Aaplicação de produtos forjados em ligas de magnésio é atualmente crescente em todo o mundo.

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1 DIEGO RODOLFO SIMÕES DE LIMA - diego.lima@ufrgs.br TIAGO DE SÁ GOMES - tiagods.gomes@ufrgs.br LÍRIO SCHAEFFER - schaefer@ufrgs.br ANA ROSANETE LOURENÇO REIS - arlr@inegi.up.pt AUGUSTO BARATA DA ROCHA - abrocha@inegi.up.pt Forjamento isotérmico de liga de magnésio AZ61 em ferramentas aquecidas por resistências elétricas Aaplicação de produtos forjados em ligas de magnésio é atualmente crescente em todo o mundo. Estas ligas possuem baixíssima densidade, resultando na maior resistência mecânica específica entre os metais de engenharia. Esta característica, aliada a um processamento por conformação, torna possível a substituição de diversas peças em aço e alumínio por ligas de magnésio forjado, sobretudo nas indústrias automobilística e aeronáutica. O principal desafio das grandes companhias produtoras de sistemas mecânicos, nos mais diversos setores industriais - sobretudo nas áreas relacionadas aos transportes terrestres e aéreos - tem sido focado na economia de recursos energéticos e desenvolvimento de sistemas 1 ecofriendly. De acordo com essa realidade e motivado pela pressão de segmentos da sociedade, as grandes companhias empenham crescentes investimentos em pesquisas, onde objetivam alcançar, entre outras soluções, a redução de peso dos componentes mecânicos [1]. Esta solução vem de encontro com a tendência apresentada no parágrafo anterior, permitindo com a redução de peso, uma economia de combustível, aumento no desempenho das máquinas e diminuição na emissão de poluentes. A substituição dos materiais é o caminho mais frequente para a redução de peso dos componentes. Cada vez mais as ligas ferrosas estão sendo substituídas por 2 novos materiais, entre eles compostos poliméricos, fibras compósitas e ligas não ferrosas de baixa densidade. Entre os metais chamados de liga-leve, os mais presentes atualmente são as ligas de alumínio, ligas de titânio e, mais recentemente, as ligas de magnésio. Ligas de magnésio possuem uma baixa densidade, permitindo que sua resistência específica seja a maior entre os metais de engenharia. Sendo o 6º elemento mais abundante na superfície terrestre, o magnésio vem sendo utilizado há muitos anos como opção entre os metais na fabricação de peças. No entanto, estas peças são, na grande maioria, obtidas por fundição, o que representa uma perda de resistência mecânica, quando comparada a peças obtidas por processos de conformação mecânica. Aliando-se a baixa densidade das ligas de magnésio, com o aumento de resistência que é característico dos processos de conformação, é possível se obter componentes mecânicos com uma resistência específica ainda maior, reduzindo o peso total dos sistemas em até 60%, na comparação direta com os aços mais comuns utilizados atualmente. Essa resistência mecânica pode ser incrementada ainda mais, compondo-se uma deformação controlada da liga de magnésio, com um tratamento térmico adequado, gerando, assim, uma condição otimizada para credenciar as ligas de magnésio como substitutas das ligas ferrosas em grande parte dos componentes mecânicos. Por outro lado, a conformação mecânica das ligas de magnésio ainda é um tema com muito a ser explorado 1 Ecofriendly: do inglês, significa amigável (friendly) ao meio ambiente (ecosystem). 2 Poliméricos: os polímeros são compostos químicos de elevada massa molecular, resultantes de reações químicas de polimerização. Trata-se de macromoléculas formadas a partir de unidades estruturais menores (monômeros). O número de unidades estruturais repetidas em uma macromolécula é chamado grau de polimerização [wikipedia]. Compósitos: materiais compósitos são aqueles que possuem pelo menos dois componentes ou duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente distintas, em sua composição. Separadamente os constituintes do compósito mantém suas características, porém quando misturados eles formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles [wikipedia].

