Frecarea și uzura sunt principalele provocări ale proceselor de formare a metalelor. Operațiunile de formare a metalelor sunt diverse și pot varia de la o ștanțare de mare putere de tablă care cântărește 1.100 t până la microformare fină în industriile electronice, care variază în miligrame. În consecință, lubrifianții sunt aplicați pentru a menține suprafața metalului de formare și a piesei de prelucrat separate printr-o peliculă de lubrifiant. Acest lucru reduce forța de frecare din cauza forfecării lubrifiantului și, prin urmare, reduce energia risipită și îmbunătățește finisarea suprafeței produsului. Există provocări suplimentare pentru lubrifiere în răcirea temperaturii crescute și asigurarea rezistenței la coroziune. Acest lucru se aplică tuturor proceselor de formare a metalelor, cum ar fi trefilarea, hidrostatică, extrudarea și ambutisarea adâncă, în special procesul de laminare.
Friction and wear are the main challenges of metal-forming processes. Metal-forming operations are diverse and can range from a heavy duty sheet metal stamping that weighs 1,100 t to fine microforming in electronics industries that ranges in milligrams. Accordingly, the lubricants are applied to keep the surface of the forming metal and work piece separated by a film of lubricant. This reduces the friction force due to shearing of the lubricant and thereby reduces the energy wasted and enhances the surface finish of the product. Additional challenges for lubrication exist in cooling the increased temperature and providing corrosion resistance. This applies to all metal-forming processes such as wire drawing, hydrostatic, extrusion, and deep drawing, specifically the rolling process.

Furnizarea unei lubrifieri eficiente este încă o provocare pentru unele procese specifice, cum ar fi forjarea la rece și extrudarea la cald a oțelului, până când au fost concepute metode inovatoare de lubrifiere, cum ar fi acoperirile cu lubrifiant cu fosfat-stearat și lubrifianții din peliculă de sticlă topită. Contribuția suplimentară a fost din dezvoltarea subrutinelor predictive de lubrifiere și frecare.
The provision of an effective lubrication is yet challenging to some specific processes such as cold forging and hot extrusion of steel until innovative lubrication methods such as phosphate-stearate lubricant coatings and molten glass film lubricants were devised. Additional contribution was from development of predictive subroutines of lubrication and friction.

Protecția împotriva coroziunii poate avea o mare importanță, în special după ce aplicarea de formare a metalului a fost finalizată. Este posibil ca piesele finalizate să fie păstrate în depozit până la 6 luni. Aceasta înseamnă că un fluid poate necesita un inhibitor de coroziune pentru a preveni coroziunea într-o varietate de condiții de depozitare.
Corrosion protection can assume a good deal of importance, particularly after the metal-forming application has been completed. Completed parts may need to be kept in storage for up to 6 months. This means that a fluid may require a corrosion inhibitor to prevent corrosion under a variety of storage conditions.

Caracterizarea frecării

Există un număr de modele sofisticate pentru mecanica frecării; cu toate acestea, poate fi exprimată ca cel mai simplu concept mecanic bazat pe un comportament mediu în întreaga zonă de deformare. Un concept util implică factorul de frecare „m”, care este raportul dintre efortul de forfecare prin frecare τ și rezistența la forfecare a piesei de prelucrat τo, în condițiile predominante de viteză de deformare și temperatură. Pe măsură ce are loc sudarea la rece a piesei de prelucrat cu suprafața de formare, μ depășește unu. Însă, lipirea nu are loc pe întreaga suprafață și μ poate varia spre 0,5. Un alt factor practic este coeficientul de frecare „μ”, care este raportul dintre efortul de forfecare și presiunea sculei „P”. În exemplele practice de formare a metalului, valoarea medie a lui P variază între două și cinci ori rezistența la forfecare a semifabricatului. Coeficientul de frecare este bun pentru a fi în intervalul limită de lubrifiere, care variază între 0,1 și 0,15. Deoarece τ nu poate depăși τo, μ poate atinge un maxim de 0,5, iar la cealaltă extremă, în condiții de lubrifiere cu peliculă groasă, poate fi până la 0,01.
A number of sophisticated models exist for frictional mechanics; nonetheless it can be expressed as a simplest mechanical concept based on an average behavior throughout the deformation zone. One useful concept involves the friction factor “m” which is the ratio of friction shear stress τ and the workpiece shear strength τo, under the prevailing conditions of strain rate and temperature. As cold welding of the workpiece with the forming surface takes place, μ exceeds one. However sticking does not occur over the entire surface and μ may range towards 0.5. Another practical factor is the friction coefficient “μ” which is the ratio between shear stress and tool pressure “P.” In practical examples of metal forming, the average value of P ranges between two and five times of the blank’s shear strength. The friction coefficient is good to be in boundary lubrication range which varies between 0.1 and 0.15 range. Since τ cannot exceed τo, the μ may reach a maximum of 0.5, and at other extreme under thick film lubrication condition, it may be as low as 0.01.

