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Tribología en conformación
Procesos de Manufactura en Metalmecánica
Universidad Nacional de Colombia
Definición Entre otras definiciones: “La ciencia y la tecnología de las superficies que interactúan en movimiento relaDvo”
Tribosistema (Czichos, 1980)
Fricción, desgaste y lubricación
• Parámetros operacionales: velocidad, carga, temperatura
• Macro y microgeometría
• Propiedades mecánicas y térmicas de los elementos del tribosistema.
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Demandas tribológicas en conformación
• Alta temperatura, velocidades variables, requerimientos de acabado y propiedades de superficie, confiabilidad, consideraciones ambientales.
• Vida de la herramienta
• Viabilidad y opMmización de los procesos de conformación, pero no ha recibido atención en comparación con los elementos de máquinas.
• A diferencia de las aplicaciones convencionales de la tribología, en conformación la presión en el contacto excede el esfuerzo de cedencia del material de trabajo. Esto tumba las teorías tradicionales de contacto y lubricación. Hay deformación volumétrica de la pieza.
Definiciones AUTOR DEFINICIÓN
RABINOWICZ 1965 FricMon is the resistance to moMon, which exists when a solid object is moved tangenMally with respect to the surface of another which it touches, or when an a]empt is made to produce such moMon.
MIKHIM 1986 External fricMon of solids is a complex phenomenon depending on various processes that occur in the real areas of contact and in thin surfaces layers during relaMve tangenMal movement of the bodies. By the fricMonal force T is meant the force of resistance to relaMve displacement of solids, which is directed oppositely to this displacement.
HUTCHINGS 1992 The force known as fricMon may be defined as the resistance encountered by one body moving over another. This broad definiMon embraces two important classes of relaMve moMon: sliding and rolling.
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Definiciones AUTOR DEFINICIÓN
WILLIAMS 1994 FricMon is the resistance encountered when one body moves tangenMally over another with which is in contact
METALS HANDBOOK v.18, 1995 -‐(p. 8-‐9)
The resisMng force tangenMal to the common boundary between two bodies when, under the acMon of an external force, one body moves or tends to move relaMve to the surface of the other. Note. The term fricMon is also used, incorrectly, to denote coefficient of fric+on. It is vague and imprecise unless accompanied by appropriate modifiers, such as dry fric+on or kine+cs fric+on.
STACHOWIACK & BATCHELOR, 2001
FricMon is the dissipaMon of energy between sliding bodies
Fricción
• Resistencia que experimenta un cuerpo a moverse sobre otro.
• Se caracteriza con la constante µ
• Leyes empíricas (daVinci, 1500-‐Amontons, 1699): – Ff es proporcional a la carga normal: F = µ N (-‐polim) – Ff es independiente del área de contacto (-‐polim) – (Coulomb, 1785): Ff es independiente de la velocidad de deslizamiento.
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Fricción
Las superficies no son planas
h]p://www.jportal.ru/forum/forum20/topic7951/?PAGEN_1=4 y h]p://cnx.org
¡Las superficies son complejas!
“God made the bulk; surfaces were invented by the devil”. W. Pauli
Fricción
µ es independiente del área aparente, pero NO del área real.
h]p://www.jportal.ru/forum/forum20/topic7951/?PAGEN_1=4
¿cómo puede una constante dar cuenta de todas las variables del tribosistema?
¿de qué más puede depender?
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Fricción • Bowden y Tabor (Cambridge, 1930-‐1970)
Adhesión Deformación
Entre las áreas reales de contacto: formación de uniones entre asperezas
Entre las asperezas, las asperezas del material más duro indenta las del más blando.
Aunque luego se demostró que estos dos mecanismos no son independientes y que además no son suficientes para explicar la fricción
Landman et al, Science 27 April 1990: 454-‐461
Metales dúcMles. Adhesión es importante ¡Papel de los óxidos y capas adsorbidas!!!
Mecanismos
analizar la fuerza de fricción con el apoyo de propiedades caracterísMcas de los materiales: estrategia de emplear la relación entre la fuerza de fricción y la superficie de contacto.
Fricción en conformación Afecta el flujo de material causando defectos: falta de llenado, abarrilamiento, deformación no uniforme y localización de flujo, defectos internos, diferencias en espesores, mal acabado superficial, desgaste moldes, requerimientos de carga y pérdidas energéMcas…
J. A. Schey et al., IIT Research InsMtute, h]p://www.norrisrods.com, h]p://www.forgetechnology.com/flow_though ASM, Altan et al, Cold and hot forging.
