LUBRICACION CON VIDRIO
La lubricación con vidrio fue un gran avance en el proceso de extrusión para trabajos en caliente. Éste avance, permitió una fricción entre la matriz y el tocho o material mucho menor, haciendo que los esfuerzos necesarios para poder realizar este proceso se reduzcan de manera considerable. En la extrusión directa, el efecto de fricción entre las paredes del recipiente y el tocho ocasiona que a presión del pisón sea más grande que para la extrusión indirecta, y en el peor de los casos puede haber adherencia del material a las paredes del recipiente, haciendo que se iguales las fuerzas de pisón con la de fricción. Estas fuerzas puede afectar gravemente el producto resultante (producto extruido), provocando un agrietado superficial, como se muestra en la siguiente figura:
Figura sacada de la pagina http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-323.pdf
Por estas razones, es que la lubricación toma mucha importancia en industrias como la aeronáutica para la fabricación de motores y turbinas, los cuales se hacen con muchas piezas que son forjadas y extruidas en caliente. Las piezas que se hagan por este proceso, necesitan un buen acabado superficial. La lubricación con vidrio se hace con un vidrio especial de silicato que contiene del 3al 50 % de un oxido de metal. El vidrio es un buen lubricante en un trabajo en caliente, porque por ser un elemento cerámico (depende del vidrio) puede resistir altas temperaturas, además que no se adhiere al material ni a las paredes del recipiente,
además de reducir la fricción proporciona un asilamiento térmico efectivo entre el tocho y el recipiente de extrusión. La lubricación es un aspecto crítico en la extrusión de materiales metales, como lo es el acero, por eso, se están desarrollando nuevos métodos y lubricantes para poder obtener mejores resultados en los procesos de deformación volumétrica de estos materiales. En los lubricantes para el proceso de estrusion encontramos una gran variedad de lubricantes, dependiendo de su uso (pesado y/o ligero), de sus componentes químicos, y de los resultados a obtener. En esta gran variedad podemos encontrar lubricantes a base de aceites, ya sea derivados del petróleo o oil-free, además de lubricantes que son solubles en agua, y otros con grafito. Los retos para esta parte tan fundamental de cualquier proceso metalmecánico, es encontrar lubricantes que sean amigables con el medio ambiente, además de lubricantes de los cuales no se desprendan gases debido al trabajo en altas temperaturas, ya que estos son nocivos para el operario que este realizando el trabajo. Por las razones anteriormente expuestas, podemos afirmar que el desarrollo de los lubricantes tiene un futuro importante teniendo en cuenta la importancia de desarrollar métodos que permitan una buena lubricación, sin tener tantos efectos secundarios. En ese proceso de desarrollo, el vidrio como lubricante va a jugar una aspecto muy importante, ya que no contamina el planeta, y como no es un liquido del cual se desprendan gases, este método de lubricación va a tener un desarrollo importante en los siguientes años del cual vamos a tener que estar muy pendientes de los avances para poder aplicarlos en nuestra industria en desarrollo. Se anexa material en la cual explican de forma más detenida, la forma de aplicación de lubricación en vidrio.
9C-11 Al extruir la pieza en el problema 9B-10, a través de una matriz con semiángulo α= 45°, se
encuentra que varios componentes tienen defectos de estallido central. (a) Haga un boceto (a escala) para encontrar una explicación y (b) sugiera formas de librarse del problema por medio de cambios en el proceso o en el diseño de la pieza. (Suponga que la composición del material no se puede cambiar). Solución: 9C-11
La pieza del ejercicio 9B-10, es la que se muestra en el ejemplo 9-12, el cual piden que sea extruida de un diámetro d0 a un diámetro de 10 mm, a través de una matriz con semiángulo α= 45°. Lo que se encontró fue que varios componentes tenían defectos de estallido central. R(a)/: El proceso de extrusión se muestra a continuación y cómo es la forma del defecto de estallido central: 1.
El proceso de extrusión que se debe realizar.
2. Componentes de una máquina de extrusión a tener en cuenta:
3. Aparición del estallido central.
Este defecto es una grieta interna que se desarrolla como resultado de los esfuerzos de tensión a lo largo de la línea central de la parte de trabajo durante la extrusión. Aunque los esfuerzos de tensión pueden parecer improbables en un proceso de compresión como la extrusión, tienden a ocurrir bajo condiciones que ocasionan gran formación en regiones de trabajo apartadas del eje central. El movimiento de material más grande en las regiones exteriores, estira el material a lo largo del centro de la pieza de trabajo. Si los esfuerzos son los suficientemente grandes, ocurre el reventado central. Las condiciones que promueven estas fallas son:
Los ángulos obtusos del dado.
Las bajas relaciones de extrusión.
