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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.