Lubricantes ecológicos para operaciones de corte y conformado

J. Barriga y A. Igartua, FUNDACIÓN TEKNIKER,
L. Muntada y P. Navío, BRUGAROLAS,
A.Zabala, TM NORMA (CIE Automotive),
P. Lehto, T-DRILL, 
G. Hagg, JARO,
E. Heinkinen, STALA,

15/11/2003
Para su utilización en diferentes procesos de corte y conformado En la formulación de estos lubricantes se han utilizado compuestos biodegradables y no tóxicos. La ecotoxicidad de la formulación final de los lubricantes se ha medido mediante el test de "Daphnia Magna". Como primera selección se han realizado algunos ensayos estándar de fricción y desgaste. Para simular el proceso de estampación y evaluar así la eficiencia de los fluidos de conformado, se han puesto a punto “Ensayos de Estampación con Rotación” en una máquina Falex Tapping Torque. La validación final de los lubricantes se ha llevado a cabo mediante ensayos de campo. Los productos fluorados mostraron unas buenas propiedades para aplicaciones de taladrado y conformado severo, pero con costes prohibitivos. Para el doblado de tubo, se ha obtenido un lubricante ecológico con buenas características cuya formulación está basada en jabones derivados de ácidos orgánicos y ésteres. Se probó el buen comportamiento de un lubricante diluido en agua para aplicaciones de estampación profunda. Este lubricante estaba formulado con ésteres naturales, aditivos sulfurados y jabones de potasio.

Introducción

El lubricante juega un papel clave en el de corte y conformado de materiales metálicos. Actualmente se utilizan para los procesos de mayor severidad aceites minerales con cloro-parafinas. Mientras que el comportamiento del lubricante es bueno, desde un punto de vista medioambiental, tiene algunos inconvenientes, como son: toxicidad, contaminación e irritación de la piel.

En el presente trabajo se han desarrollado nuevos lubricantes ecológicos para tres aplicaciones: taladrado/conformado de tuberías, doblado/conformado/corte de tubo y embutición de chapa. Su comportamiento se ha comparado por medio de ensayos tribológicos (caracterización de fricción y desgaste) y ensayos de campo en las aplicaciones reales. Se ha controlado la toxicidad de los nuevos productos tanto antes de la formulación (mediante una correcta selección de los componentes) como con el lubricante completamente formulado, realizando tests de toxicidad.

Ensayos de laboratorio

Con objeto de realizar una rápida selección de los nuevos lubricantes desarrollados basándonos en criterios técnicos, inicialmente se ha llevado a cabo una caracterización tribológica básica de los nuevos lubricantes mediante ensayos de Bola sobre Disco (contacto de punto). Se han utilizado también ensayos orientados a las aplicaciones: ensayos de Anillo sobre Disco (contacto de superficie), de Cilindro sobre Disco (contacto de línea) y de Estampación con Rotación (Figura 1). Este último ensayo permite medir el par generado durante la operación de estampación y por tanto evaluar la eficiencia relativa del fluido lubricante que se está utilizando.
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Figura 1: Máquina para ensayos de estampación con rotación y probetas

Conformado y taladrado de tubos

El método de ramificación de tuberías T-Drill es aplicable a casi todos los materiales maleables, incluyendo el acero inoxidable, las aleaciones de Cu-Ni, las aleaciones de aluminio y el cobre. Este método combina operaciones de taladrado y de conformado (Figura 2). Por medio de esta técnica se requiere una única unión soldada en vez de tres.
El conformado de las uniones en "T" en el acero inoxidable requiere unas altas prestaciones por parte del lubricante debido a la severidad del proceso. Brugarolas ha desarrollado más de 33 nuevos productos para aplicaciones de taladrado/conformado en los cuáles se ha evitado la presencia de componentes peligrosos para el medio ambiente como son los compuestos clorados. Alternativamente, se han formulado algunos lubricantes fluorados.

