CONFORMAÇÃO DOS METAIS

Gerência de Ensino Coordenadoria de Recursos Didáticos CONFORMAÇÃO DOS METAIS FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO Vitória - Março - 2008 COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALÚRGICA

CONFORMAÇÃO DOS METAIS FUNDAMENTOS E APLICAÇÃO Autor: MARCELO LUCAS PEREIRA MACHADO Engenheiro Metalurgista UFF RJ Doutor em Engenharia Elétrica/Automação UFES Mestre em Engenharia Metalúrgica PUC-RJ Pós-Graduado em Educação/Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES Professor dos Cursos de Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Engenharia Metalúrgica e Tecnólogo em Siderurgia, do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Estado do Espírito Santo IFES Vitória -ES 2009 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 2

SUMÁRIO 1 - CONFORMAÇÃO DOS METAIS...7 1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO...7 1.2 - CARACTERíSTICAS DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO...7 1.3 - PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS NA FABRICAÇÃO...10 1.4 - VARIÁVEIS, CLASSIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS...11 1.5 - CONFORMAÇÃO DE METAIS COMO UM SISTEMA...13 1.6 - CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL...14 1.7 - EQUIPAMENTO E FERRAMENTAL...15 1.8 - CLASSIFICAÇÃO E BREVE DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO...17 1.9 REVISÃO DE ESTRUTURA CRISTALINA...19 1.9.1- Cristalinidade...19 1.9.2 - Sistemas cristalinos...20 1.9.3 - Cristais cúbicos....21 1.9.4 Cristais hexagonais....24 1.9.5 - Outros retículos cristalinos....26 1.9.6 - Direções no cristal...26 1.9.7- Planos cristalinos...27 1.9.8- Imperfeiçoes cristalinas...29 1.9.9 - Deformação plástica...36 2 - FORJAMENTO...41 2.1 - DEFINIÇÃO...41 2.2- CLASSIFICAÇÃO...42 2.2.1- Temperatura de trabalho...42 2.3 - GRAU DE RESTRIÇÃO AO FLUXO DE METAL...44 2.3.1 - Forjamento livre (matriz aberta)...44 2.3.2 - Forjamento em matrizes fechadas...44 2.3.3 - Forjamento a quente em matriz aberta...45 2.3.4 - Forjamento a quente em matrizes fechadas...47 2.3.5 - Forjamento a frio...50 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 3

2.3.6 - Equipamentos para forjamento...51 3 - EXTRUSÃO...56 3.1 - GENERALIDADES...57 3.2 - CLASSIFICAÇÃO...57 3.2.1 Quanto a temperatura de trabalho...57 3.2.2 Quanto as dimensões do produto...59 3.2.3 Quanto ao sentido de deslocamento do pistão...60 3.2.4 - Outros processos de extrusão...62 3.3 - EQUIPAMENTOS DE EXTRUSÃO...63 3.4 - PARÂMETROS FÍSICOS...65 3.5 - DEFEITOS DA EXTRUSÃO...66 4 - TREFILAÇÃO...69 4.1 CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS TREFILADOS...72 4.2 - MECÂNICA DA TREFILAÇÃO...72 4.3 - FIEIRA...73 4.4 - CÁLCULO DE CARGA NA TREFILAÇÃO...77 4.5 - TREFILAÇÃO DE VERGALHÕES E ARAMES...78 4.6 - TRATAMENTOS TÉRMICOS...81 4.7 - MÁQUINAS DE TREFILAR INDUSTRIAIS...82 4.7.1 - Máquina de Trefilar em Série ("Tandem"), com Deslizamento...82 4.7.2 - Máquina de trefilar cônica, com deslizamento...83 4.7.3 - Máquina de trefilação de 3 sarihos (Morgan)...85 4.7.4 - Máquinas de trefilar em série, sem deslizamento...86 5 - LAMINAÇÃO...88 5.1 - DEFINIÇÕES DOS PRODUTOS LAMINADOS:...92 5.1.1 - Classificação dos produtos semi-acabados...93 5.1.2 - Classificação dos produtos acabados...94 5.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES...102 5.3 - ÓRGÃOS MECÂNICOS DE UM LAMINADOR...114 5.4 - CILINDROS DE LAMINAÇÃO:...118 5.4.1 - Classificação dos cilindros:...120 5.5 LAMINAÇÃO A QUENTE....123 6 OUTROS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO...125 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 4

7 FUNDAMENTOS DA CONFORMAÇÃO APLICADOS A LAMINAÇÃO...132 7.1 INTRODUÇÃO...132 7.2 - PARÂMETROS DA LAMINAÇÃO...132 7.3 - EQUAÇÕES DE FLUXOS TÉRMICOS NA LAMINAÇÃO...140 7.4 - ASPÉCTOS METALÚRGICOS NA LAMINAÇÃO...147 7.4.1 - Processos de restauração do grão...150 7.4.2 - Fatores que afetam a redução crítica de recristalização....158 7.4.3 - Efeito da Temperatura e Elementos de Liga...158 7.4.4 - Efeito da Quantidade de Deformação....159 7.4.5 - Tamanho de grão da austenita completamente recristalizada após deformação...161 7.4.6 - Crescimento do grão após completa recristalização na laminação...162 7.4.7 - Tamanho de grão da austenita parcialmente recristalizada...165 7.4.8 - Mudanças estruturais no aço durante o resfriamento....165 7.4.9 - Efeito da microestrutura do aço na tensão de escoamento do material...167 7.5 - CÁLCULO DA FORÇA DE LAMINAÇÃO UTILIZANDO MODELOS MICROESTRUTURAIS...173 7.6 - CÁLCULO DA FORÇA DE LAMINAÇÃO UTILIZANDO AS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO LAMINADOR...177 7.7 - TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS NA LAMINAÇÃO...184 8 - FORNOS DE REAQUECIMENTO...198 8.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS FORNOS DE REAQUECIMENTO...200 8.2 - PRODUÇÃO...205 9 LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE...208 10 - DECAPAGEM...220 11 - LAMINAÇÃO A FRIO...226 11.1 - PROCESSOS DE LAMINAÇÃO À FRIO...229 11.2 - CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE LAMINADORES:...229 11.3 - RESFRIAMENTO DOS CILINDROS:...230 11.4 - LAMINADORES CONTINUOS:...231 11.5 - BOBINADEIRAS...231 11.6 - OPERAÇÃO...232 11.7 - LAMINAÇÃO DE CHAPA FINA...233 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 5

11.8 - PRODUÇÃO DE FÔLHAS MUITA FINAS...233 11.9 - LAMINADORES DE ENCRUAMENTO E DE ACABAMENTO...233 11.10 - PROCESSO DE LAMINAÇÃO A FRIO DA USINA ARCELORMITTAL VEGA (VEGA DO SUL)...235 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...243 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 6

1 - CONFORMAÇÃO DOS METAIS Um dado material, normalmente sem forma ou de geometria simples, é transformado em um componente útil através de um processo de fabricação. Este produto, na maioria das vezes, tem geometria complexa, com forma, tamanho, precisão, tolerâncias, aparência e propriedades bem definidas. 1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO A fabricação e montagem de componentes metálicos podem ser classificadas, demaneira simplificada, em cinco áreas gerais: 1. Processos para formas primárias em metais, tais como fundição, lingotamento, coquilhamento e metalurgia do pó. Em todos estes processos de fabricação o material inicialmente não tem forma definida, mas a obtém através do processo. 2. Processos de conformação dos metais, tais como laminação, extrusão, forjamento a frio e a quente, dobramento e repuxo, nos quais o metal é conformado através de deformação plástica. 3. Processos de usinagem dos metais, tais como corte em serra, torneamento, fresamento e brochamento, nos quais uma nova forma é gerada através da remoção de material. 4. Processos de tratamento dos metais, tais como tratamento térmico, anodização e endurecimento superficial, nos quais a forma do componente permanece essencialmente imutável, mas sofre mudanças de aparência e propriedades. 5. Processos de união, incluindo (a) união física, tais como aquelas por soldagem ou por difusão; e (b) união mecânica, tais como rebitamento, união eixo-cubo por contração e montagem mecânica. 1.2 - CARACTERíSTICAS DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Existem quatro características principais em qualquer processo de fabricação, a saber: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 7

Geometria, tolerâncias, razão de produção ou produtividade e fatores ambientais e humanos. Geometria. Cada processo de manufatura é capaz de produzir uma família de geometrias. Dentro desta família há geometrias que podem ser produzidas somente com extraordinários custo e esforço. Por exemplo, o processo de forjamento permite a produção de componentes que podem ser facilmente extraídos de uma matriz, isto é, matrizes superior e inferior. Através do uso de matriz especial com partes deslizantes é possível obter peças com detalhes perpendiculares à direção de forjamento e com formas mais complexas. Tolerâncias. Nenhuma dimensão pode ser produzida exatamente como é especificada pelo projetista. Portanto, cada dimensão é associada a uma tolerância, assim como cada processo de fabricação permite a obtenção de certas tolerâncias dimensionais, de forma e acabamento superficial. A qualidade dessas dimensões, no entanto, pode ser melhorada pelo emprego de variantes mais sofisticadas destes processos e através de novos desenvolvimentos. Por exemplo, pelo uso do processo de fundição em cera perdida a vácuo é possível obter formas muito mais complexas com tolerâncias mais fechadas do que usando os processos com moldes de areia. Tolerâncias dimensionais servem a um duplo propósito: *Primeiro, elas permitem o funcionamento adequado dos componentes fabricados: por exemplo, um tambor de freio de automóvel deve ser circular, dentro de certos limites, para evitar vibrações e assegurar funcionamento correto dos freios. *O segundo propósito das tolerâncias dimensionais é proporcionar intercambiabilidade. Sem intercambiabilidade a capacidade de substituir um componente defeituoso (mil Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 8

rolamento, por exemplo) por um novo, de um fabricante diferente seria inimaginável na moderna produção seriada. Razão de Produção ou Produtividade. A razão de produção que pode ser atingida através de um dado processo de fabricação é provavelmente o seu aspecto mais significativo, porque ela indica os aspectos econômicos e a produtividade que pode ser atingida. Nos países industrializados, as indústrias de produção representam cerca de 30% a 40% do produto interno bruto. Conseqüentemente, a produtividade destas indústrias, isto é, a produção de componentes discretos, conjuntos montados e produtos por unidade de tempo, é o fator mais importante a influenciar o padrão de vida num país, assim como sua posição competitiva no mercado internacional de bens de produção. A razão de produção ou produtividade pode ser aumentada através da melhoria dos processos de fabricação existentes ou pela introdução de novos processos e máquinas, todos requerendo novos investimentos. Contudo, o ingrediente mais importante para o aumento de produtividade reside no ser humano e nos recursos gerenciais, uma vez que boas decisões em investimentos (quando, quanto e em que) são tomadas por pessoas bem treinadas e motivadas. Como resultado, o presente e o futuro da produtividade na fabricação dentro de uma fábrica, indústria ou nação dependem não somente do nível de investimentos numa nova fábrica e equipamentos, mas também do nível de treinamento e disposição dos engenheiros e especialistas em fabricação dentro destas entidades. Fatores Ambientais e Humanos. Todo processo de fabricação deve ser examinado visando a) seus efeitos ambientais, isto é, em termos de poluição do ar, água e sonora, b) sua interface com os recursos humanos, isto é, em termos de segurança humana, efeitos fisiológicos e psicológicos; e Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 9

c) seu uso de energia e recursos materiais, particularmente em termos de escassez de energia e materiais. Conseqüentemente, a introdução e uso de um processo de fabricação devem antes ser considerados com vistas a estes fatores ambientais. 1.3 - PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS NA FABRICAÇÃO Processos de conformação de metais incluem [73]: a) processos de conformação maciça como o forjamento, extrusão, laminação e trefilação; e b) processos de conformação de chapas como dobramento, repuxo e estiramento. Entre o grupo de processos de fabricação discutido anteriormente, a conformação de metais representa um grupo altamente significativo de processos para produção industrial, componentes militares e bens de consumo. Um modo comum de classificar os processos de conformação dos metais é consideralos como conformação a frio (à temperatura ambiente) e a quente (a temperaturas acima da recristalização). Muitos materiais comportam-se diferentemente em diferentes temperaturas. Normalmente, a tensão de escoamento de um metal aumenta com o aumento da deformação durante a conformação a frio e com o aumento da taxa de deformação durante a conformação a quente. Entretanto, os princípios gerais que governam a conformação dos metais a várias temperaturas são basicamente os mesmos. Portanto, classificação dos processos de conformação baseados na temperatura inicial do material não contribui significativamente para o entendimento e melhoria destes processos. De fato, o projeto das ferramentas, máquinas, automação, manuseio de componentes e conceitos de lubrificação pode ser melhor considerado através de classificação baseada não na temperatura, mas sim na geometria específica de saída e entrada, assim como nas condições do material e da razão de produção. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 10

