CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA

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1 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA COORDENADORIA DE METALURGIA E MATERIAIS - IFES Prof. ANDRÉ ITMAN FILHO VITÓRIA AGOSTO 2010

2 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 2 1- INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1.1- Princípio básico As propriedades mecânicas de um material dependem da: a- composição química conforme o teor dos elementos na composição das ligas; b- estrutura interna orientação e interações dos átomos com os vizinhos nas ligações químicas influencia o módulo de elasticidade; c- processamento é responsável pela característica final do produto. O grau de redução e a temperatura de conformação influenciam a microestrutura; d- tratamentos térmicos alteram a microestrutura e as propriedades dos materiais; 1.2- Ligações químicas: As ligações químicas dependem do tamanho dos átomos e das forças de atração inter-atômicas. São responsáveis pela estabilidade energética da estrutura eletrônica dos átomos individuais envolvidos e são classificadas em primárias e secundárias. As ligações primárias são classificadas em iônicas, covalentes e metálicas. A principal ligação secundáriaé a de Van der Waals Ligação iônica Ocorre em compostos cuja composição envolve elementos metálicos como não metálicos. Os átomos de um elemento metálico perdem facilmente os seus elétrons de valência para os átomos não metálicos. O cloreto de sódio NaCl é o material iônico clássico. A ligação iônica é chamada não direcional, isto é, a magnitude de ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. É responsável pela temperatura alta de fusão dos materiais cerâmicos: fusão do MgO = 2800 o C Ligação covalente As configurações eletrônicas estáveis são adquiridas pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes. Cada um contribuirá com pelo menos um elétron para a ligação e os elétrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes a ambos. A ligação covalente é direcional. A força atrativa entre os átomos é grande como no caso do diamante que apresenta alto grau de dureza e elevada temperatura de fusão. A água também apresenta ligações com caráter covalente Ligação metálica É encontrada nos metais e ligas. Os materiais metálicos possuem um, dois ou no máximo três elétrons de valência. A ligação metálica é encontrada para os elementos do Grupo IA e IIA na tabela periódica e para todos os metais elementares. Os elétrons de valência formam uma nuvem eletrônica uniformemente dispersa em torno dos núcleos e são responsáveis pelas características de condutividade elétrica e térmica dos metais. A ligação metálica apresenta caráter não direcional Ligações de Van der Waals Ligação inter-atômica ou inter-molecular mais fraca e que ocorre principalmente em gases inertes. Nesses gases, a órbita mais externa de valência está completa e como

3 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 3 conseqüência, os átomos possuem atração mútua muito pequena. São importantes na formação dos compostos poliméricos e apresentam 3 tipos: - moléculas simétricas (CH 4 ). - moléculas assimétricas ou polares (H 2 O). - pontes de hidrogênio (influência na alta temperatura de evaporação da H 2 O). 2- ESTRUTURA CRISTALINA A cristalização dos metais ocorre durante a solidificação e está relacionado ao fenômeno de equilíbrio energético do sistema. Em condições ideais o processo é caracterizado pela formação inicial de inúmeros centros ou núcleos de cristalização, chamados embriões, aleatoriamente distribuídos na massa líquida, como mostra a figura abaixo: Figura 2.1 Esquema de nucleação e crescimento do cristal na fase líquida: (a) formação do embrião ; (b) núcleo cristalino; (c) crescimento do cristal; (d) interface sólido-líquido À medida que os núcleos de cristalização incorporam novos átomos da vizinhança há formação de cristais. De uma forma geral os materiais metálicos e cerâmicos apresentam estrutura cristalina com arranjos atômicos tridimensionais que não se alteram quando as superfícies externas são alteradas. A estrutura interna de um cristal de quartzo é mantida quando as superfícies são desgastadas para formar grãos de areia. Quando o mesmo elemento químico apresenta estruturas cristalinas diferentes em função da temperatura é denominado alotrópico. Ex: carbono e ferro Sistemas Cristalinos. A maioria dos metais se apresenta na forma cúbica com exceção do magnésio e do zinco (hexagonais). As sete principais geometrias dos sistemas cristalinos ou empacotamentos atômicos são apresentados abaixo:

4 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Os cristais cúbicos. Os átomos podem ser agrupados em três diferentes sistemas cúbicos: simples (CS), corpo centrado (CCC) e de faces centradas (CFC). a- cúbico simples: A estrutura mostrada na Fig. 2.2 contém um átomo metálico por célula unitária e apenas um oitavo de cada um dos átomos está dentro da célula. Figura 2.2 (a) Estrutura cúbica simples. Os vértices estão em posições equivalentes no cristal. a = a = a. Os eixos são perpendiculares entre si. (b) A estrutura cristalina cúbica do NaCI na forma de cubos. b- cúbico de corpo centrado: O ferro tem estrutura cúbica de corpo centrado à temperatura ambiente com dois átomos por célula unitária: um no centro do cubo e oito oitavos nos oito vértices (Fig.2.3). Figura 2.3- Estrutura cúbica de corpo centrado. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modelo de esferas rígidas.

5 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 5 Figura 2.4- Célula unitária cúbica de corpo centrado. Em um metal, a estrutura CCC tem dois átomos por célula e um fator de empacotamento atômico de 0,68. c- cúbico de faces centradas. O arranjo atômico do cobre CFC mostrado na Figura 2.5 apresenta um átomo em cada vértice da célula unitária e um no centro de cada face e é o mais comum nos metais. Ex: alumínio, cobre, chumbo, prata e níquel. Figura 2.5- Estrutura cúbica de faces centradas de um, metal. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modelo de esferas rígidas Cristais hexagonais. As Figuras 2.6.a e 2.6.b representam células unitárias hexagonais simples. Estas células não têm nenhuma posição interna que seja equivalente aos vértices. Figura 2.6- Células unitárias hexagonais simples. (a) Representação hexagonal. (b) Representação rômbica. Ambas são equivalentes com um ângulo basal de 120 e ângulos verticais de 90.

6 a- estrutura hexagonal compacta. CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 6 A estrutura hexagonal formada pelo magnésio mostrada na Figura 2.7 é mais densa que a representada na Figura 2.6 e é denominada de hexagonal compacta (HC). É caracterizada pelo fato de que cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados entre três átomos das camadas adjacentes. Portanto, cada átomo tangencia três átomos na camada acima do seu plano, seis átomos no seu próprio plano e três átomos na camada abaixo do seu plano. Figura 2.7- Estrutura hexagonal compacta. (a) Vista esquemática, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modelo de esferas rígidas Outros retículos cristalinos. A célula unitária é o menor arranjo repetitivo com as características do elemento e o parâmetro cristalino é a dimensão da aresta da célula unitária. Os grupos espaciais mostrados abaixo representam os tipos de estruturas cristalinas. Figura Grupos espaciais. Estes 14 reticulados de Bravais se repetem nas três dimensões. Cada ponto indicado tem idênticas vizinhanças.

7 Número de coordenação: CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 7 Os átomos se agrupam em função da valência e do raio atômico. Quanto maior o número de coordenação maior será a distância inter-atômica e a repulsão eletrônica. As formas como os átomos se agrupam e as densidades destes arranjos são definidas pelo fator de empacotamento que é uma constante para cada estrutura. Ex: raio atômico dos íons Fe +2 = 2 Fe +3 Fator de empacotamento = volume dos átomos / volume da célula unitária a- F e CCC = 0,68 na temperatura ambiente o número de coordenação é igual a 8 e o parâmetro de rede = 1,241A. b- F e CFC = 0,74 a 910 o C o número de coordenação é igual a 12 e o parâmetro de rede = 1,292A Direções no cristal. As propriedades mecânicas nos materiais estão associadas às direções cristalinas. Figura Direções no cristal. Usualmente, utilizam-se colchetes [h k I] para indicar as direções no cristal. Os parênteses (h k l) indicam planos cristalinos Planos cristalinos. Os planos de átomos influenciam as propriedades e o comportamento do cristal. Os mais facilmente visualizados são os que limitam a célula unitária e estão mostrados nas Figuras 2.10, 2.11, e Estes planos são designados pelos índices de Miller. Figura Planos (010) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) CCC. (c) CFC. [Observe que os planos (020) incluídos para as estruturas CCC e CFC, são idênticos aos planos (010)].

8 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 8 Figura Planos (110) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) CCC. (c) CFC. [Os planos (220) incluídos para a estrutura CFC, são equivalentes aos planos (110)]. Figura Planos (111) em estruturas cúbicas. (a) Cúbica simples. (b) CCC. (c) CFC. Interseções negativas são indicadas com barras sobre o índice. [Os planos (222) incluídos para a estrutura CCC, são equivalentes aos planos (-111)] Imperfeições ou defeitos na estrutura cristalina. Os defeitos pontuais estão associados individualmente aos átomos deslocados, átomos extras ou falta de átomos. Os defeitos de linha envolvem a aresta de um plano extra de átomos. Estas imperfeições influenciam as características dos materiais, tais como resistência mecânica, propriedades elétricas e químicas Defeitos pontuais. a- vazios. O mais simples defeito pontual é um vazio, o qual envolve a falta de um átomo dentro de um metal. Tais defeitos podem resultar de um empacotamento imperfeito durante a cristalização ou das vibrações térmicas dos átomos em temperatura elevada. b- defeitos de Schottky. Envolvem vazios de par de íons de cargas opostas. Tanto os vazios como os defeitos de Schottky facilitam a difusão atômica. c- defeitos intersticiais. Um átomo extra se aloja em uma estrutura cristalina e produz uma distorção no reticulado salvo se o átomo intersticial for menor que os átomos restantes do cristal.

9 d- defeitos de Frenkel. CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 9 Quando um íon é deslocado de sua posição no reticulado para um interstício temos o defeito de Frenkel. Figura Defeitos pontuais. (a) Vazios. (b) Vazio duplo (faltam dois átomos). (c) Defeitos de Schottky (vazios de um par de íons). (d) Defeitos intersticiais (e) Defeito de Frenkel (deslocamento de um íon) Defeitos de linha ou discordâncias. a- discordância em cunha. O tipo mais comum de defeito de linha, no interior de um cristal, é uma discordância. A discordância em cunha é descrita como um plano atômico extra na estrutura cristalina. Zonas de compressão e de tração acompanham uma discordância em cunha provocando um aumento de energia ao longo da discordância. O vetor de Burgers perpendicular à linha da discordância é a distância de deslocamento dos átomos. Figura Discordância em cunha. Um defeito em linha ocorre na aresta de um plano atômico.

10 b- discordância helicoidal. CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 10 Uma discordância helicoidal tem o deslocamento, ou vetor de Burgers, paralelo ao defeito de linha. Tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes e também nesse caso ocorre um aumento de energia. Figura Discordância helicoidal. O vetor de deslocamento (vetor de Burgers) é paralelo ao defeito de linha Contornos de Grão. A microestrutura dos materiais apresenta grãos em várias orientações onde os átomos estão arranjados em uma única direção. Entre dois grãos adjacentes há uma zona de transição não alinhada com nenhum dos grãos (Fig.2.16). Quando um metal preparado metalograficamente é observado no microscópio é possível localizar estes contornos. Figura Contornos de grão. Observe a área de desordem na transição de um grão para outro. Figura Contornos de grão: (a) Molibdênio (250 x) e (b) MgO de alta densidade (250 x).