• Una dintre cele mai bune metode de caracterizare este testul de compresie a inelului pentru forjare și upsetting (Male și Cockroft 1964), care este un inel din materialul piesei de prelucrat cu diametrul exterior și diametrul interior în gama 6:3:1. Inelul este comprimat și se măsoară variațiile diametrului exterior și interior din care se cuantifică μ sau m. Pentru frecare foarte mică, ambele diametre se extind, în timp ce pentru frecare mare, diametrul interior scade.
• Maclellan (1952) și Wisterich (1955) au descris o metodă de despicare a sârmei în matriță și a tragerii tablei pentru a cuantifica forța axială și de legătură pentru a cuantifica efortul de forfecare și presiunea matriței.
• O altă metodă implică modelul matematic fiabil al procesului care calculează înapoi pe baza geometriei procesului și a forței motrice. Această metodă necesită o măsurare exactă a solitării de curgere la rata de deformare relevantă și temperatura este importantă. În general, în lipsa datelor, este utilizat în simulare materialul simplu la temperatura camerei la o rată de deformare convenabilă a piesei de prelucrat prin utilizarea exponentului de sensibilitate a vitezei de deformare publicate și a factorilor de temperatură (Baker și Wright 1992).
• One of the best methods to characterize is ring compression test for forging and upsetting (Male and Cockroft 1964), which is a ring of the workpiece material with outside diameter and inside diameter in the range of 6:3:1. The ring is compressed and the variations in the outside and inside diameter are measured from which μ or m is quantified. For very low friction, both diameters expand, while for high friction, the inner diameter decreases.
• Maclellan (1952) and Wisterich (1955) described a split die wire and sheet drawing method to quantify axial and binder force to quantify shear stress and die pressure.
• Another method involves reliable mathematical model of the process that back calculates based on process geometry and driving force. This method needs accurate measure of flow stress at pertinent strain rate and temperature is important. Generally, under lack of data, plain material under room temperature at convenient strain rate of the actual workpiece by using published strain rate sensitivity exponent and temperature factors is used in simulation (Baker and Wright 1992).

Lubrifiere

În condiții de lubrifiere, stratul de lubrifiant poate, sau nu, să separe complet cele două suprafețe. Regimul în care pelicula de lubrifiant este groasă dincolo de rugozitatea suprafeței se numește regim de lubrifiere hidrodinamică (HL), regiunea în care întreaga sarcină este transportată de asperitățile suprafeței care interacționează se numește regim de lubrifiere limită (BL) și între regimuri. se numește regim de lubrifiere mixtă (ML) (Fig. 9).
Under lubricated condition, the lubricant layer may or may not be able to fully separate the two surfaces. The regime in which the lubricant film is thick beyond the surface roughness is called the hydrodynamic lubrication (HL) regime, the region in which the entire load is carried by the interacting surface asperities is called boundary lubrication (BL) regime, and in between regimes is called the mixed lubrication (ML) regime (Fig. 9).

A Stribeck diagram can demarcate the above regimes as a function of L-parameter that is defined by
O diagramă Stribeck poate delimita regimurile de mai sus în funcție de parametrul L care este definit de

unde η este vâscozitatea dinamică a lubrifiantului, υ este viteza în contact, p este presiunea nominală de contact și Ra este rugozitatea. Figura 10 prezintă o diagramă Stribeck generalizată pentru o aplicație de formare a metalului.
where η is the dynamic viscosity of the lubricant, υ is the velocity in the contact, p is the nominal contact pressure, and Ra is the roughness. Figure 10 shows a generalized Stribeck diagram for a metal-forming application.

