Como seleccionar los lubricantes para estampar aceros avanzados

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 asientos
hechas con acero de alta resistencia y bajas aleaciones, que fueron estampadas por Batesville Tool & Die, en
Batesville, IN, exigen el uso de lubricantes con propiedades mejoradas.
¿Cuáles son los
requerimientos de
lubricación al dar forma
a estos aceros cada
vez más populares
y qué lubricantes
funcionan mejor?
POR MICHAEL BROWN
Y PAUL BOSLER JR.
Michael Brown es Director Técnico y
Jefe de Formulaciones Químicas y Paul
Bosler Jr. es Gerente General(CEO) de
Mid-State Chemical & Supply Corp.,
Indianapolis, IN. Tel. 317/925-1407;
www.midstatechem.com.
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METALFORMING / Enero 2007
a lubricación en la placa metálica y
en la pieza de trabajo asociada tiene
un papel importante en las
operaciones del conformado de
metales, pero de acuerdo a lo
descubierto por la industria de
conformado metálico, el uso de
lubricantes adecuados es
extremadamente crítico al realizar
operaciones de embutido, de
estampados, de formados o
punzonados en piezas de componentes
hechos con aceros de alta resistencia de
bajas aleaciones (HSLA, High Strenght
Low Alloy) y con aceros avanzados de
alta resistencia (AHSS, Advanced
Higos Strenght Steel). Estos tipos de
aceros imponen exigencias sobre los
lubricantes durante los procesos de
conformado de metales que pueden
causar confusión en las expectativas
L
tradicionales de desempeño de los
lubricantes y de los herramentales.
Estos aceros poseen características que
reditúan en beneficios en el producto
final pero que también imponen
desafíos durante los procesos de
formado. Los efectos colaterales como
la recuperación elástica (springback)
pueden requerir de soluciones a través
del diseño del herramental, o el
incremento en el tonelaje aplicado por
la prensa, los cuales imponen
exigencias en el desempeño del
lubricante.
Estos puntos focales únicos crean un
ambiente propicio para generar
problemas en producción e imponen
pruebas muy severas sobre las
propiedades de los lubricantes para
estampados. También, ponen a prueba
el nivel de conocimiento de los
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ºC
1000
950
Cpds de Sulfuro
900
850
800
750
700
650
550
450
400
Con el fin de lograr mayor
seguridad en los vehículos al igual que
un mejor rendimiento en el consumo
de combustible, el uso de los aceros
AHSS se ha incrementado en forma
dramática en el ramo de la industria
automotriz. Como regla general, los
aceros AHSS brindan tasas superiores
de endurecimiento de trabajo y
mayores resistencias a la tensión que
aquellas obtenidas con los aceros
convencionales. Básicamente, las
características en cuestión se logran al
crear aleaciones con elementos como
el manganeso, el cromo, el vanadio, el
novio y otros más. Dependiendo en la
elección del tipo de acero—HSLA, de
fase doble (DP, Dual Phase), de
plasticidad inducida por
transformación (TRIP, Transformation
Induced Plasticity), de fase compleja
(CP, Complex Phase), de tipo
martensítico (MARTenisitc) y de otros
híbridos; el objetivo generalmente
radica en reemplazar los tipos de acero
que son más pesados y de calibres más
gruesos, con aceros de calibres más
delgados y más livianos que tengan las
mismas o mejores características. De
hecho, los goznes para puertas que
anteriormente eran fabricados con
aceros más pesados y en calibres
gruesos, pueden hoy en día fabricarse
con aceros AHSS más livianos de
calibre más delgado y efectuar la
misma función. La base de un asiento
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350
300
250
200
150
100
Jabones y Ésteres
Dramático aumento en
el uso de HSLA y de AHSS
Parafinas Cloradas
500
Cpds Órganofosfóricos
600
Sintéticos, Ésteres Poliméricos
ingenieros de dados, de los operadores y
de los especialistas en lubricantes más
experimentados en este campo. Las
experiencias relacionadas con los aceros
de alta resistencia han dado como
resultado muchas interpretaciones
erróneas, en particular las relacionadas a
los lubricantes que se requieren para
lograr buenos formados. La mejor
forma para que el conformador de
metales pueda hacer frente a los desafíos
que se le vayan presentando, es
contando con el entendimiento básico
de las características de esta tecnología
del acero, así como de las tecnologías
desarrolladas en los lubricantes que se
utilizan en estos formados.
