Lubricantes ecológicos para operaciones de corte y conformado
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
Introducción
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
Conformado y taladrado de tubos
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.
Ensayos tribológicos
Pruebas en máquina CNC y ensayos de campo
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.
Propiedades medioambientales
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
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.
Ensayos tribológicos
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
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.
Propiedades medioambientales
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
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”.
Ensayos tribológicos
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.
Pruebas de campo
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
El lubricante seleccionado para operaciones de estampación es el que mayor valor de EC50 ha obtenido (menos tóxico).
Conclusiones
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
Referencias
- “Metalworking fluids”, Ind. Lubr. and Trib., 1995, 47, (3), 6-23.
- “Alternative lubricant base stocks”, Ind. Lubr. and Trib., 1997, 49, (2), 78-88.
- “Lubricant additives”, Ind. Lubr. and Trib., 1997, 49, (1), 15-30.
- “Biodegradable Greases”, T. W. Dicken, Ind. Lubr. and Trib., 1994, 46, (3),3-6.