Geometrias complexas, tanto no processo de conformação maciço quanto no de chapas, podem ser obtidas igualmente bem por conformação a frio ou a quente. Evidentemente, devido à menor resistência ao escoamento dos materiais deformados a elevadas temperaturas, as tensões nas ferramentas e as cargas nas máquinas são, relativamente, menores na conformação a quente se comparadas àquelas na conformação a frio. Conformação é especialmente atrativa em casos em que: a) geometria dos componentes é moderadamente complexa e o volume de produção é grande, de maneira que o custo do ferramental por unidade produzida possa ser mantido baixo - por exemplo, em aplicações automobilísticas; e b) as propriedades e integridade metalúrgica dos componentes são extremamente importantes, como é o caso de aeronaves de carga, motores a jato e componentes de turbinas. O projeto, análise e otimização de processos de conformação requerem: a) conhecimento analítico referente ao fluxo metálico, tensões e transferência de calor, b) informações tecnológicas relacionadas com lubrificação, técnicas de aquecimento e resfriamento, manuseio de materiais, projeto e fabricação de matrizes e equipamentos de conformação. 1.4 - VARIÁVEIS, CLASSIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS Na conformação de metais, um componente inicialmente simples - um tarugo ou uma chapa metálica, por exemplo - é plasticamente deformado entre as ferramentas (matriz ou estampo) para a obtenção da configuração final desejada. Portanto, um componente de geometria simples é transformado num outro complexo, em que as ferramentas guardam a geometria desejada e aplicam pressão ao material em deformação através da interface ferramenta-material. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 11

O processo de conformação de metais comumente produz pouca ou nenhuma sobra e a geometria final do componente aparece num curto período de tempo, normalmente com um ou poucos golpes de uma prensa ou martelo. Como resultado final, a conformação de metais apresenta um potencial para economia de energia e material - especialmente em médios e grandes lotes, em que o custo de ferramental pode ser facilmente amortizado. Além disso, para um dado peso, componentes produzidos por conformação exibem melhores propriedades mecânicas, metalúrgicas e confiabilidade do que aqueles produzidos por fundição ou usinagem. Conformação de metais é a tecnologia da experiência orientada. No decorrer dos anos, uma grande quantidade de conhecimento e experiência tem sido acumulada neste campo, na sua maioria pelo método da tentativa-e-erro. No entanto, a indústria de conformação de metais tem sido capaz de fornecer sofisticados produtos fabricados dentro das mais rígidas normas, usando ligas recentemente desenvolvidas e difíceis de conformar. Os fenômenos físicos que descrevem uma operação de conformação são de difícil expressão através de relações quantitativas. O fluxo de metais, o atrito na interface ferramenta-peça, a geração e transferência de calor durante o fluxo plástico do metal e o seu relacionamento com a microestrutura, as propriedades e as condições do processo são difíceis de prever e analisar. Freqüentemente, quando se produzem componentes discretos, várias operações intermediárias de conformação (pré-conformação) são necessárias para transformar a geometria inicial simples em uma complexa, sem causar danos ao material ou prejudicar suas propriedades. Conseqüentemente, o principal objetivo de qualquer método de análise é auxiliar o engenheiro de conformação no projeto de conformação e/ou seqüência de pré-formas. Para uma dada operação de conformação (pré-conformação ou conformação final), o projeto essencialmente consiste em [73]: a) estabelecer as relações cinemáticas (forma, velocidades, taxas de deformações, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 12

deformações) entre a parte deformada e a parte não deformada, isto é, prever o fluxo de metal; b) estabelecer o limite de conformabilidade, ou seja, determinar se é ou não possível a conformação sem rupturas internas ou na superfície do metal; e c) prever as forças e tensões necessárias para efetuar a operação de conformação a fim de que o ferramental e equipamento possam ser projetados ou selecionados. Para entender, projetar, dimensionar e otimizar a operação de conformação é útil: a) considerar o processo de conformação de metais como um sistema e b) classifica-lo de forma sistemática. 1.5 - CONFORMAÇÃO DE METAIS COMO UM SISTEMA Um sistema de conformação metálica consiste de todas as variáveis de entrada, tais como [73]: 1) o tarugo ou "blank" (geometria e material), 2) o ferramental (geometria e material), 3) as condições na interface ferramenta-peça, 4) o mecanismo de deformação plástica, 5) o equipamento usado, 6) as características do produto final e, finalmente, 7) o ambiente da fábrica onde o processo está sendo conduzido. A maneira de encarar o problema do ponto de vista do "sistema" na conformação de metais permite o estudo da relação entrada-saída e dos efeitos das variáveis do processo na qualidade do produto e no aspecto econômico do processo. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 13

A chave para o sucesso na operação de conformação, isto é, para obter a forma e propriedades adequadas, é o entendimento e o controle do fluxo metálico. A direção deste fluxo, sua magnitude de deformação e a distribuição de temperatura envolvida afetam significativamente as propriedades do componente conformado. O fluxo metálico determina ambas as propriedades relacionadas com a deformação local e a formação de defeitos, tais como trincas ou dobras na superfície ou sob ela. O fluxo metálico local é, por sua vez, influenciado pelas variáveis do processo, as quais estão resumidamente relacionadas na Tabela 1.1. 1.6 - CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL Para uma dada composição de material e uma história de deformação-tratamento térmico (microestrutura), a tensão de escoamento e a conformabilidade nas várias direções (anisotropia) são as mais importantes variáveis na análise de um processo de conformação de metais [73,77,78,79]. Para uma dada microestrutura, a tensão de escoamento, σ, é escrita como função da deformação ε, da taxa de deformação ε e da temperatura T: σ = F ε,ε, T (1.1) Para formular a Equação Constitutiva, Equação 1.1, é necessário conduzir testes de torção, de deformação plana, de compressão e testes de compressão uniforme. Durante qualquer desses testes, o trabalho plástico cria um certo aumento em temperatura, o qual deve ser considerado na estimativa e no uso dos resultados do teste. Atualmente estão sendo desenvolvidos modelos microestruturais e térmicos que podem determinar a tensão de escoamento, temperaturas, tamanho de grão, etc. O que irá contribuir em muito na redução de custos, na melhoria da qualidade do produto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 14

e no aumento da produtividade [77,78,79,80]. Conformabilidade é a capacidade do material ser deformado sem apresentar ruptura; isto depende: a) das condições existentes durante o processo de deformação (tais como temperatura, taxa de deformação e a história anterior de tensão e deformação) e b) das variáveis do material (como a composição química, vazios internos, inclusões e microestrutura inicial). No processo de conformação a quente, gradientes de temperatura no material em deformação (por exemplo, devido a resfriamentos locais) também influenciam o fluxo metálico e os fenômenos de ruptura. 1.7 - EQUIPAMENTO E FERRAMENTAL A seleção de uma máquina para um dado processo é influenciada pelo tempo, precisão e pelas características de carga-energia da mesma. A seleção do equipamento ótimo requer considerações do sistema completo de conformação, incluindo tamanho do lote, condições na fábrica, efeitos ambientais e necessidades de manutenção, assim como as necessidades de cada componente específico e do processo sob estudo. As variáveis de ferramental incluem: a) projeto e geometria, b) acabamento superficial, c) rigidez e d) propriedades mecânicas e térmicas sob as condições de utilização Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 15

Tabela 1.1 - Variáveis mais significativas num processo de deformação [73]. MATERIAL DO TARUGO *Tensão de escoamento como função da deformação, taxa de deformação, temperatura e microestrutura (equações constitutivas) *Conformabilidade como função da deformação, da taxa de deformação, temperatura e microestrutura (curvas limites de conformação) *Condições superficiais *Propriedades termo-físicas *Condições iniciais (composição química, temperatura, estados anteriores da microestrutura). *Efeitos de mudanças em microestrutura e composição química na tensão de escoamento e conformabilidade. FERRAMENTAL *Geometria das ferramentas *Condições superficiais *Material/dureza/tratamento térmico *Temperatura *Rigidez e precisão CONDIÇÕES NA INTERFACE FERRAMENTA-PEÇA *Tipo de lubrificante e temperatura de trabalho *Isolação e características de resfriamento na camada de interface *Lubrificação e tensão de cisalhamento ao atrito, *Características relacionadas à aplicação e remoção do lubrificante. ZONA DE DEFORMAÇÃO *Mecanismo de deformação, modelo usado para análise *Fluxo de metal, velocidade, taxa de deformação, deformação (cinemática). *Tensões (variação durante a deformação) *Temperaturas (geração e transferência de calor) EQUIPAMENTO USADO *Velocidade/razão de produção *Força/capacidade de conversão de energia *Rigidez e precisão PRODUTO *Geometria *Precisão dimensional/tolerâncias *Acabamento superficial *Microestrutura, propriedades mecânicas e metaiúrgicas AMBIENTE *Capacidade da mão-de-obra disponível *Poluição do ar e sonora e resíduos líquidos *Controle da produção e equipamentos disponíveis na fábrica Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 16

1.8 - CLASSIFICAÇÃO E BREVE DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO Os processos de conformação podem ser classificados em duas grandes categorias [73]: 1. Processos de conformação maciça (Tabela 1.2). 2. Processos de conformação de chapas (Tabela 1.3). Tabela 1.2 - Classificação dos processos de conformação maciça [73]. Forjamento Laminação Extrusão Trefilação Forjamento em matriz fechada com rebarba Forjamento em matriz fechada sem rebarba Cunhagem Eletro-recalque Forjamento por extrusão direta Forjamento por retroextrusão Endentação Forjamento isotérmico Forjamento de ogiva Forjamento em matriz aberta (forjamento livre) Forjamento orbital Forjamento de sinterizado Forjamento radial Recalque Laminação de chapas Laminação de perfis Laminação de tubos Laminação de anéis Laminação rotativa por penetração Laminação de engrenagens Laminação/forjamento Laminação transversal Laminação superficial Repuxo por torneamento Redução de tubos (Rocking) Extrusão sem lubrificação Extrusão a quente direta com lubrificação Extrusão hidrostática Trefilação com rolos Calibração de parede (Ironing) Estiramento de tubos Tabela 1.3 - Classificação dos processos de conformação para chapas [73]. Dobramento e flangeamento reto Conformação de recessos rasos Dobramento Escareamento por prensagem Conformação Calandragem em martelo Conformação eletromagnética Conformação de perfilados Conformação por explosão Entalhamento Conformação de perfis por estiramento (joggling) Conformação de perfis com rolos Repuxo profundo e flangeamento Conformação de chapas Rolagem por torneamento Conformação por estiramento Nervuramento Embutimento profundo (androforming) Conformação por Processo marform envelhecimento Conformação por Conformação com sapatas de borracha alongamento (creeping) Conformação e Hidroconformação com diafragma de borracha têmpera em matriz Conformação por abaulamento Conformação a vácuo Em ambos os casos, as superfícies do material deformado e das ferramentas estão em Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 17

contato e o atrito entre elas tem grande influência no processo. No forjamento maciço, o material inicial é um tarugo, barra ou vergalhão e um aumento considerável na taxa superfície-volume ocorre no componente conformado. Na conformação de chapas, um blank de chapa (platina) é plasticamente transformado em um objeto tridimensional sem qualquer mudança significativa na espessura da chapa original ou nas características superficiais. Processos que se enquadram na categoria de conformação maciça têm as seguintes formas distintas: *O componente passa por uma grande deformação plástica, resultando numa apreciável mudança de forma e seção transversal. *A porção do componente que sofre deformação plástica é, geralmente, muito maior do que aquela que sofre deformação elástica, portanto o retorno elástico é insignificante (conformação a quente). Exemplos de processos de conformação maciça são extrusão, forjamento, laminação e trefilação. As características dos processos de conformação de chapas são: *O componente é uma chapa ou é fabricado a partir de uma chapa. *A deformação normalmente causa mudanças significativas na forma, mas não na seção transversal da chapa. *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 de processos que se enquadram nesta categoria são o dobramento convencional com dois apoios somente ou com estampos macho-fêmea, repuxo profundo, conformação por estiramento e com punção flexível. Alguns processos podem ser enquadrados em ambas as categorias (conformação maciça ou de chapas), dependendo da configuração do produto. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 18

Por exemplo, na redução da espessura da parede de um tubo, partindo-se de um tubo de parede grossa, o processo de trefilação poderia ser considerado como de conformação maciça. Por outro lado, se o blank inicial fosse uma lata fabricada com chapa fina, a trefilação seria considerada como conformação de chapas. 1.9 REVISÃO DE ESTRUTURA CRISTALINA 1.9.1- CRISTALINIDADE. Uma molécula tem uma regularidade estrutural, porque as ligações covalentes determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no espaço dos mesmos. Portanto, uma repetição deve existir ao longo de um polímero linear. A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos atômicos, que também são repetições, nas três dimensões, de uma unidade básica. Tais estruturas são denominadas cristais [75]. A repetição tridimensional nos cristais é devida à coordenação atômica no interior do material; adicionalmente, esta repetição, algumas vezes, controla a forma externa do cristal. A simetria hexagonal dos flocos de neve é, provavelmente, o exemplo mais familiar deste fato. As superfícies planas dos cristais de pedras preciosas e quartzo (SiO 2 ) são todas manifestações externas dos arranjos cristalinos internos. Em todos os casos, o arranjo atômico interno persiste mesmo que as superfícies externas sejam alteradas. Por exemplo, a estrutura interna de um cristal de quartzo não é alterada, quando as suas superfícies são desgastadas para formar grãos de areia. Analogamente, há um arranjo hexagonal das moléculas de água, quer nos cubos de gelo, quer nos flocos de neve. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 19