Rangos de Temperatura de operación
de aditivos de Presión Extrema (EP)
50
0
para automóvil fabricado con AHSS da
mayor seguridad de sujeción en una
colisión. La estructura para la
carrocería de un automóvil fabricada
con AHSS puede reducir el peso del
vehículo al igual que mejorar la
absorción de energía generada en una
colisión. Los niveles de cobre, fósforo,
cromo y silicón contenidos en los
aceros de alta resistencia pueden
mejorar la resistencia a la corrosión en
las piezas estructurales.
Nuevos aceros: Nuevos
desafíos de lubricación
Mientras que por un lado estas
características les proporcionan obvios
beneficios a los productos finales, las
características requeridas en los aceros
crean nuevos desafíos en los procesos de
conformado de metales. Con frecuencia
los conformadores de metales eligen el
tipo de lubricante a utilizar tomando
como base el calibre del acero y la
severidad en el tipo de embutido o del
formado. Tradicionalmente, los aceros
convencionales de calibres gruesos y de
formados complejos exigían el uso de
lubricantes para uso pesado, mientras
que por otro lado, los aceros de calibres
más delgados y de formas más
moderadas requerían de lubricantes
menos robustos para formar las partes
satisfactoriamente. El acero de alta
resistencia puede afectar este criterio. La
fuerza de tensión, las características de
dureza inicial y el endurecimiento de
trabajo requieren que el tipo de
lubricante que vaya a ser utilizado, sea
tan robusto como cualquier otro tipo de
lubricante usado en los aceros de
calibres gruesos. De hecho, existen otros
puntos que tornan más difícil trabajar
con los aceros de alta resistencia y que
exponen a los lubricantes usados en
estampados a nuevos niveles de trabajo.
Un lubricante para estampados con
un buen desempeño debe proteger al
herramental, al revestimiento del
herramental y a la pieza en proceso, de
los efectos abrasivos causados por la
fricción, que pueden presentarse a
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Lubricantes para estampados
Características del acero y
requerimientos de los lubricantes
Características de los
Aceros de Alta Resistencia
Requerimientos
en los Lubricantes
Endurecimiento
de Trabajo
Protección en fases múltiples, debe
incrementarse en las etapas posteriores
de la deformación.
Requiere de un incremento en
la presión del formado
Lubricidad adecuada a la fricción
asociada
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 alta
resistencia en los procesos de conformado de metales, así como también algunas
de las características que se requieren en los lubricantes que se usan en los
estampados para contrarrestar estas complejidades.
medida que se le da forma o se corta el
acero. El lubricante debe también
permitir un flujo controlado en la
alimentación del acero hacia la zona de
formado y así evitar la formación de
cuellos y de arrugas. En operaciones
sencillas, el lubricante no requiere más
que una leve película de separación o de
agentes de deslizamiento. Las
operaciones de mayor dificultad
requieren del uso de aditivos para
presiones extremas (EP, Extreme
Pressure). El acero de alta resistencia
presenta algunas de las situaciones más
complejas en el conformado de metales,
y para lograr los mejores resultados en
los procesos, requiere de un tipo de
lubricación de tecnología avanzada.
El acero convencional, en calibres
más gruesos, fue la elección histórica
en piezas que requerían alta resistencia
y eran difíciles de formar. Como
resultado de este tipo de aplicaciones,
se desarrollaron lubricantes que
contenían substanciosos aditivos de
películas de separación y EP. La
mayoría de los conformadores de
metal están familiarizados con los
lubricantes hechos a base de petróleo
que contienen parafina u olefinas
cloradas, sulfuradas o fosfatadas, los
cuales actúan como significativos
aditivos EP. Se han desarrollado
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METALFORMING / Enero 2007
lubricantes sintéticos que contienen
aditivos EP, tacificadores y aditivos con
limites mejorados que muestran una
buena funcionalidad al ser expuestos
en aplicaciones de estampado severas
(vea la tabla superior donde se detallan
los rangos de temperatura de
operación de los aditivos EP). Se han
utilizado con éxito lubricantes
híbridos semi-sintéticos en
aplicaciones de estampado para
formar aceros convencionales. La
elección en el uso de este tipo de
lubricantes para este tipo de aceros
tiende a girar en torno a cuestiones
ambientales, de seguridad y de postproceso. Cuestiones similares son
aplicables a la elección de lubricantes a
utilizar con el acero de alta resistencia,
con una consideración adicional a
causa de las nuevas complejidades que
estos introducen al proceso de
conformado de metales.
