Conformação dos Metais Prof.: Marcelo Lucas P. Machado

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1 Conformação dos Metais Prof.: Marcelo Lucas P. Machado

2 INTRODUÇÃO Extrusão - processo no qual um tarugo de metal é reduzido em sua seção transversal quando forçado a fluir através do orifício de uma matriz, sob efeito de altas pressões. Praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser produzida por extrusão, e como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados têm seção transversal constante. Processo a frio ou a quente depende da ductilidade do material a extrudar e da características mecânicas desejadas. Tarugos - extrudados individualmente processo semi-contínuo Produtos mais comuns: quadros de janelas e portas, trilhos para portas deslizantes, tubos de várias seções transversais e formas arquitetônicas. O material depois de extrudado pode também ser cortado no tamanho desejado para gerar peças como maçanetas, trancas e engrenagens. Em operação combinada com forjamento, pode-se gerar: componentes para automóveis, bicicletas, motocicletas, maquinário pesado e equipamento de transporte. Materiais mais comumente extrudados: Alumínio, cobre, aço, magnésio e chumbo, além de alguns polímeros.

3 Exemplo de matéria prima (Tarugos):

4 INTRODUÇÃO Esquema do processo de extrusão. Exemplos de produtos obtidos pelo secionamento do perfil extrudado.

5 Exemplo de produtos:

6 Equipamentos O equipamento básico de extrusão é uma prensa hidráulica. É possível controlar a velocidade de operação e o curso. A força pode ser mantida constante para um longo curso, tornando possível a extrusão de peças longas, e aumentando a taxa de produção.

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8 Prensas hidráulicas verticais: São geralmente usadas para extrusão a frio. Elas tem usualmente menor capacidade daquelas usadas para extrusão a quente, mas ocupam menos espaço horizontal.

9 PARÂMETROS DA EXTRUSÃO Basicamente três: Parâmetros geométricos; físicos e outras variáveis do processo. Parâmetros Geométricos O ângulo α da matriz; A relação de extrusão: quociente entre a área da seção transversal do tarugo - A 0, e do produto extrudado - A f ; O diâmetro do círculo circunscrito (DCC), que é o diâmetro do menor círculo no qual se inscreve a seção transversal. A complexidade da extrusão é medida pela relação entre o perímetro da seção do produto extrudado e a área da seção transversal. Esta relação é denominada fator de forma. Filme 1

10 A matriz é feita por sinterização (metalurgia do pó), é nitretada para que tenha uma dureza superficial, evitando muito desgaste.

11 PARÂMETROS DA EXTRUSÃO Parâmetros Físicos Força de extrusão - a força requerida para o processo depende da resistência do material, da relação de extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão. A força pode ser estimada pela fórmula F = A o Ao k ln Af onde: F = Força; A o = Área Inicial; k = Constante de Extrusão e A f = Área Final. Alguns valores da constante de extrusão k.

12 PARÂMETROS DA EXTRUSÃO F = A o k A ln A o f Alguns valores da constante de extrusão k.

13 PARÂMETROS DA EXTRUSÃO Outras Variáveis do Processo Têm papel de influência no processo outras variáveis, entre as quais podem ser citadas: a temperatura do tarugo; a velocidade de deslocamento do pistão; e o tipo de lubrificante. Fluxo de Material Determina a qualidade e as propriedades mecânicas do produto final. Os grãos tendem a alongar-se formando uma estrutura com orientação preferencial, e se o mesmo for inadequado pode causar inúmeros defeitos. Técnica de observação do fluxo secionar o tarugo ao longo de seu comprimento e marcar uma das faces com um quadriculado. As duas metades são então colocadas juntas na câmara e extrudadas. Após a extrusão as partes são novamente separadas para exame. Tipos de fluxo do metal na extrusão com matrizes quadradas. Zonas mortas em (b) e (c) o metal fica praticamente estacionário nos cantos.

14 PARÂMETROS DA EXTRUSÃO TIPOS DE EXTRUSÃO Velocidades As velocidades do pistão podem chegar a até 0,5m/s. Velocidades menores: extrusão de alumínio, magnésio e cobre; Velocidades mais altas: aços, titânio e ligas refratárias. Tolerâncias Na faixa de 0,25-2,5 mm e aumentam com as dimensões da seção transversal. Processo básico (Extrusão Direta) - um tarugo é colocado numa câmara e forçado por um pistão hidráulico através de uma abertura na matriz, de modo que o material do tarugo flui na mesma direção do movimento do punção; Extrusão Indireta (retroextrusão): o material do tarugo flui na direção contrária ao movimento do punção; Extrusão Hidrostática: o diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, sendo o restante do volume desta preenchido por um fluido. A pressão é então transmitida ao tarugo através deste fluido. Logo, não há fricção nas paredes da câmara; Extrusão Lateral: o material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara. Os eixos do punção e da peça têm diferentes direções (ângulo reto). Filmes 5 e 6

15 Extrusão Indireta (reversa, invertida): A matriz se desloca na direção do tarugo

16 Extrusão Hidrostática: O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, que é preenchida por um fluido. A pressão é transmitida ao tarugo através de um pistão. Não há fricção nas paredes da câmara. A pressão para a operação de extrusão é proveniente de um meio fluido que envolve o tarugo. Não existe fricção entre parede e tarugo.