2 [1]. Estas ligas dependem de condições especiais para serem deformadas, já que possuem uma baixa ductilidade em temperatura ambiente e, em temperaturas 4 elevadas, podem desencadear mecanismos de corrosão acelerados e, até mesmo, entrarem em combustão, nos casos mais extremos. Em suma, embora o potencial de utilização dessas ligas seja elevado, ainda faz-se necessário um maior estudo sobre a deformação das ligas, os efeitos da temperatura no processo e a efetividade de tratamentos térmicos nas peças conformadas, com o intuito de se reduzir o custo de fabricação [2] e permitir uma expansão da empregabilidade deste material em diversos campos industriais. Neste contexto, o objetivo central deste trabalho foca o forjamento isotérmico de uma peça de trabalho em liga de magnésio AZ61 em três diferentes temperaturas de processo, onde a sanidade das peças e as propriedades mecânicas resultantes serão comparadas. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As ligas de magnésio vêm sendo crescentemente utilizadas em aplicações mecânicas, sobretudo onde o baixo peso é um fator importante para a seleção do material empregado em projeto. Sua excepcional relação peso/resistência faz com que produtos de magnésio cada vez mais assumam aplicações nos campos aeroespaciais e automotivo de alto desempenho, sendo impulsionadas após 1945 com o surgimento da aviação comercial internacional []. 5 A densidade das ligas de magnésio tem magnitude de 1,7 g/cm, podendo sofrer pequenas variações de acordo com o teor e a natureza do elemento de liga adicionado. Se comparado ao aço, cuja densidade se situa próximo de 7,8 g/cm, as ligas de magnésio se apresentam como uma excelente alternativa para redução de peso em estruturas metálicas. Mesmo se comparadas às ligas de alumínio e titânio, as quais apresentam densidades aproximadas de 2,7 g/cm e 4, g/cm, as ligas de magnésio ainda se apresentam como uma solução, no mínimo, 60% mais leve, o que é de extrema relevância em determinados casos. A figura 1 mostra uma comparação entre algumas ligas de magnésio e a liga de alumínio AA6082, quanto ao potencial de redução de peso em estruturas submetidas a carregamentos de tração e flexão, evidenciando um melhor desempenho das ligas de magnésio proporcionalmente aos seus pesos. Embora mais leves que os metais citados no parágrafo anterior, as ligas a base de magnésio apresentam Redução de peso em relação ao AA6082 (T6) [%] uma resistência mecânica máxima consideravelmente elevada, podendo alcançar, devidamente tratadas, valores na faixa de 00 a 400 MPa (dados referentes ao limite de ruptura da liga AZ80-T5) [4]. Esta resistência é comparável às alcançadas pelos aços baixo-carbono. Ainda em relação às propriedades de resistência mecânica das ligas de magnésio, uma característica importante a se levar em consideração é a anisotropia apre- 6 sentada por esta família de ligas. Quando submetidas a carregamentos compressivos, a resistência mecânica verificada é substancialmente mais baixa do que quando esta é carregada por tração. Um exemplo disso pode ser visto pela tabela 1, compilando-se dados de bibliografia para os limites de escoamento à tração e à compressão de algumas ligas de magnésio [4, 5, 6]. Outra importante característica das ligas de magnésio é a elevadíssima capacidade de amortecimento de Liga (tratamento) AZ1 (F) AZ61 (F) AZ80 (T6) ZK60 (T6) Módulo de Elasticidade (E/ ) esc Tração (MPa) Limite de Resistência a Tração (YS/ ) Módulo de Resistência a Flexão 1/2 (E / ) Critério de projeto de componentes Propriedades Mecânicas Típicas esc Comp. (MPa) Limite de Resistência a Flexão 2/ (YS / ) Figura 1 - Comparativo entre ligas de magnésio e a liga de alumínio AA6082 [1] Alongamento (%) AZ1 (F) AZ61 (F) AZ 80 (T6) ZK 60 (T6) Tabela 1 - Dados de propriedades mecânicas de algumas ligas de magnésio [5] 4 Ductilidade: propriedade ou qualidade daquilo que se pode reduzir a fios, estirar, distender sem se romper. Flexível, elástico. 5 Densidade: também denominada massa volúmica ou massa volumétrica, de um corpo define-se como o quociente entre a massa e o volume desse corpo. Desta forma pode-se dizer que a densidade mede o grau de concentração de massa em determinado volume. O símbolo para a densidade é ρ (a letra grega ró) e a unidade SI - Sistema Internacional para a densidade é quilogramas por metro cúbico (kg/m³) [wikipedia]. 6 Anisotropia: (ani: não, iso: igual, tropia: volta) é a característica que uma substância possui onde uma certa propriedade física (elétrica, ótica magnética, contração) varia com a direção.