11 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 11 Os átomos da área de transição entre os grãos se dissolvem mais facilmente e deixam uma linha que pode ser vista com o microscópio (Fig. 2.17). O contorno de grão é considerado bidimensional embora, na verdade, tenha uma espessura de 2 a 10 distâncias atômicas. Há ainda um segundo tipo de contorno denominado de baixo ângulo que é, na realidade, uma série de discordâncias alinhadas (Fig.2.18). A energia associada a este contorno é relativamente pequena e tende a ancorar os movimentos das discordâncias que normalmente contribuem para a deformação plástica. (a) Figura Contorno de pequeno ângulo: (a) cristal de germânio atacado para mostrar as extremidades das discordâncias em cunha (100x) e (b) representação esquemática, mostrando apenas as células unitárias. O angulo θ foi exagerado Metálicos: 3- TIPOS DE MATERIAIS. a- são condutores elétricos e térmicos; b- apresentam resistência à tração e compressão comparáveis; c- módulo elástico (e = σ/e) e tenacidade variáveis; d- deformação plástica e formação de discordâncias com aumento da dureza e resistência mecânica; 3.2- Cerâmicos: a- formado por elementos metálicos e não metálicos: MgO, SiO 2, Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ; b- estruturas cristalinas similares às dos metais; c- resistência à compressão maior que a de tração; d- suportam temperaturas altas mas não resistem ao choque térmico; e- ligação covalente reduz mobilidade dos elétrons há redução da condutividade térmica e elétrica Poliméricos: a - ligações fracas secundárias entre as moléculas.

12 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 12 b - isolantes térmicos e elétricos. c - arranjos são ordenados entre as moléculas. d - temperatura de fusão depende do tamanho dos hidrocarbonetos C n H 2n ASPECTOS DA CONFORMAÇÃO DOS METAIS Um material com geometria simples é transformado em um componente útil através de um processo de fabricação. A conformação dos materiais é a tecnologia da experiência orientada, pois no decorrer dos anos uma grande quantidade de conhecimento e experiência tem sido acumulada por meio da tentativa-e-erro Classificação dos processos de fabricação. A fabricação e montagem de componentes metálicos podem ser classificadas, de maneira simplificada, em cinco áreas gerais: a. Processos primários fundição, lingotamento e metalurgia do pó: o componente adquire a forma final. b. Processos de conformação dos metais laminação, extrusão, forjamento, dobramento e repuxo: o componente adquire a forma final por meio de deformação plástica. c. Processos de usinagem dos metais corte em serra, torneamento, fresamento e brochamento: o componente adquire a forma final por meio da remoção de material. d. Processos de tratamentos térmicos e superficiais têmpera, anodização e endurecimento superficial: a forma do componente é mantida mas sofre mudanças de aparência e propriedades. e. Processos de união física por meio da soldagem (difusão) ou união mecânica rebitamento, união eixo-cubo por contração e montagem mecânica. 4.2 Fatores importantes nos processos de fabricação. Existem quatro fatores principais em qualquer processo de fabricação: a- Geometria. Cada processo de manufatura é responsável por geometrias características como no caso do forjamento que permite a produção de componentes com formas complexas, mas facilmente extraídos da matriz. b- Tolerâncias. Cada dimensão é associada a uma tolerância relativa ao processo de fabricação. Este processo permite a forma e o acabamento superficial adequado para garantir a montagem e o funcionamento dos componentes como a de uma engrenagem em um eixo de motor de automóvel. Da mesma forma. o processo de fundição em cera perdida permite geometria mais complexa e com tolerância menor do que a do processo com moldes de areia.

13 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 13 c- Razão de produção ou produtividade. A produtividade de um processo é provavelmente o fator mais significativo, pois envolve aspectos econômicos. O aumento da produtividade está relacionado aos recursos gerenciais para treinamento e os investimentos em equipamentos. d- Fatores Ambientais e Humanos. Todo processo de fabricação deve ser analisado conforme os efeitos ambientais, recursos energéticos e a segurança humana Conformação dos materiais como um sistema Envolve os aspectos relacionados à conformação dos materiais com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas, diminuir o tempo de produção e minimizar os custos do componente final. Os principais fatores estão relacionados abaixo: a- material de partida (geometria e composição química) propriedades térmicas, tensão de escoamento, taxa de deformação, condições superficiais, mudanças na microestrutura durante aquecimento e resfriamento. b- ferramental (geometria e composição química) dureza, tratamento térmico, condições superficiais, rigidez e precisão. c- condições na interface ferramenta-peça atrito, tipo de lubrificante, temperatura de trabalho e características de resfriamento na interface. d- mecanismo de deformação plástica fluxo de metal, transferência de calor, tensões durante a deformação, velocidade e taxa de deformação. e- equipamento usado capacidade de conversão de energia, produtividade, rigidez e precisão. f- características do produto final geometria, precisão dimensional, tolerâncias, propriedades mecânicas e acabamento superficial. g- fatores ambientais e humanos poluição do ar e sonora, resíduos e capacidade da mão-de-obra disponível Categorias dos processos de conformação Podem ser classificados em duas grandes categorias: a- Processos de conformação maciça b- Processos de conformação de chapas Em ambos os casos, as superfícies do material deformado e das ferramentas estão em contato com grande influência do atrito. Nos processos de conformação maciça o material inicial é um tarugo, barra ou vergalhão e um aumento considerável na taxa superfície-volume ocorre no componente conformado. O componente passa por uma grande deformação plástica, resultando numa apreciável mudança de forma e seção

14 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 14 transversal. Exemplos: extrusão, forjamento, laminação e trefilação. Na conformação de chapas a deformação ocorre sem mudança significativa na espessura original ou nas características superficiais. Em alguns casos, a magnitude da deformação plástica permanente é comparável à deformação elástica, portanto, o efeito mola ou retorno elástico pode ser significativo. Exemplos: dobramento convencional, repuxo profundo, conformação por estiramento e com punção flexível A deformação mecânica dos materiais Quando os metais são submetidos à ação de forças exteriores sofrem deformações, elásticas ou plásticas de acordo com a magnitude. Os mecanismos mediante os quais se deformam os metais são basicamente os seguintes: a. deformação por deslizamento b. deformação por maclação c. bandas de deformação e bandas de dobramento. Dos três mecanismos, o mais importante é o deslizamento. A maclação produz pouca deformação enquanto o mecanismo de bandas de deformação e de dobramento é pouco freqüente. De uma forma geral a deformação plástica ocorre por meio do deslizamento de blocos do cristal ao longo dos planos cristalográficos denominados planos de deslizamento. Este deslizamento pode ser considerado análogo à distorção produzida quando se espalha um baralho sobre a mesa, empurrando uma das extremidades. A Figura 4.1 ilustra a visualização clássica do deslizamento. Figura 4.1- (a) orientação dos cristais antes da aplicação da deformação; (b) orientação após a aplicação da deformação sem restrição para o deslizamento; (c) orientação após a aplicação da deformação com restrições para o deslizamento (fixação em garras no ensaio de tração) Esforços no processo de conformação Os materiais são submetidos a vários tipos de esforços durante os processos de conformação mecânica. Seguem abaixo os modelos esquemáticos dos principais efeitos:

15 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 15 Figura 4.2- Processos básicos de conformação mecânica, adaptação de Dieter (1988). a- compressão direta esforços na superfície da peça. Ex: forjamento e laminação. b- compressão indireta esforços de tração geram diferentes estados de tensão com resultante de compressão entre a superfície da peça e a matriz. Ex: trefilação, extrusão e estampagem profunda. c- tração esforços de tração nas direções do plano contra uma matriz. Ex: estiramento d- flambagem peça é dobrada para adquirir um contorno. Ex: dobramento e- cisalhamento esforços cortantes na peça. Ex: estampagem profunda As equações dos processos de conformação Para determinar os esforços mecânicos nos materiais durante os processos são estabelecidas simplificações para o cálculo das tensões, pois os fatores alteram-se conforme as variações da temperatura, velocidade de deformação, atrito e outras. Em geral, as seguintes considerações são utilizadas: a- a deformação elástica é desprezada; b- não é considerado o efeito do tamanho de grão e as discordâncias no material; c- a anisotropia é desprezada; d- o atrito é simplificado; e- as tensões são consideradas constantes durante o processo;

16 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA O efeito da temperatura na deformação mecânica Os processos de conformação podem ser realizados a frio ou a quente. A característica principal do processo realizado a quente é a microestrutura recristalizada do material. A temperatura indicativa para verificar se o processo é realizado a quente ou a frio é denominada de temperatura homóloga. Temperatura Homóloga = temperatura do processo ( k) / temperatura de fusão( k) Trabalho a quente. Para trabalho realizado a quente em geral TH > 0,6. A principal característica do trabalho realizado a quente é o refino da microestrutura que proporciona maior homogeneidade no componente final. Os materiais deformados em altas temperaturas apresentam três estágios denominados de recuperação, recristalização e crescimento de grão. No estágio de recuperação, as propriedades físicas e mecânicas que sofreram modificações pelo encruamento retornam aos valores iniciais. Há um rearranjo das discordâncias para uma configuração com menor energia nos contornos de baixo ângulo e formação de contornos de maior ângulo. A velocidade com que ocorre o processo de recuperação sempre decresce com o tempo, ou seja, o processo se inicia rapidamente e vai tornando-se cada vez mais lento, à medida que é consumida a força motriz da reação. A força motriz provém da energia armazenada durante o trabalho a frio. Uma maior porcentagem de deformação mecânica durante a conformação favorece a recristalização dinâmica. A recristalização é um processo que depende da estrutura cristalina e energia de falha de empilhamento dos metais. A cinética da recristalização é bem diferente, pois ocorre por processos de nucleação e crescimento. A recristalização se inicia lentamente até atingir um valor máximo de velocidade de reação, após o que volta a ser lenta. É favorecida pelo aumento da diferença de orientação do reticulado e da deformação no interior do grão. A força motriz é baixa comparada às outras transformações de fase. Em casos especiais pode ocorrer a recristalização antes da recuperação em materiais com menor energia de falha de empilhamento como nas ligas de alumínio. O processo depende do tempo, da temperatura e da deformação induzida no material. Nos processos realizados na mesma temperatura a velocidade de recristalização será maior no metal mais deformado. Durante a recristalização ocorre a formação de um novo conjunto de grãos, a partir da nucleação. Estes cristais se nucleiam em pontos de alta energia de deformação do reticulado, tais como interseções de linhas de escorregamento, interseções de maclas e nas regiões próximas aos contornos de grãos. Em metais trefilados é relativamente fácil um grau de deformação crítico, pois o metal é deformado de modo relativamente uniforme. Por outro lado, se houver heterogeneidade na deformação a frio o recozimento levará a um crescimento de grão localizado. Assim, pode-se dizer que o grau de deformação crítico corresponde a um valor capaz de formar núcleos necessários à recristalização. A formação destes núcleos é favorecida em pontos do reticulado que possuem maior energia de deformação. A última fase presente dentro do tratamento térmico é o crescimento de grãos. Este evento depende do tempo e da temperatura. Normalmente o crescimento de grão é rápido nos primeiros dez minutos de aquecimento e posteriormente é lento. Obs: estanho e chumbo recristalizam à temperatura ambiente. A adição de solutos no elemento pode diminuir a EDE (energia de falha de empilhamento) com a diminuição da mobilidade das discordâncias.