Las impurezas del metal de trabajo que sirven como puntos de inicio para las grietas.
Se atribuyen esas grietas a un estado de esfuerzo de tensión hidrostático en la línea central, en la zona de deformación del dado.
La tendencia al agrietamiento central: a.
Aumenta al incrementarse el ángulo del dado.
b. Aumenta al incrementarse la concentración de impurezas. c.
Disminuye al aumentar la relación de extrusión y la fricción.
R(b)/: Para poder librarnos del estallido central, lo más recomendable es disminuir el ángulo del dado para que no se forme ningún tipo de esfuerzo acial secundario ni esfuerzo radial que pueda concentrarse n el interior de la pieza. También se deberá tratar las impurezas de la pieza, que normalmente son de azufre y fósforo, puesto que de ahí se origina el defecto. Se podría agregar manganeso para disminuir las impurezas. Y otro factor a cambiar es la relación extrusión y fricción,
el cual se deberá aumentar ya sea la longitud de la pieza para que esta razón sea mínima y no aparezca el defecto. a) Aluminio 7075
La palanquilla extruida emergió con grietas en su sección transversal a causa de tres factores importante: temperatura de extrusión, fricción o velocidad muy alta. Como se ve en la anterior tabla que muestra las propiedades físicas del Al 7075, e ste material comienza a presentar fusión a una temperatura de 475°C. Vemos que el procesos arranca a unos 450°C, pero presenta una variación de temperatura, que en este caso tiende al aumento, primero porque para aleaciones de aluminio se extruye de manera isotérmica, segundo por la fricción y mayormente por la t aza de deformación que es proporcional al calor que se adquiere. Con e sto es evidente que el material lleg a o sobrepasa a su temperatura de solidus de 475°C, y apoyándonos en el ejemplo 8-19 advertimos que a una temperatura de 460°C el material presenta fragilidad en caliente lo que nos muestra un eminente agrietamiento en la sección transversal de este. Otra razón de este problema es la velocidad del ariete, si esta no está se encuentra en el rango permitido también producirá grietas También se puede presentar agr ietamiento interior o defecto Chevron que se produce cuando el centro de la expulsión desarrolla grietas o vacíos. Estas grietas son atribuidas fuerzas de tensión hidrostática en la línea central e n la zona de deformación en el troquel. b) Las condiciones de extrusión para que el proceso fuera más seguro serian estas:
Realiza un ensayo de indentanción de ancho parcial para explorar la obtener datos de la ductilidad de este material a tasas relevantes de deformación; Con estos datos podría configurar mis condiciones para el proceso. Trabajaría a una temperatura de 380°C a 410°C que es el rango adecuado para trabajado en caliente de este material. En este rango da una buena formabilidad
Se colocaría el perfil en forma de H, y al mismo tiempo colocaría un soporte de rodillos para evitar la flexión, generando más fricción pero asegurando la salida en forma correcta del perfil.
9C – 14
La extrusión del problema 9c-13 se hará en una aleación de Al 7075 a 450°C. La extrusión emerge con severas grietas transversales a la dirección de extrusión. a) Identifique la causa del problema. b) Con base en los datos del ejemplo 8-19, defina las condiciones de extrusión que la harían segura. Material 7075 Temperatura de solidus= 475°C La palanquilla entra a la maquina extrusora con una temperatura de 450 °C, al realizar el proceso la palanquilla adquiere una variación de la temperatura, una de perdida, si el proceso no es isotérmico, y de ganancia, por la deformación y por la fricción, esta variación de la temperatura depende mucho de la de la taza de deformación, pues entre mayor sea la taza de deformación mayor será la energía adquirida, por ende la temperatura aumentara en una mayor proporción, teniendo en cuenta que la temperatura de solidus de el material es de 475°C y los datos suministrados de el ejemplo 8-19, podemos deducir que el material a una temperatura de 460°C, ya esta presentando fragilidad en caliente y si el material entra a 450°C, más la energía absorbida, vemos que la temperatura se acerca o en el peor de los casos sobrepasa la temperatura de solidus del material, lo cual es una de las razones fundamentales del agrietamiento de las piezas extruidas, debido a La fragilidad de la parte superficial del material.
Para salida en I
Para salida en H
Por el análisis estructural mediante simuladores vemos claramente que influye mucho la forma de salida, sin tener un soporte, en la salida de la forma 1, podemos inferir que por el sector rojo que representa un alto esfuerzo al que esta sometido el perfil, puede ser causante de grietas superficiales, otra razón que puede afectar es la variación brusca de la temperatura a la salida de el proceso, pues también genera grietas superficiales. B) las condiciones que consideraría para hacer un proceso más seguro serian las siguientes: -
Reduciría la temperatura de trabajo a 420°C, para evitar la fragilidad en caliente, y sin perder los beneficios de la extrusión en caliente.
