Lubricantes para trefilado y estirado de alambre: jabones, emulsiones y maquinaria de trefilado
El trefilado somete al alambre a presiones de contacto de 1500-2500 MPa en la hilera. Ningún lubricante hidrostático aguanta: todo ocurre en régimen límite. El correcto jabón o emulsión marca la diferencia entre un dado que dura 5 toneladas y otro que dura 50.
El proceso de trefilado: principios tribológicos
El trefilado es un proceso de conformado en frío que reduce el diámetro del alambre haciéndolo pasar a través de una hilera cónica de carburo de tungsteno (diámetros > 0.5 mm) o diamante (diámetros menores). La reducción de sección por paso oscila entre 10-30% en trefilado en seco y 5-20% en húmedo.
El ángulo de semiapex de la hilera (ángulo de ataque, α) determina la presión normal en la interfaz hilera-alambre y la distribución de la lubricación. Ángulos típicos: 6-12° para acero, 8-14° para aluminio. Un ángulo excesivo aumenta la presión de contacto y reduce la eficacia del lubricante. Un ángulo insuficiente aumenta la longitud de contacto y el calor generado.
Trefilado en seco: jabones metálicos
El trefilado en seco se aplica a alambres de acero de diámetro medio y grande (generalmente > 0.8-1.0 mm). El lubricante es un jabón metálico en polvo o granulado contenido en una caja de jabonado (die box o soap box) por la que pasa el alambre antes de entrar en la hilera. La presión del proceso empuja el jabón hacia la hilera, creando una película lubricante de alta presión.
Estearato de calcio (Ca-stearate)
El jabón más utilizado en trefilado en seco de acero al carbono. Punto de fusión 150-160°C. Buena adherencia al acero y excelente comportamiento EP a presión extrema. Se presenta en polvo de granulometría 100-300 µm. Compatible con la fosfatación de zinc del alambre.
Estearato de sodio (Na-stearate)
Mayor solubilidad en agua que el Ca-stearate. Se usa en trefilado en húmedo o como componente de mezclas. Punto de fusión más bajo (130-140°C). Mayor tendencia al espumado en emulsiones acuosas.
Estearato de bario (Ba-stearate)
Mayor resistencia a la temperatura (punto de fusión 175-180°C) y mejor comportamiento EP que el Ca-stearate. Se usa para alambres de alta resistencia (PC wire, spring steel) donde las presiones en la hilera son máximas. Menos usado por el coste y la toxicidad del bario.
Jabones reactivos vs no reactivos
Los jabones reactivos (con azufre activo o cloruros) forman capas de conversión en la superficie del acero bajo presión y temperatura extrema (mecanismo AW/EP de reacción química). Los no reactivos (estearatos puros) lubrifican solo por mecanismo de barrera física. Para acero de alta resistencia y alta velocidad, la combinación es más eficaz.
La temperatura de la hilera es el parámetro crítico que determina el consumo de jabón y la calidad de la película. Si la temperatura supera el punto de fusión del jabón, este se funde parcialmente y fluye mejor hacia la zona de contacto (mecanismo termodinámico de lubricación). Si la temperatura es demasiado alta, el jabón se degrada. Las trefiladoras modernas tienen sistemas de refrigeración de las hileras (agua de refrigeración en el soporte de la hilera) para mantener la temperatura en el rango óptimo.
Trefilado en húmedo: emulsiones de alta presión
El trefilado en húmedo (wet drawing) se usa para alambres de diámetro pequeño y muy pequeño (hasta 0.01 mm para alambre de tungsteno para bombillas, o 0.05-0.5 mm para alambre de cobre de bobinado eléctrico). Las hileras y el alambre están sumergidos en el lubricante líquido, que cumple funciones de lubricación Y refrigeración simultáneamente.
