de ladeformación inicial, pero requiere queeste se vea incrementado a medida quese trabaja el acero. Los aceros de altaresistencia contienen aleaciones quemejoran la resistencia y la formabilidadde aceros de menor peso. Estasaleaciones aumentan el esfuerzo defluencia, el cuál aumenta aún más amedida que las deformacionesaumentan. Esto significa que, a medidaque se le da forma al acero, este seendurece y adquiere resistencia encomparación con su composicióninicial. Esta característica le permite alacero generar una absorción excelenteen caso de colisiones, así como tambiénlograr una excelente formabilidad enaceros de grados más ligeros, antes deque adquieran la resistencia adicionalgenerada en el proceso de formado. El

Características del acero yrequerimientos de los lubricantes

Características de losAceros de Alta Resistencia

Requerimientos en los Lubricantes

Endurecimiento de Trabajo

Protección en fases múltiples, debeincrementarse en las etapas posterioresde la deformación.

Requiere de un incremento en la presión del formado

Lubricidad adecuada a la fricciónasociada

Preocupación respecto la presión de pisado

Propiciar un flujo consistente del material

Mayormente afectado por la corrosión

Brindar protección contra la corrosión

La gráfica muestra algunas de las complejidades que crean los aceros de altaresistencia en los procesos de conformado de metales, así como también algunasde las características que se requieren en los lubricantes que se usan en losestampados para contrarrestar estas complejidades.

Lubricantes para estampados


resultado, es que el acero se torna másduro y más resistente en el área detrabajo del dado. El lubricante no solodebe proporcionar sus propiedadestradicionales, sino que también debeincrementar su desempeño a través delproceso de formado para contrarrestarla fricción creciente que se suscita amedida que el acero se endurece.

Debido a que se puede lograr unaresistencia parecida con piezas másligeras, con frecuencia se reemplazan losaceros de calibres más gruesos con losHSLA y con los AHSS para el formadode piezas similares. Esta transiciónrequiere una mayor diversidad en eldesempeño del lubricante. Un acero degrado más delgado aunado a una mayorresistencia relativa, puede causar unarecuperación elástica (springback), detal forma que se requiere de una mayorcantidad de fuerza que brindepermanencia a la deformación. Estapresión adicional puede aumentar lafricción, lo cuál hace necesario que ellubricante cumpla con requerimientosde fases múltiples. Al mismo tiempo yen comparación con aceros másgruesos, los AHSS de grados másdelgados, requieren de sutileza en laaplicación de la presión de pisadodurante el proceso de formado. En estasituación es esencial contar con unasingular consistencia en el desempeñode la película lubricante de manera quepromueva el flujo controlado del metal

hacia la zona de formado. Si sepresentan esfuerzos o inconsistencias enel desempeño del lubricante, se afectaráel formado de la pieza. Ningúnherrramentero quiere que haya fricciónen el formado de la pieza. Sin embargo,si un lubricante se degrada lo suficientepara afectar en forma adversa al flujo delmaterial o el proceso de formado, unapieza hecha con acero de grado gruesopuede presentar ligeras excoriaciones.En algunos casos, dicha situaciónproduce un problema de estética en lapieza y da lugar a un proceso adicionalde mantenimiento en el herramental,aunque la pieza sea estructuralmenteadecuada. No obstante, el acero de altaresistencia en calibres más delgados nodeja mucho espacio para este tipo deeventos. Debido a que una falla de estetipo en el lubricante puede conducir a laformación de cuellos o incluso defracturas, las cuales obviamente afectanla integridad estructural de la pieza. Porúltimo, la corrosión afecta másrápidamente la integridad estructural deuna pieza hecha con un acero de calibremás delgado que la de una pieza hechacon un calibre más grueso. En este caso,un lubricante para estampados debebrindar una protección a la corrosiónsignificativa.

La tabla: Características del acero yRequerimientos de los lubricantes,muestra algunas de las complejidadesque los aceros de alta resistencia

generan en el proceso de conformadode metales y algunas de lascaracterísticas que se requieren en ellubricante para estampados.

Opciones en lubricantes paraaplicaciones en aceros dealta resistencia

Petróleo con un alto EP—Con basea los requerimientos de desempeñoque se explicaron previamente, las dostecnologías en lubricantes que son másviables para usarse en aceros de altaresistencia son aquellos lubricanteshechos a base de petróleo y de algunoslubricantes sintéticos hechos a base deagua. Los productos a base de petróleodeben contar con un alto contenido deaditivos EP, como cloro y sulfuro ydeben representar una elección realistaen las operaciones de formado conaceros de alta resistencia, debido a quecuentan con el más alto nivel encontenido de aditivos EP. Los aditivosEP más significativos económicamenteson aquellos que son solubles en aceitey que solo pueden ser mezclados conformulaciones a base de aceites. Enalguna literatura se ha discutido sobreel efecto adverso del adelgazamientoque el calor causado por la fricciónejerce en los lubricantes a base depetróleo. Sin embargo, este efectopuede ser ajustado usando aceites basecon altos índices de viscosidad. Dichosestudios sobre el efecto del calor en laviscosidad del aceite, dependencompletamente de la viscosidad inicialdel mismo. Más importante aún,dichos estudios no toman en cuentalos tremendos efectos que los aditivosEP ejercen al ser activados debidoprecisamente al mismo calor queadelgaza la viscosidad. El altocontenido en los niveles de aditivos EPen un lubricante, suministran una granprotección a las piezas procesadas y alherramental usado. Sin embargo, elcontenido de petróleo retiene el calor,y como resultado de esto se tiene unapobre transferencia del calor(enfriamiento). Esta característica setorna en un problema a medida que seincrementa la fricción durante elproceso de endurecimiento de trabajo

Estos paneles hechos con acero de alta resistencia muestran la acción derecubrimiento de diversos tipos de lubricantes. Los primeros dos, de izquierda aderecha, usando dos tipos diferentes de lubricantes sintéticos de tecnologíaavanzada, muestran una acción de recubrimiento de buena a regularrespectivamente; el tercero, es un lubricante sintético estándar (recubrimientopobre); y el cuarto e un aceite de emulsión clorado estándar (recubrimientopobre).



de la pieza. Bajo situaciones extremas,los dados calientes pueden transformarel petróleo en una cubierta de lacasobre las piezas y sobre el herramental.Y lo más relevante es que, los aceitespresentan la mayor preocupación entérminos ambientales, de post-procesoy de limpieza.