3 vibrações e barulho, o que faz possível seu uso em almas de volantes automotivos e aplicações estruturais em sistemas de bloqueio de som, como revestimento de autofalantes e salas acústicas [4,6]. São ainda importantes em estruturas mecânicas que se utilizam de movimento em sua condição normal de trabalho, como os casos de produtos das indústrias automotiva e aeronáutica [4,6]. No entanto, o uso de magnésio e suas ligas é ainda limitado pela sua baixa ductilidade a temperatura ambiente [7-9]. Esta baixa ductilidade é causada por sua estrutura hexagonal compacta, onde o escorregamento de planos é dificultado, sendo os planos basais os preferenciais em temperatura ambiente. Para se deformar ligas de magnésio, são considerados principalmente três parâmetros de processo: temperatura, deformação equivalente e velocidade de deformação. Estes três parâmetros são interligados, de forma que, ao se projetar um processo de conformação em ligas de magnésio, os três referidos fatores devem ser equilibrados em um ponto ótimo. A influência da velocidade de deformação na resistência ao escoamento é marcante nos ensaios e processos realizados a quente, como é o caso da grande maioria dos processos de conformação de ligas de magnésio. Com faixas de trabalho situadas comumente entre 00ºC e 400ºC [10], a velocidade de deformação passa a ser um fator de grande relevância. Quanto mais baixa a velocidade de deformação, menor a resistência ao escoamento da liga, facilitando a obtenção de preenchimento de cavidades complexas e diminuindo-se a força necessária para a conformação. Evidentemente, velocidades de deformação muita baixas provocam uma baixa taxa de produção, de modo que, em alguns casos industriais, o ponto ótimo da produção tende a elevar a velocidade de deformação do processo, mesmo acarretando alguma perda de forjabilidade e incremento de força de conformação. Em temperatura ambiente, as ligas de magnésio deformáveis possuem, aproximadamente, de 10% a 15% de deformabilidade, em velocidades de deformação usuais em ensaios de caracterização mecânica de metais. A sensibilidade da temperatura do processo já foi exaustivamente discutida para metais com este arranjo cristalino, sendo conclusivo que, ao se trabalhar a liga acima de 225ºC, planos piramidais são ativados, o que gera um considerável aumento da plasticidade do material [6, 11]. A deformabilidade chega próxima aos 70% quando se trabalha a liga em temperaturas superiores a 00ºC. Alguns trabalhos já realizaram deformações em ligas de magnésio a temperaturas abaixo dos 225ºC, desde que com uma velocidade de deformação bastante baixa e com deformações efetivas pequenas [12-15]. Por outro lado, um aquecimento excessivo pode gerar, a partir de 400ºC, uma acentuada oxidação do material, inviabilizando sua aplicação em diversos segmentos [16]. Em temperaturas superiores a 600ºC, o risco de inflamabilidade é eminente, devendo ser firmemente evitado. Em geral, as temperaturas ótimas de trabalho das ligas de magnésio mais comuns se situam entre 00ºC e 50ºC. Diversos trabalhos sobre deformação de ligas de magnésio têm sido realizados recentemente, em diversas universidades e institutos de pesquisa. Os objetivos são variados, mas, de um modo geral, o estado atualmente incipiente da técnica permite que muitas pesquisas ainda tenham como objetivo o simples preenchimento de cavidades de matriz e avaliação das evoluções microestruturais do material. EXPERIMENTAL A liga de magnésio AZ61 estudada foi obtida de uma barra comercial recristalizada. A dureza e propriedades mecânicas da liga foram caracterizadas. Deste material foram extraídos billets 7 