Cómo la lubricación mejora el trabajo de metales: Perspectiva tribología

Papel de la lubricación en los procesos de conformado de metales

Para comprender el papel de la lubricación en el conformado de metales, es esencial conocer la tribología de la lubricación. La tribología incluye la fricción límite, presente en prácticamente todas las operaciones de conformado. Se origina por el movimiento relativo de dos superficies adyacentes bajo presión. Durante el conformado, el movimiento relativo entre cilindros y pieza mejora por la diferencia de velocidad superficial de los cilindros.

Fricción

La fricción juega un papel crucial en el conformado. Se define como la resistencia al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto. Es un proceso disipativo de energía que eleva la temperatura en la interfaz y, si es excesiva, causa daño superficial. También influye en la deformación del metal.

Según las teorías clásicas, la fricción resulta del enclavamiento de dos superficies rugosas que se deslizan. En realidad, depende de múltiples variables: carga, velocidad, temperatura, materiales del par de deslizamiento, y efectos de fluidos y gases en la interfaz.

La teoría más aceptada se basa en la adhesión entre las asperezas de los cuerpos en contacto. Por lisas que parezcan las superficies, solo contactan en una fracción de su área aparente. La carga se soporta en pocos puntos de contacto (asperezas), generando tensiones normales muy altas. Bajo cargas ligeras, la deformación es elástica; pero a cargas típicas del conformado, las asperezas se deforman plásticamente y forman enlaces adhesivos (micro-soldaduras).

Factores que afectan la naturaleza y resistencia del enlace adhesivo

• Solubilidad mutua y difusión de las superficies en contacto.
• Temperatura y tiempo de contacto.
• Naturaleza y espesor de capas de óxido o contaminantes en la interfaz.
• Presencia de película lubricante.

Con superficies limpias y frescas (producidas por corte o grandes extensiones superficiales) y sin contaminantes ni lubricante, la resistencia de las uniones es alta por soldadura en frío a presión. La resistencia al cizallamiento de la unión es alta → fricción alta. Al introducir contaminantes, lubricantes, o al formarse capas de óxido (en segundos), la resistencia de la unión disminuye porque no se forma un enlace fuerte → fricción menor.

La fuerza de fricción eleva la temperatura superficial. El aumento de temperatura crece con: (i) velocidad, (ii) coeficiente de fricción, (iii) menor conductividad térmica y calor específico de los materiales. Mayor conductividad térmica → mayor conducción de calor al bulk de la pieza. Mayor calor específico → menor ascenso de temperatura. El ascenso puede ser suficiente para fundir la interfaz, causar transformaciones de fase, tensiones residuales y daño superficial (quemado metalúrgico).

Desgaste

El desgaste es la pérdida o remoción de material de una superficie. Puede ocurrir en condiciones: (i) seco o lubricado, (ii) contacto deslizante o rodante, (iii) por fractura, (iv) por deformación plástica. Existen cuatro tipos básicos:

1. Desgaste adhesivo
2. Desgaste abrasivo
3. Desgaste por fatiga
4. Desgaste corrosivo

Generalmente, los tres primeros son relevantes en conformado. El cuarto puede ocurrir por interacción rodillo-pieza en presencia de líquidos/gases; requiere elegir química de lubricación según composición del rodillo para evitar desgaste corrosivo excesivo.

Desgaste adhesivo

Resulta del cizallamiento de uniones durante el deslizamiento. Si los enlaces son fuertes (interfaces limpias, altas cargas, tiempo suficiente), la fractura ocurre por encima o debajo de la interfaz de las asperezas. Generalmente, la grieta se forma y propaga en el metal más blando. En ciclos repetidos, la partícula transferida se convierte en partícula de desgaste suelta. Casos severos: galling, scuffing, agarrotamiento (seizure). Requiere afinidad (reactividad) para adhesión y soldadura entre superficies. El caso más severo: dos superficies limpias, alta carga normal, en vacío. El rol del lubricante eficaz es reducir la tendencia a soldadura de asperezas, ya sea separando superficies con una capa lubricante o reduciendo la resistencia al cizallamiento de la interfaz formando compuestos de baja resistencia al cizallamiento por reacciones químicas. Las películas superficiales son cruciales: capas de óxido, contaminantes, gases/fluidos adsorbidos reducen drásticamente la resistencia al cizallamiento. El desgaste observado en práctica es menor que el teórico sin películas. Las capas de óxido tienen papel significativo: su efecto depende de la tasa relativa de destrucción vs. formación durante el deslizamiento. Si la destrucción es alta, las superficies no están bien protegidas → desgaste alto.