17 Extrusão Lateral: O material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara.os eixos do punção e da peça tem diferentes direções (ângulo reto).

18 Extrusão por Impacto É similar a extrusão indireta e freqüentemente incluída na categoria da extrusão a frio. O punção desce rapidamente sobre o tarugo que é extrudado para trás. A espessura da seção extrudada é função da folga entre o punção e a cavidade da matriz.

19 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão a quente Uso de temperaturas elevadas, para que a força necessária à conformação de ligas que não apresentam suficiente ductilidade a temperatura ambiente possa ser reduzida..: Características :. Desvantagens da extrusão a quente (ligadas ao fato de ser um processo realizado a altas temperaturas): Desgaste excessivo da matriz; Geração de deformações não-uniformes devido ao esfriamento do tarugo na câmara; Formação de uma cobertura superficial de óxido no tarugo aquecido, que afeta o comportamento do fluxo do metal devido às suas características de fricção, podendo gerar um produto de pobre acabamento superficial. Medidas preventivas podem eliminar ou amenizar o efeito dos problemas acima: Pré-aquecimento da matriz - reduz o efeito de esfriamento e prolonga a vida da ferramenta; Aquecimento do tarugo em atmosfera inerte - evita a formação da película de óxido. Faixas de temperatura de extrusão para vários metais.

20 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão a quente.: Projeto de Matrizes e Materiais :. Características que devem ser destacadas: procurar simetria da seção transversal; evitar cantos vivos e mudanças extremas nas dimensões dentro da seção transversal. Matrizes de extrusão a quente: em aço ferramenta para trabalho a quente, e revestimentos com zirconia podem ser aplicados para prolongar a vida das matrizes (especialmente nas usadas para a produção de tubos e barras). Lubrificação: O vidro é excelente lubrificante para aços, metais, e ligas para altas temperaturas. No processo Séjournet, uma pastilha de vidro é colocada na entrada da matriz. A pastilha atua como um reservatório de vidro fundido, que lubrifica a interface da matriz durante a extrusão. Vidro pulverizado sobre o tarugo reduz a fricção da interface câmara-tarugo. Na extrusão de metais com tendência a aderir à parede da matriz, pode-se usar um revestimento fino de metal macio e de baixa resistência, como cobre ou aço doce. Este procedimento é denominado jaquetamento ou enlatamento. Além de formar uma superfície de baixa fricção, o tarugo fica protegido contra contaminação do ambiente.

21 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão a quente Seção transversal para extrusão características a observar para um bom projeto.

22 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão a Frio Combina operações de extrusão direta, indireta e forjamento. Ferramentas e componentes de automóveis, motocicletas, bicicletas, acessórios e equipamentos agrícolas. Tarugos cortados de barras laminadas, fios, chapas e metais obtidos por metalurgia do pó podem ser extrudados a frio. Embora componentes que passem por este processo sejam em geral mais leves, fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de até 2m..: Vantagens em relação à extrusão a quente :. Melhores propriedades mecânicas, obtidas por encruamento (desde que o calor gerado pela deformação não recristalize o metal); Controle de tolerâncias, requerendo pouca ou nenhuma operação posterior de acabamento; Melhor acabamento superficial, conseguido em maior parte devido à não existência de camada de óxido; Eliminação do pré-aquecimento do tarugo; Taxas de produção e custos competitivos com outros métodos. Algumas máquinas são capazes de produzir mais de 2000 partes por hora..: Desvantagem principal :. Fato do processo demandar alta tensão, o que acaba prejudicando o ferramental. Filme 2

23 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão por Impacto Princípio similar ao da extrusão indireta; freqüentemente incluída na categoria da extrusão a frio. Consiste na descida rápida do punção sobre o tarugo, que é então extrudado para trás. Espessura da seção extrudada função da folga entre o punção e a cavidade da matriz. Comumente utilizado para fazer tubos de pasta de dente, latas em material macio como alumínio, chumbo, estanho. Um pequeno pedaço do material sólido é posto na matriz e impactado por um punção. Podem ser obtidos diâmetros de até 150mm. A maioria dos metais não-ferrosos pode ser extudada por impacto, com taxas de produção de até duas peças por segundo. O processo permite produzir seções tubulares de paredes muito finas, por isto a simetria da peça e a concentricidade do punção são fatores importantes. Filme 4

24 A maioria dos metais não ferrosos podem ser extudados por impacto, usando-se prensas verticais e taxas de produção de até duas peças por segundo. O processo permite produzir seções tubulares de paredes muito finas ( relações de diâmetro/ espessura da ordem de 0,005). Por esta razão a simetria da peça e concentricidade do punção são fatores importantes.