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Figura 2: Esquema del proceso de taladrado/conformado

Ensayos tribológicos

Se desarrollaron ensayos básicos de laboratorio para tener una idea más cercana sobre el comportamiento frente al desgaste de los nuevos lubricantes. Los ensayos de bola sobre disco con una bola de cerámica y un disco de acero miden la resistencia del lubricante al desgaste abrasivo. En la figura 3 se puede observar el coeficiente de fricción de varios lubricantes. Los compuestos clorados (tóxicos) muestran un coeficiente de fricción entorno a 0,1-0,2 mientras que con la amplia gama de productos ecológicos desarrollados podemos encontrar que la fricción puede variar de 0,1 a 0,9 de unos lubricantes a otros.
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Figura 3: Ensayos de bola sobre disco con lubricantes de taladrado/conformado

Pruebas en máquina CNC y ensayos de campo

s posible adaptar una herramienta de taladrado/conformado T-DRILL a una fresadora de control numérico (CNC). Una ventaja de ensayar con la máquina CNC es la posibilidad de controlar más el proceso real (temperatura, mecanismo de desgaste, consumo…).

Lo primero que nos llama la atención es que el comportamiento de los lubricantes ecológicos (como Ecopaste 1) en el conformado de tubos de cobre es similar al de los lubricantes clorados. Pero el desafío real y el objetivo de este trabajo era obtener una solución para el acero inoxidable. En las pruebas realizadas en la máquina CNC encontramos que un lubricante fluorado y una eco-pasta presentan un comportamiento similar al de los lubricantes tradicionales.

T-Drill ha desarrollado una metodología de ensayos de campo para evaluar el desgaste de las herramientas en sus máquinas. Los parámetros que se controlan son el consumo de corriente del equipo y el desgaste de las herramientas de conformado. Los resultados de sus ensayos están resumidos en la Figura 4.

La adición de un 10% de lubricantes sólidos como CO3Ca, MoS2, (PO4)2Ca3, ZnO, amina cianurada o compuestos orgánicos de Molibdeno sobre aceites de base mineral con espesantes de hidrocarburos cerosos y aditivos de ésteres sintéticos sulfurados y fosfato aminas, no mejora el consumo actual durante la aplicación de taladrado/conformado. El espesante basado en hidrocarburos cerosos da un consumo ligeramente menor que los compuestos de urea. El incremento de la concentración de sulfonatos + aditivos de azufre afecta ligeramente al consumo, pero el incremento de la concentración de éster sulfurado natural + fosfato amina disminuye el consumo significativamente.

De entre los lubricantes respetuosos con el medioambiente los derivados del flúor (compuestos fluorados de poliéster) son los que mejores características técnicas presentan, obteniéndose un comportamiento similar al de los lubricantes clorados.

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Figura 4: Consumo de corriente en los ensayos T-Drill

Propiedades medioambientales

La adición de Molibdeno orgánico o de MoS2 no modifica las propiedades de toxicidad, pero con otros lubricantes sólidos se ha observado un incremento de la toxicidad en los ensayos de Daphnia Magna. Utilizando urea como espesante o si no utilizamos espesante, se obtiene una toxicidad ligeramente inferior que con los hidrocarburos cerosos. Las diferencias sin embargo no son muy grandes.

Cuando aumenta la concentración de sulfonatos + azufre, la toxicidad disminuye. El aditivo olefina sulfurada da una menor toxicidad que el éster sintético sulfurado. No es posible medir la ecotoxicidad de los lubricantes fluorados porque son totalmente insolubles, pero se asume que son menos tóxicos que los productos fluorados.

Prácticamente todos los productos desarrollados para esta aplicación cumplen con las especificaciones de baja toxicidad que se exigen en varias ecoetiquetas (>100 mg/l), como son la Blue Angel o la Nordic Swan. Cuanto mayor es el valor EC50 menor es la toxicidad del producto.

Corte, doblado y conformado de tubos

En la fabricación de tubos están implicados muchos procesos para transformar una chapa de metal en el producto final (ver figura 5). Por esta razón es de vital importancia que lubricantes que se utilicen sean fáciles de eliminar tras cada operación y que generen el mínimo residuo posible.

Brugarolas ha formulado ocho lubricantes para el doblado de tubos y tres para aplicaciones de corte. Algunos están formulados con aceite mineral sumamente refinado, ésteres, surfactantes y aditivos sulfurados y se han formulado de tal manera que sean fácilmente lavables. Para el doblado y conformado los aceites se han obtenido a base de jabones de ácidos orgánicos y ésteres. Un lubricante de corte y una taladrina de conformado están formulados con aceite de colza y aditivos de azufre y fósforo. Otros aceites de corte han sido formulados con jabones de ácidos orgánicos y ésteres y o basándose en aceite de colza y aditivos de azufre y de fósforo.