17 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 17 Obs: o níquel nos aços inoxidáveis aumenta a EDE. Ligas com alta EDE não apresentam recristalização dinâmica durante a deformação a quente, mas apenas recuperação dinâmica. Obs: a adição de nióbio e titânio retardam a recristalização estática entre os passes gerando acúmulo de discordâncias e aumento da taxa de nucleação. No caso dos aços comerciais a transformação austenita-ferrita acontece com granulação fina. As vantagens dos processos realizados a quente: * energia para deformar o metal é menor. * caldeamento reduz defeitos de fundição com eliminação da segregação, poros e bolhas. As desvantagens dos processos realizados a quente: * aumento do custo de ferramental e energia. * aumento da temperatura provoca a oxidação superficial. * necessário controle da temperatura para evitar a granulação grosseira Trabalho a frio. Para trabalho realizado a frio em geral TH < 0,6. A principal característica do trabalho realizado a frio é o encruamento. O material nesta condição apresenta discordâncias /cm 2 enquanto o recozido 10 6 a 10 8 discordâncias /cm 2. O encruamento é um fenômeno provocado pelo aumento das discordâncias geradas no trabalho a frio que dificultam o movimento atômico com acréscimo nos valores da dureza e resistência mecânica do material. As vantagens dos processos realizados a frio: possibilidade de combinar dureza, resistência mecânica e ductilidade com tratamento térmico posterior, como no caso da laminação de chapas e trefilação de fios. As desvantagens dos processos realizados a frio: é necessária maior energia para deformação do material. é necessário o controle da superfície do material para evitar formação de trincas Escolha da temperatura adequada Deve ser alta sem que ocorra a oxidação do material e baixa de maneira a evitar trincas superficiais. Para cada material há uma temperatura e tempo adequado O efeito do atrito na conformação mecânica O atrito é a resistência superficial ao deslizamento de dois corpos em contato. A causa principal do atrito entre dois materiais é o contato entre as regiões ao longo das superfícies deslizantes, conforme mostrado na Figura 4.3. As superfícies apresentam irregularidades microscópicas e se soldam pela intensa deformação plástica localizada.

18 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 18 Figura 4.3 Representação esquemática das regiões de contato entre duas superfícies deslizantes. Conforme os trabalhos de Helman e Cetlin as forças de atrito parecem ter origem na resistência ao cisalhamento destas uniões e apresentam como resultado um processo de similar ao de arar o metal mais duro sobre a superfície do mais macio. Durante os processos de conformação plástica dos metais ocorre contato entre o metal com as matrizes e ferramentas com o atrito presente, em maior ou menor grau. Figura Região arada em tubo para indústria automobilística (MEV). Os principais efeitos do atrito nos processos de conformação são os seguintes: - alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão na deformação; - produção de fluxos irregulares de metal durante o processo; - criação de tensões residuais no produto; - aumento da temperatura e prejuízo das propriedades mecânicas; - aumento do desgaste das ferramentas; - agarramento do material pelo ferramental durante a conformação; - aumento de energia para deformação com diminuição da eficiência e rendimento. Um modelo esquemático sobre os efeitos das forças em um objeto em movimento é mostrado abaixo. Figura 4.5 Forças presentes no deslizamento de um corpo de peso W por meio de uma força H.

19 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 19 F = μ R onde μ é o coeficiente de atrito estático (adimensional) (1) Uma vez iniciado o deslizamento, a força H para manter o corpo em movimento uniforme é menor do que a força necessária para iniciar este movimento. Em conseqüência a força de atrito F será: F = μ R < F onde μ é o coeficiente de atrito dinâmico (2) A determinação do coeficiente de atrito: Uma forma qualitativa de determinar o coeficiente de atrito é realizada utilizando o teste do anel, no qual um anel é forçado a se expandir, apoiado sobre uma superfície, e os diâmetros inicial e final são medidos e correlacionados com o coeficiente de atrito presente. Se o diâmetro interno aumentar o atrito é pequeno e se diminuir o atrito é grande. O atrito também é influenciado pela viscosidade do lubrificante que diminui com o aumento da temperatura e a velocidade do processo de deformação O efeito da lubrificação das superfícies A principal finalidade da lubrificação durante o processo de conformação é facilitar o escoamento do material e evitar o desgaste do ferramental. A camada do lubrificante formada na superfície é importante é os efeitos desejados são: - reduzir o atrito de deslizamento do material; - evitar a soldagem da peça na matriz; - aumentar o isolamento da matriz com o material e evitar a transferência de calor; - ser inerte e não abrasivo; - aplicação e remoção fácil; 5 - PROJETOS DE MATRIZES Os fatores importantes na confecção de uma matriz para utilização em um equipamento para conformação mecânica são a vida útil e o custo razoável. As matrizes têm que apresentar resistência ao desgaste, ao calor, à deformação plástica, trincas superficiais, além de manter o dimensional para garantir a qualidade das peças conformadas. Para confecção de uma matriz é necessária a escolha correta do material em função das seguintes variáveis: a- características do processo deformação, tamanho e temperatura do lingote, cavidade, equipamento para deformação, lubrificação e produtividade. No caso do processo de extrusão direta o punção deve ter alta resistência à compressão enquanto que na indireta deve ter alta resistência ao desgaste para suportar o escoamento do material na superfície. b- tipo de carga velocidade de deformação, ciclos de carregamento durante o processo e o contato matriz /metal. c- propriedades mecânicas resistência mecânica ao impacto, fadiga térmica, resistência à abrasão. Em geral são utilizadas as técnicas de Cad/Cam. (Cad = computer aided design e Cam = computer aided manufacturing) além da simulação com programas computacionais para prever cargas no ferramental, determinar a variação dimensional das

20 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 20 peças durante o processo, alterar a geometria em regiões críticas de esforços e para cálculos dos volumes e estimativa do material de partida. Com relação ao desgaste da matriz os principais fatores são a erosão causada pelo deslizamento do material na interface da matriz, a fadiga térmica associada ao carregamento cíclico de compressão e tração e a fadiga mecânica com tensões locais elevadas (carregamento e descarregamento). Quanto às variáveis dimensionais que influenciam o projeto da matriz é importante salientar os seguintes cuidados no projeto: a- deixar sobremetal para usinagem em função do dimensional do componente e tolerâncias requisitadas; b- preparar os ângulos de saída e a concordância dos cantos das superfícies interna e externa para favorecer a extração da peça; c- ajustar corretamente as partes para evitar deslocamento no fechamento da matriz; d- prever a contração de resfriamento (± 1%) e a tensão de escoamento do material que será utilizado na confecção do componente; e- prever as condições de atrito e transferência de calor durante o processo; f- utilizar aços especiais com Cr, Mo, W, V, Co na confecção da matriz ; Há vários tipos de aços que podem ser selecionados para confecção das matrizes. A melhor escolha é realizada por meio do conhecimento das normas técnicas que apresentam as especificações dos materiais. Aços identificados como os da família ASM G6, GF2 e GF3 apresentam boa tenacidade e resistência ao choque, resistência à abrasão e às trincas térmicas. Elementos de liga como o Cr, Nb, V e Mo favorecem o endurecimento por precipitação e proporcionam maior resistência à abrasão no caso dos aços microligados utilizados na confecção das matrizes. Aços rápidos com Mo e W apresentam dureza, resistência e tenacidade em temperaturas elevadas. O tungstênio aumenta a tenacidade e dureza, porém diminui a resistência ao impacto no caso de resfriamento brusco da matriz. O vanádio promove maior resistência às trincas a quente e à abrasão. As características principais para selecionar o melhor material estão relacionadas à dureza superficial e tenacidade que são propriedades antagônicas. A matriz deve absorver energia sem romper ou deformar-se. A ductilidade é uma propriedade verificada por meio do ensaio Charpy. A condutividade térmica do material também é importante, pois é necessário minimizar os efeitos dos gradientes de temperatura durante o processo Características do fenômeno. 6- O ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO O fenômeno do endurecimento por precipitação, conhecido nos aços por endurecimento secundário e nas ligas especiais como envelhecimento, ocorre com a precipitação de carbonetos durante o revenimento. Nos aços, este fenômeno ocorre em geral com a formação de carbonetos de cromo, vanádio, molibdênio ou nióbio na faixa de 400 a 550º C, devido à difusão destes elementos de liga na matriz do material. Este fato pode ser verificado quando após algum tempo de tratamento térmico a dureza do aço aumenta. Nos aços inoxidáveis com cobre é possível obter um endurecimento apreciável na faixa de temperatura de 400 a 500 o C com aumento da resistência mecânica sem perda da tenacidade. O fenômeno também ocorre nas ligas de alumínio e superligas e neste caso,

21 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 21 precipitados nucleiam a partir de uma solução supersaturada com a matriz e crescem com o aumento da temperatura. Em temperaturas baixas a difusão atômica é lenta, não ocorre precipitação apreciável e o endurecimento é demorado. Em uma determinada temperatura que favoreça a difusão, o efeito é acelerado e os precipitados formados provocam o aumento da dureza e da resistência mecânica do material. Posteriormente, nas temperaturas maiores associadas com longos tempos de exposição, ocorrerá o super-envelhecimento, ou seja, a redução da dureza e da resistência mecânica do material. Em muitos casos, estas fases precipitadas podem apresentar várias composições estequiométricas com diferentes estruturas cristalinas e somente podem ser identificadas por meio da difração dos feixes transmitidos no microscópio eletrônico de transmissão. É possível, porém, apenas no estágio avançado de super-envelhecimento, a observação destas partículas por microscopia convencional. Existem vários mecanismos para explicar o fenômeno do endurecimento através do envelhecimento e o mais aceito na literatura é que o aumento da dureza ocorre pela dificuldade do movimento das discordâncias conforme modelo proposto por Orowan. Quanto ao super-envelhecimento e a diminuição da dureza do material, a explicação mais aceita é a perda da coerência dos precipitados com a matriz, ou seja, com o crescimento contínuo dos precipitados aumenta a heterogeneidade com a matriz O efeito dos elementos de liga Os elementos de liga são adicionados aos aços para melhorar as propriedades nas diferentes temperaturas. Podem ser classificados basicamente em duas categorias: - os que ampliam o campo da austenita, como o manganês, níquel, cobalto, cobre, carbono e nitrogênio, chamados estabilizadores de austenita (gamagênicos); - cromo, silício, molibdênio, tungstênio, fósforo, alumínio e titânio, que são estabilizadores de ferrita (alfagênicos). De uma forma geral são apresentados alguns efeitos destes elementos no aço: Cromo: é um dos elementos mais importantes na composição dos aços inoxidáveis e é o principal responsável pela resistência à oxidação da liga. Nos inoxidáveis AISI 304, a resistência aos ataques químicos dos contornos de grãos é consideravelmente reduzida quando estes aços são aquecidos acima de 300º C. Neste caso ocorre o empobrecimento de cromo na matriz, devido à precipitação de carbonetos de cromo nos contornos. Níquel: favorece a estabilidade da austenita mesmo à temperatura ambiente. Das muitas ligas contendo níquel, as mais conhecidas são os aços inoxidáveis e os resistentes ao calor. O níquel é adicionado para aumentar a dureza, limite de ruptura e a tenacidade. Em teores elevados melhora a resistência do aço ao calor e à corrosão. Silício: apresenta uma grande afinidade com o oxigênio, sendo utilizado desta maneira como desoxidante e desgaseificante dos aços. Adições de cerca de 2 %, aos aços inoxidáveis AISI 304, aumentam a resistência à corrosão em altas temperaturas. Promove o aumento da resistência da ferrita nos aços microligados e nos ferros fundidos um eutético com teor de carbono menor que 4,3%. Favorece a decomposição da cementita metaestável (Fe 3 C) em grafita e ferrita. Manganês: aumenta a soldabilidade dos aços e o limite de resistência à tração com pouca diminuição da tenacidade. Este elemento também é usado como desoxidante no processo de fusão do aço, mas sua ação é menor que a do silício. Ao combinar-se com o enxofre evita a formação de sulfeto de ferro, que provoca a fragilidade a quente durante a conformação dos aços. Carbono: responsável pela dureza e resistência mecânica nos aços microligados apresenta influencia negativa nos aços inoxidáveis austeníticos. Quanto maior seu teor na