cilíndricos, com altura de 41 mm e diâmetro de 5 mm, para serem posteriormente forjados em matriz fechada, originando a peça de trabalho: uma polia flangeada, conforme ilustra a figura 2, em corte. Em relação à lubrificação do processo, foi utilizada uma solução à base de grafite coloidal, diluída em água na proporção de uma parte do lubrificante para cinco partes de água que, após aplicado, formou uma fina camada de filme lubrificante em torno da superfície das matrizes. Sendo as ligas de magnésio excelentes condutoras Figura 2 - Peça de trabalho, em corte 7 Billet: do inglês, significa tarugo.

4 de calor, é vital que o processo se dê tão isotermicamente quanto possível, ou seja, a temperatura da matriz deve ficar o mais próximo possível da temperatura da liga. Caso contrário, o material perde calor para as paredes da matriz, reduzindo drasticamente sua deformabilidade, podendo gerar trincas [11, 17, 18]. Para garantir um processo isotérmico, resistências elétricas foram instaladas nas matrizes inferior e superior da ferramenta, sendo ambas simultaneamente controladas por um dispositivo eletrônico, ilustrado na figura. (a) (b) Figura - Sistema de aquecimento (a) e controlador de temperatura (b) das ferramentas Para os forjamentos, foi utilizada uma prensa hidráulica, com capacidade de carga máxima de kn, e velocidade de trabalho de aproximadamente 17 mm/s, constante durante todo o forjamento. As peças foram então forjadas em uma etapa única, com três diferentes temperaturas - 50 C, 00 C e 250 C. Imediatamente após serem extraídas da ferramenta, as peças foram resfriadas em água, para manter a microestrutura inalterada depois de forjadas. Na sequência do trabalho, as peças forjadas foram analisadas quanto ao preenchimento das cavidades e presença de defeitos visuais, além de se promover testes mecânicos para determinação de dureza e propriedades mecânicas à compressão. Em relação à dureza, foi levantada a média simples entre os pontos analisados no centro e na borda do flange, sendo três pontos em cada região. Para o ensaio de compressão, foram obtidos três corpos-de-prova de cada peça, extraídos da região da borda, e levantada a média simples entre eles. Os corpos-de-prova para resistência a compressão tiveram diâmetros de 10 mm e altura também de 10 mm. Os resultados foram então comparados com a matéria-prima e entre as peças forjadas nas diferentes temperaturas. As propriedades mecânicas a tração da peça não foram caracterizadas, devido à impossibilidade de obtenção de corpos-de-prova da peça. Ainda, para se verificar o preenchimento da cavidade da matriz, simulações numéricas computacionais foram realizadas, empregando-se o programa Simufact.forming RESULTADOS A caracterização da matéria-prima apresentou os resultados tomados como base para se avaliar as transformações mecânicas da liga AZ61 forjada. As propriedades mecânicas encontradas são expostas na tabela 2. Liga AZ61 (F) Tensão de escoamento a compressão (MPa) Tensão de ruptura a compressão (MPa) Alongamento a compressão (%) Tensão de escoamento a tração (MPa) Tensão de ruptura a tração (MPa) Alongamento a tração (%) Módulo de Young (GPa) Dureza (HB) Tabela 2 - Propriedades mecânicas da matéria-prima 152,8 ± 1, 70,8 ± 10,8 12,6 ± 0,4 220,6 ±, 16,1 ± 2, 15,5 ± 1,5 40,1 ± 0,6 68,9 ± 1,1 As peças forjadas nas três temperaturas tiveram, todas elas, perfeitos preenchimentos das cavidades das matrizes. Verificou-se completa ocupação de cantos e raios da ferramenta de forjamento. A figura 4 apresenta as simulações numéricas computacionais realizadas para o forjamento desta peça nas três temperaturas testadas. As imagens simuladas