Regimul EHL este important pentru un proces eficient de formare la rece, cum ar fi procesul de ambutire adâncă, deoarece influențează aspectul produsului final și energia totală consumată din cauza frecării (Wilson et al. 1995). De exemplu, un proces de ambutisare adâncă operează de obicei în regimul BL sau în partea superioară a regimului ML (Ter Haar 1996). Deformarea plastică a tablei influențează frecarea datorită curgerii localizate la contacte. Acest lucru este valabil și în celălalt mod de formare a tablei, unde controlul frecării ajută la influențarea deformării plastice și, prin urmare, a formabilității semifabricatului (Seah și Lee 1988) și oferă multe beneficii în principal datorită raportului său mare suprafață/grosime, fără a da naștere la defectarea sculelor prin tocire.
The EHL regime is important for an effective cold-forming process such as deep drawing process, because it influences the appearance of the final product and the overall energy consumed due to friction (Wilson et al. 1995). For example, a deep drawing process typically operates in the BL regime or in the upper part of the ML regime (Ter Haar 1996). Plastic deformation of the sheet influences friction due to localized yield at the contacts. This applies true in the other way of sheet metal forming where controlling friction helps influencing the plastic deformation and thereby formability of the blank mainly (Seah and Lee 1988) and gives much benefit mainly due to its large area to thickness ratio without giving rise to galling failure of the tools.

Lubrifianți de formare

Lubrifiantul, în sens global, în afară de reducerea frecării și uzurii, ar trebui să disipeze căldura, să protejeze suprafețele, să conducă electricitatea, să țină departe particulele străine și să îndepărteze particulele de uzură. Din punct de vedere al frecării, lubrifianții de formare trebuie să opereze la lubrifiere mixtă sau (Elasto) hidrodinamică (EHL) de origine minerală tipică (petrol) sau sintetică care sunt utilizate ca fluide de bază împreună cu aditivii de reglare a vâscozității. Aditivii suplimentari pentru formarea stratului limită ajută la controlul frecării și uzurii. Însă, stabilitatea termică a stratului limită depinde de lubrifiant și de reactivitatea suprafeței foii. Comportamentul stratului limită depinde de mecanismul de formare, cum ar fi adsorbția fizică, adsorbția chimică și reacția chimică. Adsorbția fizică are hidrocarburi grupate, cu lanț lung, cu cap polar. Exemplele includ alcooli cu lanț lung și acizi grași. Astfel de sisteme au o grupare polară care formează straturi de hidrocarburi cu vâscozitate ridicată. Acizii grași aderă, în general, la suprafețele nereactive, cum ar fi suprafețele acoperite cu crom. În prezența suprafețelor reactive, are loc chimisorbția care combină adsorbția fizică cu reacția chimică cu suprafețele pentru a forma un săpun metalic. Lubricant in the global sense apart from reducing friction and wear should dissipate heat, protect surfaces, conduct electricity, keep out foreign particles, and remove wear particles. From friction point of view, the forming lubricants are to operate at mixed or (Elasto) hydrodynamic lubrication (EHL) by typical mineral (petroleum) or synthetic origin that are used as the base fluids along with viscosity regulating additives. Additional additives to form boundary layer help friction and wear control. However, the thermal stability of the boundary layer depends on the lubricant and the sheet surface reactivity. The boundary layer behavior depends on the mechanism of formation such as physical adsorption, chemical adsorption, and chemical reaction. Physical adsorption has clustered, long-chained hydrocarbons with a polar head. Examples include long-chained alcohols and fatty acids. Such systems have polar group that forms a high viscosity hydrocarbon layers. Fatty acids generally adhere to unreactive surfaces such as chromium-coated surfaces. In the presence of reactive surfaces, the chemisorption occurs which combines physical adsorption with chemical reaction with the surfaces to form a metal soap. De exemplu, acidul stearic (C17H35COOH) va reacționa chimic cu o suprafață de fier pentru a forma C17H35COOFe și astfel aderă la substratul de fier. Astfel, modificatorii de frecare sunt aditivi care formează astfel de straturi limită bazate pe chimisorbție și pot rezista la temperaturi ridicate și sunt utilizați pentru a reduce uzura și frecarea la sarcini moderate. Aditivii tipici sunt acizii grași, amidele grase cu lanț lung și esterii. Reacția chimică a lubrifiantului cu substratul și semifabricatul implică compuși complecși pe bază de P, S, B și Cl care sunt utilizați pentru a forma săruri metalice, cu stabilitate la temperatură ridicată. Aceasta din urmă face ca acești aditivi să fie potriviți pentru protecția împotriva uzurii în condiții severe de încărcare unde presiunea extremă (aditivi EP) cauzează temperaturi de contact ridicate. În special B și Cl sunt suspectate că dăunează mediului. De exemplu, în formarea tablei, compatibilitatea cu presa și cu procesul de acoperire este importantă. Oțelul laminat la rece necesită protecție împotriva coroziunii în timpul transportului și depozitării și, prin urmare, agentul de conservare este utilizat la suprafață. În al doilea rând, după formare, se folosește un agent de protecție împotriva coroziunii. Pentru ambele procese, suprafața foii este curățată temeinic și/sau straturile de reacție chimică sunt evitate, deoarece necesită folosirea unor solvenți neprieteni suplimentari. Astfel, adsorbția este un mecanism preferat pentru formarea BL.
For example, stearic acid (C17H35COOH) will chemically react with an iron surface to form C17H35COOFe and thereby adheres to the iron substrate. Thus, friction modifiers are additives that form such chemisorption-based boundary layers and can resist high temperature and are used to reduce wear and friction under moderate loads. Typical additives are fatty acids, long-chained fatty amides, and esters. Chemical reaction of lubricant with the substrate and blank involves complex compounds based on P, S, B, and Cl which are used to form metal salts, with high-temperature stability. The latter makes these additives suited for wear protection at severe loading conditions were extreme pressure (EP-additives) causes high contact temperatures. Especially B and Cl are suspected to harm the environment. For example, in sheet metal forming, compatibility with the mill and with the coating process is important. Cold-rolled steel needs corrosive protection during transport and storage, and hence preservation agent is used on the surface. Secondly, after forming, a corrosion protection agent is used. For both processes, the sheet surface is cleaned thoroughly and/or chemical reaction layers are avoided since it demands additional unfriendly solvents to be used. Thus, adsorption is a preferred mechanism for BL formation.