Fig. 1.1. Estrutura cristalina. A cristalização do sal comum na forma de cubos decorre da estrutura cristalina cúbica do NaCI. O MgO tem a mesma estrutura [75]. 1.9.2 - SISTEMAS CRISTALINOS. Qualquer empacotamento atômico deverá se encaixar em um dos sete principais tipos de cristais. Estes estão intimamente associados com o modo pelo qual o espaço pode ser dividido em volumes iguais, pela interseção de superfícies planas. O mais simples e mais regular deles envolve três conjuntos. Mutuamente perpendiculares, de planos paralelos, igualmente espaçados entre si, de forma a dar uma série de cubos. Podemos, também, descrever esta divisão da maneira mostrada na Fig. 1.2, através de espaçamentos iguais em um sistema de eixos ortogonais. Outros métodos de divisão do espaço incluem as combinações mostradas na Tabela 1.4. Fig. 1.2. Células cúbicas. O espaço está dividido por três conjuntos de planos paralelos, igualmente espaçados. Os eixos de referência x, y e z são mutuamente perpendiculares. Cada ponto de interseção é equivalente [75]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 20

Esses sete sistemas incluem todas as possíveis geometrias de divisão do espaço por superfícies planas contínuas. A maior parte dos cristais é geralmente de sistema cúbico. Entre os exemplos, inclui-se a maior parte dos metais comuns (com exceção do magnésio e do zinco, que são hexagonais) e alguns dos mais simples compostos cerâmicos tais como MgO e TiC. Tabela 1.4. Geometria dos Sistemas Cristalinos [75]. 1.9.3 - CRISTAIS CÚBICOS. Os átomos podem ser agrupados, dentro do sistema cúbico, em três diferentes tipos de repetição: cúbico simples (cs), cúbico de corpo centrado (ccc) e cúbico de faces centradas (cfc). Cada tipo será considerado separadamente, preocupando-se apenas com os metais puros que têm apenas uma espécie de átomo. Estruturas mais complexas, que contêm dois tipos de átomos, serão analisadas nos capítulos que se seguem: Cúbico simples. Esta estrutura, que está mostrada na Fig. 1.3, é hipotética para metais puros, mas nos fornece um excelente ponto de partida. Além das três dimensões axiais, a, serem iguais e os três eixos mutuamente perpendiculares, há posições equivalentes em cada célula. Por exemplo, o centro de uma célula tem vizinhanças idênticas ao centro da célula seguinte e ao de todas as células unitárias do cristal. Analogamente, os cantos direitos inferiores (ou qualquer outra posição específica) de todas as células unitárias são idênticos. Descrever uma célula unitária é descrever o cristal todo. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 21

A estrutura, mostrada na Fig. 1.3, contém um átomo metálico por célula unitária. (Apenas um oitavo de cada um dos átomos mostrados, cai dentro da célula). Esta é a razão pela quais os metais não se cristalizam na estrutura cúbica simples. Considerando-se os átomos. Fig. 1.3. Estrutura cúbica simples. Os vértices das células unitárias estão em posições equivalentes no cristal. a = a = a. Os eixos são perpendiculares entre si. Fig. 1.4. Estrutura cúbica de corpo centrado. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modêlo de esferas rígidas (Bruce Rogers, 7he Nature of Meta/s. Cleveland: American Society for Metais, 1951) [75]. Estruturas cúbicas de corpo centrado. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 22

O ferro tem estrutura cúbica. À temperatura ambiente, a célula unitária do ferro tem um átomo em cada vértice do cubo e um outro átomo no centro do cubo (Fig. 1.4a). Tal estrutura cúbica é conhecida como cúbica de corpo centrado. Cada átomo de ferro, em uma estrutura cúbica de corpo centrado (ccc), é cercado por oito átomos de ferro adjacentes, quer o átomo esteja localizado em um vértice, quer no centro da célula unitária. Portanto, todos os átomos de ferro são, geometricamente, equivalentes (Fig. 1.4c). Há dois átomos por célula unitária em uma estrutura ccc. Um átomo está no centro do cubo e oito oitavos estão nos oito vértices (Fig. 1.5). Fig. 1.5. 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. Estrutura cúbica de faces centradas. O arranjo atômico do cobre (Fig. 1.6) não é o mesmo que o do ferro, embora também seja cúbico. Além de um átomo em cada vértice da célula unitária, há um no centro de cada face e nenhum no centro do cubo. Tal reticulado é denominado cúbico de faces centradas. Estruturas cúbicas de faces centradas (cfc) são mais comuns entre os metais que as estruturas cúbicas de corpo centrado. Alumínio, cobre, chumbo, prata e níquel possuem esse arranjo atômico. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 23

Fig. 1.6. Estrutura cúbica de faces centradas de um, metal. (a) e (c) são representações esquemáticas, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modêlo de esferas rígidas. (Bruce Rogers, The Nature of Meta/s. Cleve1and: American Society for Metais, 1951) [75]. 1.9.4 - CRISTAIS HEXAGONAIS. As estruturas das figuras (1.7a e b) são duas representações de células unitárias hexagonais simples. Estas células não têm nenhuma posição interna que seja equivalente aos vértices. Embora o volume da célula da figura (1.7a) seja três vezes o da célula da figura (1.7b), há três vezes mais átomos (3 versus 1) na célula da figura (1.7a); portanto, o número de átomos por unidade de volume é o mesmo. Os metais não cristalizam no hexagonal simples, em virtude do fator de empacotamento ser muito baixo. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 24

Fig. 1.7. Células unitárias hexagonais simples. (a) Representação hexagonal. (b) Representação rômbica. Ambas são equivalentes com a * c, um ângulo basal de 120 e ângulos verticais de 90 [75]. Estrutura hexagonal de empacotamento fechado ou compacta. A estrutura hexagonal, Especificamente formada pelo magnésio, está mostrada na Fig. 1.8. Essa estrutura, que é mais densa que a representada na Fig. 1.7, é denominada de hexagonal de empacotamento fechado ou 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 [75]. Fig. 1.8. Estrutura hexagonal compacta. (a) Vista esquemática, mostrando a localização dos centros dos átomos. (b) Modêlo de esferas rígidas [75]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 25

1.9.5 - OUTROS RETÍCULOS CRISTALINOS. Não daremos maiores atenções aos outros sistemas cristalinos (Tabela 1.4) e aos grupos espaciais (Fig. 1.9) das outras estruturas cristalinas, porque os princípios são os mesmos que os citados anteriormente. Fig. 1.9. Grupos espaciais. Estes 14 reticulados de Bravais se repetem nas três dimensões. Cada ponto indicado tem idênticas vizinhanças. Compare com a Tabela 1.4 [75]. 1.9.6 - DIREÇÕES NO CRISTAL. Quando, em seguida, correlacionarmos várias propriedades e estruturas cristalinas, será necessário identificar direções específicas no cristal. Isto pode ser conseguido, com relativa facilidade, se usarmos a célula unitária como base. Por exemplo, a Fig. 1.10 mostra três direções em um reticulado ortorrômbico simples. A direção [111] é aquela de uma reta que passa pela origem e por um ponto cuja coordenada em cada eixo é o correspondente parâmetro da célula. Analogamente, as direções [101] e [100] são retas passando pela origem e pelo ponto 1, 0, 1 e 1,0, 0, respectivamente. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 26

Fig.1.10. Direções no cristal. Usualmente, utilizam-se colchetes [h k I] para indicar as direções no cristal. Os parênteses (h k l) indicam planos cristalinos [75]. 1.9.7- PLANOS CRISTALINOS. Um cristal contém planos de átomos e esses planos influenciam as propriedades e o comportamento do cristal. É, portanto, vantajoso identificar os vários planos atômicos que existem em um cristal. Os planos cristalinos mais facilmente visualizados são os que limitam a célula unitária; entretanto, existem muitos outros planos. Os planos mais importantes, nos cristais cúbicos estão mostrados nas Figs. 1.11, 1.12, e 1.13. Os planos nas Figs.1.11 a 1.13 são designados (010), (110) e ( 111), respectivamente. Estes símbolos (hkl) são denominados índices de Miller [75]. Fig. 1.11. 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)]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 27

Fig. 1.12. 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)]. Fig. 1.13. 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 ( 1 11)]. Em resumo, os planos (010) são paralelos aos eixos cristalográficos x e z. Os planos (110) são paralelos ao eixo z, mas cortam os eixos x e y em distâncias, contadas a partir da origem, iguais aos parâmetros correspondentes. Os planos (-111) cortam os três eixos cristalográficos. Os números usados acima são os inversos das distâncias das interseções do plano com os eixos à origem, medidas usando-se como unidade o parâmetro correspondente ao eixo. O plano (010) corta o eixo y em 1 e os eixos x e z e no infinito. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 28

1 1 1,, = 1 ( 010) 1 1 1 1 1 Para o plano (110):,, = ( 110) Para o plano ( 111): 1 1 1,, = 110 1 1 1 Como a origem é escolhida arbitrariamente, isto é, poderia ser tanto o ponto O' como o ponto O da Fig. 1.11a, o plano com índices (010) é igualmente arbitrário. Assim sendo, (010) é um símbolo para todos os planos atômicos que são paralelos ao plano que satisfaz a definição dada no parágrafo anterior. Esta generalização dos índices é completamente lógica, ainda mais que todos estes planos paralelos são geometricamente semelhantes. Os índices de Miller podem também ser negativos, e o sinal negativo é colocado sôbre o dígito correspondente, por exemplo, ( 11 1). 1.9.8- IMPERFEIÇOES CRISTALINAS 1.9.8.1 - INTRODUÇÃO. Imperfeições do reticulado são encontradas na maior parte dos cristais. Nos casos em que estão envolvidos individualmente átomos deslocados, átomos extras ou falta de átomos, temos os defeitos pontuais. Os defeitos de linha envolvem a aresta de um plano extra de átomos. Finalmente, temos as imperfeições de fronteira, quer entre cristais adjacentes, quer nas superfícies externas do cristal. Tais imperfeições influenciam muitas das características dos materiais, tais como resistência mecânica, propriedades elétricas, propriedades químicas e serão discutidas nos capítulos subseqüentes. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 29

Fig. 1.14. 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) [75]. 1.9.8.2 - DEFEITOS PONTUAIS. Vazios. O mais simples defeito pontual é um vazio, o qual simplesmente envolve a falta de um átomo (Fig.1.14) dentro de um metal. Tais defeitos podem resultar de um empacotamento imperfeito durante a cristalização original ou podem se originar das vibrações térmicas dos átomos em temperatura elevada, pois, conforme a energia térmica se eleva, aumenta também a probabilidade dos átomos individuais se afastarem de suas posições de menor energia. Os vazios podem ser simples como aquele mostrado na Fig.1.14a ou dois ou mais deles podem se condensar para formar um vazio duplo (Fig.1.14b) ou triplo. Defeitos de Schottky Estão intimamente relacionados com vazios, mas são encontrados em compostos que devem manter um balanço de carga (Fig. 1.14c). Envolvem vazios de par de íons de cargas opostas. Tanto os vazios como os defeitos de Schottky facilitam a difusão atômica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 30

Defeitos intersticiais. Um átomo extra pode se alojar em uma estrutura cristalina.tal imperfeição produz uma distorção no reticulado (Fig.1.14d), salvo se o átomo intersticial for menor que os átomos restantes do cristal. Defeitos de Frenkel Quando um íon é deslocado de sua posição no reticulado para um interstício (Fig.1.14e), temos o defeito de Frenkel. 1.9.8.3 - DEFEITOS DE LINHA (DISCORDÂNCIAS) Discordância em cunha O tipo mais comum de defeito de linha, no interior de um cristal, é uma discordância. Uma discordância em cunha está mostrada na Fig. 1.15. Pode ser descrita como a aresta de um plano atômico extra na estrutura cristalina. Zonas de compressão e de tração acompanham uma discordância em cunha, de forma que há um aumento de energia ao longo da discordância. A distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância é denominada vetor de Burgers. Esse vetor é perpendicular à linha da discordância em cunha. Fig. 1.15. Discordância em cunha. Um defeito em linha ocorre na aresta de um plano atômico extra. (Guy, A. G., Elements of Physical Metallurgy, Reading Mass.: Addinson Wesley, 1959, pag. 110) [75]. Discordância helicoidal Uma discordância helicoidal tem seu deslocamento, ou vetor de Burgers, paralelo ao defeito de linha (Fig. 1.16). Tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 31

adjacentes; assim sendo, analogamente às discordâncias em cunha, também nesse caso, temos um aumento de energia. Ambos os tipos de discordâncias estão intimamente associados à cristalização. As discordâncias em cunha, por exemplo, são originadas quando há uma pequena diferença na orientação de partes adjacentes do cristal em crescimento, de forma que um plano atômico extra é introduzido ou eliminado. Como está mostrado na Fig. 1.16, uma discordância helicoidal permite um fácil crescimento do cristal, uma vez que os átomos e células unitárias adicionais podem ser adicionados ao "passo" da hélice. Assim sendo, o termo helicoidal é muito adequado, já que, conforme o crescimento se processa, uma hélice se "enrola" em torno do eixo. Da mesma forma que na cristalização, as discordâncias estão associadas também com deformação. Vemos isso na Fig. 1.17, onde uma tensão de cisalhamento origina tanto uma discordância em cunha como uma helicoidal. Ambas levam ao mesmo deslocamento final e estão relacionadas através da discordância mista que se forma. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 32

Fig. 1.16. Discordância helicoidal. O vetor de deslocamento (vetor de Burgers) é paralelo ao defeito de linha [75] Fig. 1.17 - Formação de discordância por cisalhamento. (a) Discordância em cunha. (b) Discordância helicoidal. (c) Discordância mista [75]. 1.9.8.4 - Contornos de Grão. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 33