Las operaciones de conformado de
metales usadas para los aceros
convencionales y para los aceros de alta
resistencia difieren principalmente en
las características únicas de estos
últimos. Con ambos tipos de aceros el
esfuerzo inicial que se experimenta en el
punto donde se encuentran las
deformaciones iniciales requiere un
complemento total por parte de las
características del lubricante. La
protección de frontera (las
características hidrodinámicas y
elastodinámicas de la película y de la
presión del fluido) debe de permanecer
presente sobre todo contacto del
herramental con la pieza. Si la fricción
degrada la película limítrofe, se requiere
que el calor asociado con la misma
active a los aditivos EP que crean los
recubrimientos metálicos moleculares y
se proporcione protección residual. De
manera ideal, el fluido mismo debe
retardar la necesidad de este efecto
disipando el calor y dando protección a
la película limítrofe y a la viscosidad del
fluido. Con los aceros convencionales, a
medida que se da forma a la pieza, este
generalmente se suaviza, o al menos no
se endurece y la demanda en las
propiedades del lubricante disminuye.
De hecho, un lubricante debe sobrevivir
al esfuerzo inicial de cada una de las
deformaciones para funcionar
adecuadamente. Sin embargo, el acero
de alta resistencia requiere de un
funcionamiento multifásico por parte
del lubricante utilizado.
Desempeño requerido
a medida que se trabaja
el acero
El acero de alta resistencia también
requiere de un desempeño por parte del
lubricante durante el proceso de la
deformación inicial, pero requiere que
este se vea incrementado a medida que
se trabaja el acero. Los aceros de alta
resistencia contienen aleaciones que
mejoran la resistencia y la formabilidad
de aceros de menor peso. Estas
aleaciones aumentan el esfuerzo de
fluencia, el cuál aumenta aún más a
medida que las deformaciones
aumentan. Esto significa que, a medida
que se le da forma al acero, este se
endurece y adquiere resistencia en
comparación con su composición
inicial. Esta característica le permite al
acero generar una absorción excelente
en caso de colisiones, así como también
lograr una excelente formabilidad en
aceros de grados más ligeros, antes de
que adquieran la resistencia adicional
generada en el proceso de formado. El
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Lubricantes para estampados
generan en el proceso de conformado
de metales y algunas de las
características que se requieren en el
lubricante para estampados.
Opciones en lubricantes para
aplicaciones en aceros de
alta resistencia
Estos paneles hechos con acero de alta resistencia muestran la acción de
recubrimiento de diversos tipos de lubricantes. Los primeros dos, de izquierda a
derecha, usando dos tipos diferentes de lubricantes sintéticos de tecnología
avanzada, muestran una acción de recubrimiento de buena a regular
respectivamente; el tercero, es un lubricante sintético estándar (recubrimiento
pobre); y el cuarto e un aceite de emulsión clorado estándar (recubrimiento
pobre).
resultado, es que el acero se torna más
duro y más resistente en el área de
trabajo del dado. El lubricante no solo
debe proporcionar sus propiedades
tradicionales, sino que también debe
incrementar su desempeño a través del
proceso de formado para contrarrestar
la fricción creciente que se suscita a
medida que el acero se endurece.
Debido a que se puede lograr una
resistencia parecida con piezas más
ligeras, con frecuencia se reemplazan los
aceros de calibres más gruesos con los
HSLA y con los AHSS para el formado
de piezas similares. Esta transición
requiere una mayor diversidad en el
desempeño del lubricante. Un acero de
grado más delgado aunado a una mayor
resistencia relativa, puede causar una
recuperación elástica (springback), de
tal forma que se requiere de una mayor
cantidad de fuerza que brinde
permanencia a la deformación. Esta
presión adicional puede aumentar la
fricción, lo cuál hace necesario que el
lubricante cumpla con requerimientos
de fases múltiples. Al mismo tiempo y
en comparación con aceros más
gruesos, los AHSS de grados más
delgados, requieren de sutileza en la
aplicación de la presión de pisado
durante el proceso de formado. En esta
situación es esencial contar con una
singular consistencia en el desempeño
de la película lubricante de manera que
promueva el flujo controlado del metal
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METALFORMING / Enero 2007
hacia la zona de formado. Si se
presentan esfuerzos o inconsistencias en
el desempeño del lubricante, se afectará
el formado de la pieza. Ningún
herrramentero quiere que haya fricción
en el formado de la pieza. Sin embargo,
si un lubricante se degrada lo suficiente
para afectar en forma adversa al flujo del
material o el proceso de formado, una
pieza hecha con acero de grado grueso
puede presentar ligeras excoriaciones.