mostram também um completo preenchimento das cavidades. É possível perceber a deformação plástica equivalente pela dispersão de cores. Nota-se que a deformação equivalente é concentrada nas regiões onde se iniciam as extrusões laterais da borda e, principalmente, da rebarba. Embora o preenchimento das cavidades fosse completo em todas as temperaturas, a qualidade do forjado não teve o mesmo resultado. Em relação aos defeitos visuais, a peça forjada na temperatura de 250 C apresentou trincas nas regiões periféricas da borda, na entrada da zona da rebarba, local onde a deformação é mais acentuada. A figura 5 apresenta as peças forjadas nas temperaturas testadas neste estudo. Nas figuras 5(a), 5(b) e 5(c), pode ser visualizado a perfeita formação geométrica da peça. Na figura 5(c), forjada a 250ºC, verifica-se a presença das trincas, anteriormente citadas. As propriedades mecânicas das peças foram determinadas através de ensaios de dureza e resistência à compressão, ensaiando corpos-de-prova extraídos das peças forjadas. A tabela apresenta os valores de dureza obtidos pelas peças nas três diferentes temperaturas de processo. 8 Simufact.forming: programa de propriedade da Simufact Engineering GmbH, de Hamburgo, Alemanha.

5 Figura 4- Simulação computacional dos forjamentos em diferentes temperaturas: (a) 50 C, (b) 00 C e (c) 250 C. Programa Simufact.forming 9.0 (a) (b) (c) Figura 5 - Peças forjadas em diferentes temperaturas: (a) 50 C, (b) 00 C e (c) 250 C Pode-se perceber, pela análise da evolução das durezas após o forjamento, que os valores dos processos com maior temperatura apresentaram durezas menores, na comparação direta com os processos em temperaturas mais baixas. A maior dureza foi encontrada no processo realizado a 250 C, que manteve praticamente constante a dureza ao longo de todo o perfil da peça. Temperatura Dureza no centro (HB) Dureza nas bordas (HB) Matéria-prima 50 C 00 C 250 C 68,9 ± 1,1 65,0 ± 2,6 67,0 ± 1,7 7,0 ± 4,0 68,9 ± 1,1 60, ± 1,5 71,0 ± 1,0 74,6 ± 2,1 Tabela - Perfil de dureza das peças forjadas (a) (b) (c) Na análise da peça forjada a 00 C foi notado um pequeno aumento da dureza na região da borda, em comparação com o centro da peça. Em relação à matériaprima, a peça forjada a 00 C manteve sua dureza relativamente estável, com pequeno decréscimo no centro e leve aumento na borda. Por fim, a peça forjada a 50 C apresentou considerável queda de dureza em relação à matéria-prima na região da borda da peça. Ao contrário das peças forjadas nas demais temperaturas, a dureza na borda foi ainda menor do que no centro da peça. Essa diminuição de dureza nas regiões de maior deformação, aliada à relativamente alta temperatura do processo, pode ter propiciado a recristalização dos grãos da liga, na região dos bordos, diminuindo-se, assim, a dureza da peça. Em relação às propriedades obtidas no ensaio de resistência à compressão, apresentadas na tabela 4, percebe-se que as propriedades de resistência ao escoamento e resistência máxima acompanham a evolução da dureza. Enquanto que a peça forjada a 50ºC apresentou significativa perda de resistência mecânica comparada à matéria-prima, a peça forjada a 00ºC obteve um incremento de resistência, sobretudo na resistência ao escoamento, a qual restou aproximadamente 19% maior. A peça forjada a 250ºC não pode ter suas propriedades mecânicas caracterizadas, devido à presença de trincas nas bordas da peça, região de onde se extraiu os corpos-de-prova para os ensaios mecânicos. Temperatura Tensão de escoamento a compressão (MPa) Tensão de ruptura a compressão (MPa) Matéria-prima 50 C 00 C 250 C 152,8 ± 1, 145,2 ±,2 181,7 ± 2,9 70,8 ± 10,8 0,2 ± 6,2 82,9 ± 7,7 Tabela 4 - Propriedades mecânicas das peças forjadas Alongamento a compressão (%) 12,6 ± 0,4 1,5 ± 0,9 1,0 ± 0,7 CONCLUSÕES As peças forjadas obtiveram completo preenchimento da cavidade da matriz, em todas as temperaturas testadas. No entanto, com temperatura de 250 C, as peças apresentaram trincas provocadas pela diminuição da ductilidade da liga nesta temperatura, nas regiões dos bordos, local onde ocorreu a maior deformação. Desta forma, percebe-se esta temperatura não é indicada para forjamentos com grandes deformações. A simulação numérica computacional se mostrou eficaz para predizer corretamente o completo preenchimento das cavidades das matrizes de forjamento, no entanto, não trouxe indicativos de possível trinca na região da borda da peça forjada a 250ºC.

6 Em relação às características mecânicas, a rota que obteve as mais altas resistências mecânicas e ao escoamento, foi aquela onde a deformação foi realizada em 00 C, isotermicamente. O mesmo se notou para a dureza da liga. As peças forjadas a 50 C tiveram perda de dureza e resistência mecânica, devido provavelmente à recristalização parcial dos grãos da liga, durante o forjamento isotérmico. AGRADECIMENTOS São deixados agradecimentos ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro aos projetos de pesquisa do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM/UFRGS) e ao INEGI (Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial - Portugal) pela disponibilização da estrutura necessária para a pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Sillekens, W. H.; Letzig, D.; The MagForge Project: European community research on forging of magnesium alloys. Proceedings of the 7th International Conference on Magnesium Alloys and their Applications. 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Mestrando em Engenharia e pesquisador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) do Centro de Tecnologia da Escola de Engenharia da UFRGS, atuando no Grupo de Estudos em Forjamento, Simulação e Ensaios Lírio Schaeffer - Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e Doutor na área de Conformação Mecânica pela Universidade Técnica de Aachen na Alemanha (Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule - RWTH). Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Escola de Engenharia da UFRGS. Pesquisador na área de Mecânica, Metalurgia e Materiais do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), professor das disciplinas relacionadas aos processos de fabricação por conformação mecânica e vinculado ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Minas e Energia (PPGEM) da UFRGS. Autor de vários livros sobre conformação mecânica. Ana Rosanete Lourenço Reis - Engenheira Mecânica e Mestra em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Portugal. Doutora em Engenharia Mecânica e de Materiais pela Universidade de Ghent na Bélgica. Professora dos cursos de Engenharia Mecânica e Engenharia de Gestão Industrial na Universidade do Porto, Portugal. Diretora da Unidade de Conformação Plástica do Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Universidade do Porto - INEGI. Augusto Duarte Campos Barata da Rocha - Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Portugal. Doutor em Engenharia Mecânica pelo Instituto Politécnico de Grenoble, na França. Professor dos cursos de Engenharia Mecânica e Engenharia de Gestão Industrial na Universidade do Porto, Portugal. Presidente da Direção do Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Universidade do Porto - INEGI. Autor de diversos livros na área de conformação plástica e projetos mecânicos.