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Pero… no siempre es indeseable • Soldadura por fricción: la fricción permite que se
reblandezcan los materiales a unir y puedan fluir y mezclarse.
• Papel de la rebaba en moldes de forja: permite asegurar el llenado.
• La laminación requiere de la fricción para alimentar los cilindros
Fricción en conformación µ: relación del esfuerzo cortante asociado a la fricción y el esfuerzo normal σ. Forma de cuanMficar para poder predecir presiones de conformación.
τ = µσ Constante, Ley de Coulomb
τ = µσ
τ = mk
σ
τ
La ley de Coulomb es sólo válida para algunos valores de presión σ, pues el esfuerzo cizallante τ no puede ser mayor que la resistencia al corte del material, k.
El tratamiento hasta este curso para la fricción ha sido para sólidos rígidos.
En µ está TODA la información de los fenómenos interfaciales!!!!!
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Fricción en conformación Con este límite, se desarrolla la ley de “cortante interfacial”. Usa un factor de fricción f o factor cortante m para cuanMficar la fricción (para presiones de contacto muy elevadas).
¡Depende del esfuerzo de flujo EFECTIVO!!!! Y es independiente de la presión de contacto, pues las asperezas se deforman plásMcamente.
Sin fricción m=0 SMcking m=1
! = f" =m3" = mk
El esfuerzo cortante asociado a la fuerza de fricción es una fracción de k (límite elásMco en cortante puro)
m para forja: 0,05-‐0,15 aceros en frío, Al, Cu con fosfatos 0,2 – 0,4 aceros en caliente, Al, Cu con lubricantes base grafito 0,1 – 0,3 Ti en caliente, superaleaciones con vidrio 0,7 – 1 sin lubricante. Laminación en caliente y extrusión no lubricada de Al
Fricción en conformación
τ = µσ
τ = k
σ
τ
La fricción en conformación depende fuertemente del grado de aplanamiento de las asperezas.
• Si las asperezas NO se han aplanado o si la superficie aumenta su rugosidad (bajo σ contacto), el modelo de Coulomb puede ser apropiado.
• Si las asperezas se aplanaron es más apropiado el modelo con el factor de fricción.
Entre las dos hay estados intermedios. Es más diycil de modelar. Fundamental en láminas, donde las presiones no son suficientes para aplanar. El modelo de factor de fricción cortante (basado en resistencia al corte de la pieza) se prefiere al de Coulomb (basado en presión de contacto)
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¿Para qué un lubricante?
• Reducir la fuerza requerida en la operación, reducir la fricción: alta lubricidad
• Ayudar al desmoldeo • Reducir el desgaste de los moldes • Mejorar el acabado superficial y defectos relacionados con
retraso del flujo: ayudar a llenar • Refrigerar • Aislante térmico: disminuir pérdida de calor al molde • Disminuir la oxidación, proteger las superficies recién
creadas y él mismo ser inerte • Además: no ser abrasivo, libre de poluentes y venenos, fácil
aplicación y remoción, comercialmente disponible y a precio razonable
Lubricación Problemas asociados • Son diyciles de aplicar y remover • Crean problemas en procesos
posteriores: soldadura convencional y por fricción, pintura
• Disposición final • Costo • Enfermedades • Pueden modificar ampliamente el
acabado superficial (espesor de capa y superficie de la herramienta)
• Mala selección: transferencia de la pieza al molde (adhesión)
h]p://purapuri.blogspot.com/2009/01/animalicos-‐chimpanc.html
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Lubricación
• Líquidos: base + adiMvos – Aceite – Aceite soluble – SemisintéMcos – SintéMcos (Aceite en agua)
• Sólidos – Grafito – MoS2 – Vidrio (¿sólido?)