En algunos casos, dicha situación
produce un problema de estética en la
pieza y da lugar a un proceso adicional
de mantenimiento en el herramental,
aunque la pieza sea estructuralmente
adecuada. No obstante, el acero de alta
resistencia en calibres más delgados no
deja mucho espacio para este tipo de
eventos. Debido a que una falla de este
tipo en el lubricante puede conducir a la
formación de cuellos o incluso de
fracturas, las cuales obviamente afectan
la integridad estructural de la pieza. Por
último, la corrosión afecta más
rápidamente la integridad estructural de
una pieza hecha con un acero de calibre
más delgado que la de una pieza hecha
con un calibre más grueso. En este caso,
un lubricante para estampados debe
brindar una protección a la corrosión
significativa.
La tabla: Características del acero y
Requerimientos de los lubricantes,
muestra algunas de las complejidades
que los aceros de alta resistencia
Petróleo con un alto EP—Con base
a los requerimientos de desempeño
que se explicaron previamente, las dos
tecnologías en lubricantes que son más
viables para usarse en aceros de alta
resistencia son aquellos lubricantes
hechos a base de petróleo y de algunos
lubricantes sintéticos hechos a base de
agua. Los productos a base de petróleo
deben contar con un alto contenido de
aditivos EP, como cloro y sulfuro y
deben representar una elección realista
en las operaciones de formado con
aceros de alta resistencia, debido a que
cuentan con el más alto nivel en
contenido de aditivos EP. Los aditivos
EP más significativos económicamente
son aquellos que son solubles en aceite
y que solo pueden ser mezclados con
formulaciones a base de aceites. En
alguna literatura se ha discutido sobre
el efecto adverso del adelgazamiento
que el calor causado por la fricción
ejerce en los lubricantes a base de
petróleo. Sin embargo, este efecto
puede ser ajustado usando aceites base
con altos índices de viscosidad. Dichos
estudios sobre el efecto del calor en la
viscosidad del aceite, dependen
completamente de la viscosidad inicial
del mismo. Más importante aún,
dichos estudios no toman en cuenta
los tremendos efectos que los aditivos
EP ejercen al ser activados debido
precisamente al mismo calor que
adelgaza la viscosidad. El alto
contenido en los niveles de aditivos EP
en un lubricante, suministran una gran
protección a las piezas procesadas y al
herramental usado. Sin embargo, el
contenido de petróleo retiene el calor,
y como resultado de esto se tiene una
pobre transferencia del calor
(enfriamiento). Esta característica se
torna en un problema a medida que se
incrementa la fricción durante el
proceso de endurecimiento de trabajo
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Lubricantes para estampados
de la pieza. Bajo situaciones extremas,
los dados calientes pueden transformar
el petróleo en una cubierta de laca
sobre las piezas y sobre el herramental.
Y lo más relevante es que, los aceites
presentan la mayor preocupación en
términos ambientales, de post-proceso
y de limpieza.
Aceites Emulsificables—Los aceites
emulsificables en agua, también
ocasionalmente llamados aceites
solubles, presentan ventajas y
desventajas similares. Debido al
contenido de agua en la dilución, estos
productos pueden suministrar un efecto
limitado para la transferencia de calor.
Haciendo a un lado las cuestiones
referentes a las cuestiones ambientales y
de post–proceso, los aceites de emulsión
generalmente no cubren ni mojan al
acero uniformemente. Esta característica
puede resultar desfavorable para el flujo
del material durante el proceso de
formado. Los aceites emulsificados
tienden a verse contaminados por
bacterias por lo cuál son menos
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METALFORMING / Enero 2007
bioestables. Por último, los aditivos EP,
como son el cloro y el sulfuro, que se
utilizan tanto en aceites como en aceites
emulsificados pueden tornarse volátiles
al ser expuestos a temperaturas altas y a
la humedad. Estos lubricantes residuales
solo pueden brindar una protección
anticorrosiva limitada.