22 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 22 liga, menor será sua resistência à corrosão, pois promove a formação de carbonetos. Nos contornos de grão que reduzem a ductilidade e aumentam a fragilidade do material. Também estão presentes nos aços elementos químicos residuais como o fósforo e o enxofre que apresentam grande influência na tenacidade e soldabilidade. A influência das impurezas dissolvidas depende da quantidade, distribuição e tamanho das partículas. Obs 1: em alguns casos o enxofre é adicionado aos inoxidáveis para favorecer a usinabilidade. Obs 2: no ferro fundido o fósforo melhora a fluidez e o preenchimento de paredes finas nos moldes na fabricação pelo processo de fundição, mas fragiliza a liga. 7- OS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA. São vários os processos de conformação mecânica. Muitas vezes os componentes podem ser obtidos por diferentes processos de fabricação e a melhor escolha implica no conhecimento dos esforços aplicados, nas condições de trabalho, produtividade e o custo. A seguir serão feitas considerações sobre os principais métodos de fabricação por meio da deformação mecânica O PROCESSO DE FORJAMENTO O forjamento é o mais antigo dos processos de transformação mecânica de metais, com registros datando de cerca de anos atrás. Há evidências de que o forjamento foi usado no Egito antigo, Grécia, Pérsia, Índia, China e Japão para a fabricação de armas, jóias e uma variedade de utensílios. Naquela época, os artesãos que dominavam as técnicas do forjamento eram tratados com muito respeito e consideração. Por volta de 1600 A.C., na ilha de Creta, placas de pedra gravadas foram usadas como matrizes para gravação em ouro e prata. Isto evoluiu para a fabricação de moedas, mediante um processo semelhante, cujos registros datam de cerca de 800 A.C. Matrizes mais complexas foram usadas em Roma, por volta de 200 A.C. A evolução do forjamento permaneceu estagnada durante muitos séculos, até o surgimento do martelamento com guia, no final do século VIII D.C. Este desenvolvimento permitiu o ingresso definitivo do forjamento na indústria, como processo de fabricação. Atualmente, o forjamento é um importante processo industrial, largamente utilizado na fabricação de componentes de elevada resistência principalmente na indústria automotiva e aeroespacial. Os componentes mais comuns são os eixos de manivela para motores (virabrequins), bielas, engrenagens, componentes estruturais para aeronaves e peças para turbinas de motores a jato. Além disso, lingotes de aço e outras ligas metálicas são submetidos a operações primárias de forjamento, produzindo formas básicas que são posteriormente usinadas Definição Forjamento é um processo de conformação provocado pela ação de tensões compressivas diretas. A ação das matrizes se dá mediante a aplicação de golpes rápidos e repetidos (martelos de queda livre ou acionados) ou pela aplicação lenta de intenso esforço compressivo (prensas hidráulicas, excêntricas e de parafuso). O forjamento a quente é o mais comum.

23 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Forjamento livre (matriz aberta) É a forma mais simples para fabricação de anéis, eixos e esboços de grandes dimensões. O processo é de baixa produtividade e normalmente realizado com martelos, embora operações de desbaste de lingotes devam ser feitas em prensas hidráulicas. As matrizes de forjamento livre são, na maioria das aplicações, planas ou com ligeiros contornos superficiais que auxiliam a conformar a peça. Além disso, a peça deve ser manipulada freqüentemente (girando-a periodicamente e/ou movendo-a para frente e para trás) para se atingir a mudança de forma desejada. A habilidade do operador é um fator importante para o êxito nestas operações. Um exemplo de forjamento em matriz aberta é a transformação de grandes lingotes fundidos de aço com seção quadrada ou hexagonal em barras de seção transversal circular. No forjamento livre a quente é possível a obtenção de uma estrutura metalúrgica favorável em razão dos fenômenos de recuperação e recristalização, bem como da diminuição da porosidade interna nas peças. Figura 7.1 Desenho esquemático de forjamento livre em matriz aberta.

24 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 24 Figura 7.2 Equipamento para manipular material para forjamento livre em matriz aberta. Figura 7.3 Forjamento a quente de peças em matriz aberta.

25 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Forjamento em matrizes fechadas É utilizado para fabricação de peças com geometrias complexas. O processo é de alta produtividade e normalmente realizado em prensas mecânicas. As peças apresentam homogeneidade estrutural e melhor qualidade dimensional podendo ser conformadas em várias etapas. É importante o controle da temperatura de aquecimento, o dimensional do tarugo, da matriz e do inserto. A sobra de material a ser eliminada na rebarbação é importante para garantir o preenchimento da matriz e acomodar defeitos de forjamento. Figura 7.4 Desenho esquemático de forjamento em matriz fechada. Figura 7.5 Forjamento a quente de peças complexas em matriz fechada.

26 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 26 Figura 7.6 Etapas do forjamento Forjamento a frio São considerados os processos básicos de recalque e extrusão. A seqüência do processo é o corte, seguido da lubrificação e forjamento. Os recozimentos intermediários se necessários em função do encruamento do material. Figura 7.7 Peças forjadas a frio.

27 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Os equipamentos para forjar Figura 7.8.a Martelo de queda livre. Figura 7.8.b Martelo de dupla ação. a- martelo em queda livre: consiste de uma base que suporta colunas, nas quais são inseridas as guias do suporte da ferramenta, e um sistema para a elevação da massa até a altura desejada. b- martelo de dupla ação: a massa de carga é conectada a um pistão contido em cilindro no topo do martelo Determinação do trabalho realizado para forjamento com redução definida. dw = F dh = σ d S dh (1) Como o volume é constante V o = S o h o e V 1 = S 1 h 1 (2) Então: dw = σ d V/h (dh) W = σ d V dh/h W = σ d V ln h o /h 1 (3) Finalmente a força necessária para deformar a barra de h 0 para h 1 será: F = σ d V ln (h o /h 1 ) = σ d V ln (h o /h 1 ) (4) (h o h 1 ) e - Determinação da altura da queda de um martelo com peso conhecido para deformar:

28 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 28 W = mgh (5) Considerando W em (3) teremos: h = σ d V ln (h o /h 1 ) mg Em outros casos a força de deformação F para uma prensa pode ser determinada por meio da seguinte equação: F = V c r d ln (s 1 / s 0 ) e onde: V c é o volume do material. r d é a resistência real à deformação. s 0 e s 1 são as áreas inicial e final da peça. e é o esmagamento realizado = h o h 1 Da mesma forma a força de deformação para um martelo em queda livre pode ser dada por: F = qhη/e onde: q é o peso do martelo h é a altura da queda η é o coeficiente de rendimento e é o esmagamento realizado = h o h Vantagens do processo - elevado aproveitamento do material e grande produtividade conforme dimensional do produto e capacidade do equipamento; - resistência elevada das peças forjadas comparadas com a das peças fundidas tem como conseqüência a possibilidade de redução das dimensões de um elemento de máquina. Ex.: em um eixo virabrequim forjado pode ser reduzido em até 20% do peso proporcionando uma redução do consumo de combustível; Recalque O recalque é considerado similar ao forjamento livre, onde um recorte bruto do material é reduzido por compressão entre duas interfaces paralelas, geralmente planas. Figura 7.9- Modelo esquemático do recalque e peça recalcada.

29 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA PROCESSO DE LAMINAÇÃO A laminação é um processo de conformação mecânica onde o material é forçado a passar entre dois cilindros que giram em sentidos opostos. A mais antiga ilustração de um laminador é uma gravura de Leonardo da Vinci feita em torno de Por volta de 1600 a laminação do chumbo e do estanho era realizada à temperatura ambiente, por meio de laminadores operados manualmente. No século XVIII teve início a laminação a quente transformando barras de aço em chapas. O processo de laminação pode ser feito a frio ou a quente com uma seqüência de passes para obter produtos acabados, como chapas, barras, placas e perfis. Normalmente, a laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio, para as operações de acabamento. As últimas etapas da laminação a quente e a maior parte da laminação a frio são efetuadas comumente em múltiplos conjuntos de cilindros denominados trens de laminação. As principais variáveis do processo são o diâmetro dos cilindros, a resistência à deformação do material e o atrito entre os cilindros e o material. Em geral a laminação de desbaste é feita nos laminadores duo reversíveis enquanto as etapas posteriores são realizadas nas cadeiras (estrutura fundida para sustentar os cilindros na dimensão programada). Etapas opcionais como a decapagem ácida para eliminar carepas ou o esmerilhamento dos billets para eliminar defeitos podem ser realizadas. Os tratamentos térmicos associados ao controle da redução são feitos para atender as propriedades mecânicas finais dos produtos Efeitos da temperatura na laminação a quente 8.1.a- Recristalização Inicialmente na laminação a quente, a microestrutura do aço consiste de grãos equiaxiais grosseiros de austenita, como pode ser visto na figura abaixo. Durante o passe no laminador, os grãos de austenita são deformados e alongados. As bandas de deformação podem aparecer dentro dos grãos de austenita. Figura Ilustração esquemática da recristalização estática. Na laminação à quente existem três processos de restauração dos grãos: - o estático que inicia e termina após a deformação; - o dinâmico que inicia e termina durante a deformação do material; - o metadinâmico que se inicia durante e se completa após a deformação do material;

30 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 30 Figura 8.2- Ilustração mostrando as recuperações estática e dinâmica; e as recristalizações estática, dinâmica e metadinâmica. 8.1.b- Processo de recristalização estática Os defeitos na estrutura cristalina principalmente na forma de discordâncias geram uma energia armazenada no material, chamada de força motriz, que depende da taxa de deformação e da força aplicada. Esta força é responsável pelo início da recristalização estática. O núcleo de recristalização toma lugar preferencialmente nos contornos de grãos e nas bandas de deformação. Na laminação a quente a recristalização estática normalmente ocorre entre os passes, ou seja, após a deformação. O amaciamento do material devido à recuperação e recristalização estáticas ocorre numa velocidade que depende das condições de deformação e temperaturas anteriores. Quando o aço é deformado no estado de austenita em altas temperaturas, a tensão de escoamento aumenta para um máximo e em seguida cai para um valor constante, pois após certo tempo, a formação de discordâncias e posterior eliminação alcançam um equilíbrio. Neste caso, o material pode continuar a ser deformado sem que ocorra qualquer aumento ou diminuição na tensão de escoamento e esta tensão é denominada de tensão de escoamento no regime estacionário. Neste caso, a recristalização dinâmica se inicia quando a deformação aplicada ultrapassa o valor da deformação critica. 8.1.b- Processo de restauração metadinâmico No processo de restauração metadinâmico, a recristalização do material se inicia durante a deformação e prossegue no intervalo entre passes, como mostrado na Figura 8.2. Este fenômeno normalmente ocorre na deformação a quente quando a deformação aplicada ultrapassa a deformação crítica, mas a tensão de escoamento no regime estacionário não é alcançada. A cinética da recristalização metadinâmica não depende da deformação, mas somente da taxa de deformação. Da mesma forma que na recristalização dinâmica, altas taxas de deformação favorecem o processo de recristalização metadinâmica. Em razão da grande influência da taxa de deformação, outros fatores como temperatura e elementos de liga nos aços têm pouca influencia na

31 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 31 recristalização metadinâmica. Adições de molibidênio, nióbio e titânio possuem pequeno efeito na recristalização metadinâmica, principalmente devido à formação de carbonetos que inibem o início da recristalização. 8.1.c- Fatores que afetam a redução crítica de recristalização A quantidade crítica de deformação, que é a redução mínima na laminação na qual a austenita se recristaliza completamente, aumenta rapidamente com a diminuição da temperatura de deformação e com adição de elementos de liga, especialmente o nióbio. Quanto maior o tamanho de grão, maior é a redução crítica de recristalização. Na laminação, quanto maior a temperatura menor é a redução crítica de recristalização. Conforme a quantidade de deformação na laminação, o processo de restauração estático se processa de três formas, como mostrado na Figura 8.3. Figura Efeito da quantidade de redução e temperatura de laminação sobre o comportamento da restauração: o aço ao nióbio foi aquecido para1150 o C e o tamanho de grão é aproximadamente180 μm laminado em um passe. a) Recuperação esta forma de restauração estática ocorre quando o laminador tem redução menor do que o valor crítico para a recristalização parcial. Neste caso, os grãos coalescem ao invés de refinar devido às tensões induzidas com as migrações nos contornos de grãos, produzindo grãos muito maiores do que os iniciais. Estes grãos formados devido a pequena deformação na região de recuperação permanecem ainda após muitos passes na zona de recristalização parcial. b) Recristalização parcial ocorre quando a redução na laminação é suficiente para produzir uma microestrutura mista de grãos recristalizados e grãos restabelecidos. c) Recristalização completa ocorre quando a redução mínima, ou crítica de recristalização, na qual a austenita se recristaliza completamente é atingida. O tamanho de grão da austenita recristalizada diminui significativamente com o aumento no grau de redução total, como pode ser visto na Figura 8.4.