h]p://www.3dchem.com/inorganicmolecule.asp?id=1274, h]p://decodedscience.com h]p://www.biodieselmagazine.com
ASTM D2881 – 12 Standard ClassificaMon for Metalworking Fluids and Related Materials
Clasificación
Fluidos de conformación
Aceites Origen mineral (petróleo) o vegetal No se diluyen Lubricación
Aceites solubles Emulsiones 30-85% Bajo control corrosión Residuos sobre la superficie
Semisintéticos Emulsiones 5-30%
Sintéticos No contienen derivados del petróleo Agentes detergentes
AdiDvos: biocidas, agentes de extrema presión, anM-‐oxidantes, e inhibidores de corrosión
REDUCIR LA FRICCIÓN: Efecto Lubricante
REMOVER CALOR: Efecto Refrigerante
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Parámetros que afectan la fricción y la lubricación
Pieza/herramienta • Propiedades de la pieza: esfuerzo de
flujo (Temperatura y tasa de deformación)
• Geometría del dado • Acabado superficial: topograya • En caliente: capa de óxido (suave y
dúcMl: lubrica, duro y frágil: desgasta)
Lubricante • Composición química: determina
la viscosidad y cómo cambia con P, T, cómo fluye y reacciona con las superficies.
• CanMdad: cómo se dispersa y se distribuye en los valles.
Proceso
• La presión afecta la viscosidad y deforma las asperezas.
• Tasa de deformación: afecta la generación de calor y el régimen de lubricación
• Temperatura: afecta la viscosidad, el esfuerzo de flujo
Regímenes Fricción en seco
Durante la deformación plásMca se generan superficies nuevas y altamente reacMvas: formación de óxidos
Opciones: • La capa de óxido es conMnua y de bajo k. Coeficiente de fricción “bajo” • La capa de óxidos que ayudarían bajo otras condiciones a prevenir el “galling” (adhesivo severo, conduce a “spalling”: gran desprendimiento) y el “scuffing” y “seizure” (adhesivo moderado y extremo en el que ya no hay más movimiento) no son suficientes. factor de cortante m casi igual a 1, µ>0,3. (Acuñado, laminación en caliente y extrusión directa de Al).
h]p://www.core77.com/blog/object_culture/producMon_methods_coining_12577.asp
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Regímenes • Régimen limítrofe: existe contacto entre las asperezas y los
picos soportan completamente la carga. La fricción la determina las capas superficiales (algunos nm). 0,1<µ<0,3
• Capas formadas por adsorción. Las capas se forman con moléculas polares como aceites naturales, grasas, ácidos grasos y jabones. La capa limítrofe puede adherirse a las superficies fuertemente, pero se puede destruir por frotamiento severo o por desorción por la alta temperatura.
Mecanismos
[Stackowiak, Batchelor, 2001]
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• Las bases conMenen ácidos grasos, moléculas polares que se adhieren a la superficie metálica de forma organizada y logran formar capas entre las superficies en contacto.
• La longitud de la cadena es importante para la estabilidad (mínimo 10 carbonos)
• La forma de la cadena también es importante.
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Regímenes • Régimen Mixto: está entre el limítrofe y el EHD. La carga en el
contacto la soportan conjuntamente la película lubricante y los picos de las asperezas con capas de extrema presión o limítrofes. El coeficiente de fricción está entre 0,01<µ<0,1. EP: S, Cl, P
• Es la condición más común en CONFORMACIÓN DE METALES por las altas presiones usadas en la mayoría de las operaciones y la velocidad. Fricción moderada
• Los modelos usados se basan en la combinación de los modelos usados en otros regímenes. Así que la predicción de la fricción en sistemas que operan en este régimen aun esta en sus inicios.
Regímenes • Régimen (Elasto) Hidrodinámico (E) HD: el EHD incluye
deformación elásMca de las asperezas. Diycil en metales.
• En el HD no hay contacto ysico entre las superficies que interactúan. La carga la soporta completamente la capa lubricante (m~0,01).
• Baja aplicación en conformación. Eventualmente puede presentarse en zonas puntuales bajo condiciones de alta velocidad relaMva y alta viscosidad.
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Regímenes
• Lubricación con sólidos: grafito y MoS2, óxidos y capas metálicas y poliméricas, úMles parMcularmente en alta temperatura.
• Otros: vidrios, recubrimientos finos, vibración ultrasónica
Curva de Stribeck
µ
ηω/P
η: viscosidad del lubricante (cP); ω, rpm del eje y P, la carga por area proyectada
Contacto Eje-‐cojinete
¿cómo será la fricción, el desgaste del molde y el acabado de la pieza en cada caso?
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Ideas generales • La clasificación “en caliente” o “en frío” vuelve a ser problemáMca: la clasificación desde el punto de vista metalúrgico no es muy úMl en tribología. Pb a Tamb es “en caliente” pero se pueden usar lubricantes orgánicos. Por el contrario, el acero trabajado alrededor de 500oC es “en frío” pero no se pueden usar lubricantes orgánicos.