Embora um material, como o cobre de um condutor elétrico, contenha apenas uma fase, ele contém muitos cristais de várias orientações. Esses cristais individuais são denominados grãos. A forma do grão em um sólido é usualmente controlada pela presença dos grãos circunvizinhos. No interior de cada grão, todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e uma única orientação, caracterizada pela cédula unitária. Entretanto, no contorno do grão entre dois grãos adjacentes há uma zona de transição, a qual não está alinhada com nenhum dos grãos (Fig. 1.18). Quando um metal é observado ao microscópio, embora não possamos ver os átomos individuais ilustrados na Fig. 1.18, podemos facilmente localizar os contornos dos grãos, se o metal foi atacado. Primeiramente, o metal é cuidadosamente polido, de forma a se obter uma superfície plana e espelhada e, então, quimicamente atacado por um curto período de tempo. Fig. 1.18 - Contornos de grão. Observe a área de desordem na transição de um grão para outro. (Clyde Mason, Introductory Physical Metal/urgy. Cleveland: American Society for MetaIs, 1947) [75]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 34

Fig. 1.19 - Contornos de grão. (a) Molibdênio (250 x) (O. K. Riegger). (b) Periclásio, MgO, de alta densidade (250 x) (Gardner, R. E. e G. W. Robinson, Jr., "Improved Method for Polishing Ultra-High Density MgO" J. Am. Ceram. Soe. 45, 46 (1962) [75]. Os átomos, na área de transição entre um grão e o seguinte, se dissolverão mais facilmente que os outros átomos e deixarão uma linha que pode ser vista com o microscópio (Fig. 1.19); o contorno de grão atacado não atua como um espelho perfeito como acontece com o restante do grão. Podemos considerar o contorno de grão como sendo bidimensional embora, na verdade, tenha uma espessura finita de 2 a 10 ou mais distâncias atômicas. A diferença na orientação dos grãos adjacentes produz um empacotamento dos átomos menos eficientes ao longo do contorno. Dessa forma, os átomos ao longo do contorno têm uma energia mais elevada que aqueles do interior dos grãos. Isto justifica o ataque mais rápido dos contornos, descrito acima. A maior energia dos átomos do contorno é também importante na nucleação da nova fase e o menor empacotamento atômico favorece a difusão atômica. Há ainda um segundo tipo de contorno, o qual é suficientemente distinto daqueles mostrados na Fig. 1.19, para merecer uma discussão separada. É o denominado contorno de pequeno ângulo e é, na realidade, uma série de discordâncias alinhadas (Fig. 1.20). A energia associada a este tipo de contorno é relativamente pequena; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 35

entretanto, ele tem importância, porque tende a ancorar os movimentos das discordâncias que normalmente contribuem para a deformação plástica. Fig. 1.20 - Contorno de pequeno angulo(a) cristal de germânio atacado para mostrar as extremidades das discordâncias em cunha(100x). (b) Representação esquemática, mostrando apenas as células unitárias. O angulo θ foi exagerado. (Cortesia de F. L. Vogel Jr.) [75]. 1.9.9 - DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Quando são submetidos à ação de forças exteriores, os metais sofrem deformações, que podem ser elásticas ou plásticas de acordo com a magnitude das forças aplicadas. Os mecanismos mediante os quais se deformam os metais são basicamente os seguintes: 1. Deformação por deslizamento 2. Deformação por maclação 3. Bandas de deformação e bandas de dobramento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 36

Dos três mecanismos, o mais importante é o deslizamento, sendo muito pouco freqüente as bandas de deformação e de dobramento, motivo pelo qual não serão analisadas. A maclação, por sua parte, se bem que produz pouca deformação em si, permite o prosseguimento do deslizamento, com se verá na análise a seguir. 1.9.9.1 - DEFORMAÇÃO POR DESLIZAMENTO A deformação plástica ocorre normalmente nos metais através do deslizamento de blocos do cristal, uns sobre os outros, ao longo dos planos cristalográficos bem definidos que são chamados planos de deslizamento. Numa aproximação grosseira, o deslizamento, ou escorregamento, de um cristal pode ser considerado análogo à distorção produzida quando se espalha um baralho sobre a mesa, empurrando uma de suas extremidades. A figura (1.21) ilustra esta visualização clássica do deslizamento. Figura 1.21 - (a) orientação dos cristais antes da aplicação da deformação; (b) orientação após a aplicação da deformação sem qualquer restrição para o deslizamento; (c) orientação após a aplicação da deformação com a presença de restrições para o deslizamento (garras do equipamento de ensaio de tração) 1.9.9.2 TENSÃO CRÍTICA DE CISALHAMENTO Existe uma tensão crítica a partir da qual um metal começa a se deformar Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 37

plasticamente a uma velocidade apreciável. Abaixo desta tensão o material se encontra na zona elástica e somente pode-se deformar a velocidade de deformação muito baixa e com grandes tempos. O deslizamento é produzido por tensões tangenciais atuando nos planos de deslizamento. Tem-se provado experimentalmente que é necessário que a tensão de corte no plano e na direção de deslizamento alcance um certo valor crítico, para que o cristal comece a deformar-se plasticamente. A tensão mínima sob a qual se produz deformação plástica no sistema de deslizamento dado, se denomina tensão crítica de cisalhamento. A determinação da tensão crítica de cisalhamento para um sistema de deslizamento, efetua-se em função da força externa aplicada sobre o cristal e da orientação do sistema de deslizamento em relação a aquele de aplicação da força externa. Para simplicidade de análise considera-se o que ocorre num monocristal cilíndrico sujeito a um esforço de tração segundo seu eixo (figura 1.22). 1. Na superfície transversal (S) do cilindro atua a força de tração (P) na direção do eixo do cilindro (E). 2. O plano de escorregamento de superfície (S') está inclinado de um determinado ângulo (θ); este ângulo corresponde à inclinação da normal do plano de escorregamento (B) em relação ao eixo do cilindro (E). 3. A relação entre as superfícies (S) e (S') fica então estabelecida: S' = S/cos(θ) 4. A força de tração (P) pode ser decomposta em uma força normal (Pn) ao plano de escorregamento na direção da normal (B) e uma força tangencial (Pt) na direção da reta (C), que é a linha de maior inclinação no plano de escorregamento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 38

Figura 1.22 - Análise de esforços em um monocristal cilíndrico. 5. As expressões da força (P) decomposta ficam: Pn = Pcos(θ) Pt = Psen(θ) 6. A força decomposta (Pt) é a força de cisalhamento que atua no plano de escorregamento; a tensão de cisalhamento é calculada pela relação: τ ' = Pt ' S = P S sen( θ ).cos( θ ) e como σ = P S é a tensão de tração, tem-se: ' τ = σ sen( θ ).cos( θ ) 7. Contudo, apenas eventualmente a direção cristalográfica de escorregamento (D) coincide com a direção de linha de maior inclinação (C); em geral elas formam um ângulo (β), no plano de escorregamento. 8. Assim, para calcular a tensão de cisalhamento atuante no plano de escorregamento e na direção de escorregamento é necessário nova decomposição de força nessa Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 39

direção (D). ' τ = τ cos( β ) ou τ = σ. sen( θ ).cos( β ).cos( θ ) Analisando então a expressão que permite calcular a tensão crítica de cisalhamento, decomposta e atuante no plano e direção de escorregamento, pode-se notar que: a. O valor máximo da tensão de cisalhamento em função do ângulo e de inclinação do plano de escorregamento em relação ao eixo de tração ocorre quando θ = 45 O. b. Para ângulos e maiores e menores do que 45 O as tensões são menores, e no caso do ângulo aproximar-se de 90 O a tendência da força de tração é provocar mais a separação dos átomos entre si do que o deslizamento do átomo, uns em relação aos outros. O critério de escorregamento estabelecido por essa expressão, que se constitui numa lei de definição do fenômeno, sofre alterações para alguns metais com o surgimento de escorregamentos transversais de escorregamento principais e retomo posterior às direções originais ou escorregamentos conjugados. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 40

2 - FORJAMENTO O forjamento é, com absoluta certeza, o mais antigo dos processos detransformação mecânica de metais, com registros datando de cerca de 7.000 anosatrás. 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 deutensílios. Naquela época, os artesãos que dominavam as técnicas do forjamentoeram tratados com muito respeito e consideração. Por volta de 1600 A.C., na ilha de Creta antiga, placas de pedra gravadas eram usadas como matrizes paragravação em ouro e prata. Isto evoluiu para a fabricação de moedas, medianteum 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 domartelamento 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 para aindústria automotiva, aeroespacial e outras aplicações. Tais componentes incluem eixos de manivela para motores (virabrequins), bielas, engrenagens, componentesestruturais 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 subseqüentemente usinadas. 2.1 - DEFINIÇÃO Forjamento é um processo de conformação no qual modificam-se a geometria, as dimensões e as propriedades mecânicas de um corpo metálico 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). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 41

2.2- CLASSIFICAÇÃO 2.2.1-. TEMPERATURA DE TRABALHO a) FORJAMENTO A QUENTE mais comum formas simples (matriz aberta) formas complexas (matrizes fechadas) recuperação e recristalização oxidação e contração térmica: sobremetais b) FORJAMENTO A FRIO para peças de geometrias mais simples encruamento tolerâncias mais estreitas Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 42

Figura 2.1 Forjamento a quente de peças simples Figura 2.2 Forjamento a quente de peças complexas (matriz fechada) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 43

2.3 - GRAU DE RESTRIÇÃO AO FLUXO DE METAL 2.3.1 - FORJAMENTO LIVRE (MATRIZ ABERTA) formas simples e regulares (anéis, eixos, etc.) peças de grandes dimensões baixa produtividade normalmente realizado com martelos, embora operações de desbaste de lingotes devam ser feitas em prensas hidráulicas Figura 2.3 Forjamento livre em matriz aberta 2.3.2 - FORJAMENTO EM MATRIZES FECHADAS para peças de geometrias complexas alta produtividade maior homogeneidade estrutural melhor qualidade dimensional normalmente realizado em prensas mecânicas, embora algumas peças, mais simples, possam ser forjadas em martelos. VARIAÇÃO: Forjamento em Matriz Fechada sem Rebarba controle rigoroso do volume de metal a ser forjado Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 44

Figura 2.4 Forjamento em matriz fechada 2.3.3 - FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZ ABERTA As matrizes de forjamento livre são, na maioria das aplicações, planas ou com ligeiros contornos superficiais que auxiliam a amoldar 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. Operações de forjamento em matriz aberta produzem formas grosseiras e são necessárias operações subseqüentes de beneficia-mento das peças para obtenção da geometria e dimensões finais. Uma importante contribuição do forjamento livre a quente é a obtenção de uma estrutura metalúrgica favorável no metal, devida não só aos fenômenos de recuperação e recristalização, mas, também à diminuição da porosidade interna nas peças forjadas. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 45

OPERAÇÕES TÍPICAS: desbaste utilizando matrizes com superfícies convexas, côncavas e planas, este último caso conhecido como estiramento. corte e fendilhamento, como operação intermediária. recalque de cilindros, para a produção de discos e rodas forjamento de anéis, empregando combinações de matrizes Figura 2.5 Forjamento livre em matriz aberta Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 46

ANÁLISE DO FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA DEFORMAÇÃO DO METAL NO ESTIRAMENTO POR FORJAMENTO Figura 2.6 Análise da deformação no estiramento por forjamento 2.3.4 - FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZES FECHADAS Processos básicos: recalque, espalhamento e ascensão Seqüência de processamento corte, aquecimento limpeza, etapas de forjamento rebarbação tratamento térmico acabamento superficial Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 47

Etapas de forjamento: esboçadora, formadora, calibradora Comparação do forjamento a quente convencional com o de precisão controle da temperatura do aquecimento controle do corte e das dimensões do tarugo precisão dimensional e geométrica de matrizes e insertos Figura 2.7 Seqüência de forjamento de um processo básico Rebarbação: A rebarba é a região do forjado que sofre deformação mais intensa A formação de rebarba visa: garantir preenchimento correto das matrizes Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 48

escoar excesso de material do tarugo acomodar defeitos de forjamento Figura 2.8 Oeração de rebarbação Figura 2.9 Etapas do forjamento Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 49

Figura 2.10 Etapas do forjamento de um virabrequim Figura 2.11 Esquema e foto de um forjamento de cilindros 2.3.5 - FORJAMENTO A FRIO Processos básicos: recalque e extrusão Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 50

Seqüência de processamento corte lubrificação etapas de forjamento recozimentos intermediários FORJAMENTO DE PRECISÃO a quente, a frio, morno ou isotérmico menores sobremetais, sem rebarbas, sem ângulos de extração e raios de arredondamento menores Figura 2.12 Peças forjadas a frio 2.3.6 - EQUIPAMENTOS PARA FORJAMENTO Podem ser classificados com respeito ao princípio de operação em: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 51

Martelos Prensas de forjamento recalcadoras Essas máquinas são energeticamente limitadas. TIPOS DE MARTELOS DE FORJAMENTO: Martelos de queda livre Martelo de dupla ação Martelo de contra golpe Normalmente uma peça é forjada com várias pancadas repetidas 60 a 150 pancadas por minuto MARTELO EM QUEDA LIVRE Este equipamento 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 cadente até a altura desejada. SISTEMAS DE ELEVAÇÃO: Pressão exercida por ar comprimido; Cintas de couro; Correntes metálicas; Tábua de madeira especial; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 52

Cilíndrico hidráulico. MARTELO DE DUPLA AÇÃO Neste equipamento, a massa cadente é conectada a um pistão contido em cilindro no topo do martelo. Figura 2.13 Martelo de queda livre Figura 2.14 Martelo de dupla ação MARTELO DE CONTRAGOLPE Vantagens em relação aos outros tipos de martelos: maior rendimento; maior velocidade de acionamento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 53