Desgaste abrasivo

El material se remueve por rayado, generando astillas y micro-virutas. Cuanto más blando el material, mayor tasa de desgaste abrasivo. Mayor carga → mayor tasa. Dos tipos: dos cuerpos y tres cuerpos. En el segundo, un tercer cuerpo (partículas de desgaste u otros contaminantes duros, como acumulados en lubricante) queda atrapado entre las superficies deslizantes. También llamado desgaste erosivo. Importante en conformado y mantenimiento de equipos. Para reducir acumulación de óxidos, virutas u otras partículas metálicas, es necesaria inspección periódica, filtrado o cambio de lubricantes.

Desgaste por fatiga

También llamado fatiga superficial o fractura superficial. Resulta de carga cíclica en la interfaz rodillo-pieza. Grietas se desarrollan en la superficie por mecanismo de fatiga, por fuerzas mecánicas o tensiones térmicas (fatiga térmica). En ambos casos, material se remueve de la superficie (usualmente la herramienta) por descamación (*spalling*) o picaduras (*pitting*), donde grietas coalescen bajo la superficie. La lubricación juega papel complejo: reduce fricción y tensiones que causan fallo por fatiga; pero si se inicia una grieta, el fluido la penetra por tensión superficial. En ciclos posteriores, el fluido queda atrapado y, al ser incompresible, genera alta presión hidrostática en la apertura de la grieta, propagándola más en la herramienta. El *pitting* no ocurre en interfaces sin lubricar salvo que haya ataque químico.

Mecanismos de lubricación

Es obvio que fricción y desgaste pueden reducirse o eliminarse manteniendo las superficies deslizantes separadas. En elementos de máquina (cojinetes lubricados, cojinetes de aire) esto es fácil; pero en conformado, por cargas, velocidades y geometría de la interfaz herramienta-pieza, no se permite fácilmente la existencia de una película lubricante. Los lubricantes también sirven como refrigerantes para disipar calor de fricción o laminado, y para arrastrar partículas (óxido de hierro, virutas). Sin embargo, su función principal es lubricar; el término "refrigerante" no se usa normalmente. Los principales mecanismos de lubricación en laminado son:

Lubricación de película gruesa (hidrodinámica)

También llamada full-fluid film. Las dos superficies están completamente separadas por una película fluida continua. Espesor ~10 veces la rugosidad de las superficies. La película puede desarrollarse hidrostáticamente (atrapando lubricante) o, más comúnmente, por efecto cuña de las superficies deslizantes con fluido viscoso en la interfaz. En este régimen, las propiedades volumétricas del lubricante (especialmente viscosidad) son importantes; los efectos químicos sobre las superficies metálicas no son significativos. Cargas ligeras, velocidades altas. Coeficiente de fricción muy bajo (0,001–0,02). No hay desgaste salvo por material extraño (tercer cuerpo) que entre al sistema. No suele ocurrir en conformado (incluido laminado), excepto en zonas aisladas de interfaces matriz-pieza con lubricantes de alta viscosidad y altas velocidades.

Lubricación mixta

El espesor de película en lubricación hidrodinámica se reduce por: (i) menor viscosidad (ej. por ascenso de temperatura), (ii) menor velocidad de deslizamiento, (iii) mayor carga. Las superficies se acercan y la carga normal se soporta parcialmente por contacto metal-metal de las asperezas y parcialmente por película fluida en bolsas hidrodinámicas en la rugosidad de las interfaces. También llamado régimen de película delgada o cuasi-hidrodinámico. Espesor < 3 veces la rugosidad. Coeficiente de fricción hasta ~0,4 (fuerzas y consumo de potencia aumentan considerablemente), desgaste significativo. Existe rugosidad óptima para atrapamiento eficaz del lubricante, comúnmente 15 µm. Las bolsas hidrodinámicas también sirven como reservorios para suministrar lubricante a regiones de la interfaz hambrientas de lubricante.