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Figura 5. Ejemplos de tubos doblados
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Figura 6: Coeficiente de fricción de los lubricantes para doblado de tubos

Ensayos tribológicos

El coeficiente de fricción en condiciones abrasivas de uno de los aceites ecológicos es muy bajo ( ≈ 0,03), casi la mitad del coeficiente de fricción para el aceite mineral de referencia en las mismas condiciones de ensayo (Figura 6).

Se examinaron algunos fluidos de corte en la máquina de fricción SRV tribotester con el material utilizado normalmente en esta aplicación: una chapa de HSS (AISI 304). Se observó una fuerte abrasión en el ensayo llevado a cabo con el aceite de corte de referencia siendo el desgaste mucho más suave con el lubricante “Ecopipe Cutting”. También fue menor el coeficiente de fricción con el nuevo fluido ecológico (Tabla 1).

Para las aplicaciones de conformado se han estudiado algunos fluidos basados en agua. En ensayos abrasivos estándar de bola sobre disco se observa que uno de los nuevos lubricantes presenta menor fricción y desgaste que los lubricantes de referencia (Tabla 2). El lubricante “New Forming 2” tiene muy buenas propiedades ante la fricción y el desgaste para esta aplicación como lubricante de base acuosa. La primera formulación “New Forming 1” tuvo muy malas propiedades: elevado desgaste y fricción en los ensayos.

Ensayos de campo

En las pruebas realizadas en campo con el aceite de doblado ecológico, un producto sintético soluble en agua, es posible hacer más de 14.854 doblados de tubos (Tabla 3). El aceite es muy fácil de lavar y el número de aplicaciones de este aceite puede incrementarse. El desgaste se reduce cuando aumenta el número de tubos curvados porque la presión de contacto disminuye. La mejora obtenida es espectacular ya que no sólo se tiene un nuevo producto no tóxico y fácilmente eliminable sino que, además, se ha reducido drásticamente el desgaste de las herramientas.

Los lubricantes “New Forming 1 y 2” se han ensayado en JARO en la aplicación de conformado para transformar una lámina metálica en un tubo. El comportamiento del lubricante “New Forming 1” fue bueno al principio pero posteriormente empeoró. El comportamiento del lubricante “New Forming 2” fue mucho mejor. Esta misma relación ha sido observada en el laboratorio.

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Propiedades medioambientales

El lubricante ecológico de doblado es prácticamente no tóxico (569 mg/l) según el ensayo de Daphnia Magna, tal y como se requiere en muchas ecoetiquetas. La toxicidad se ha reducido 5 veces con relación al aceite utilizado anteriormente, el “Reference Bending 1” (99 mg/l).

Los aceites utilizados anteriormente; el “Reference Forming 1 y 2”, son tóxicos (1,74 y 32,24 mg/l respectivamente en el ensayo de Daphnia Magna). Los nuevos lubricantes para estas aplicaciones; el “New Forming 1 y 2” son prácticamente no tóxicos (110,34 y 114 mg/l respectivamente).

Aplicaciones del estampado profundo

La estampación profunda de chapas metálicas requiere, en ocasiones, de grandes presiones para conseguir las deformaciones requeridas, sobre todo cuando se trata de piezas complejas fabricadas en acero inoxidable. Las aplicaciones con las que se ha trabajado en el presente estudio consisten en la fabricación de componentes de automoción y de fregaderas (Figura 7). En el marco de este trabajo Brugarolas ha desarrollado nueve lubricantes para esta aplicación.

Los resultados de estos lubricantes se han comparado con tres referencias:

  • “Reference MP” (acero normal y presión normal)
  • “Reference LP” (presión baja)
  • “Chlorine HP” (operaciones severas)

Los biolubricantes están formulados con ésteres nativos o biodegradables y aditivos de azufre y fósforo. El resto de los lubricantes están formulados sin cloro, con aceite mineral altamente refinado, ésteres y aditivos de azufre. Todas las alternativas formuladas son solubles en agua y, por lo tanto, fácilmente lavables.

Brugarolas ha desarrollado dos lubricantes más para ser usados en estampado profundo diluidos en agua. Ambos lubricantes están formulados con ésteres nativos, aditivos de azufre, jabón de potasio y los dos son lubricantes solubles en agua. Su comportamiento se ha comparado con el lubricante mineral actuales: “Reference Stala”.