Figura 2.15 Martelo de contra golpe Desvantagens: Maior desalinhamento entre as partes superior ou inferior da matriz; Necessidade da força de forjamento estar localizada no meio da matriz para evitar grandes atritos entre massas e as guias; Impossibilidade de manipulação da peça durante o movimento; Maiores despesas de manutenção. Capacidade 500 15.000 kgm TIPOS DE PRENSAS USADAS EM FORJAMENTO: Prensas hidráulicas Prensas mecânicas (excêntricas e de fricção) prensas recalcadoras. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 54

Tipos de prensas para forjamento: Prensas hidráulicas verticais com cilíndrico na sua parte superior. Este equipamento é de força restrita. Prensas mecânicas excêntricas. Conhecida como de curso limitado. Prensas de fricção possuem dois pratos de fricção unidos axialmente a uma árvore. O sentido de rotação da árvore pode ser invertido de modo que a rosca sem-fim possa subir e descer. Figura 2.16 Máquinas forjadoras do tipo prensas horizontais (recalcadoras) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 55

3 - EXTRUSÃO A extrusão, como um processo industrial, foi criada por volta de 1800, na Inglaterra, durante a Revolução Industrial, quando aquele país era o principal inovador tecnológico do mundo. A invenção, pioneira, era 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 construída para extrudar metais com ponto de fusão mais alto do que o do chumbo. A característica que possibilitou essa inovação foi o uso de um disco na ponta do êmbolo de extrusão (dummy block, ou falso pistão), que o separava do tarugo, resguardando-o do calor excessivo. Comumente, entre esse falso pistão e o metal a ser extrudado, se interpõe um pedaço de material suplementar (geralmente grafite) para forçar a passagem de todo o material através da matriz e evitar resíduo de metal não extrudado. Figura 3.1 Extrusão a quente de peças simples A extrusão é, então, um processo de compressão indireta, que pode ser realizado a quente ou a frio, no qual um metal é forçado a fluir através de uma matriz aberta, de modo a produzir barras, tubos ou os mais variados perfis, ou seja, produtos com seção transversal idêntica em todo o seu comprimento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 56

3.1 - GENERALIDADES Embora existam várias maneiras de realizar o processo, ele pode ser comparado ao efeito de se apertar um tubo de creme dental. O esforço de compressão é exercido por meio de um êmbolo que empurra o metal contra uma matriz que possui um orifício com a forma do perfil que se deseja fabricar. A tensão aplicada, portanto, tem que superar em muito a tensão de escoamento do metal, para permitir um fluxo regular e contínuo de produto através da matriz. O comprimento do produto extrudado é limitado, no entanto, pela diferença entre os volumes do tarugo e do refugo que sobra no container. Geralmente são extrudadas ligas nãoferrosas (Al, Mg, Cu), por causa das baixas resistências ao escoamento e das baixas temperaturas de extrusão, embora também possam ser extrudados alguns aços comuns e inoxidáveis. Deve-se ter cuidado com estes materiais de maior resistência e pontos de fusão mais elevados, porque eles podem se soldar à parede do container, inconveniente que somente pode ser evitado com a prevenção do contato direto metal-metal. Novos tipos de lubrificantes, ativos em temperaturas e pressões elevadas, têm permitido extrudar tais materiais. 3.2 - CLASSIFICAÇÃO 3.2.1 QUANTO A TEMPERATURA DE TRABALHO A) EXTRUSÃO A QUENTE grandes reduções de seção numa só etapa engloba a maioria dos processos para obter produtos longos semi-acabados (barras) e acabados (perfis e tubos) B) EXTRUSÃO A FRIO pequenas reduções de seção em vários estágios obtenção de peças de precisão Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 57

A B Figura 3.2 Perfis do alumínio (A) e cobre e suas ligas (B) obtidos por Extrusão a quente Figura 3.3 Perfis do cobre e suas ligas (B) obtidas por Extrusão a quente Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 58

Figura 3.4 Exemplos de peças obtidas por extrusão a frio 3.2.2 QUANTO AS DIMENSÕES DO PRODUTO A) PROCESSO SEMI-CONTÍNUO produtos longos, cujo comprimento é limitado pelo volume do tarugo que cabe no container. em quase todos os casos, o longo perfil extrudado é cortado em pequenos comprimentos B) PROCESSO DISCRETO uma peça simples é produzida em cada ciclo de extrusão (a extrusão por impacto é um exemplo de processo discreto) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 59

Figura 3.5 Extrusão de processos semi-contínuos (produtos longo) Figura 3.6 Fotos de extrusão de processos semi-contínuos (produtos longo) 3.2.3 QUANTO AO SENTIDO DE DESLOCAMENTO DO PISTÃO A) EXTRUSÃO DIRETA Um tarugo é colocado no interior de um recipiente de extrusão e um pistão comprime esse material, forçando-o a fluir através de uma ou mais aberturas em uma matriz situada na extremidade oposta do recipiente. Um problema na extrusão direta é o significativo 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. Na extrusão direta, esse atrito causa um substancial aumento na força de extrusão. Na extrusão a quente, o problema do atrito é Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 60

agravado pela presença de uma camada de óxidos na superfície do tarugo, a qual pode, também, causar defeitos no produto extrudado. Figura 3.7 Extrusão direta B) EXTRUSÃO INVERSA Caso 1: A matriz, ao invés de ser fixada na extremidade do recipiente, é montada num pistão oco (ou constituído por hastes). 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. Não há atrito entre o tarugo e a parede interna do recipiente e, então, a força de extrusão é menor que na extrusão direta. Caso 2: Usada também na produção de seções tubulares, a extrusão inversa, neste caso, emprega um pistão com diâmetro menor que o do recipiente, de modo que o metal flui ao redor da matriz, gerando um produto em forma de copo. Figura 3.8 Extrusão Inversa (caso 1) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 61

Figura 3.9 Extrusão Inversa (caso 2) 3.2.4 - OUTROS PROCESSOS DE EXTRUSÃO A) EXTRUSÃO POR IMPACTO Realizado em alta velocidade e em passes curtos, este processo é utilizado para fabricação de componentes individuais. Como o nome sugere, o punção se choca contra o metal, ao invés de simplesmente pressioná-lo. O impacto pode promover uma extrusão direta, uma extrusão inversa, ou uma combinação desses modos. A extrusão por impacto é usualmente realizada a frio numa variedade de metais. Os produtos apresentam, em geral, paredes muito finas (p. ex., capas de pilhas). B) EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA O problema do atrito pode ser superado envolvendo-se o tarugo por um fluido no interior do recipiente e pressurizando este fluido por meio do 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. O processo pode ser realizado à temperatura ambiente ou Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 62

em temperaturas elevadas e, neste caso, devem ser empregados procedimentos especiais e fluidos resistentes ao calor. A pressão hidrostática em uma peça aumenta sua ductilidade. Portanto, esse processo pode ser usado em metais frágeis. Metais dúcteis também podem ser extrudados hidrostaticamente, possibilitando altas relações de redução. 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. Figura 3.10 Extrusão Hidrostática 3.3 - EQUIPAMENTOS DE EXTRUSÃO prensas hidráulicas (horizontais para extrusão a quente e verticais para extrusão a frio) com capacidade de 1000 a 8000 T ação contínua, por acionamento hidro-pneumático ou oleodinâmico A prensa de extrusão 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 pode se dar com o auxílio de uma bomba hidráulica, que mantém a velocidade do pistão no nível necessário para a extrusão, ou com o emprego de uma acumulador de pressão. No primeiro caso, temos o chamado acionamento oleodinâmico e, no segundo caso, o acionamento é hidro-pneumático. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 63

Figura 3.11 Prensa horizontal de extrusão de barras e perfis Equipamentos auxiliares: sistemas de corte de barras sistemas de retrocesso do pistão fornos para aquecimento de tarugos (indutivos para maior rapidez e uniformidade de aquecimento) controle da atmosfera de aquecimento Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 64

Figura 3.12 Componentes de ferramental para extrusão a quente 3.4 - PARÂMETROS FÍSICOS Força de extrusão: A força requerida para o processo depende da resistência do material, da relação de extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão. A força pode ser estimada pela equação: A = A0 K ln A f F 0 onde: F = Força; A 0 = Area Inicial; K = Constante de Extrusão e A f = Area Final. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 65

Figura 3.12 Alguns valores da constante de extrusão K em MPa para diferentes materiais Tabela 3.1 - Faixas de temperatura de extrusão para vários metais. METAL TEMPERATURA O C Chumbo 200-250 Alumínio e suas ligas 375-475 Cobre e suas ligas 650-950 Aços 875 1300 Ligas Refratárias 975-2200 3.5 - DEFEITOS DA EXTRUSÃO Dependendo das condições e do material extrudado podem ocorrer vários tipos de defeitos, que afetam a resistência e qualidade do produto final. Os principais são: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 66

Extrusão a quente: Defeitos causados por modos de escoamento incorretos (intrusão), por defeitos e impurezas na matéria-prima ou pela escolha inadequada da temperatura e velocidade de extrusão. Extrusão a frio: Defeitos causados por geometria inadequada das matrizes ou pela lubrificação insuficiente ( chevron ), ou pela deformação excessiva na extrusão (trincas). Trinca superficial: Ocorre quando a temperatura ou a velocidade é muito alta, pois há aumento significativo da temperatura da superfície, causando trincas e rasgos intergranulares. Ligas de alumínio, magnésio e zinco. Maneiras de evitar: reduzir a velocidade de extrusão; diminuir a temperatura do tarugo. Trinca interna: O centro do tarugo pode desenvolver fissuras que são conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron. O defeito é atribuído à tensão hidrostática de tração na linha central, similar à situação da região de estricção em um corpo em ensaio de tração. Figura 3.13 Modos de Escoamento na Extrusão Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 67

Figura 3.14 Defeitos chevron causado pela extrusão a frio Figura 3.15 Defeitos chevron causado pela extrusão a frio Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 68

4 - TREFILAÇÃO A trefilação é um dos processos mais antigos de conformação de metais. Os adornos de ouro em forma de arame trabalhado foram incorporados aos adornos pessoais dos faraós egípcios, quase 3.000 anos antes de Cristo. No século XIV, Rudolph de Nuremberg trouxe para a indústria o primeiro equipa-mento mecânico de trefilação, que era movido a água. De 1850 a 1870, devido à difusão do telégrafo e à conseqüente demanda por fios condutores, a trefilação sofreu um grande avanço. Nos últimos 30 anos tem-se visto avanços nas técnicas de trefilação e significativo aperfeiçoamento do tratamento térmico contínuo, com menor inter-ferência humana, com o objetivo de melhorar a uniformidade e a qualidade, aumentar a produtividade e reduzir os custos de produção. O processo de trefilação ocorre pelo tracionamento de fio, barra ou tubo através de uma matriz, denominada fieira. Como a seção transversal do orifício da fieira é sempre menor que a da peça trabalhada, o processo ocasiona uma redução em área e um aumento no comprimento. Como a operação é comumente realizada a frio, ocorre o encruamento com alteração das propriedades mecânicas do material do fio. Esta alteração se dá no sentido da redução da ductilidade e aumento da resistência mecânica. Portanto, o processo de trefilação comumente é um trabalho de conformação mecânica realizado a frio, isto é, a uma temperatura de trabalho abaixo da temperatura de recristalização. A finalidade do processo de trefilação é a obtenção de um produto com dimensões, acabamento superficial e propriedades mecânicas controladas. De uma maneira geral pode-se dizer que: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 69

A TREFILAÇÃO é um processo em que se obtêm produtos com seções de geometrias diversas pela tração desses produtos por uma matriz (denominada fieira) que define o perfil do trefilado; Comumente realizado a frio, o que produz encruamento na peça; Realiza pequenas reduções de seção por passe; Excelente qualidade superficial e dimensional; Propriedades mecânicas controladas. Algumas vezes o Recozimento intermediário é necessário quando a queda de dutilidade associada ao aumento da resistência provoca a queda de conformabilidade. A matéria prima são Barras e tubos extrudados (não-ferrosos) ou laminados (ferrosos e não-ferrosos), decapados e limpos, com qualidade superficial controlada e recozidos. Os produtos são Arames, fios finos, barras, perfis diversos e tubos. Figura 4.1 Reduções realizadas para obtenção de peças por trefilação Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 70

A matéria-prima para o processo de trefilação é um produto na forma de arame (ou barra ou tubo) obtido pelo processo de extrusão (para metais não-ferrosos) ou pelo processo de laminação (para metais ferrosos e não-ferrosos). Tensão Trabalho a frio Deformação Figura 4.2 Reduções realizadas para obtenção de peças por trefilação Figura 4.3 seções de perfiz obtidos por trefilaçào Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 71

4.1 CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS TREFILADOS Função do tipo de produto: barra, tubo e arame ou fio. As barras mais finas, em geral com diâmetro menor do que 5 mm, passam a se denominar arames ou fios. Denomina-se o produto como arame quando o seu emprego é para fins mecânicos e, como fio, no caso de fins elétricos Figura 4.4 Tipos de trefilados com relação ao diâmetro da seção transversal 4.2 - MECÂNICA DA TREFILAÇÃO A mecânica da trefilacao envolve: Esforços predominantes de compressão indireta Atrito entre a matriz e material a trefilar Lubrificantes/refrigerantes Velocidade de trefilação: ~ 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 A lubrificação pode ser por imersão ou por aspersão, e os tipos de lubrificantes são: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 72