- 1.Emulsiones de aceite mineral (5-15% en agua): el tipo más común para trefilado en húmedo de acero al carbono y acero inoxidable. El aceite emulsionado forma una película hidrodinámica/mixta en la entrada de la hilera. Aditivos EP de fósforo o azufre no activo para EP extra. El pH de la emulsión debe mantenerse entre 8.5-9.5 para estabilidad y protección de la máquina.
- 2.Emulsiones de éster sintético (5-15% en agua): para trefilado de alta velocidad y alambres de alta resistencia. Los ésteres tienen mayor índice de viscosidad que los aceites minerales, mejor comportamiento en frío y menor tendencia a la formación de barro (sludge). Son biodegradables (ventaja medioambiental). Más caros que los aceites minerales.
- 3.Emulsiones para aluminio: sin azufre activo ni cloruros. Base de éster sintético con inhibidores específicos para aluminio. El pH debe ser más bajo que para acero (6.5-7.5) para evitar la corrosión alcalina del aluminio.
- 4.Emulsiones para cobre y latón: con inhibidor de corrosión de cobre (benzotriazol, BTA, 100-500 ppm). Sin azufre activo (el cobre reacciona con el azufre activo formando sulfuro de cobre, mancha negra). El pH óptimo es 7.5-8.5.
- 5.Concentración y control: la concentración de la emulsión se mide con refractómetro (factor de corrección por temperatura). Concentración típica de uso: 5-15% según el diámetro del alambre y la velocidad. La emulsión se regenera filtrando los finos metálicos y reponiendo concentrado.
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Además del lubricante de proceso (jabón o emulsión que lubrica la hilera), la maquinaria de trefilado tiene sus propios puntos de lubricación: cajas de velocidades, rodamientos de cabrestantes y bobinadoras. Estos son completamente independientes del lubricante de proceso.
| Componente | Tipo de lubricante | Viscosidad ISO VG | Características especiales | Intervalo cambio |
|---|---|---|---|---|
| Caja de velocidades (trefiladora banco) | Aceite EP sintético (PAO) o mineral | VG 220-320 | Anti-espumante, buena demulsibilidad | 6000-8000 h |
| Engranajes de sincronización (multi-die) | Aceite EP mineral o PAO | VG 150-220 | Alta estabilidad de oxidación | 4000-6000 h |
| Rodamientos de cabrestante (acero/Al) | Grasa Li-Complejo EP NLGI 2 | — | Resistencia a carga y temperatura moderada | 2000-4000 h |
| Bobinadora de alambre fino (< 0.5 mm) | Grasa politetraurea NLGI 1-2 | — | Alta velocidad (> 5000 rpm), baja migración | 4000-6000 h |
| Rodamientos de la hilera (soporte) | Grasa Li-Complejo NLGI 2 | — | Contaminación por jabón/emulsión | 500-1000 h |
| Caja de velocidades (trefiladora de alambre fino) | Aceite sintético PAO o éster | VG 46-100 | Alta velocidad, baja temperatura de trabajo | 8000-10000 h |
| Guías de tracción del alambre | Aceite mineral ligero VG 15-32 | VG 15-32 | Penetrante, baja viscosidad | Continuo por goteo |
Tabla: materiales vs lubricante de proceso de trefilado
| Material | Tipo de trefilado | Lubricante recomendado | Aditivos | Restricciones |
|---|---|---|---|---|
| Acero al carbono (SAE 1010-1060) | Seco (> 1 mm) | Estearato de calcio puro o mezclado | Azufre no activo | Temperatura hilera < 160°C |
| Acero alta resistencia (SAE 1080+) | Seco (0.8-3 mm) | Estearato de Ca/Ba + EP azufre | Azufre activo + cloro | Control estricto de temperatura |
| Acero inoxidable (AISI 304, 316) | Húmedo o seco | Emulsión éster + EP fósforo | Fósforo, sin azufre activo | Sin azufre activo (decoloración) |
| Acero galvanizado (zinc) | Húmedo | Emulsión mineral con inhibidor Zn | EP moderado | pH 9.0-9.5 |
| Cobre y aleaciones | Húmedo o seco | Emulsión mineral con BTA | BTA, sin azufre activo | Sin S activo (mancha negra) |
| Aluminio y aleaciones | Húmedo o seco | Emulsión éster sin S activo | Fósforo, sin Cl ni S activo | pH 6.5-7.5 |
| Tungsteno (filamentos) | Húmedo ultra-fino | Aceite mineral VG 7-15 | Mínimos EP | Diamante, velocidad muy alta |
Control de calidad del lubricante de trefilado húmedo
En trefilado en húmedo, el baño de lubricante debe mantenerse dentro de parámetros estrictos. Una emulsión degradada aumenta el desgaste de las hileras, genera defectos superficiales en el alambre (rayas longitudinales, picaduras) y puede causar roturas de alambre.