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Figura 7: Fregadera de acero inoxidable fabricada por estampación

Ensayos tribológicos

Los ensayos de estampación rotacional se han llevado a cabo en el laboratorio para seleccionar de forma rápida los mejores productos atendiendo a sus propiedades lubricantes. En las gráficas de las figuras 8 a, b, c y d se puede apreciar la comparación de la eficiencia relativa de los diferentes aceites en 4 situaciones diferentes: la gráfica 8a se refiere a ensayos realizados con acero normal, mientras que el resto de los ensayos se han llevado a cabo con acero inoxidable en diferentes condiciones.

En las gráficas 8 a, b y d se puede observar que es posible encontrar alternativas a los lubricantes tradicionales que mejoren la eficiencia del proceso (disminuyendo el par generado) además de resultar medioambientalmente aceptables. Sin embargo, cuando la comparación se realiza con el lubricante clorado (figura 8c) vemos que las alternativas desarrolladas no consiguen igualar sus prestaciones.

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Figuras 8 a, b c y d. Ensayos de estampación con rotación

Pruebas de campo

En Stala se realizaron pruebas con biolubricantes disueltos en agua para fabricar fregaderas de acero inoxidable con el lubricante que mejores propiedades había mostrado en el laboratorio. Los resultados superaron las expectativas más optimistas. El nuevo lubricante reducía de manera significativa la acumulación de suciedad en el anillo de estampación (con el “Reference Stala”, el operario tenía que enjuagar el anillo de estampación después de cada ciclo, para mantener la calidad).

Las propiedades de deslizamiento son excelentes, la línea de transición es menor que con el lubricante “Reference Stala”. Esto significa que el material fluye mejor y sin cuartearse en el proceso. La pieza resultante está más limpia lo que implica un menor trabajo en etapas posteriores del proceso de producción.

Propiedades medioambientales

Se han logrado productos ecológicos menos dañinos para el medio ambiente y para el ser humano (ver Tabla 4).

El lubricante seleccionado para operaciones de estampación es el que mayor valor de EC50 ha obtenido (menos tóxico).

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Tabla 4: Ensayos de Daphnia Magna

Conclusiones

Para aplicaciones de taladrado/conformado de tubos de acero inoxidable se han encontrado soluciones no tóxicas aunque conseguir las mismas prestaciones de los lubricantes de referencia no parece factible por el momento. Los derivados del flúor exhiben un comportamiento similar al de los lubricantes clorados, el problema es el elevado precio de estos productos. Para las aplicaciones de doblado de tubos, conformado y corte, se han alcanzado soluciones completamente satisfactorias: productos no tóxicos y con mejores prestaciones que los tradicionales. El lubricante seleccionado se ha obtenido en base de jabones de ácidos orgánicos y ésteres.

Para aplicaciones severas de estampado profundo a alta presión no se han encontrado alternativas. Para presiones normales o bajas, se han formulado alternativas inofensivas para el medio ambiente y el ser humano. Se ha formulado también un buen producto soluble en agua para la estampación profunda (ej. fabricación de fregaderas) de acero inoxidable.

La principal conclusión de este trabajo es que actualmente es posible desarrollar lubricantes ecológicos que pueden sustituir a muchos productos tradicionales en un gran número de aplicaciones suponiendo, no sólo una reducción del peligro por toxicidad y un beneficio para el medioambiente, sino que pueden implicar incluso ventajas técnicas y económicas para el usuario, como ha sido el caso de la aplicación de doblado de tubo y la fabricación de fregaderas por estampación profunda de acero inoxidable. Sin embargo, todavía existen aplicaciones que requieren de un mayor esfuerzo de investigación para encontrar alternativas económicamente viables.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Comisión Europea la financiación recibida para la realización de este proyecto bajo el Contrato CRAFT BRST-CT98-5388.

Referencias

  1. “Metalworking fluids”, Ind. Lubr. and Trib., 1995, 47, (3), 6-23.
  2. “Alternative lubricant base stocks”, Ind. Lubr. and Trib., 1997, 49, (2), 78-88.
  3. “Lubricant additives”, Ind. Lubr. and Trib., 1997, 49, (1), 15-30.
  4. “Biodegradable Greases”, T. W. Dicken, Ind. Lubr. and Trib., 1994, 46, (3),3-6.

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