Aceites Emulsificables—Los aceitesemulsificables en agua, tambiénocasionalmente llamados aceitessolubles, presentan ventajas ydesventajas similares. Debido alcontenido de agua en la dilución, estosproductos pueden suministrar un efectolimitado para la transferencia de calor.Haciendo a un lado las cuestionesreferentes a las cuestiones ambientales yde post–proceso, los aceites de emulsióngeneralmente no cubren ni mojan alacero uniformemente. Esta característicapuede resultar desfavorable para el flujodel material durante el proceso deformado. Los aceites emulsificadostienden a verse contaminados porbacterias por lo cuál son menos

bioestables. Por último, los aditivos EP,como son el cloro y el sulfuro, que seutilizan tanto en aceites como en aceitesemulsificados pueden tornarse volátilesal ser expuestos a temperaturas altas y ala humedad. Estos lubricantes residualessolo pueden brindar una protecciónanticorrosiva limitada.

Lubricantes Sintéticos deTecnología Avanzada.—Los lubricantessintéticos a base de agua, presentan elespectro más amplio para el desarrolloy el éxito potencial en los formados conAHSS. La mayoría de los lubricantessintéticos desarrollados para uso pesadoo incluso aquellos comercializadosespecíficamente para los AHSS, sonhechos a base de familias de polímeroscomunes. Estos productos brindan unadisipación del calor excepcional alenfriar las piezas, además de mantenerla viscosidad del fluido, y degeneralmente operar a temperaturasmas bajas. En fechas recientes, se handesarrollado aditivos patentados con elfin de incrementar la tenacidad de la

película. Esta característica proporcionauna función de fases múltiples que esesencial para un uso exitoso en AHSS.La viscosidad del fluido, los agenteslimítrofes y las propiedades deadherencia dan protección durante elesfuerzo inicial en el proceso deconformado de metales. A medida quese desarrolla calor por fricción durantela fase de endurecimiento de trabajo, elfluido forma una viscosidad aparenteen la película residual que cubre a lapieza y al herramental. Esta tenazporción de la película proporciona unaprotección limítrofe nueva yfundamental, de gran utilidad en lasetapas posteriores de los procesos deformado, además de proteger a lospunzones al momento en que sonretirados. Compuesto principalmentede ingredientes solubles en agua, losresiduos de los mismos permiten unaremoción simplificada en los sistemasde limpieza y, con frecuencia norequieren de limpieza previa a lasoperaciones de soldadura.



Otras cualidades de los lubricantes que afectan el formado

Se han desarrollado varias versionesde lubricantes sintéticos con películas deadhesión mejoradas por parte de losproveedores que utilizan polímeros,agentes limítrofes y aditivos conresistencia térmica. Las característicascitadas son esenciales si el lubricantesintético ha de funcionar efectivamenteen aplicaciones de formado de aceros dealta resistencia. No obstante, lascaracterísticas auxiliares y mecánicas delproducto son igualmente importantes.Más importante aún, es el hecho de queun lubricante debe cubriruniformemente la superficie del acerosin engrosamientos ni grumos. Sinimportar que tipo de agentes químicosse encuentren presentes en la mezcla delproducto, si el fluido no se adhiere y semantiene en la superficie del acero, o nocubre uniformemente al herramental,este lubricante no puede brindarprotección contra la fricción y tampoco

permitirá el flujo consistente delmaterial. Una pobre adherencia puededejar áreas sin protección contra lacorrosión.

Segundo, los lubricantes detecnologías anteriores, dependíanfuertemente de la viscosidad delproducto para que esta proporcionarala protección limítrofe durante losprocesos de formado. El acero de altaresistencia requiere con frecuencia detolerancias estrechas en el dado, de talforma que los lubricantes conviscosidades gruesas pueden ser unproblema. También, existen muchasoperaciones que aplican los lubricantesa través de sistemas de spray. Unlubricante que sea demasiado viscosono puede ser rociado en formaeficiente. Los lubricantes de tecnologíaavanzada operan principalmente através del efecto de frontera inicial, detransferencia del calor y de laviscosidad aparente de la película quequeda adherida en las piezas y en losherramentales. No se precisa que la

viscosidad del fluido sea pesada paraque este opere de manera efectiva.

Tercero, para disminuir el uso delubricantes y la generación de residuos,con frecuencia los lubricantes sonoperados dentro de sistemas derecirculación. Como resultado, ellubricante deberá contar concaracterísticas que le permitanrechazar el aceite de trampa, debe serbioestables y producir poca espuma.

Por último, los lubricantes sintéticosofrecen ventajas significativas en lasoperaciones de post-proceso, limpieza,seguridad de la planta y cumplimientode normas ambientales. Generalmenteson limpias para trabajar y se limpiancon facilidad de las piezas. Confrecuencia se pueden eliminar lasoperaciones de limpieza, por ejemplo,antes de proceder a operaciones desoldadura. Y, debido a que loslubricantes sintéticos contienen pocos onulos ingredientes dañinos, facilitan losprogramas de seguridad y ambientales.

MF

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