-
Colocaría el perfil en forma de H, y al mismo tiempo colocaría un soporte de rodillos para evitar la flexión, generando más fricción pero asegurando la salida en forma correcta del perfil.
-
Le haría un análisis a la variación de la temperatura a la salida, y si la variación de la temperatura es considerable, diseñaría en la salida una cabina que evite este factor que puede hacerme insegura la extrusión, tal vez no se tenga mucho en cuenta, pero esta variación puede ser muy perjudicial, y producir grietas.
CONCLUSIONES
El proceso de extrusión hay que tener muchas variables en cuenta para poder tener un resultado optimizado. Dependiendo si el proceso, se hace de forma directa (extrusión hacia delante) o si se hace de forma indirecta (extrusión hacia atrás o inversa) se deben tener en cuenta para la aplicación de formulas, ya que en aunque los dos procesos son extrusión, las fuerzas son diferentes. La temperatura a la que se haga la extrusión, ya sea en caliente, tibio o en frío, afectan el proceso, pudiendo variar las fuerzas del pisón y el acabado superficial. Para poder seleccionar un lubricante adecuado para el proceso, se tiene que saber de que forma se va a realizar éste (si es en caliente, tibio, y/o frío), ya que el coeficiente de fricción es un factor fundamental en la extrusión.
Bibliografía
SCHEY, John. Procesos de Manufactura. 3ª edición
GROOVER, Mikel. Fundamentos de Manufactura Moderna. 1ª edición
Dieter, G., Mechanical Metallurgy, McGraw Hill, 1986
file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/CONFIG~1/Temp/Rar$EX02.250/glass/57 43121.html
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http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-323.pdf
MATERIAL ANEXO GLASS LUBRICATIONS 1. A method of hot working a metal workpiece comprising the steps of: providing a metal workpiece, providing a glass lubricant which comprises a metal oxide in which the metal is selected from the class consisting of bismuth, tin, and copper, coating said metal workpiece with said glass lubricant, reducing the metal oxide to form a duplex lubricant film, and hot working the metal workpiece to produce a near-net-shape part with a good quality finish. 2. A method of hot working a metal workpiece as in claim 1, wherein the step of providing a glass lubricant further includes providing a silicate glass powder containing from about 3 to 50 mole percent of the metal oxide. 3. A method of hot working a metal workpiece as in claim 1, wherein the step of reducing the metal oxide to form a duplex lubricant film further includes preheating the workpiece with the glass lubricant thereon. 4. A method of hot working a metal workpiece as in claim 1, wherein the step of reducing the metal oxide further includes forming a first layer of metal adjacent to the workpiece and an outer molten glass layer. 5. A method of hot working a metal workpiece comprising the steps of: providing a metal workpiece, providing a silicate glass powder containing from about 3 to 50 mole percent of an oxide of a metal in which the metal is selected from the class consisting of bismuth, tin, and copper, coating the workpiece with the silicate glass powder, preheating the workpiece with the silicate glass powder thereon producing a duplex lubricant film, and hot working the workpiece to produce a near-net-shape part with a good quality finish. 6. An article comprising: a metal workpiece, a reducible glass lubricant adhering to the surfaces of said metal workpiece, and said lubricant comprising a silicate glass powder containing from about 3 to 50 mole percent of an oxide of a metal selected from the class consisting of bismuth, tin and copper.