Seca: sabões sólidos em pó Úmida: soluções ou emulsões de óleos em água Pastas e graxas Figura 4.4 Tensões de tração (σ t ) e de compressão (σ c ) aplicadas na trefilacao O conhecimento dos esforços necessários e das demais variáveis envolvidas no processo permite: reduzir os tempos de parada de máquina devidos a quebra de material; dimensionar eficientemente partes integrantes de uma máquina trefiladora, com o objetivo de reduzir o nível de investimento; reduzir o desgaste das fieiras. Então, a determinação dos esforços é vital no processo de trefilação e diversos pesquisadores têm dedicado muito tempo a esse estudo, principalmente no sentido de estabelecer uma relação entre a força necessária para a trefilação e as diversas variáveis como: geometria de ferramenta, condições de atrito e lubrificação, temperatura e velocidade. 4.3 - FIEIRA Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 73

Comumente a fieira tem o furo com perfil típico afunilado. Nesses perfis, numa visão em corte, podem-se distinguir três partes cônicas e uma parte cilíndrica. A primeira parte cônica é o denominado cone de entrada, que direciona o fio e a segunda é chamada cone de trabalho onde o metal é deformado. Na parte cilíndrica ocorre o ajuste do diâmetro do fio e a terceira parte cônica é o cone de saída, cuja finalidade é facilitar a saída do fio. O ângulo da fieira, que é o ângulo do cone de trabalho, comumente tem valores compreendidos entre 5 e 25. O comprimento da parte cilíndrica varia de zero a dois diâmetros. I cone de entrada II cone de trabalho III zona cilíndrica ou cilindro de calibração Figura 4.5 Perfil esquemático de uma fieira para trefilação IV cone de saída I - O cone de entrada tem a finalidade de guiar o fio em direção ao cone de trabalho e permitir que o lubrificante acompanhe o fio. II - No cone de trabalho ocorre a redução. III - No cilindro de calibração ocorre o ajuste do diâmetro do fio. IV - O cone de saída deve proporcionar uma saída livre do fio. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 74

Zona crítica Cilindro de calibração Ângulo de entrada Ângulo da fieira (trefilação) Ângulo de saída Figura 4.6 Ângulos e regiões de uma fieira para trefilação Para cada material há um perfil adequado de fieira, no que diz respeito ao ângulo de entrada, ao ângulo de trabalho, ao ângulo de saída e ao comprimento da zona cilíndrica. β semi-ângulo do cone de trabalho (ou semi-ângulo da fieira) α semi-ângulo de entrada γ semi-ângulo de saída Hc altura do cilindro de calibração Hc Figura 4.7 Ângulos e regiões de uma fieira para trefilação A diferença entre os ângulos de fieiras empregadas para diferentes materiais está associada com a característica de cada material de transmitir, com mais ou menos facilidade por toda a seção, o efeito da resistência aos esforços cisalhantes que produzem deformação a frio (trabalho redundante), ou seja, está relacionada com a ductilidade do 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. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 75

As fieiras para trefilar fios grossos e médios (até 1,4 mm de diâmetro) são feitas de vídia (metal duro) com a composição típica de 95% de carboneto de tungstênio e 5% de cobalto e, para fios finos, são feitas de diamante. Materiais da fieira mais utilizados são: Carbonetos sinterizados(sobretudo WC) vidia, Metal duro,etc. Aços de alto C revestidos de Cr (cromagemdura) Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.) Ferro fundido branco Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados) Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras) Após trefilar um grande comprimento de fio, as fieiras sofrem desgaste. Tanto as fieiras de metal duro quanto as de diamante podem ser recalibradas e repolidas para serem usadas na trefilação de fios de diâmetros maiores. A vida de uma fieira, trabalhando com um determinado diâmetro, é determinada pelo comprimento de fio trefilado até que seja necessária uma recalibração. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 76

Figura 4.8 Alguns tipos de fieiras 4.4 - CÁLCULO DE CARGA NA TREFILAÇÃO O cálculo de 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 ) 1 _ σ - tensão de escoamento média em tração uniaxial; e 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, que é dado por Rowe da seguinte forma: φ = 0.87 + (( 1 r ) r). senα Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 77

r redução no passe dada por: r = (A 0 A 1 )/A 0 4.5 - TREFILAÇÃO DE VERGALHÕES E ARAMES Os princípios envolvidos na trefilação de barras, vergalhões e arames são basicamente os mesmos, embora os equipamentos utilizados variem para os diversos tamanhos de produtos. As barras e os vergalhões, que não podem ser bobinados, são produzidos sobre uma bancada de trefilação. O processo de trefilação de arames de aço tem início com o fio-máquina, que é o material laminado a quente que não se fabrica em diâmetros menores que 5,5 mm. Como o fio-máquina é um produto laminado a quente, apresenta microestrutura não-homogênea e defeitos internos e superficiais, o que o torna inadequado para o trabalho a frio, sendo necessário submetê-lo previamente a um tratamento térmico de recozimento. Após este tratamento, o fio-máquina é decapado (química e/ou mecanicamente), a fim de eliminar qualquer carepa que possa resultar em defeitos superficiais no produto ou desgaste excessivo da fieira. A decapagem química convencional é realizada pela submersão do pacote de fiomáquina 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 pacote de fio-máquina é, então, mergulhado num tanque de água para enxágüe e, em seguida, num tanque de cal ou de bórax. A água de cristalização aderida à cal ou ao bórax é removida pelo aquecimento do pacote numa estufa. Esse revestimento servirá como absorvedor e transportador do lubrificante (sabão em pó ou graxa) durante a trefilação por via seca e também para neutralizar qualquer ácido remanescente da decapagem. No caso da trefilação por via úmida, a fieira fica imersa num lubrificante líquido. O fio-máquina está, então, pronto para ser trefilado. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 78

Figura 4.9 Foto de decapagem química convencional pela submersão do pacote de fiomáquina em ácido sulfúrico ou clorídrico. 4.5.1 - Etapas do Processo utilizando como matéria prima o fio-máquina (vergalhão laminado a quente): Descarepação: - Mecânica (descascamento): dobramento e escovamento. - Química (decapagem): com HCl ou H2S04 diluídos. Lavagem: em água corrente Recobrimento: Comumente por imersão em leite de cal Ca(OH)2 a 100 C a fim de neutralizar resíduos de ácido, proteger a superfície do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilação. Secagem: (em estufa) Também remove H2 dissolvido na superfície do material. Trefilação: - Primeiros passes a seco. Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilação a úmido. A produção de arames ou de vergalhões finos de longo comprimento ( <12 mm) é feita por trefilação com sarilho. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 79

Vista lateral do sarilho após acumulação Figura 4.10 Trefilação utilizando sarilho Para arames grossos utiliza-se apenas um sarilho, mas para arames finos (fios metálicos) necessita-se de um número maior e o arame passa através de várias fieiras, numa operação contínua, até ter sua seção transversal reduzida ao tamanho final. Para os arames finos as reduções por passe (b) são de 15 a 25%, enquanto para arames grossos a faixa é mais larga (20 a 50%). As velocidades de trefilação de arame nos equipamentos mais modernos podem superar 1.500 m/min. Recorre-se também a recozimentos intermediários, pois cada passe de redução da seção transversal por trefilação produz um encruamento no material, verificado pela elevação de sua tensão de escoamento que, ao atingir valores muito elevados, pode tornar impraticável a continuação do processo, especialmente em materiais muito encruáveis como grande parte dos metais não ferrosos e os aços baixo-carbono. Para fios de aço com teor de carbono maior que 0,25%, emprega-se um tratamento térmico especial chamado patentea-mento, que consiste em aquecer o material acima da temperatura crítica superior e depois resfriá-lo ao ar (fios mais finos) ou em chumbo líquido a cerca de 350 C (fios menos finos), para propiciar a formação de perlita fina, de preferência sem a formação de ferrita primária. O patenteamento produz a melhor combinação de resistência e ductilidade para o sucesso da trefilação de arames de aço alto-carbono empregados para molas e encordoamentos de instrumentos musicais. Etapas intermediárias de decapagem, obviamente, são também necessárias para manter a eficácia da lubrificação, pois o arame sofre oxidação superficial tanto nos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 80

trata-mentos térmicos intermediários como durante a própria operação de trefilação, onde a sua temperatura sobe em função tanto da deformação plástica como do atrito com a fieira. 4.6 - TRATAMENTOS TÉRMICOS Durante a trefilação, que é realizada abaixo da temperatura de recristalização, ocorre o encruamento do material. Deve-se ter cuidado com a atmosfera do forno, o tempo e a temperatura do tratamento de recozimento. O recozimento pode ser feito em fornos de poço (vertical ou de compânula) ou fornos contínuos. Recozimento: Indicação: principalmente para arames de baixo carbono Tipo: subcritico, entre 550 a 650 C Objetivo: remover efeitos do encruamento. Patenteamento: Indicação: aços de médio a alto carbono (C> 0,25 %) Tipo: aquecimento acima da temperatura crítica (região g) seguido de resfriamento controlado, ao ar ou em banho de chumbo mantido entre 450 e 550 C. Objetivo: obter uma melhor combinação de resistência e ductilidade que a estrutura resultante (perlita fina ou bainita) fornece. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 81

4.7 - MÁQUINAS DE TREFILAR INDUSTRIAIS Os elementos básicos de uma máquina de trefilação são: Carretel alimentador Porta-fieira Garra ou mordaça para puxar a primeira porção do arame Tambor Sistema de acionamento do tambor Além da bancada de trefilação e do sarilho simples, existem dois tipos básicos de máquinas de trefilar industriais com múltiplas fieiras: 1) Com deslizamento Para fios de diâmetros pequenos O deslizamento dá-se no anel tirante Máquinas cônicas de trefilar com deslizamento 2) Sem deslizamento Para arames, em que o anel tirante faz também o papel de acumulador do produto trefilado Máquinas contínuas, com passes em linha 4.7.1 - Máquina de Trefilar em Série ("Tandem"), com Deslizamento É constituída de uma sucessão de fieiras intercaladas com anéis tirantes. O sistema é movido por um único motor, funcionando da seguinte maneira: O fio parte de uma bobina, passa por uma roldana e se dirige à primeira fieira; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 82

Na saída da fieira, é puxado por um anel tirante no qual o fio dá um certo número de voltas e gira numa determinada velocidade; As voltas são dadas na forma de uma hélice cilíndrica, de passo igual a uma vez e meia o diâmetro do fio, de tal maneira que este no início da hélice fique alinhado com a primeira fieira e, na saída da hélice, com a segunda; O número de espiras da hélice no primeiro anel tirante depende da força de atrito necessária para vencer a força de trefilação na primeira fieira; O movimento do fio na forma de hélice provoca um deslizamento lateral (translação) do fio ao longo do anel; O segundo anel, que faz o fio passar pela segunda fieira, gira a uma velocidade maior que o primeiro anel para compensar o aumento de comprimento pela segunda fieira; O sistema prossegue dessa forma para as demais fieiras, exceto na última, de onde o fio é puxado pelo tambor bobinador final, sem deslizamento. É usada para trefilar fios de metais não-ferrosos de diâmetros maiores (> 2 mm). roldan fieira fieira fieira fieira bobin 1 º anel 2 º anel 3 º anel tambor sem deslizamento carrete rotaçã entrad translação (por saíd Figura 4.11 Esquema de uma máquina de trefilar em série, com Deslizamento 4.7.2 - Máquina de trefilar cônica, com deslizamento Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 83

O funcionamento da máquina cônica é semelhante ao tipo anterior, ocorrendo também deslizamento do fio. A diferença é que nesse caso há melhor aproveitamento do espaço da máquina. Os cones são formados por anéis de diâmetros diferentes dispostos num mesmo eixo. Os anéis têm diâmetros crescentes à medida que aumenta a redução, pois as velocidades angulares são as mesmas e as periféricas aumentam com o diâmetro do anel. A máquina trefiladora opera com dois cones opostos para ter a ida e vinda do fio, através das fieiras. A passagem do fio pelo anel, tanto em movimento axial como em movimento transversal, provoca o desgaste do anel, exigindo a sua retificação periódica para manter a relação entre os diâmetros dos diversos anéis. As máquinas de trefilar do tipo cônica, com deslizamento do fio, são usadas comumente para trefilação de fios médios e finos (abaixo de 2,0 mm) de metais não-ferrosos. As máquinas cônicas industriais para fabricação de fios capilares de cobre, trabalham com velocidades na faixa de 1.500 a 2.400 m/min e alonga-mentos na faixa de 18 a 20%. Figura 4.12 Esquema de uma máquina de trefilar cônica, com deslizamento Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 84

Figura 4.13 Foto de uma máquina de trefilar cônica, com deslizamento 4.7.3 - Máquina de trefilação de 3 sarihos (Morgan) A passagem do arame neste tipo de máquina di-fere de outras máquinas no fato de que o arame é puxado através da fieira e enrola-se no sarilho que é ligeiramente cônico, fato que permite que o arame, à medida que acumula, comece a escalar o sarilho e a empurrar para cima o fio que já estava enrolado. À medida que isto acontece, a tensão à ré diminui, de modo que o arame pode passar por um chapéu em forma de cogumelo e descer pelo eixo do sarilho, que tem o centro oco. O arame passa, então, por uma polia localizada debaixo de cada sarilho e sai pela frente da máquina, entrando na pró-xima fieira guiado por outra polia e sendo puxado através da fieira pelo sarilho seguinte. Originalmente a máquina tinha um único motor para todos os sarilhos e eles podiam ser desconectados do eixo comum por meio de uma embreagem. Modelos mais recentes têm motores individuais, um para cada sarilho. Máquinas deste tipo sempre foram bem aceitas, particularmente por fabricantes de arames de aço alto-carbono para molas, e a Morgan vem fornecendo centenas destas máquinas ao longo dos anos. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 85