Lubricación límite

Una capa delgada de lubricante se adhiere físicamente a las superficies por fuerzas moleculares (ej. van der Waals) o químicas (quimiorción). Lubricantes límite típicos: aceites, aceites grasos, ácidos grasos, jabones. Las películas límite se forman rápido en superficies limpias, aunque la reactividad en materiales como titanio y acero inoxidable es muy baja. En tal caso, la lubricación puede mejorarse formando películas límite en las superficies de la herramienta en vez de en la pieza. Diferencia clave: a diferencia de la lubricación de película completa (donde importan propiedades volumétricas como viscosidad), en lubricación límite importan los aspectos químicos del lubricante y su reactividad con las superficies metálicas; la viscosidad tiene papel secundario. Coeficiente de fricción típico: 0,1–0,4, según resistencia y espesor de la película límite. Frecuente en operaciones de conformado como laminado. La tasa de desgaste depende de la tasa a la que las películas se destruyen por frotamiento o desorción por temperatura excesiva. Si la capa protectora límite se destruye, fricción y desgaste son altos. La adherencia y resistencia de esta película es factor crítico. También hay que reconocer el papel de presión, velocidad y viscosidad en el espesor de película.

Lubricación de presión extrema (EP)

La superficie del metal se activa químicamente por reacciones químicas irreversibles. Estas reacciones, involucrando azufre, cloro y fósforo en el fluido de conformado, forman sales en las superficies metálicas de contacto. Estas superficies previenen o reducen la soldadura de asperezas en la interfaz incluso bajo alta presión de contacto herramienta-pieza. Por eso se llama "presión extrema". Además, por sus bajas resistencias al cizallamiento, estas películas superficiales también reducen fricción. Al aumentar la temperatura, estas películas pueden romperse; la temperatura de ruptura depende del aditivo EP (usado solo o combinado, ej. azufre y cloro) y composición de las superficies metálicas. Al romperse la película, ocurre contacto metal-metal, con aumento subsiguiente de fricción y desgaste. Sin embargo, las películas protectoras de sulfatos y cloruros se reforman con facilidad, especialmente en superficies limpias nuevas. Aire, oxígeno, humedad y agua juegan papeles importantes en lubricación EP.

Lubricación elasto-hidrodinámica (EHD) y plasto-hidrodinámica (PHD)

Durante el conformado, las deflexiones y distorsiones de las herramientas ocurren por tensiones del proceso. Se ha demostrado que, debido al módulo de elasticidad finito de los aceros, estas deflexiones pueden ser lo suficientemente extensas para alterar la geometría de la interfaz herramienta-pieza, afectando tensiones, áreas de contacto, geometría y distribución de presión. Por eso el término "elasto-hidrodinámica". Otro factor: el aumento de viscosidad (e incluso solidificación) de lubricantes con presión, lo que ayuda a desarrollar películas hidrodinámicas, aumentando el espesor de película. Una extensión de EHD es la lubricación "plasto-hidrodinámica". En procesos como laminado de tira, el lubricante es arrastrado o atrapado en las entradas convergentes de las interfaces rodillo-pieza, desarrollando una película fluida completa con gran caída de fricción y desgaste. Estos fenómenos son particularmente importantes en contactos concentrados como laminado en frío de tira delgada, por la influencia de pequeños cambios en dimensiones interfaciales relativas sobre fuerzas y geometría de deformación.

Papel de la tensión superficial y mojado

Además de la viscosidad y propiedades químicas de reacción con pieza y herramienta, la tensión superficial y el mojado juegan papel importante. El mojado, fenómeno relacionado con la tensión superficial (expresión de energía superficial), determina qué tan bien el lubricante se extiende sobre la superficie de la pieza como película continua, aspecto crucial de la lubricación. Puede ser deseable que el lubricante permanezca en cierta área de la interfaz (ej. pivote de reloj: lubricante no migratorio). La forma de una gota de fluido en superficie metálica depende de las tensiones interfaciales metal-fluido-aire. El ángulo que el perímetro de la gota forma con la superficie se llama ángulo de contacto. Menor ángulo → mejor mojado. El mojado en fluidos de conformado mejora con agentes humectantes (alcoholes, glicoles) o aumentando temperatura. También mejora al aumentar la rugosidad superficial.

La lubricación en conformado involucra diferentes mecanismos que dependen de: (i) química de la interfaz herramienta-lubricante-pieza, (ii) método de aplicación del lubricante, (iii) geometría del proceso, (iv) mecánica de la operación. Además, el modo de lubricación varía frecuentemente durante el ciclo de conformado, según cambios en velocidad de laminado, cantidad de deformación y presiones/tensiones asociadas.