32 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 32 Figura Efeito da redução total sobre o tamanho de grão da austenita no aço nióbio pré-aquecido para 1280 o C e 1150 o C laminado em multi-passes Cilindros de laminação. Os cilindros em geral são peças inteiriças, fundidas ou forjadas. Em cada extremidade, estão os "pescoços", cilíndricos ou cônicos, que se apóiam nos mancais e o "trevo", que recebe o acoplamento para rotação. São produzidos com aços microligados ou ferros fundidos nodulares e especiais. Os de ferro fundido com teores de cromo, níquel e molibdênio apresentam melhor resistência ao desgaste do que os de aço, embora com resistência à ruptura menor. Figura Principais partes de um cilindro de laminação. Figura Esquema mostrando cilindros com canais de um laminador fixo.

33 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Classificação dos laminadores Pode ser feita segundo diferentes critérios: a- conforme as condições de trabalho em laminadores para trabalho a quente e a frio; b- em função ou programa de produção como primários e acabadores; c- conforme o tipo de produto fabricado: perfis, trilhos, arame; d- Conforme a disposição das diversas cadeiras de laminação: em linha (trem tipo Belga), em zigue-zague (cross-country), contínuo (tandem); Figura 8.7- Disposição de cilindros na cadeira quádruo. Figura 8.8- Esquema de um laminador com 6 cilindros agrupados. Figura 8.9- Esquema de um laminador Sendzmir. Figura Esquema de uma cadeira universal

34 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 34 Figura Esquema de um laminador tipo Grey. Figura 8.12 Esquema mostrando um trem contínuo de laminação. Figura 8.13 Esquema e foto de laminação de cilindros.

35 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Denominações dos produtos semi-acabados: norma NBR 6215 a. bloco: é um produto semi-acabado com as arestas arredondadas de comprimento entre 150 e 300 mm e relação entre altura e largura igual ou menor que 2. b. tarugo ou palanquilha: produto semi-acabado com as arestas arredondadas de comprimento entre 50 e 125 mm e relação entre altura e largura igual ou menor que 2. c. placa: produto semi-acabado com espessura maior que 80 mm e relação largura e espessura maior que 4. Figura 8.14 Características e geometrias de produtos acabados Denominações dos produtos laminados planos Os produtos são denominados conforme a espessura e largura final da chapa. a- chapa fina laminada a frio: espessura entre 0,38 e 3,0 mm b- chapa fina laminada a quente: espessura entre 1,20 e 5,0 mm. c- chapa grossa laminada a quente: espessura entre 5,0 mm a 12,7 mm.

36 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 36 d- fita de aço para embalagem: espessura igual ou inferior a 1,27 mm e com largura igual ou inferior a 32 mm. e- folha: espessura igual ou inferior a 0,38 mm e com largura mínima de 500 mm fornecido em bobinas ou com comprimento definido Produtos laminados longos Perfis estruturais: vigas H, vigas I, vigas U, vigas Z, cantoneiras. Trilhos e acessórios: trilhos para ferrovias, pontes rolantes, carros de transporte de lingotes, elevadores, etc; talas de junção; placas de apoio; etc. Fio-máquina: material de seção geralmente redonda com diâmetro de 5 a 13mm, laminado a quente utilizado como matéria-prima de trefilação. Figura Aços laminados não planos. Figura Seqüência de forjamento de uma peça a partir de uma barra redonda laminada.

37 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 37 Figura 8.17 Vigas para ponte rodo-ferroviária. Figura Elemento de máquina Produtos especiais 8.5.a- Laminação de tubos sem costura. Consideram-se três as etapas de conformação destes tubos: 1- fabricação de um bloco oco espesso por meio do puncionamento de um bloco maciço; 2- laminação longitudinal do bloco contra um mandril cilíndrico interno; 3- redução do lingote com o diâmetro interno desejado. O laminador contém os cilindros de trabalho e o de guia. Um mandril é mantido com uma haste enquanto um suporte pneumático guia o bloco a ser laminado. Figura Diagrama esquemático da laminação de tubos.

38 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 38 Figura 8.20 Laminação de tubos sem costura com mandril e tarugos (processo Mannesman). 8.5.b- Laminação de tubos com costura Os tubos com costura são dobrados a partir de chapas e soldados por resistência enquanto os sem costura são produzidos a partir de tarugos aquecidos e perfurados. Figura 8.21 Laminação de tubos com costura. 8.5.c- Laminação de fios retangulares O laminador foi projetado com quatro discos adaptados a eixos e mancais fixados em uma placa. O desenho esquemático dos conjuntos está mostrado na Figura O posicionamento dos módulos em forma de cruz permite a movimentação dos conjuntos nas direções horizontal e vertical tornando possível o ajuste do fio na dimensão desejada.

39 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 39 A matéria prima inicial é o fio redondo que será deformado na dimensão retangular adequada às exigências das normas ortodônticas. Figura Diagrama esquemático dos conjuntos mancal/eixo/disco. Figura Vista lateral do laminador. Na Figura 8.24 é observada uma amostra de fio retangular obtida no laminador projetado. É interessante verificar o perfil arredondado das arestas para evitar as tensões residuais críticas envolvidas com o grau de deformação.

40 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 40 Figura Secção transversal do fio 0,016 x0,022 laminado Considerações sobre o atrito durante a laminação Na laminação o atrito é provocado pelo contato entre as superfícies do cilindro e do material com os seguintes efeitos: a- alteração dos estados de tensão na deformação com tensões residuais no produto; b- desgaste da superfície do material e do ferramental; c- aumento da energia necessária para deformação. No entanto, a laminação só é possível quando a força de atrito é suficiente para agarrar a chapa e puxá-la para o interior dos cilindros. Conforme a Figura 8.25, no instante em que a chapa entra em contato com os cilindros de laminação, duas forças atuam sobre a mesma: N a força normal à superfície do cilindro e T, a força de atrito tangente ao mesmo. Seja F a resultante destas forças, para que a chapa seja arrastada para os cilindros (processo de mordida ), F x deverá ser maior que zero. Então: Figura 8.25 Forças que atuam entre a chapa e os cilindros de laminação. F x = T cosα - N senα > 0

41 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 41 Se T = kn, então kn cosα - N senα > 0 e N (k cosα - senα) > 0 Dividindo por cosα teremos k tg α > 0 e Finalmente k > tgα Neste caso, o ângulo α determina a relação com o coeficiente de atrito. Na Figura 8.26 é mostrado o arco de contato AC correspondente ao contato da chapa com os cilindros de laminação. A figura representa apenas uma metade da região. Figura Contato entre a chapa e o cilindro de laminação mostrando o arco de contato AC. Assim, considerando o triângulo retângulo ABO e sendo L a projeção do arco AC na configuração geométrica abaixo teremos: sen α = L/R Supondo que: Então sen α = L/R e finalmente sen α = (Δh/r) 1/2 Para que a chapa passe pelos cilindros é necessário que: k > tg α (1) onde: A deformação convencional durante o processo é dada pela seguinte equação:

42 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 42 e = 1 - h f - d ( 1- cos α ) h i Obs.1 μ = tg α condição de redução máxima. Obs.2 afastamento dos cilindros diminui o ângulo α e a redução Defeitos na laminação A laminação a frio provoca um forte encruamento e pode ser necessário um tratamento de recozimento para melhorar a planicidade da chapa e corrigir o patamar de escoamento. Também pode ocorrer o defeito casca de laranja associado à granulação grosseira do material. Nos aços de baixo carbono deformados próximos à tensão de escoamento podem ocorrer linhas de distensão e é necessário fazer uma ligeira redução a frio. 9- PROCESSOS DE TREFILAÇÃO A trefilação é um processo para obter produtos com seções de geometrias diversas pela tração em uma matriz denominada fieira que define o perfil do trefilado. No século XIV, Rudolph de Nuremberg desenvolveu o primeiro equipamento mecânico industrial para trefilação. De 1850 a 1870 em razão da difusão do telégrafo e a conseqüente demanda por fios condutores, a trefilação teve um grande avanço. Os produtos são fios, barras, tubos e perfis diversos. Em geral é realizada a frio com pequenas reduções de seção por passe, diminuição da ductilidade e aumento da resistência mecânica. A qualidade superficial e dimensional é excelente com propriedades mecânicas controladas por meio da redução e tratamentos térmicos de recozimento intermediários quando a redução da ductilidade provoca a diminuição da conformabilidade. Os principais fatores que influenciam o processo são os esforços predominantes de compressão indireta, o atrito na fieira e a lubrificação. A lubrificação pode ser por imersão ou por aspersão, e os tipos de lubrificantes são os sabões sólidos ou em pó, soluções ou emulsões de óleos em água e graxas. O conhecimento dos esforços e das variáveis envolvidas no processo permite reduzir os tempos de parada de máquina; dimensionar eficientemente a velocidade de trefilação e reduzir o desgaste das fieiras Classificação dos produtos trefilados Os produtos são classificados em barra, tubo e arame ou fio. As barras finas são denominadas de arames ou fios. Em geral a denominação de arame é para fins mecânicos e fio no caso de fins elétricos. Figura Tipos de trefilados com relação ao diâmetro da seção transversal.

43 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Características do processo A velocidade de trefilação pode variar conforme o equipamento e tipo de material. Em seguida são mostradas velocidades permissíveis para alguns materiais: 600 a 1500 m/min para fios de aço; 1200 a 2500 m/min para fios de cobre; 10 a 100 m/min para barras; Os esforços são predominantes de compressão indireta com atrito entre a matriz e o material a trefilar. A lubrificação pode ser por imersão ou por aspersão, e os tipos de lubrificantes são secos no caso de sabões sólidos ou em pó, úmidos com soluções ou emulsões de óleos em água, ou pastas e graxas. O cálculo da carga na trefilação pode ser feito pela seguinte expressão: _ P t = A _ 0 σ e ln + μ A 1 ( 1.cot g( α ). φ. A ) σ e é a tensão de escoamento média em tração uniaxial; A 0 área transversal inicial da peça (arame); A 1 - área transversal do arame após a trefilação; μ - coeficiente de atrito médio na zona de redução da fieira; α - ângulo de abordagem (semi-ângulo da fieira); φ - fator de deformação redundante Rowe dado pela seguinte forma: φ = (( 1 r ) r). senα onde a redução de passe r é dada por (A 0 A 1 )/A 0 Em geral as equações dos processos apresentam discrepâncias entre os esforços medidos e os valores calculados conforme os diferentes modelos. Uma aproximação para deformação homogênea é apresentada abaixo: E df = σ e ln (A i / A f ). Vol. Obs. não considera o efeito do atrito. σ e é a tensão de escoamento média dentro da zona de deformação Vol é o volume do material trefilado A i e A f são as áreas da secção inicial e final 1 Figura 9.2 Tensões de tração (σ τ ) e de compressão (σ χ ) na trefilação.