Figura 4.14 Foto de uma máquina de trefilar de 3 sarihos (Morgan) 4.7.4 - Máquinas de trefilar em série, sem deslizamento A máquina de trefilar sem deslizamento contém um sistema de tração do fio, para conduzi-lo através do furo da fieira, constituído de um anel tirante que primeiro acumula o fio trefilado para depois permitir o seu movimento em direção a uma segunda fieira. Nesta, o fio passa tracionado por um segundo anel tirante que também acumula fio trefilado. O processo prossegue de igual modo para as fieiras seguintes nos tradicionais sistemas de trefilação múltiplos e contínuos, ou seja, com diversas fieiras em linha na mesma máquina Esta máquina é utilizada para arames, em que o anel tirante faz também o papel de acumulador do produto trefilado e para máquinas contínuas, com passes em linha. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 86

Figura 4.15 Foto de máquinas de trefilar em série, sem deslizamento Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 87

5 - LAMINAÇÃO A laminação é um processo de conformação mecânica no qual o material é forçado a passar entre dois cilindros, girando em sentidos opostos, com praticamente a mesma velocidade superficial e separados entre si de uma distância menor que o valor da espessura inicial do material a ser deformado. Os primórdios da laminação são bastante antigos: a mais antiga ilustração de um laminador é uma gravura de Leonardo da Vinci, em torno de 1486, o qual se destinava, provavelmente, à laminação a frio de barras chatas de ouro ou prata para a cunhagem de moedas. A deformação plástica é provocada pela pressão dos cilindros sobre o material; Leonardo da Vinci projetou um dos primeiros laminadores em 1486, mas é pouco provável que seu projeto tenha sido executado. Por volta de 1600, a laminação do chumbo e do estanho era realizada à temperatura ambiente, por meio de laminadores operados manualmente. Na Europa ocidental, nos princípio do século XVIII, surgiu o processo de laminação a quente do ferro, transformando barras em chapas. Antes disso, os únicos laminadores existentes eram utilizados para operações de corte, em que pares de cilindros opostos dotados de discos cortantes (colarinhos) cortavam o ferro em tiras estreitas para a fabricação de pregos e produtos similares. Não havia, naquele processo, a pretensão de reduzir a espessura do metal. A laminação é um processo que requer uma potente fonte de energia. Até o século XVIII essa energia provinha de moinhos d água. O advento das máquinas a vapor, durante a revolução industrial, foi o principal responsável pelo aumento da capacidade dos laminadores até que, a partir de 1900, essas máquinas foram substituídas por motores elétricos, largamente empregados nos tempos atuais. Na laminação os produtos semi-acabados são transformados em produtos acabados que devem atender as especificações estabelecidas em termos de propriedades mecânicas, forma, dimensões, dentre outros critérios. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 88

A laminação pode ser a quente ou a frio. Pelo fato destas operações com freqüência serem as últimas e podem alterar a microestrutura do aço, elas devem ser projetadas de modo a permitir que a microestrutura desejada. Desta forma, as operações de acabamento envolvem tratamentos térmicos, tais como: esferoidização, normalização, e recozimento, ou tratamentos superficiais, como: galvanização, estanhamento, cementação, usinagem tempera etc. Durante a laminação, raramente passa-se o material somente uma vez entre os cilindros ou rolos de laminação, pois, a redução de área almejada não pode ser conseguida em um só passe. Deste modo, o equipamento de laminação deve ser capaz de submeter o material a uma seqüência de passes. Quando este equipamento consiste em somente um conjunto de cilindros, isto pode ser conseguido de duas formas: ou variando-se a distância entre os cilindros de trabalho, laminadores reguláveis durante a operação, ou mantendo-se esta distância fixa, laminadores fixos durante a operação, e variando-se o diâmetro do cilindro ao longo do seu comprimento, o que equivale a variar a abertura entre os cilindros. Neste último caso, a peça a ser trabalhada deverá ser deslocada ao longo dos cilindros para cada passe sucessivo. Uma outra forma de realizar passes com diferentes reduções, seria a colocação de laminadores em linha, com uma distância pré-determinada entre eles, de modo que trabalhassem o material sucessivamente e em alguns casos simultaneamente. Figura 5.1 - Representação esquemática do processo de laminação. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 89

Figura 5.2 Esquema mostrando cilindros com canais de um laminador fixo. Figura 5.3 Esquema mostrando um trem contínuo de laminação. Ao passar entre os cilindros, a força de atrito entre a peça e os cilindros promove uma deformação plástica, na qual a espessura é diminuída e a largura e o comprimento são aumentados. A laminação é um dos processos de conformação mais utilizados na prática. Tal fato acontece porque este processo apresenta uma alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso. Na laminação é possível obter-se tanto produtos acabados, como chapas, barras e perfis, como produtos semi-acabados, tais como placas. O processo de laminação pode ser feito a frio ou a quente. Normalmente, a laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio, para as operações de acabamento. Geralmente, utiliza-se um ou dois conjuntos de cilindros para a laminação aquente, de modo que o lingote ou o esboço passa várias vezes entre os mesmos cilindros. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 90

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 matérias-primas iniciais para laminação são constituídas geralmente por lingotes fundidos; blocos, tarugos ou placas do lingotamento contínuo ou mais raramente placas eletrodepositadas. Ainda é possível a laminação diretamente do pó, através de um processo especial que combina metalurgia do pó com laminação. Os principais objetivos da laminação são: 1. obter um produto final com tamanho e formato especificados, com uma alta taxa de produção e um baixo custo; 2. obter um produto final de boa qualidade, com propriedades mecânicas e condições superficiais adequadas. O número de operações necessárias para atender a estes objetivos do processo de laminação, depende das especificações estipuladas para a forma, as propriedades mecânicas, as condições superficiais (rugosidade, revestimentos, etc.) e em relação a macro e microestrutura do produto laminado. Quanto mais detalhadas forem estas especificações, mais complicado será o procedimento e um maior número de operações será necessário. Para obtenção de produtos laminados as principais etapas são: 1. preparação do material inicial para a laminação; 2. aquecimento do material inicial; 3. laminação a quente; 4. acabamento e/ou tratamento térmico (caso de ser produto final); 5. decapagem; 6. laminação a frio (caso seja necessário); Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 91

7. tratamento térmico; 8. acabamento e revestimento. Durante as etapas de laminação, deve-se efetuar um controle de qualidade do produto para se detectar a presença de defeitos, tais como trincas e vazios internos, afim de se evitar que um produto com excesso de defeitos, portanto, rejeitável, continue sendo processado, com desperdício de tempo e energia. Pode-se destacar que as principais variáveis de influência na laminação são: 1. o diâmetro dos rolos ou cilindros laminadores; 2. a resistência à deformação do metal (tensão de escoamento e de ruptura, encruamento durante a deformação, temperatura de trabalho, velocidade de trabalho, etc.); 3. o atrito entre os cilindros e o metal; 4. a presença da tração de avanço ou de retrocesso no produto que esta sendo laminado. 5.1 - DEFINIÇÕES DOS PRODUTOS LAMINADOS: É comum para os produtos siderúrgicos a adoção de uma primeira classificação como aços planos e não-planos. Entende-se por produtos planos aqueles cuja forma da seção transversal é retangular, sendo que a largura do produto e várias vezes maior do que a sua espessura. Produtos não-planos, pelo contrário, tem sua seção transversal diferente da forma retangular (exceção de barras chatas, alguns blocos e tarugos), formas em geral complexas e variadas, embora já se tenha formas consagradas e limitadas. É o caso de perfis tais como H, I, U, trilhos e outros. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 92

Os produtos siderúrgicos podem também ser classificados em acabados ou semiacabados quanto a aplicabilidade direta destes. São denominados semi-acabados, ou intermediários, em virtude de praticamente não existir aplicação direta para os mesmos, salvo para posterior processamento por laminação, extrusão, trefilação, etc. que os transformarão em produtos finais ou seja acabados. 5.1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS SEMI-ACABADOS obtidos em laminação primária, envolvendo uma ou mais cadeiras (quebradora de carepa, desbastadora e ainda, em alguns casos, até uma cadeira secundária, seguida ou não de um trem contínuo). Os semi-produtos deverão ser, posterior-mente, forjados, extrudados, trefilados ou submetidos a outras etapas de laminação, para darem origem a produtos acabados. Não existe uma clara separação dimensional entre eles, embora a ABNT em sua norma NBR 6215 de 1986 classifique os semi-acabados de conformidade com a área da seção transversal e sua forma, como: 1. bloco: é um produto semi-acabado cuja seção transversal é superior a 22.500 mm 2 e com relação entre altura e espessura igualou menor que 2; as arestas são arredondadas, estas medidas se situam entre 150 e 300mm de lado; 2. tarugo ou palanquilha: é um produto semi-acabado cuja seção transversal é menor ou igual a 22.500 mm2 e a relação largura e espessura igualou menor que 2; as arestas são arredondadas as tolerância dimensionais menos restritivas que as de barras, estas medidas se situam entre 50 e 125mm de lado ou diâmetro; 3. placa: é um produto semi-acabado com seção transversal retangular, com espessura maior que 80 mm (100 mm segundo a norma NBR 5903 de 1983-1987) e relação largura e espessura maior que 4, ou seja, espessura até 230mm e 610 a 1520mm de largura; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 93

O comprimento do semi-acabado é função dos produtos finais a serem obtidos a partir dos mesmos, respeitando-se as limitações de equipamento de cada laminação. Nos semi-acabados também se utilizam dos processos usuais de condicionamento, tais como escarfagem e esmerilhamento, visando a eliminação de defeitos superficiais que possam comprometer o produto final. 5.1.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS ACABADOS Quanto aos produtos acabados de laminação (observa-se que podemos ter produtos acabados a partir de semi-acabados por diversos processos de conformação tais como laminação, forjamento, trefilação, extrusão, etc.) Blocos e tarugos, por laminação, dão lugar a vários tipos de produtos longos, tais como perfis; trilhos e acessórios; barras redondas, quadradas, sextavadas, etc; fio-máquina, tubos sem costura, etc. Placas e platinas são laminadas em vários tipos de produtos planos (barras chatas, chapas, tiras, fitas e folhas) que podem ser transformados, p. ex., em tubos com costura e peças estampadas. Os produtos acabados planos são obtidos por laminação a quente ou a quente e a frio de placas em cilindros lisos (sem canais) e se subdividem de acordo com as seguintes dimensões: A) PRODUTOS LAMINADOS PLANOS O esforço de compressão executado pelos cilindros é aplicado sobre uma superfície plana do produto laminado, sendo que, por esta ação, há uma redução da espessura acom-panhada do conseqüente aumento de compri-mento. Dependendo da relação entre a largura e a espessura iniciais, pode ou não haver um alargamento livre do produto laminado. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 94

1. bobina: Produto plano laminado com largura mínima de 500 mm enrolado na forma cilíndrica. 1.1. bobina fina a frio: Produto plano laminado com espessura entre 0,38 e 3,0 mm e com largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a frio. 1.2. bobina fina a quente: Produto plano larninado com espessura entre 1,20 e 5,0 mm e com largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a quente. 1.3. bobina grossa: Produto plano laminado com espessura superior a 5,0 mm e igual ou inferior a 12,7 mm, largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a quente. 2. chapa: Produto plano de espessura mínima de 0,38 mm e largura mínima de 500 mm. 2.1. chapa fina: Chapa com espessura entre 0,38 e 5,0 mm e com largura igual ou superior a 500 mm. 2.2. chapa fina a frio: Chapa com espessura entre 0,38 e 3,0 mm e com largura superior a 500 mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a frio. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 95

2.3. chapa fina a quente: Chapa com espessura entre 1,20 e 5,0 mm e com largura superior a 500 mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a quente. 2.4. chapa grossa: Chapa com espessura superior a 5,0 mm e largura superior a 500mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a quente, seja no laminador reversível até no máximo 152 mm ou no laminador contínuo até no máximo 12,70 mm. 3. fita de aço para embalagem: Produto plano laminado com espessura igual ou inferior a 1,27 mm e com largura igualou inferior a 32 mm fornecido na forma de rolo, utilizado como elemento de fixação ou compactação no acondicionamento e/ou embalagem. 4. folha: Produto plano laminado a frio com espessura igual ou inferior a 0,38 mm e com largura mínima de 500 mm fornecido em bobinas ou num comprimento definido. 5. tira: Produto plano relaminado a frio ou produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido. 5.1. tira cortada: Produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido; pode ser obtida de rolos cortados aplainados ou de corte Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 96

mecânico de chapas finas a frio, chapas finas a quente, chapa grossa ou qualquer produto plano laminado. 5.2. tira relaminada a frio: Produto plano relaminado a frio com espessura igual ou inferior a 8,00 mm e largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido, distinguindo-se da tira cortada por ter tolerância mais estreitas na espessura e largura decorrentes do processo de fabricação. 6. rolo: Produto plano relaminado a frio ou produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica de tal modo que a largura final do rolo seja igual à largura do produto plano (rolo simples) ou seja superior a largura do produto plano, o qual é obtido em sistema oscilante (rolo zigue-zague). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 97