În complexitatea lubrifiantului, atât în ​​ceea ce privește costurile (selectare, achiziție, aplicare și curățare), cât și în ceea ce privește ecotoxicitatea deșeurilor, alegerea lubrifiantului devine importantă în ateliere. Astfel apar noi tehnologii concurente, cum ar fi lubrifianții permanenți uscați și foile preacoperite.
In the complexity of the lubricant, both in terms of costs (selection, purchase, application, and cleaning) and in terms of eco-toxicity of the waste, the choice of lubricant becomes important in shop floors. Thus emerge new competing technologies such as dry permanent lubricants and pre-coated sheet.

Uleiurile lubrifiante constau din ulei de bază și aditivi care determină caracteristicile lor de performanță. Uleiul de bază este responsabil pentru proprietățile tipice ale lubrifiantului. Dar, aditivii îi determină performanța reală influențând stabilitatea la oxidare a uleiului de bază, proprietățile anticorozive, protecția la uzură, proprietățile de lubrifiere de urgență, comportamentul la umezire, emulsibilitatea, comportamentul lipire-alunecare și comportamentul vâscozitate-temperatură.
Lubricating oils consist of base oil and additives which determine their performance characteristics. The base oil is responsible for the typical properties of the lubricant. The additives, however, determine its actual performance by influencing the base oil’s oxidation stability, anticorrosion properties, wear protection, emergency lubrication properties, wetting behavior, emulsibility, stick–slip behavior, and viscosity-temperature behavior.

Avantajele uleiului lubrifiant în comparație cu grăsimea sunt o disipare îmbunătățită a căldurii din punctul de frecare și proprietățile sale excelente de penetrare și umectare. Principalul dezavantaj este necesitatea unui design complex pentru a menține uleiul la punctul de frecare și pentru a preveni pericolul de scurgere.
The advantages of lubricating oil as compared to grease are improved heat dissipation from the friction point and its excellent penetrating and wetting properties. The main disadvantage is that a complex design is required to keep the oil at the friction point and prevent the danger of leakage.