25 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão Hidrostática A pressão é proveniente de um meio fluido que envolve o tarugo, não havendo fricção entre a parede e tarugo. As pressões usadas são da ordem de 1400 MPa. A extrusão por pressão aumenta a ductilidade do material, portanto materiais frágeis podem se beneficiar desta forma de extrusão. Útil para conformar materiais como molibdênio e tungstênio, dificilmente extrudados por métodos normais. Formas sólidas, tubos e outras formas vazadas como favo de abelha e perfis..: Vantagens :. Baixa fricção; Pequenos ângulos de matriz; Altas relações de extrusão. A extrusão hidrostática é realizada usualmente a temperatura ambiente, em geral usando como meio fluido óleo vegetal, que combina qualidades de viscosidade e lubrificação. Pode-se também trabalhar em alta temperatura, onde polímeros ou vidro são usados como fluido que no caso também teria a função de manter o isolamento térmico do tarugo durante o procedimento de extrusão. Filme 3

26 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão de polímeros Produção de produtos longos como tubos de drenagem e trilhos de cortina. Plástico fundido é forçado através de uma matriz, que contém uma abertura cuja forma corresponde à requerida para o material. O material extrudado é então cortado no tamanho desejado. Usado em plásticos como poliestireno, PVC e nylon.

27 TIPOS DE EXTRUSÃO Extrusão de polímeros Extrusão-sopro O processo de extrusão-sopro tem se destacado na confecção de peças ocas, como garrafas, potes e frascos. Ar é soprado numa seção de plástico extrudado, fazendo com que o mesmo expanda e tome a forma do molde. Principais estagios: Fusão e plastificação da resina; Extrusão do Parison ou pré-forma; Sopro. Características: Extrusão de uma pré-forma em equipamento normal e moldagem por sopro em outra. Operação rápida e contínua, Moldes baratos, Boa homogeneização da resina, Boa dispersão de cor; Produção de peças maiores.

28 DEFEITOS DA EXTRUSÃO Dependendo das condições e do material extrudado podem ocorrer vários tipos de defeitos, que afetam a resistência e qualidade do produto final. Os principais são: Trinca superficial: ocorre quando a temperatura ou a velocidade é muito alta, pois há aumento significativo da temperatura da superfície, causando trincas e rasgos intergranulares. Ligas de alumínio, magnésio e zinco. Maneiras de evitar: reduzir a velocidade de extrusão; diminuir a temperatura do tarugo. Cachimbo : o tipo de padrão de fluxo mostrado em (c) tende a arrastar óxidos e impurezas superficiais para o centro do tarugo, como em um funil. Pode se estender até um terço do comprimento da parte extrudada. Como minimizar: alterar o padrão de fluxo para um comportamento mais uniforme, através do controle da fricção e minimização dos gradientes de temperatura. Pode-se também tratar o tarugo quimicamente antes da extrusão, removendo as impurezas superficiais. Trinca interna: o centro do tarugo pode desenvolver fissuras que são conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron. Atribuído à tensão hidrostática de tração na linha central, similar à situação da região de estricção em um corpo durante um ensaio de tração. A tendência à formação de fissuras centrais aumenta com o crescimento da fricção e da relação de extrusão.

29 Trinca interna: O centro do tarugo pode desenvolver fissuras que são conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron. O defeito é atribuído à tensão hidrostática de tração na linha central, similar à situação da região de estricção em um corpo em ensaio de tração.

30 EQUIPAMENTOS O equipamento básico de extrusão: prensa hidráulica, cuja velocidade de operação e curso podem ser controladas. A força pode ser mantida constante para um longo curso, tornando possível a extrusão de peças longas, e também aumentando a taxa de produção. Prensas hidráulicas verticais são geralmente usadas para extrusão a frio. Tem geralmente menor capacidade daquelas usadas para extrusão a quente, mas ocupam menos espaço horizontal. Operações de múltiplos estágios, onde a área da seção transversal é progressivamente reduzida, utilizam-se prensas especiais.

31 EQUIPAMENTOS

32 Velocidades As velocidades do pistão podem chegar até 0,5m/s. Geralmente, velocidades menores são recomendadas para o alumínio, magnésio e cobre, e velocidades mais altas para aços, titânio e ligas refratárias. Tolerâncias As tolerâncias na extrusão estão na faixa de 0,25-2,5 mm e aumentam com as dimensões da seção transversal. Entre outros parâmetros a considerar salienta-se peças complexas poderão requerer matrizes especiais como a ilustrada abaixo, para peças vazadas.

33 Tipos de matrizes e materiais

34 Exemplo de projeto adequado: procurar simetria da seção transversal, evitar cantos vivos e mudanças extremas nas dimensões dentro da seção transversal.

35 Extrusão a Frio É o processo que combina operações de extrusão direta, indireta e forjamento. O processo foi aceito na produção de ferramentas e componentes de automóveis, motocicletas, bicicletas, acessórios e equipamento agrícola. Embora componentes extrudados a frio sejam em geral mais leves, fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de até 2m. Metais obtidos por metalurgia do pó são também extrudados a frio.

36 OUTROS TIPOS DE DEFEITOS:

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