• Se tomará como punto de referencia 250oC.
• El régimen de lubricación con líquidos es en general de Mpo mixta (velocidades y geometría de las partes) y se usa comúnmente para trabajo en “baja” temperatura.
Temperaturas < 250oC
• Bases de compuestos orgánicos como grasas y aceites de petróleo.
• Líquidos: alta velocidad, operaciones conMnuas. Se pueden usar suspensiones de inorgánicos como MoS2 en aceite mineral en aplicaciones severas.
• Sólidos: aplicaciones severas a baja velocidad (jabones alcalinos como estearato de Zn y Ca, recubrimientos de fosfato), grafito, MoS2.
• En “baja” temperatura normalmente las herramientas son lijadas y pulidas.
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Intervalos de aplicación de lubricantes
[Bay et al. Environmentally benign tribo-‐systems for metal forming, CIRP annals, 59, 2, 2010, 760–780]
Temperaturas >250oC • En temperaturas media y alta, la mayoría de los lubricantes
orgánicos son poco efecMvos. Se reemplazan por otros polímeros, lubricantes sólidos o vidrio.
• No olvidar el papel del óxido, pues actúa como barrera térmica y lubricante natural reduciendo en algunos casos la fricción.
• En “media y alta” temperatura hay menos preocupación por el acabado de estas.
• Topograya y recubrimientos finos (TiC, TiN, DLC) en los moldes como estrategia alternaMva de controlar la fricción.
[Alcoa, Hector, I.G. Electron beam textured work roll surface]
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Temperaturas >250oC • Altamente costosos, pues se consumen durante la conformación.
• Si no se requieren tolerancias finas (común al trabajar con temperatura) NO se usan lubricantes y se deja para la etapa final en frío.
• Mezcla de capas orgánicas que se queman y son solo portadores de lubricantes sólidos: grafito y MoS2. Se están reemplazando por AGUA.
• Se usan recubrimientos para asegurar el desempeño apropiado del lubricante sólido.
• Modificación de las superficies del herramental: topograya microscópica y recubrimientos duros
Lubricantes sólidos
• Geometría de las par�culas • Tamaño de las par�culas • Grado de pureza • Calidad del agua: desmineralizada
• Grafito: extracción mineral (natural) o a parMr del coque del petróleo (sintéMco). Seleccionar solo de estructura hexagonal y cristalina. Los amorfos NO sirven.
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Otros lubricantes -‐vidrio
Viscosidad del vidrio en función de la temperatura
[Modern Tribology Handbook Ed. Bushan, B]
• La viscosidad se modifica ampliamente con la composición. • Se aplica por inmersión en un lodo de par�culas de vidrio o se recubren las par�culas con aglomerantes orgánicos y se distribuye por aspersión.
• Al finalizar se remueve por inmersión de la pieza caliente en un medio frío (esf. térmicos).
Nuevos lubricantes
• Forja en caliente: hacia base agua • No hay avances en frío, parMcularmente en extrusión.
• Laminado de aluminio, reducción de manchas y defectos superficiales: aceites sintéMcos
• Laminado de aceros al C e inox: resolver el problema de falta de uniformidad en el espesor del lubricante sobre la lámina
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Nuevos lubricantes
• Trefilado: sintéMcos • EmbuMdo: sintéMcos reemplazando base aceite, para disminuir la limpieza y el costo de disposición final.
• Doblado: geles • Remoción de compuestos aromáMcos (EP: parafinas cloradas, biocidas: formaldehidos)
• Cerámicos y recubrimientos que eviten el uso de lubricantes.
Retos Tribológicos
• Aunque todos los días se logran avances en el desarrollo de lubricantes líquidos y sólidos, aún no Menen el desempeño deseable: opMmizar
• Hay un trabajo notable con elementos finitos y otras técnicas de solución de ecuaciones para establecer flujo de material, fuerzas, esfuerzos, temperaturas. Sin embargo, la fricción entra como el coeficiente o el factor: refinar los modelos
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Aplicación • Paños: lo más simple y económico pero con menor control de
canMdad y localización, ambiente contaminado.
• Goteo: no hay control exacto de la canMdad de fluido que llega a la zona de trabajo. Uno de los métodos más baratos.
• Laminado: Si el sustrato es plano. Se aplicará solamente al sustrato, evitando el exceso de lubricante.
• Nieblas: limitado por la viscosidad del lubricante, pero da un mejor control.