Aditivi pentru lubrifianți

Aditivii lubrifianți sunt substanțe chimice care pot fi active, sau inerte pentru a evoca noi proprietăți sau caracteristici de performanță ale uleiului formulat. Acestea reduc efectele dăunătoare, cum ar fi oxidarea sau conferă performanțe noi, cum ar fi indicele de vâscozitate, punctul de curgere și protecția la uzură. Chimic activ reacționează cu suprafața metalului pentru a forma acoperirea sau speciile reactive pot reacționa cu oxigenul pentru a contracara speciile reactive pentru a susține activitatea lubrifiantului. Funcționalitățile importante ale aditivilor sunt controlul precipitatelor, oxidării, coroziunii, vâscozității, punctului de curgere pentru a satisface nevoile de aplicare.
Lubricant additives are chemical substances that may be either active or inert to evoke new properties or performance features to the formulated oil. They reduce deleterious effect such as oxidation or impart new performance such as viscosity index, pour point, and wear protection. Chemically active reacts with metal surface to form coating or reactive species can react with oxygen to counteract reactive species to sustain the lubricant’s activity. The important functionalities of the additives are controlling precipitation, oxidation, corrosion, viscosity, pour point to meet application needs.

Standarde de testare pentru lubrifianți

Caracteristicile tribo ale uleiurilor minerale depind de parametrii de proces preconizati (temperatura, sarcina, viteza, etc.) și ar trebui testate pentru următoarele metode de testare (Tabelul 30).
Tribo characteristics of mineral oils depend on the intended process parameters (temperature, load, speed, etc.) and should be tested for the following test methods (Table 30).

Lubrifianți solizi

Lubrifianții solizi protejează suprafețele și asigură lubrifiere care variază în feluri sintetice, metalice și minerale, cum ar fi teflon (PTFE), cupru, grafit și disulfură de molibden (MoS2). Acestea operează în regim de ungere limită și sunt mai favorizate atunci când lubrifierea lichidă sau coezivă nu este favorizată (Tabelul 31).
Solid lubricants are to protect surfaces and provide lubrication which ranges in synthetic, metallic, and mineral powers, such as Teflon (PTFE), copper, graphite, and molybdenum disulfide (MoS2). These operate under boundary lubrication regime and are more favored when liquid or cohesive lubrication is not favored (Table 31).

Efectul acoperirii asupra matrițelor de formare a metalelor

Aplicarea acoperirii funcționale pe suprafața de formare a metalului, cum ar fi unelte și matrițe, are ca scop scăderea coeficientului de frecare acolo prin îmbunătățirea duratei de viață a matriței, finisarea suprafeței și reducerea consumului de energie pentru operația de formare a metalului.
The application of functional coating on metal-forming surface such as tools and dies are to decrease the coefficient of friction there by improving the die life, surface finish and reducing the power consumption for the metal forming operation.

În general, acoperirea mai dură are o frecare mai mică; însă, studiile lui Hayward, Samandi și Parker (Hayward) au arătat că probele acoperite cu CrN de pe perle de tragere utilizate în formarea prin ambutisare adâncă au avut cea mai mică duritate și cea mai mică frecare.
In general, harder coating has lower friction; however, studies of Hayward, Samandi, and Parker (Hayward) showed that the CrN-coated samples on draw beads used in deep draw forming had the lowest hardness and lowest friction.

Acoperirea, dacă este aderată necorespunzător, poate fi predispusă la pudrare și descuamare (Kato 1993; Wenzloff și colab. 1993; Mei și Morris 1993). Sub acoperiri cu deformare la tracțiune înaltă se fisurează pentru a acomoda deformarea în sistem (Wenzloff și colab. 1993), iar dacă stratul de acoperire nu este proiectat pe substrat, forța de frecare va face ca stratul să se fisureze și uneori să se descuameze (Mei și Morris 1993) . Astfel de defecțiuni apar la panourile de caroserie ale mașinii, cum ar fi acoperirea cu Zn-Fe și ar putea fi utilizate cu designul potrivit de mărgele de tragere în acest proces.
Coating if improperly adhered may be prone to powdering and flaking (Kato 1993; Wenzloff et al. 1993; Mei and Morris 1993). Under high tensile strain coatings crack to accommodate the strain in the system (Wenzloff et al. 1993), and if the coating is not engineered to the substrate, the frictional force will cause the coating to crack and sometimes flake (Mei and Morris 1993). Such failures happen in car body panels such as Zn-Fe coating and could be used with the right design of draw beads in the process.