44 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Fieira A fieira é constituída por três partes cônicas e uma parte cilíndrica. A primeira denominada cone de entrada direciona e permite a lubrificação do fio, a segunda é chamada cone de trabalho onde o fio é deformado e a terceira é o cone de saída que facilita a saída do fio. Na parte cilíndrica ocorre o ajuste do diâmetro do fio. O ângulo da fieira, ou do cone de trabalho, comumente tem valores compreendidos entre 5 e 25. O comprimento da parte cilíndrica varia de zero a dois diâmetros. l cone de entrada II cone de trabalho III zona cilíndrica ou cilindro de calibra IV cone de saída Figura 9.3 Perfil esquemático de uma fieira para trefilação Os ângulos das fieiras estão associados com a ductilidade de cada material. Em geral, quanto mais dúctil for o material, maior pode ser o ângulo da fieira. Por outro lado, o comprimento da zona cilíndrica é dependente das condições de atrito entre o metal e a fieira. As fieiras para trefilar fios grossos e médios com até 1,4 mm de diâmetro são feitas de vídea (metal duro com a composição típica de 95% de carboneto de tungstênio e 5% de cobalto) e para fios finos são feitas de diamante. Figura 9.4 Alguns modelos de fieiras.

45 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Trefilação de arames ou fios Os métodos envolvidos na trefilação de barras, vergalhões e arames são basicamente os mesmos, embora os equipamentos utilizados variem para os diversos tamanhos de produtos. O processo de trefilação de arames de aço inicia com o fio-máquina laminado a quente e com com diâmetro mínimo de 5,5 mm. O fiomáquina em geral apresenta microestrutura não-homogênea com defeitos superficiais, sendo necessário submetê-lo previamente a um tratamento térmico de recozimento. Posteriormente é decapado a fim de eliminar carepa que pode resultar em defeitos superficiais no produto ou desgaste da fieira. A decapagem química convencional é realizada pela submersão do fio-máquina em ácido sulfúrico ou clorídrico. O óxido de ferro é atacado pelo ácido e os íons Fe +3 entram em solução à medida que o gás hidrogênio é formado na superfície. O fio-máquina é mergulhado em um tanque de água para enxágüe e, em seguida, em um tanque de cal ou de bórax. Este revestimento servirá como absorvedor do lubrificante na trefilação por via seca e também para neutralizar qualquer ácido remanescente da decapagem. Para estiramento a seco é utilizada graxa ou pó de sabão como lubrificante e para estiramento úmido, óleo ou solução alcalina de sabão. Figura 9.5 Decapagem química de fio-máquina em ácido sulfúrico. Abaixo são mostrados desenhos esquemáticos e equipamentos de trefilação. Figura 9.6 Trefilação utilizando sarilho. Figura 9.7- Vista lateral do sarilho após acumulação

46 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 46 Figura 9.8 Máquina de trefilação cônica. roldan fieira fieira fieira fieira bobin 1 º anel 2 º anel 3 º anel tambor sem deslizament carret rotaçã entrad translação (por saíd Figura 9.9- Esquema de uma máquina de trefilar em série com deslizamento. Figura 9.10 Trefiladora com 3 sarilhos modelo Morgan.

47 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 47 Figura 9.11 Máquinas de trefilar em série. 10- EXTRUSÃO A extrusão, como um processo industrial, foi desenvolvida por volta de 1800, na Inglaterra, durante a Revolução Industrial. Inicialmente foi utilizada uma prensa hidráulica para extrusão de tubos de chumbo. Uma importante revolução no processo ocorreu na Alemanha por volta de 1890, quando a primeira prensa de extrusão horizontal foi fabricada para extrudar metais com ponto de fusão mais alto do que o do chumbo. O equipamento utilizava um falso pistão para evitar o aquecimento da haste principal. Figura Desenho esquemático da extrusão direta e indireta.

48 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 48 A extrusão é um processo de compressão realizado a quente ou a frio onde o material é forçado a fluir através de uma matriz, de modo a produzir barras, tubos e outros perfis. Os processos de forjamento a frio, recalque e cunhagem por meio de prensas são similares aos de extrusão a frio Generalidades O esforço de compressão é exercido por meio de um êmbolo que empurra o metal contra uma matriz com o perfil desejado. O comprimento do produto extrudado é limitado pelo volume do tarugo e dimensional da matriz. Geralmente são extrudadas ligas não-ferrosas (Al, Mg, Cu) em razão da menor resistências ao escoamento e menor temperatura de fusão. Materiais com maior resistência à deformação e altas temperaturas de fusão podem fixar na parede da câmara. Isto pode ser minimizado com o uso de lubrificantes ativos e pressões elevadas a- extrusão a quente: \ grandes reduções de seção em uma única etapa maioria dos processos para produtos semi-acabados (barras) e acabados (perfis e tubos). Ex: extrusão de titânio e aço na faixa de 980 a 1260 o C e ferramental a ±500 o C b- extrusão a frio: pequenas reduções da seção em vários estágios para obtenção de peças com precisão. A B Figura 10.2 Perfis de ligas de alumínio e cobre fabricados pela extrusão a quente.

49 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 49 Figura 10.3 Exemplos de peças obtidas por extrusão a frio TIPOS DE EXTRUSÃO a- extrusão direta: O material é colocado no interior de um recipiente e um pistão comprime forçando-o a fluir através de uma matriz situada na extremidade oposta. Na extrusão direta o atrito existente entre a superfície do tarugo e as paredes do recipiente quando o material é forçado a deslizar em direção à abertura da matriz causa um substancial aumento na força de extrusão. Na extrusão a quente este problema é agravado pela presença de uma camada de óxidos na superfície do tarugo que favorece a formação de defeitos no produto extrudado. Figura 10.4 Extrusão direta.

50 b- extrusão inversa: CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 50 A matriz é adaptada ao pistão. Quando o pistão avança no interior do recipiente o metal é forçado a fluir através do orifício da matriz, em sentido oposto ao movimento do pistão. A força de extrusão é menor que na extrusão direta, pois não há atrito entre o tarugo e a parede interna do recipiente. Na produção de seções tubulares é utilizado um pistão com diâmetro menor que o do recipiente para o metal fluir ao redor da matriz e gerar um produto em forma de copo (Figura 54). Figura 10.5 Extrusão inversa. Figura 10.6 Extrusão inversa para seções tubulares. c- extrusão hidrostática: O atrito pode ser eliminado envolvendo o tarugo com um fluido no interior do recipiente que é pressurizado pelo movimento do pistão. Deste modo, não há atrito com a parede do recipiente e o atrito no orifício da matriz é reduzido. A força no êmbolo é muito menor que na extrusão direta convencional. Uma desvantagem do processo é que ele requer a preparação do tarugo inicial, que deve possuir em uma das extremidades uma geometria que se adapte ao ângulo da matriz. Isso evita que o fluido escoe pela abertura da matriz quando o recipiente é inicialmente pressurizado.

51 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 51 Figura 10.7 Extrusão hidrostática Equipamentos de extrusão São utilizadas prensas hidráulicas horizontais e verticais com capacidade superior a 1000 toneladas de ação contínua ou por acionamento hidro-pneumático. A prensa é essencialmente um conjunto cilindro-pistão hidráulico, onde o cilindro necessita constante alimentação de líquido sob pressão para movimentar o pistão. A alimentação do cilindro é feita com o auxílio de uma bomba hidráulica, que mantém a velocidade do pistão no nível necessário para a extrusão, ou com o emprego de um acumulador de pressão. No primeiro caso, temos o chamado acionamento óleo-dinâmico e, no segundo caso, o acionamento é hidro-pneumático. Figura 10.8 Desenho esquemático de uma prensa horizontal para extrusão de perfis As variáveis do processo e a lubrificação Os principais fatores que afetam o processo de extrusão: a- a variação de temperatura que é influenciada pela geração de calor com a deformação plástica, o efeito do atrito e a transferência de calor do material durante o processo; b- as dimensões geométricas são limitadas pelo equipamento e tamanho da haste; c- as prensas devem ter grande capacidade de carga para deformar o material; d- tensão de escoamento e ductilidade determinam a capacidade de extrusão do material; A característica do processo é importante como na extrusão indireta onde a tendência de trincas superficiais e o desgaste do ferramental são menores embora a

52 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 52 velocidades de fabricação possa ser maior. Os processos de extrusão são feitos com ou sem lubrificação. Grafite e vidro são utilizados para reduzir o desgaste e isolar o material do ferramental durante o processo. Ligas com menor temperatura de fusão (Al, MG e Zn) podem ser extrudadas sem lubrificação. A lubrificação é importante para reduzir a região da zona morta onde ficará o material que não consegue escoar pela matriz. Na figura abaixo é mostrada a variação da carga de extrusão para os processos direto e indireto. Fig Esforços mecânicos e trabalho de deformação no processo de extrusão (Altan, 1997) Em geral é utilizada a lubrificação em ligas com maior temperatura de fusão como as de níquel, titânio e aço e também para reduzir a zona morta nos processos. Tabela 1 - Faixas de temperatura de extrusão para vários metais: METAL TEMPERATURA O C Chumbo Ligas de alumínio Ligas de cobre Aços Ligas refratárias

53 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Equação para determinar a força de deformação A força requerida para o processo depende da resistência e variação de área no material, do atrito na câmara e na matriz, além de outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão. Uma equação aproximada para determinação da força de extrusão é dada pela seguinte equação: A = A0 K ln 0 F A f onde: F = força de extrusão; A o = área Inicial, A f = área final e K = constante de extrusão com valores estimados conforme a Figura Figura Alguns valores da constante de extrusão K em MPa para diferentes materiais Fabricação de tubos por extrusão e mandrilagem. Os tubos sem costura utilizados em condições de grandes esforços de pressão como na prospecção geológica geralmente são fabricados pelo processo de extrusão. A operação de acabamento interno é feita por mandrilagem através da rotação do tubo contra um mandril. O processo Mannesman mostrado na Figura 8.20, onde um tarugo aquecido é rotacionado contra um mandril que conforma o diâmetro interno, também é utilizado na fabricação de tubos sem costura. Os tubos com costura utilizados para esforços pequenos são fabricados por meio do dobramento de tiras unidas através de soldagem por resistência e pressão conforme a Figura Defeitos da extrusão Conforme as condições podem ocorrer vários tipos de defeitos, que afetam a resistência e a qualidade do produto final. Na extrusão a quente os defeitos são causados

54 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 54 por escoamento incorreto, impurezas na matéria-prima ou escolha inadequada da temperatura e velocidade de extrusão. Na extrusão a frio os defeitos são causados por geometria inadequada das matrizes, lubrificação insuficiente ( chevron ), ou trincas por deformação, temperatura ou velocidade excessiva. No caso de trincas internas 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 de prova submetido ao ensaio de tração. Figura Modos de escoamento na extrusão. Figura Defeitos chevron causado pela extrusão a frio.