Selección de lubricantes

Existen cinco familias de lubricantes para conformado usados actualmente en diversas superficies y materiales. El lubricante elegido debe dar buena productividad y cumplir restricciones ambientales. Los tipos son: (i) compuestos evaporativos, (ii) soluciones químicas (sintéticos), (iii) micro-emulsiones (semi-sintéticos), (iv) macro-emulsiones (solubles), (v) lubricantes base petróleo. Sus propiedades reactivas físico-químicas se describen abajo. Comparación en Tabla 1.

Compuestos evaporativos

También llamados vanishing oils. Ampliamente usados en trabajo de metales. Grupo flexible en propiedades físicas. Capacidad de mojado ajustable a la severidad del proceso. Velocidad de secado controlable (según vehículo evaporativo). En aplicaciones pesadas, se añaden aditivos EP para protección adicional de herramienta y pieza. Generalmente no se limpian de la pieza y no requieren desengrase. Aplicación fácil por rodillo-recubridor (*roller-coater*) o pulverización sin aire (*airless spray*). No deben recircularse. Ideales para superficies pintadas, recubiertas, vinílicas, galvanizadas, metales no ferrosos y ferrosos. En muchos casos, el mismo lubricante especializado protege contra óxido a largo plazo.

Soluciones químicas (sintéticos)

Una de las familias de más rápido crecimiento. Económicas, seguras ambientalmente, fáciles de manejar, ideales para recubiertos, galvanizados, acero laminado en frío, y en algunos casos acero inoxidable. Permiten soldadura sin limpieza previa y operaciones secundarias (troquelado, corte, taladrado, roscado). Son mezclas homogéneas donde sólidos, líquidos y gases se disuelven completamente en un solvente líquido. No contienen aceite, solo inhibidores de corrosión hidrosolubles, agentes humectantes, lubricantes (ésteres complejos), biocidas (fungicidas), antiespumantes, y a veces agentes EP. Tipos: soluciones tipo jabón para trabajo pesado; tipo EP para aleaciones de alta resistencia; tipo no iónico para aluminio y componentes de acero recubierto. Aplicación por rodillo-recubridor, pulverización, o sistemas de recirculación diseñados.

Micro-emulsiones (semi-sintéticos)

Ideales cuando se requiere excelente arrastre (*flushing*), refrigeración y lubricación mejorada. Para galvanizado, laminado en caliente/frío, acero inoxidable. Proporcionan resistencia de película por combinación de emulsionantes, inhibidores hidrosolubles, agentes humectantes, sales orgánicas/inorgánicas, y a veces agentes EP. Emulsiones con tamaño de partícula dispersa 0,01–0,06 mm. Apariencia translúcida o transparente. Tamaño pequeño → excelente penetración y refrigeración. Aplicación por pulverización, rodillo-recubridor, o sistema de refrigerante por inundación (*flood-type*).

Macro-emulsiones

También llamadas "aceites solubles". Contienen lubricante base aceite (mineral o compuesto) en gotas suspendidas, dispersadas con emulsionantes. Gotas lo bastante grandes para dar apariencia lechosa (a veces translúcida). Acción lubricante cercana a la fase dispersa. Pueden formularse con altos niveles de agentes EP o películas barrera (polímeros, grasas) para trabajo pesado. Apariencia blanco lechoso. Usadas en procesos pesados: conformado de perfiles estructurales, estanterías, componentes automotrices y muebles.

Lubricantes base petróleo

Ofrecen la gama más amplia de propiedades químicas y físicas. Vehículo principal: aceite de mezcla (viscosidades variables). Aditivos para propiedades físicas: grasas, polímeros, agentes humectantes. Si se requiere, agentes EP químicos (azufre, cloro, fósforo). En casos especiales, aditivos para prevención de óxido. También inductores de limpieza para facilitarla. Uso selectivo: piezas cosméticas de acero inoxidable, secciones conformadas pesadas.