Lubricantes Sintéticos de
Tecnología Avanzada.—Los lubricantes
sintéticos a base de agua, presentan el
espectro más amplio para el desarrollo
y el éxito potencial en los formados con
AHSS. La mayoría de los lubricantes
sintéticos desarrollados para uso pesado
o incluso aquellos comercializados
específicamente para los AHSS, son
hechos a base de familias de polímeros
comunes. Estos productos brindan una
disipación del calor excepcional al
enfriar las piezas, además de mantener
la viscosidad del fluido, y de
generalmente operar a temperaturas
mas bajas. En fechas recientes, se han
desarrollado aditivos patentados con el
fin de incrementar la tenacidad de la
película. Esta característica proporciona
una función de fases múltiples que es
esencial para un uso exitoso en AHSS.
La viscosidad del fluido, los agentes
limítrofes y las propiedades de
adherencia dan protección durante el
esfuerzo inicial en el proceso de
conformado de metales. A medida que
se desarrolla calor por fricción durante
la fase de endurecimiento de trabajo, el
fluido forma una viscosidad aparente
en la película residual que cubre a la
pieza y al herramental. Esta tenaz
porción de la película proporciona una
protección limítrofe nueva y
fundamental, de gran utilidad en las
etapas posteriores de los procesos de
formado, además de proteger a los
punzones al momento en que son
retirados. Compuesto principalmente
de ingredientes solubles en agua, los
residuos de los mismos permiten una
remoción simplificada en los sistemas
de limpieza y, con frecuencia no
requieren de limpieza previa a las
operaciones de soldadura.
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Otras cualidades de
los lubricantes que
afectan el formado
Se han desarrollado varias versiones
de lubricantes sintéticos con películas de
adhesión mejoradas por parte de los
proveedores que utilizan polímeros,
agentes limítrofes y aditivos con
resistencia térmica. Las características
citadas son esenciales si el lubricante
sintético ha de funcionar efectivamente
en aplicaciones de formado de aceros de
alta resistencia. No obstante, las
características auxiliares y mecánicas del
producto son igualmente importantes.
Más importante aún, es el hecho de que
un lubricante debe cubrir
uniformemente la superficie del acero
sin engrosamientos ni grumos. Sin
importar que tipo de agentes químicos
se encuentren presentes en la mezcla del
producto, si el fluido no se adhiere y se
mantiene en la superficie del acero, o no
cubre uniformemente al herramental,
este lubricante no puede brindar
protección contra la fricción y tampoco
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permitirá el flujo consistente del
material. Una pobre adherencia puede
dejar áreas sin protección contra la
corrosión.
Segundo, los lubricantes de
tecnologías anteriores, dependían
fuertemente de la viscosidad del
producto para que esta proporcionara
la protección limítrofe durante los
procesos de formado. El acero de alta
resistencia requiere con frecuencia de
tolerancias estrechas en el dado, de tal
forma que los lubricantes con
viscosidades gruesas pueden ser un
problema. También, existen muchas
operaciones que aplican los lubricantes
a través de sistemas de spray. Un
lubricante que sea demasiado viscoso
no puede ser rociado en forma
eficiente. Los lubricantes de tecnología
avanzada operan principalmente a
través del efecto de frontera inicial, de
transferencia del calor y de la
viscosidad aparente de la película que
queda adherida en las piezas y en los
herramentales. No se precisa que la
viscosidad del fluido sea pesada para
que este opere de manera efectiva.
Tercero, para disminuir el uso de
lubricantes y la generación de residuos,
con frecuencia los lubricantes son
operados dentro de sistemas de
recirculación. Como resultado, el
lubricante deberá contar con
características que le permitan
rechazar el aceite de trampa, debe ser
bioestables y producir poca espuma.
Por último, los lubricantes sintéticos
ofrecen ventajas significativas en las
operaciones de post-proceso, limpieza,
seguridad de la planta y cumplimiento
de normas ambientales. Generalmente
son limpias para trabajar y se limpian
con facilidad de las piezas. Con
frecuencia se pueden eliminar las
operaciones de limpieza, por ejemplo,
antes de proceder a operaciones de
soldadura. Y, debido a que los
lubricantes sintéticos contienen pocos o
nulos ingredientes dañinos, facilitan los
programas de seguridad y ambientales.
MF
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