55 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA ESTAMPAGEM DE CHAPAS A conformação mecânica de chapas é muito utilizada principalmente na fabricação de componentes para indústria automotiva. Vários são os modelos tais como flanges, seções curvas, calotas, cápsulas e gravações em relevo nos processo de cunhagem Características do processo É um processo realizado geralmente a frio em equipamentos sofisticados com prensas de várias estampas para conformar a peça até a dimensão final. O corte é a operação inicial para fabricação de uma peça por estampagem. É importante o controle da relação entre espessura da chapa e o blank (matéria prima inicial) para evitar deformação da peça. Na estampagem profunda em peças com formato de copo tais como calotas e cápsulas, é comum a fabricação do componente em várias etapas. No dobramento é importante manter a relação do raio de curvatura com a espessura da chapa, pois existe a denominada linha neutra, que não sofre deformação, e que deve ser determinada em função do comprimento final da peça. No caso da cunhagem também é considerada uma operação de estampagem realizada a frio em materiais dúcteis onde a superfície da peça é restringida pela matriz (talheres e moedas) Variáveis que afetam a operação de estampagem a- blank (material inicial): deve ser analisada a composição química, tensão de escoamento, planicidade e espessura do material de partida. b- lubrificação: deve ser homogênea na superfície do material. A viscosidade do lubrificante é um fator importante e influi na distribuição na superfície do estampo. c- prensa e ferramental: deve ser projetado o equipamento com capacidade suficiente para deformar o material e manter o dimensional especificado utilizando corretamente as matrizes de estampagem. d- ambiente: são importantes a temperatura e umidade do local de operação. Também são usados métodos de simulação para identificar limitações do processo. Figura11.1 Ferramental de corte. Figura 11.2 Etapas para fabricação da peça.

56 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA METALURGIA DO PÓ HIstória a primeiro processo foi a compactação de platina com pó. b produção de filamentos de tungstênio para lâmpadas incandescentes. c- Atualmente peças com geometria complexa e processo de fabricação para ligas refratárias de uso geral. A seguir são apresentados produtos e ligas respectivas. - - buchas para máquinas agrícolas FeCuC - êmbolos para compressor de geladeira FeC - engrenagem de motor FeNiC - capa de rolamento de bicicleta FeNiCuC (cementação com dureza de 60RC) - elo e rolo de corrente transportadora aço inox 410L - núcleo para alto falante Fe puro 99,95% Características: A metalurgia do pó é uma rota alternativa para produção de peças metálicas. Basicamente consiste na compactação de pós na forma do componente desejado seguida da sinterização para que o mesmo adquira resistência mecânica similar à peça fabricado por outros processos convencionais. A metalurgia do pó apresenta vantagens econômicas porque utiliza exatamente a quantidade necessária da matéria prima na confecção do produto final. Permite ainda grande produtividade com a automatização de todo o processo. As peças apresentam excelente acabamento superficial e precisão dimensional com redução reduzindo de diversas operações de acabamento. As temperaturas na sinterização são menores do que aquelas exigidas na fusão e, portanto economizam energia. Além destes aspectos econômicos, outras vantagens são: a- produzir peças de metais refratários (W, Mo, Ta) impossíveis ou muito difíceis de serem obtidas por processos convencionais envolvendo fusão. b- obter peças com porosidade controlada como filtros metálicos e mancais autolubrificantes. c- obtenção de materiais compósitos (metais com não-metais) como discos de fricção, discos de corte, metal duro e associação de diferentes metais na peça acabada. Embora o processo apresente limitações quanto ao tamanho e quantidade de peças produzidas, pois há uma quantidade mínima para ser competitivo, as propriedades obtidas são comparáveis às das peças fabricadas por processos convencionais de fundição e conformação mecânica. É importante projetar o dimensional da matriz considerando a eliminação dos poros e a densificação do compactado. No setor automobilístico é comum o uso de componentes produzidos por essa rota, como, engrenagens, discos e mancais Etapas de fabricação a- mistura de pós conforme distribuição granulométrica adequada para favorecer a homogeneização durante o processo de compactação. b- compactação em matrizes: é desejável que a pressão seja homogênea em toda a matriz. O valor para ligas em geral é de aproximadamente 5 ton/cm 2. c- sinterização para unir as partículas e aumentar a resistência mecânica da peça.

57 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Vantagens do processo: Rapidez do processo, produtividade e dimensões definitivas da peça Desvantagens do processo: Limitação dimensional das prensas para homogeneização do pó, complexidade e custo das matrizes Métodos de fabricação de pós a- produção de pós por reações químicas: O método mais comum é a redução de óxidos metálicos por um agente redutor gasoso (CO) ou sólido (carbono). Os metais mais comumente produzidos por essa técnica são o Fe, o Cu e o Mo. Na produção do pó de ferro o processo mais tradicional é o de Hoganaes onde o pó de minério de ferro é colocado em contato com uma mistura de coque e calcário a uma temperatura de 1270 o C. O óxido de ferro é reduzido pelo CO produzindo uma esponja de ferro que depois passa por processos de moagem e peneiramento. Outros gases utilizados na redução de minérios são o hidrogênio e amônia dissociada, como na produção de pó de Cu, W e Mo. b- atomização: Consiste na fusão do metal e posterior dispersão do mesmo em gotas muito finas. É um processo versátil que permite a produção de pós de metais puros e de ligas metálicas. A microestrutura dos pós é muito refinada devido ao processo de solidificação rápida envolvido. Em alguns casos especiais pode-se obter pós metálicos amorfos. Os métodos de atomização mais comuns são: - atomização a água: limitado a metais que não sofrem muita oxidação ou cujos óxidos possam ser facilmente reduzidos posteriormente. Produz partículas irregulares. - atomização a gás: as partículas são mais regulares e esféricas. O processo pode ser muito limpo quando utiliza-se gases inertes como Ar ou He. Pode-se utilizar também o ar ou N 2. O ar é limitado a metais e ligas pouco reativas. - atomização a vácuo: desintegração do líquido pela expansão de gases em solução sob vácuo. Produz partículas esféricas e é um processo de elevada pureza. - atomização por disco rotativo: um disco rotativo pulveriza um jato de metal líquido produzindo partículas esféricas e de elevada pureza. c- deposição eletrolítica: Consiste na deposição de metais no ânodo de células eletrolíticas. Utiliza-se como eletrólito uma solução de um sal contendo a espécie metálica desejada. No caso do cobre, por exemplo, usa-se sulfato de cobre. Permite a produção de metais muito puros que na forma de placas friáveis ou esponjas são depois moídos. d- processos mecânicos: Consiste na moagem de metais duros e frágeis geralmente em moinhos de bola. Durante a moagem há aumento das superfícies das partículas favorecendo a soldagem e

58 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 58 aglomeração das mesmas. A formação de superfícies reativas pode causar oxidação indesejada e para evitá-la é utilizado lubrificante ou moinho selado com gás inerte Compactação do pó (peça verde) O pó metálico com uma distribuição granulométrica adequada é misturado a lubrificantes e compactado para formar a peça verde. A compactação ocorre basicamente em 3 estágios que na realidade se sobrepõem: a rearranjo das partículas eliminando parcialmente os vazios; b deformação plástica das partículas reduzindo ainda mais os vazios; c quebra das partículas e formação de aglomerados por soldagem a frio; Figura Prensa uniaxial para compactação de pós. Existem várias técnicas de compactação entre as quais: a- prensagem uniaxial Alta produção, mas limitada na dimensão axial pela dificuldade em homogeneizar a compactação do pó. Pode ser de ação simples ou dupla e feita em múltiplos estágios para garantir densidade uniforme na peça verde. A prensagem pode ser realizada também a quente com sinterização parcial ou total. b- prensagem isostática O pó metálico é colocado em um invólucro flexível que sofre a compressão de um líquido e, posteriormente, pode ser compactado sob a ação isostática de um gás quente

59 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 59 que favorece a homogeneização da peça verde. É utilizada na produção de peças com grande relação comprimento/diâmetro ou peças com geometrias que não podem ser prensadas uniaxialmente. A prensagem isostática a quente pode produzir peças já no estado final de densificação, isto é, compactadas e sinterizadas. c- extrusão a quente Consiste na combinação entre compactação a quente e deformação mecânica posterior para fabricação de um componente. d- laminação O pó é comprimido entre dois cilindros produzindo uma tira ou chapa compactada. e- forjamento e laminação de pré-conformados Combina operações de forjamento e laminação com tarugos de pó compactados. f- compactação por injeção São adicionados ligantes termoplásticos aos pós que sob ação de calor são injetados em moldes. O processo consiste na injeção e simultânea compressão da mistura no molde. Permite a produção de peças complexas, resistentes e uniformes, mas é um processo mais caro do que a prensagem usual Sinterização A sinterização consiste na compactação final da peça verde normalmente utilizando valores entre 60 a 75% da temperatura absoluta de fusão da liga. Ocorre, portanto, no estado sólido embora possa ocorrer sinterização com a presença de fase líquida. A força motriz para a sinterização é a redução da superfície livre das partículas e quanto maior a superfície específica, mais fácil é a sinterização. A sinterização é provocada pela difusão dos átomos dos contornos das partículas e é o principal mecanismo de compactação e redução da porosidade. A presença de defeitos cristalinos facilita esse processo, já que fornece caminhos energeticamente favoráveis para a difusão. A sinterização é normalmente realizada em fornos com atmosfera controlada para evitar principalmente a oxidação do metal. As atmosferas mais usuais são compostas de CO e CO 2 produzidos na queima de gases como metano e propano, amônia dissociada, argônio e nitrogênio Operações complementares Após a sinterização as peças podem sofrer operações complementares para ajustes dimensionais, como por exemplo: a- re-compressão para aumentar a densidade da peça; b- calibragem leve prensagem para corrigir pequenas distorções c- cunhagem para imprimir detalhes nas superfícies. Outra operação bastante comum é a infiltração onde um metal líquido é forçado para o interior dos poros da peça por capilaridade ou sob vácuo. A infiltração permite a obtenção de peças totalmente densas.

60 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 60 Figura12.2- Sinterização das engrenagens compactadas mostradas na Figura Figura Diversos produtos obtidos por metalurgia do pó.

61 13.1- REOFUNDIÇÃO 13.1.a- Histórico CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA OUTROS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO Os trabalhos iniciais foram realizados por Flemings em 1971 no MIT. São utilizados os conceitos de tixotropia dos fluidos considerando que a viscosidade decresce com o aumento da agitação do líquido b- Processo de fabricação A liga metálica é aquecida na temperatura correspondente ao intervalo da composição química desejada. O material semi-sólido é submetido à agitação maior que 400rpm, para produzir uma pasta semi-fluida de baixa viscosidade com fração sólida aproximada de 50%. Após solidificação a microestrutura é globular. Figura 13.1 Desenho esquemático do forno de reofundição. Figura Liga de alumínio reofundida com microestrutura globular.

62 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 62 Figura Característica da liga de alumínio reofundida e a facilidade de corte c- Vantagens a- menor desgaste do ferramental ligas de alumínio são processadas com temperatura de até 100 o C inferior à de fusão. b- menor porosidade e segregação estado semi-sólido favorece difusão e solubilidade. c- diminui trincas a quente menor choque térmico durante o resfriamento com relação aos componentes obtidos por fundição d- Desvantagens a- custos tecnológicos para manutenção do sistema mecânico simultaneamente com o controle da temperatura. b- controle da velocidade de agitação para homogeneizar o metal e- Aplicações Em geral o processo de reofundição é utilizado em componentes de ligas de alumínio para indústria automotiva e aeronáutica. Já são utilizados processos híbridos de reofundição com forjamento, para fabricação de palhetas de aços inoxidáveis em turbinas de compressores. 14-

63 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 63 A seguir estão apresentados outros processos de conformação mecânica: Cunhagem Definição: Equipamento: Material: Aplicações: Conformação em matriz fechada, normalmente executada a frio, na qual todas as superfícies de trabalho são restringidas, resultando na impressão definida da matriz no componente. Prensa ou martelo Aços carbono ou ligados, aços inoxidáveis, ligas resistente ao calor, ligas de alumínio, cobre, prata e ouro Moedas metálicas, itens decorativos, medalhas, botões, etc Eletro-recalque Definição: Conformação a quente de uma barra redonda aquecida eletricamente e pressionada contra uma cavidade ou uma matriz plana. Equipamento: Recalcadoras elétricas. Material: Aplicações: Aços carbono ou ligados. Em pré-conformações ou conformações finais.