Tabla 1 Comparación de lubricantes para conformado de metales
Nº	Función	Compuestos evaporativos	Soluciones químicas (sintético)	Micro-emulsiones (semi-sintético)	Macro-emulsiones (emulsión)	Base aceite (soluciones)
1	Reducir fricción rodillo-pieza	3	3	3	2	1
2	Reducir calor por deformación plástica transferido al rodillo	1	1	2	2	5
3	Reducir desgaste y agarrotamiento por actividad química superficial	4	1	2	2	4
4	Acción de arrastre para evitar acumulación suciedad en rodillos	1	1	2	3	4
5	Minimizar costes posteriores: soldadura y pintado	1	1	2	4	5
6	Lubricación en condiciones límite de alta presión	4	3	3	2	1
7	Proporcionar cojín entre pieza y rodillo para reducir adhesión y *pick-up*	4	4	3	2	1
8	Características no manchantes para proteger acabado superficial	1	1	2	3	5
9	Minimizar problemas ambientales: contaminación aire y eliminación	4	1	2	3	5
Nota: 1 = Más eficaz; 5 = Menos eficaz.

Aditivos para lubricantes

Las propiedades de los lubricantes se modifican y adaptan a aplicaciones específicas mediante aditivos. Pueden mejorar propiedades lubricantes, proteger superficie metálica, y realizar otras funciones. Inhibidores de óxido/corrosión: nitratos o fosfatos. Aditivos EP: compuestos de azufre, cloro, fósforo. Reducen soldadura en frío de metales bajo presión y previenen "acumulación" (*build-up*) metálico, pero pueden reducir propiedades lubricantes. Aditivos como ésteres, grasas animales y ácidos grasos reducen tensión superficial o mejoran extendido. Lubricantes sintéticos se modifican con compuestos de fósforo u otros químicos para actuar como detergentes de lubricación. La tensión superficial reducida permite al lubricante alcanzar la zona de contacto más uniformemente y rápido.

Métodos de aplicación

Cuatro métodos habituales: (i) goteo, (ii) rodillo-recubridor, (iii) sistemas de recirculación, (iv) pulverización sin aire (*airless spray*). Cada uno con sus ventajas:

Goteo

Soluciones químicas, aceites solubles y compuestos evaporativos pueden aplicarse con lubricador por goteo combinado con toallita: fieltro, espuma de celda abierta, alfombra, empaque. Los lubricadores por goteo solos no son suficientemente positivos para dar película adecuada y continua. El depósito debe contener cantidad sustancial para 1–2 horas de suministro. Lubricante puede aplicarse a la cinta o a rodillos superior/inferior.

Rodillo-recubridor (*Roller-coater*)

Tanque móvil pequeño y unidad de bombeo alimentan cabezal o rodillo limpiador con lubricante. Espesor y cantidad controlables; exceso retorna al depósito. Al lubricar materiales pre-recubiertos o pulidos, aconsejable rodillos de poliuretano o neopreno para evitar rayaduras/marcas. Rodillos de acero pueden causar problemas en superficies recubiertas. A veces el rodillo-recubridor solo no genera suficiente película para arrastrar partículas de aluminio, galvanizado, laminado en caliente. Un pulverizador en zonas críticas de conformado donde puede haber acumulación ayuda a eliminar partículas. En cintas anchas con "corona" (*crown*), el rodillo solo lubrica puntos altos, dejando bordes sin lubricante. Problema similar en cinta ondulada. Rodillo blando ayuda a adaptarse a corona u ondulación.

Sistemas de recirculación

Para material grueso y acero laminado en frío/caliente (especialmente con escama), la recirculación suele ser el mejor enfoque. Cantidades suficientes de lubricante no solo protegen la herramienta, sino que la escama y finos metálicos generados deben ser arrastrados fuera de la herramienta al depósito. Uso de deflectores, tanques de decantación y filtros ayuda a recoger grandes cantidades de contaminantes y finos metálicos, manteniendo el refrigerante relativamente limpio. Imanes muy útiles para minimizar metal recirculado.

Pulverizadores sin aire (*Airless sprayers*)

Sistemas de pulverización sin aire usados eficazmente como unidades auxiliares en estaciones específicas de conformado, para reaplicar lubricante en punto crítico del proceso, y en lubricación de matriz de corte. Funcionan bien con solubles, aceites ligeros, compuestos evaporativos; son fiables. Patrón de pulverización redondo o abanico. Por los diversos patrones, método fiable para lubricación puntual, ya sea lubricando pieza antes de entrar a la herramienta o dentro de la herramienta. Sistema moderno sin aire no produce niebla/niebla que cause problemas de sobre-pulverización; por el contrario, se dirige precisamente a zona objetivo en la herramienta y se sincroniza con el ciclo del equipo.