Preguntas frecuentes sobre lubricantes de trefilado
¿Cuál es la diferencia principal entre trefilado en seco y en húmedo?
En el trefilado en seco el lubricante es sólido (jabón metálico) y no hay refrigeración del lubricante. Se aplica a alambres de diámetro medio (> 0.8 mm) a velocidades moderadas. En el trefilado en húmedo el alambre y las hileras están sumergidos en emulsión, que lubrica y refrigera simultáneamente. Permite velocidades muy superiores (hasta 50 m/s) y se usa para alambres finos. La diferencia de velocidad es la razón por la que el trefilado fino solo es posible en húmedo: el calor generado en seco a esas velocidades fundiría el jabón y dañaría el alambre.
¿Por qué el estearato de calcio y no otro jabón para trefilado de acero?
El estearato de calcio tiene una combinación óptima de propiedades para trefilado en seco: punto de fusión (150-160°C) en el rango de temperatura de la hilera en servicio normal, alta resistencia a la presión límite por la cadena de ácido esteárico (C18), buena adherencia al acero fosfatado, y coste relativamente bajo. El estearato de sodio es más barato pero más higroscópico (absorbe humedad) y tiene tendencia a aglomerarse en la caja de jabonado. El estearato de bario tiene mejores propiedades EP pero es más caro y el bario tiene mayor toxicidad.
¿Qué causa las roturas de alambre en el trefilado?
Las causas más frecuentes relacionadas con la lubricación son: (1) película lubricante insuficiente en la hilera (concentración baja en húmedo, jabón agotado en seco) → temperatura excesiva → desgaste adhesivo → alambre rayado → rotura por entalla; (2) contaminación de partículas duras en el baño (húmedo) que rayan la hilera; (3) degradación del jabón por temperatura excesiva (seco); (4) pH incorrecto de la emulsión (muy bajo → corrosión activa, muy alto → saponificación del aceite). También pueden ser causas no lubricantes: defectos en el alambre de entrada, ángulo de hilera incorrecto, o reducción excesiva por paso.
¿Con qué frecuencia hay que cambiar la emulsión de trefilado húmedo?
La vida de la emulsión depende de la carga de trabajo, la calidad del agua de dilución, el control biológico y el sistema de filtración. En una instalación bien gestionada (filtración continua de finos, control de pH y concentración diario, desinfección semanal), la emulsión puede durar 3-12 meses. Sin control adecuado, puede degradarse en semanas por proliferación bacteriana o acumulación de finos. La señal de alarma es el pH < 8.0 (acidificación bacteriana) o la aparición de olor a ácido sulfhídrico (sulfato-reductoras).
¿El aceite de la caja de engranajes de la trefiladora puede contaminar la emulsión de proceso?
Sí, si hay fugas en los sellos de los cabrestantes o de las cajas de velocidades. La contaminación del aceite de engranajes (aceite mineral EP con aditivos de azufre y fósforo) en la emulsión de proceso puede: (1) desequilibrar el pH; (2) introducir aditivos EP incompatibles con el material (especialmente en trefilado de cobre o aluminio); (3) romper la estabilidad de la emulsión. Los sellos de los cabrestantes deben inspeccionarse regularmente y los sistemas de sellado deben ser de doble labio con drenaje.
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