64 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Endentação (a) em uma câmara e (b) sem restrição Definição: A endentação ou cravação é realizada através de um punção em um bloco. Equipamento: Prensas mecânicas ou hidráulicas. Material: Aplicações: Aços carbono ou ligados. Fabricação de matrizes e moldes com impressões relativamente rasas Laminação de engrenagens Definição: Conformação de dentes de engrenagens a quente ou frio, através de laminação entre rolos laminadores com formato de roda dentada. Equipamento: Maquina laminadora de engrenagens. Material: Aplicações: Aços carbono ou ligados. Engrenagens, rodas dentadas.

65 13.6- Forjamento de sinterizados CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 65 Definição: Forjamento a quente ou a frio em matriz fechada usando pré-formas de pós-metálicos sinterizados (metalurgia do pó). Equipamento: Prensas mecânicas ou hidráulicas. Material: Aplicações: Aços carbono ou ligados, aços inoxidáveis, ligas de cobalto, alumínio, titânio e niquel. Peças de veículos Repuxo por torneamento Definição: Conformação a quente ou a frio para componentes na forma de prato, combinando-se rotação e pressão com redução da espessura. Equipamento: Máquina de repuxo por torneamento. Material: Variações: Aplicações: Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio, cobre e titânio. Conformação cônica de tubos. Componentes empregados na industria aeroespacial tais como ogivas de mísseis e foguetes.

66 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Hidroconformação com diafragma de borracha Definição: A platina é presa em um diafragma, o qual encerra uma câmara com um fluido, e prensa-chapas. Um punção prensa a chapa contra a câmara fluídica com pressão isostática. Equipamento: Prensas hidráulicas de dupla ação. Material: Aplicações: Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio. Componentes com deformação profunda, com ou sem flanges Calandragem Definição: Equipamento: Material: Aplicações: Curvatura de chapa, barra ou outra secção usando três cilindros. Prensas mecânicas ou hidráulicas. Aços, ligas de cobalto, alumínio, titânio e níquel. Para forjamento de peças para automóveis, caminhões e veículos.

67 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Conformação eletromagnética Definição: Material: Variações: Aplicações: Aplicação direta de campo magnético que força a chapa contra a cavidade de uma matriz. O campo é conseguido pela passagem de corrente Materiais magnéticos. Conformação por descarga elétrica. Em componentes com recessos rasos e partes tubulares Conformação por explosão Definição: O componente é conformado pela aplicação com alta pressão obtida pela detonação de uma carga explosiva. Equipamento: Equipamento especial para conformação por explosão. Material: Aplicações: Ligas de alumínio. Conformação de tubos com tolerância significativa.

68 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA REFERÊNCIAS CETLIN, P.R., HELMAN, H., Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais ; Artliber Ed. Ltda. 2ª Ed., São Paulo SP, ALTAN, T. ; GEGEL, H., Conformação de metais: fundamentos e aplicações ; Ed. EESC-USP, 1ª Ed., São Carlos- SP, PADILHA, A. F., Materiais de Engenharia Hemus Livraria Ed e Distribuidora; 1ª Ed., São Paulo SP, CHIAVERINI, V., Processos de fabricação e tratamento ; Makron Books do Brasil Edit. Ltda.- São Paulo - SP, DIETER, G. E., Metalurgia Mecânica ; Ed. Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro RJ, HONEYCOMB, R. W. K., Aços: microestrutura e propriedades ; Fund. Calouste Gulbenkian Lisboa, REED HILL, R. E., Princípios de Metalurgia Física, Guanabara Dois Koogan S.A., Rio de Janeiro RJ, HIRSCHHORN, J. S., Introduction to powder metallurgy New Jersey, APMI, SCHAEFFER, L.; Conformação Mecânica ; Imprensa Livre Ed., Porto Alegre-RS, WANG I. S.; Manual Básico: caracterização de ligas de alumínio reofundidas, DEF/FEM Unicamp, Campinas-SP, 2000.

69 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 69 EXERCÍCIOS GERAIS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA CAPÍTULO Quais as características principais das ligações primárias? 1.2- Quais as características principais das ligações secundárias? 1.3- Quais as características principais das ligações iônicas? 1.4- Quais as características principais das ligações metálicas? 1.5- Quais as características principais das ligações iônicas? 1.6- Quais as características principais das ligações iônicas? CAPÍTULO O que é fator de empacotamento de um material? 2.2- Por que o módulo de elasticidade dos materiais cerâmicos é elevado? 2.3- Os materiais cerâmicos apresentam discordâncias? Explique O que é a tensão de escoamento de um material? 2.5- O que são discordâncias e por que são importantes com relação aos processos de conformação mecânica? 2.6- Qual a influência da estrutura cristalina na deformação dos materiais? 2.7- Por que a difusão na microestrutura CCC é mais fácil que na CFC? 2.8- Em qual estrutura do ferro a solubilidade do carbono é maior, CFC ou CCC? 2.9- Por que o ferro é considerado um elemento alotrópico? O que caracteriza uma estrutura martensítica? Em que ligas a estrutura martensítica apresenta dureza elevada? Por quê? Em que ligas a estrutura martensítica apresenta dureza baixa? Por quê? Quais são os defeitos pontuais nos cristais? Quais são os defeitos de linhas nos cristais? CAPÍTULO Quais os principais tipos de ligações nos materiais metálicos? 3.2- Quais os principais tipos de ligações nos materiais cerâcos? 3.3- Quais os principais tipos de ligações nos materiais poliméricos?

70 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Qual a relação entre as ligações químicas e o módulo de elasticidade dos materiais? CAPÍTULO Como são classificados os cinco principais processos de fabricação dos materiais? 4.2- Comente sobre as principais características de cada um dos processos Comente sobre cada um dos quatro fatores considerados nos processos de fabricação Quais são as principais características dos processos de conformação maciça? 4.5- Quais são as principais características dos processos de conformação de chapas? 4.6- Quais são os principais tipos de esforços durante os processos de conformação mecânica? 4.7- Comente sobre as simplificações consideradas nas equações dos processos de conformação? 4.8- O que é temperatura homóloga de deformação? 4.9- Qual o fenômeno que caracteriza a temperatura homóloga de deformação? Como pode ser determinada a temperatura homóloga experimentalmente? Explique como ocorre a recuperação em um processo de conformação a quente Explique como ocorre a recristalização dinâmica em um processo de conformação a quente Quais as vantagens e desvantagens da deformação a quente? Explique Quais as principais características da deformação a frio? Explique O que é o encruamento e quais seus efeitos no material? Quais são os tipos de atrito existentes durante os processos de conformação mecânica? Qual o efeito dos lubrificantes nos processos de conformação mecânica? CAPÍTULO Quais os fatores importantes para confecção de uma matriz para trabalho a quente? 5.2- Quais os fatores importantes para confecção de uma matriz para trabalho a frio? 5.3- Quais os principais fatores responsáveis pelo desgaste de uma matriz? 5.4- Quais os principais fatores a serem considerados quanto ao dimensional de uma matriz? 5.5- Comente sobre a influência dos elementos de liga Mo e W nos aços ferramenta Qual a importância da adição dos elementos de liga Nb, Cr, V nos aços ferramenta? CAPÍTULO Explique como ocorre o fenômeno do endurecimento por precipitação.

71 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Mostre em um gráfico como varia a dureza após têmpera e revenimento de um aço carbono e um microligado Por que o teor de carbono influencia a dureza da martensita nos aços? 6.4- Explique o super-envelhecimento nas ligas não ferrosas O que são elementos alfagênicos e gamagênicos? CAPÍTULO O que é o forjamento em matriz aberta? 7.2- O que é o forjamento em matriz fechada? 7.3- Comente sobre os equipamentos utilizados nos processos de forjamento Comente sobre as vantagens dos processos de forjamento com relação ao de fundição Mostre que a força de deformação para uma prensa no forjamento de um esboço retangular com redução definida é: F = σ d V ln (ho/h 1 ) e CAPÍTULO Quais as principais características do processo de laminação? 8.2- Quais as principais partes de um cilindro de laminação? 8.3- Quais os principais modelos de laminadores? 8.4- Quais os principais produtos semi-acabados laminados? 8.5- Quais os principais dimensionais de chapas laminadas? 8.6- Quais as diferenças entre os tubos com costura e sem costura? 8.7- Como são feitos fios retangulares laminados? 8.8- Qual a influência da força de atrito na laminação? 8.9- Explique a variação da força de atrito com relação ponto neutro durante a laminação Mostre que a velocidade da chapa é maior na saída dos cilindros de laminação Mostre que o seno do arco de contato na laminação (sen α) = (Δh/r) 1/ Determine a força F x para que a chapa seja arrastada para os cilindros de laminação (processo de mordida ). CAPÍTULO Comente sobre as características da matéria prima utilizada na trefilação Comente sobre a preparação da matéria prima utilizada na trefilação.

72 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA Descreva as características geométricas de uma fieira de trefilação Como são classificados os produtos trefilados? 9.5- Quais os tipos de lubrificantes utilizados nos processos de trefilação? 9.6- Comente sobre a relação do material da fieira com o dimensional dos fios trefilados Supondo que um fio de aço inoxidável AISI 302 suporta no máximo 120% de deformação acumulada determine o número de tratamentos térmicos necessários para realizar a trefilação conforme seqüência abaixo. 4,0 3 2,0 1,5 1,0 0,4 mm 9.8- Após a seqüência de trefilação indicada acima, o fio de aço inoxidável AISI 302 com 0,4 mm apresentou a resistência máxima à tração de 2200 MPa. Considerando as etapas indicadas acima, comente o que deverá ser feito para diminuir a resistência do fio sem aumentar o número de tratamentos térmicos. CAPÍTULO Comente sobre as características do processo de extrusão direta Comente sobre as características do processo de extrusão inversa O que é a região da zona morta no processo de extrusão Faça um gráfico dos esforços de extrusão x movimentação do êmbolo e explique as regiões principais na curva Comente sobre as características do processo de extrusão a frio Comente sobre as características do processo de extrusão a quente Comente sobre as características dos lubrificantes utilizados nos processo de extrusão Comente sobre as características dos defeitos na extrusão a frio Comente sobre as características dos defeitos na extrusão a quente Comente sobre as características dos tubos fabricados pelo processo de extrusão. CAPÍTULO Comente sobre as características do processo de estampagem Quais os fatores que influenciam o processo de estampagem Comente sobre a característica da matéria prima utilizada na estampagem de chapas Comente sobre a lubrificação utilizada na estampagem de chapas Comente sobre o ferramental utilizado na estampagem de chapas.

73 CURSO BÁSICO DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA 73 CAPÍTULO Quais as principais características dos processos de metalurgia do pó (MP)? Quais os principais processos para obtenção dos pós metálicos? Comente sobre as principais variáveis que influenciam a mistura dos pós no processo de MP Comente sobre as principais variáveis que influenciam a compactação no processo de MP Comente sobre a influência da porosidade final nas peças obtidas por MP Comente sobre o dimensional das peças obtidas por metalurgia do pó Comente sobre a influência do tamanho das partículas na sinterização Comente sobre a influência do tamanho das partículas na compactação Explique a sinterização sólida no processo de metalurgia do pó Explique a sinterização líquida no processo de metalurgia do pó Por que é importante o processo de fabricação por MP para os metais refratários? CAPÍTULO Quais as principais características dos processos de reofundição? Considerando a característica das ligas utilizadas nos processos de reofundição por que é necessária a agitação do material? 13.3-Comente sobre as principais vantagens dos processos de conformação por reofundição comparando ao processo de fundição Qual a importância da utilização dos diagramas de equilíbrio nos processos de reofundição? Comente sobre as principais desvantagens do processo de reofundição? Comente sobre as diversas aplicações dos processos de reofundição.