Description: This invention relates to reducible glass lubricants for metalworking. More particularly, this invention is directed to a method of hot working a metal workpiece with a reducible glass lubricant thereon and to a metal workpiece with a reducible glass lubricant thereon. Industries such as aircraft engine and turbine manufacturing employ hot metalworking operations such as extrusion and forging to produce high quality, nearnet-shape parts with good quality surface finishes. Achieving the necessary degree of consistent surface and dimensional quality requires metalworking lubrication capable of providing protection for the highly finished and accurate dies. The processing involves repeated contact between these dies and the hot workpiece metals under very high pressures. Under these conditions the workpiece tends to wear the dies by such mechanisms as erosion, galling and abrasion. The workpiece metals employed, such as titanium alloys, are often especially prone to aggressive attack on the dies. Worn dies then produce parts of unacceptable quality. Current practice in metalworking employs lubricant systems typically comprising a glass applied to the workpiece plus an accessory lubricant such as graphite applied to the dies. It has been found that glasses containing lead oxide are especially effective as lubricants for precision metalworking. However, the element lead is undesirable in an industrial process. It is apparent from the above that there exists a need in the art for a method of hot working a metal with an improved lubricant thereon. It is a purpose of this invention to fulfill this and other needs in the art in a manner more apparent to the skilled artisan and given the following disclosure. SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned needs are met by the present invention which relates to a method of hot working a metal workpiece or core having an improved reducible glass lubricant coating thereon. A metal workpiece is also disclosed with a reducible glass lubricant coating thereon. More particularly, the present method of hot working of a metal workpiece comprises providing a metal workpiece, providing a silicate glass powder containing from about 3 to 50 mole percent of an oxide of a metal in which the metal is selected from the class consisting of bismuth, tin and copper, coating the workpiece with the silicate glass powder providing a reducible glass lubricant,
preheating the workpiece with the silicate glass powder thereon producing a duplex lubricant film, and hot working the workpiece to produce a near-net-shape part with a good quality finish. In another embodiment, an article comprises a metal workpiece and a silicate glass powder thereon, the powder containing from about 3 to 50 mole percent of an oxide of a metal in which the metal is selected from the class consisting of bismuth and copper. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The subject matter, which is regarded as the invention, is particularly pointed out and distinctly claimed in the concluding part of the specification. The invention, however, may be best understood by reference to the following description taken in conjunction with the accompanying drawing figures in which: FIG. 1 is a sectional view of a metal workpiece with a reducible glass lubricant coating thereon for providing an article and for practicing the method of the present invention; and FIG. 2 is a sectional view of a preheated workpiece with a duplex lubricant coating or film thereon. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1 shows an article 10 of the present invention which comprises a metal workpiece 12, for example, of titanium or titanium alloy with a reducible glass lubricant coating or layer 14 thereon. This article is suitable for practicing the present invention by being hot worked in operations such as extrusion and forging. The coating or layer is a silicate glass powder containing from about 3 to 50 mole percent of an oxide of a metal in which the metal is selected from the class consisting of bismuth, tin and copper. The glass powder coating is applied to the metal workpiece by dipping or spray coating. In the dipping operation, the glass powder is dispersed preferably in water plus dispersants, binders, and rheology agents to provide a slurry. The workpiece is dipped into the slurry to coat the glass powder on all the surfaces thereof. If desired, the glass powder is spray coated onto the surfaces of the workpiece. In this operation, the glass powder is dispersed preferably in water plus dispersants, binders, and rheology agents to provide an adherent coating. As shown in
FIG. 1, the powder adheres to all of the workpiece surfaces. Article 10 is suitable for practicing the method of the present invention. In FIG. 2, there is shown an article 20 which is an article such as article 10 shown in FIG. 1 after the article has been preheated in a pre-heat furnace. Article 20 comprises a metal workpiece 12 with a duplex film 22 thereon. Film 22 has two layers with inner layer or film of soft metal 24 adjacent to workpiece 12. Metal layer 24 may be in a molten state. An outer layer or film 26 of molten glass is adjacent metal layer 24. Article 20 is suitable for being hot worked in an extrusion or forging operation. In the present invention, a method of hot working a metal workpiece or core 20 comprises providing a metal workpiece or core 12, for example, of titanium metal or alloy. An improved reducible glass lubricant coating is prepared from a silicate glass powder containing from 3 to 50 mole percent of an oxide of a metal in which the metal is selected from the class consisting of bismuth, tin and copper. The workpiece 12 is coated with the silicate glass powder to provide a reducible glass lubricant thereon. The glass powder is applied to the metal workpiece by dipping or spray coating. In the dipping operation, the glass powder is dispersed preferably in water plus dispersants, binders, and rheology agents to provide a slurry. The workpiece is dipped into the slurry to coat the glass powder on all the surfaces thereof. If desired, the glass powder is spray coated onto the surfaces of the workpiece. In this operation, the glass powder is dispersed preferably in water plus dispersants, binders, and rheology agents to provide an adherent coating. The silicate glass powder coating is a reducible glass lubricant coating. The workpiece with the silicate glass powder coating or reducible glass lubricant is preheated in a pre-heat furnace to a sufficient temperature to reduce the reducible glass lubricant to a duplex lubricant on the surface of the workpiece. This duplex lubricant is produced by including the metal oxide of bismuth, tin or copper in the formation of the glass which is chemically reduced to the respective metal as a soft metal portion of the film adjacent the workpiece. The soft metal may be in a molten state. The glass portion of the film is in a molten state adjacent the soft metal portion. The glass portion is the outer portion of the duplex film. The workpiece with the duplex film is generally prepared just prior to the hot working operation, such as extrusion or forging. As it is customary, there may also be employed customary die lubricants, such as graphite, applied to the dies. The preheated workpiece with duplex lubricant thereon is hot worked by extrusion or
forging to produce high quality, near-net-shape parts with good quality surface finishes. The foregoing has described a method of hot working of a metal workpiece and a metal workpiece with a reducible glass coating thereon. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications thereto can be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