7 BARRA CHATA CHAPA GROSSA Espessura (mm) 6 5 4 3 FITA TIRA CHAPA FINA 2 1 FOLHA 100 300 500 700 900 Largura (mm) Figura 5.4 - Dimensões de produtos laminados planos Os produtos acabados laminados não-planos se classificam em barras, fios, tubos, perfis comuns, perfis especiais e os trilhos. Os produtos não planos chamados de fios (fio-máquina) são materiais com seção transversal circular com diâmetro de 5 a 13mm, laminados a quente, fornecidos na forma de bobinas ou não e geralmente são destinados a trefilação. Os tubos com costura são aqueles produzidos por laminação na Mannesmann e outros. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 98

B) PRODUTOS LAMINADOS LONGOS A ação compressiva é exercida numa superfície não plana do laminado. Esta ação é quase sempre acompanhada de restrição ao alargamento livre do material laminado, pelo fato de a deformação ser realizada no interior de caneluras nos cilindros. Perfis estruturais Vigas H, vigas I, vigas U, vigas Z, cantoneiras grandes, etc Trilhos e acessórios Trilhos para ferrovias, pontes rolantes, carros de transporte de lingotes, elevadores, etc; talas de junção; placas de apoio; etc. Perfis especiais Estacas-pranchas, perfis para aros de rodas, etc. Laminados comerciais Barras redondas, sextavadas, quadradas, barras chatas, ferro T, cantoneiras pequenas, vigas U pequenas, vigas I, etc. Fio-máquina Material de seção geralmente redonda com diâmetro de 5 a 13mm, laminado a quente, matéria-prima de trefilação. Tubos sem costura Bolas de moinho Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 99

(a) (b) (c) (d) Figura 5.5 - Exemplos de produtos laminados não planos ou longos e casos típicos de suas aplicações: (a) produtos de aço; (b) seqüência de forjamento de uma peça a partir de uma barra redonda laminada; (c) ponte rodo-ferroviária e (d) elementos de máquinas. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 100

Placas Blocos Tarugos Chapas Perfis Trilhos Barras Chapas Barras Fio-máquina Tubos com Costura Tubos Calandrados Folhas Tubos sem Costura Trefilados Figura 5.6 Alguns tipos de produtos acabados Figura 5.7 seções transversais típicas de produtos longos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 101

5.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES Pode ser feita segundo diferentes critérios: 1. Condições de trabalho em: Laminadores a quente e a frio. 2. Função ou programa de produção: Primários e Acabadores; 3. Tipo de produto: de Perfis, de Trilhos, de Arame, etc; 4. Tipo de cadeiras; 5. De acordo com a disposição das diversas cadeiras de laminação: em Linha (trem tipo Belga), em Zigue-zague (cross-country), Contínuo (tandem), etc. 1. CLASSIFICAÇÃO PELAS CONDIÇÕES DE TRABALHO: 1.1. laminação a quente: É aquela que se realiza a temperaturas acima do ponto crítico do aço, ou seja: a cada passe no laminador reduz o tamanho do grão, o qual cresce novamente, assim que a pressão é retirada. O tamanho do grão final é determinado pela temperatura e pela porcentagem de redução do último passe. 1.2. laminação a frio: É aquela que se realiza a temperaturas abaixo do ponto crítico do aço, ou seja: a cada passe no laminador o tamanho do grão se deforma mas não cresce, tornando a superfície do material mais bem acabada e mais resistente. A laminação a frio se desenvolveu devido à necessidades crescente de material com qualidades mecânicas determinadas e às exigências cada vez maiores de uniformidade de bitola. Antes do trabalho a frio, é necessário remover a camada de óxido por meio da decapagem, com o intuito de se obter boa superfície no produto acabado. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 102

A laminação a frio tem como conseqüência um aumento da dureza e da resistência à tração, ao mesmo tempo que reduz a dutilidade e o tamanho do grão do aço. A profundidade até onde a estrutura do grão é alterada, depende da seção, tamanho e redução da área. 2. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O SEU PROGRAMA DE PRODUÇÃO: Pode-se classificar os laminadores em laminadores primários ou de semi-produtos e laminadores de produtos acabados. 2.1. Laminadores Primários ou de Semi-Produtos: São aqueles que produzem semi-produtos ou semi-acabados, tais como:blocos, placas, tarugos e platinas, destinados aos trens acabadores. Entre os laminadores primários pode-se distinguir os laminadores desbastadores e os laminadores de tarugos ou platinas. Os laminadores desbastadores, também conhecidos pelo nome de blooming ou slabbing, operam a partir de lingotes. No caso de lingotes grandes, os seus produtos serão os blocos (blooms) ou as placas (slabs). No caso de lingotes pequenos, produzem diretamente tarugos ou platinas. Os laminadores de tarugos ou de platinas operam sempre a partir de blocos ou de placas cortadas longitudinalmente, transformando-os em tarugos ou platinas. 2.2. Laminadores de produtos acabados: São aqueles que transformam semi-produtos (blocos, placas, tarugos e platinas) em produtos acabados, tais como: perfiz, trilhos, tubos, etc. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 103

3. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE PRODUTO: Esta classificação restringe-se aos laminadores de produtos acabados. De acordo com o tipo de produto podemos ter: 3.1. laminadores de perfis pequenos ou comerciais ou ainda perfis leves; 3.2. laminadores de perfis médios; 3.3. laminadores de perfis pesados; 3.4. laminadores de fio-máquina; 3.5. laminadores de tubos; 3.6. laminadores de chapas; 3.7. laminadores de tiras; 3.8. laminadores de rodas; 3.9. laminadores de esferas. 4. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CADEIRAS: O conjunto formado pelos cilindros de laminação, com seus mancais, montantes, suportes, etc. é chamado de cadeira de laminação. Vejamos quais os tipos mais comuns. 4.1. CADEIRA DUO COM RETORNO POR CIMA: Consiste em dois cilindros colocados um sobre o outro. Os cilindros são colocados na horizontal. O sentido de rotação não muda sendo que a peça laminada, ao passar entre dois cilindros, é devolvida para o passe seguinte, passando sobre o cilindro superior. Este tipo de laminador é o mais antigo e mais simples, sendo usado no passado na laminação de chapas e, ainda hoje, nas laminações de tarugos, trens contínuos de perfis pequenos e trens de fio-máquina. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 104

4.2. CADEIRA DUPLO DUO: Consiste em dois duos colocados em planos verticais paralelos e montados numa cadeira de laminação única. Utilizada na laminação de barras de aço especial. Não deve ser confundido com o laminador contínuo formado por cadeiras duo nãoreversíveis. (a) (b) Figura 5.8 - Cadeiras duo: (a) com retorno por cima e (b) duplo duo. 4.3 CADEIRA DUO REVERSÍVEL: É aquela em que o sentido de rotação dos cilindros do laminador é invertido após cada passagem da peça através do laminador. Empregado em laminadores desbastadores para lingotes grandes e trens de perfis. 4.4. CADEIRAS TRIO: Três cilindros são dispostos um sobre o outro na horizontal e a peça é introduzida no laminador passando entre o cilindro superior e o médio. Os cilindros nunca são reversíveis. Inicialmente o material a laminar era manuseado por meio de ganchos ou barras manuais para colocar o material na parte superior, porém, atualmente, utilizam-se mesas elevatórias ou basculantes. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 105

(a) (b) Figura 5.9 - (a) cadeiras duo reversível e (b) cadeira trio. Os laminadores ou cadeiras trio são usados em trens desbastadores para lingotes pequenos, trens de perfis (grandes, médios e pequenos), cadeiras acabadoras de trens de fio-máquina abertos. Uma outra variação do laminador trio convencional é o laminador Lauth, utilizado na laminação de chapas, onde o cilindro médio tem cerca de 2/3 do diâmetro dos outros dois cilindros. 4.5. CADEIRAS QUÁDRUO: Quando chapas largas são laminadas em trens duo ou trio, os cilindros, que necessariamente tem grande comprimento de mesa, tendem a fletir. Conseqüentemente, as chapas laminadas por este método não apresentam uma espessura uniforme no sentido transversal. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 106

Figura 5.10 - Disposição de cilindros na cadeira quádruo. Para evitar este defeito, foi criado o laminador quádruo no qual existem quatro cilindros, montados um sobre o outro na horizontal, sendo que os cilindros do meio, chamados cilindros de trabalho, são de menor diâmetro e os cilindros inferior e superior, chamados de cilindros de encosto ou apoio, são de maior diâmetro. Nos laminadores quádruo, as chapas grossas podem ser laminadas com espessura uniforne, porque os cilindros de apoio superior e inferior efetivamente suportam os cilindros de trabalho. São usados em laminadores aquente e a frio de chapas e tiras. Quanto menor for o diâmetro dos cilindros, menor será o atrito entre estes e o metal. Portanto, é necessário uma menor potência. Por outro lado, quando menor for o diâmetro, menor será a rigidez dos cilindros. As tensões originadas pela resistência do metal a deformação conduzem a flexão dos cilindros e por conseguinte conduzem a obtenção de um produto final mais espesso no centro do que nas bordas. Para manter inalterado o perfil dos cilindros, assume grande importância a questão do resfriamento. Mesmo com a utilização de cilindros de encosto, verifica-se ainda uma certa flexão dos cilindros de trabalho a qual é compensada pela coroa dos cilindros. A coroa é obtida usinando-se o cilindro com maior diâmetro no centro do que nas extremidades. Os cilindros de encosto podem não ser retificados com coroa. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 107

Quanto menor for o diâmetro dos cilindros de trabalho de um laminador, menor será a espessura que poderá ser obtida. Considerando-se este fenômeno, desenvolveu-se a utilização de laminadores com cilindros de trabalho de pequeno diâmetro para laminação de produtos de pequena espessura. O diâmetro dos cilindros influi também na força de laminação. Isto pode ser comparado com o corte de um determinado material por meio de 2 facas. Quanto mais finas (mais afiadas) forem as facas menor será a força a ser empregada para o corte. Portanto, com cilindros de pequeno diâmetro reduz-se a força de laminação e, como conseqüência, reduz-se também a deformação do laminador. 4.6. CADEIRAS UNIVERSAIS: Constitui uma combinação de cilindros horizontais e verticais, normalmente montados na mesma cadeira de laminação. É o caso dos laminadores desbastadores para placas. Verifica-se que deve ser observado um certo distanciamento entre o par de cilindros verticais e o par de cilindros horizontais. Os quatro cilindros, geralmente, possuem acionamento independente, mas sincronizado. Outra modalidade do laminador universal, é o construído com cilindros verticais não acionados, colocados entre os extremos dos cilindros horizontais e no mesmo plano vertical. A sua função é apenas garantir a uniformidade da seção do perfilado. É o caso do laminador Grey, para a produção de perfilados pesados tais como duplo T. 4.7. CADEIRAS COM CILINDROS AGRUPADOS Se a deflexão dos cilindros for muito grande, as altas tensões produzidas podem causar efeitos de fadiga e conduzir os cilindros a ruptura. Para aproveitar a vantagem da necessidade de menor potência com cilindros de pequeno diâmetro, foi projetado o laminador quádruo e a idéia foi estendida para a utilização de uma maior quantidade de cilindros, obtendo-se os denominados Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 108

laminadores agrupados, podendo-se destacar o laminador Sendzimir. Este laminador é muito caro, sendo utilizado para a laminação a frio e de acabamento para produtos para os quais se requer tolerâncias dimensionais mais estreitas. Um tipo de laminador não convencional, o laminador Sendzmir planetário utilizado) para o trabalho a quente, ganha cada vez mais popularidade na produção de tiras de aço de alta resistência e de aços-liga, inclusive de aço inoxidável. Este equipamento, através de pequenos cilindros giratórios, produz substancial redução de seção da tira e oferece a vantagem de produzir uma superfície com bom acabamento. Os rolos alimentadores aplicam uma pequena redução de espessura e empurram a placa contra o laminador planetário onde a maior parte da redução de espessura é realizada. Os cilindros de trabalho são posicionadas numa gaiola porta-cilindros (mancal de rolamento) que gira sobre o cilindro de encosto. (a) (b) Figura 5.11 - (a) cadeira universal; (b) laminador tipo Grey. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 109

(a) (b) Figura 5.12 - Tipos de laminadores com cilindros agrupados: (a) com 6 cilindros; (b) Sendzmir. Figura 5. 13 Foto de um laminador Sendzmir. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 110

05. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A DISPOSIÇÃO DAS DIVERSAS CADEIRAS DE LAMINAÇÃO: A classificação dos laminadores de conformidade com a disposição das cadeiras, é também usada nos meios técnicos. Assim, temos o trem em linha, consistindo de várias cadeiras Trio ou Duo, dotadas de um acionamento único. A ponta da peça laminada, ao sair de um passe, é virada", entrando no passe seguinte, no mesmo lado do laminador de onde saiu. Este processo de mudar a direção da peça é repetido de ambos os lados do laminador, tornando possível laminarse em várias cadeiras ao mesmo tempo. Assim, consegue-se evitar a queda da temperatura ao laminar peças compridas em seções de pequeno diâmetro, que resultaria se tivéssemos que fazer o material passar completamente por um passe antes de começar o passe seguinte. Evidentemente, para se ter a flexibilidade necessária para o "dobramento", a barra laminada deve ser de seção relativamente pequena. O laminador de vários grupamentos de cadeiras, com um trem preparador e um ou mais trens acabadores, representa uma solução lógica para a realização dos passes iniciais com velocidade mais baixa e seções maiores, e dos passes acabadores com menores reduções e velocidades mais elevadas, para compensar a redução de seção e obter melhor superfície. Desta forma, podemos classifica-los em: 5.1. TRENS CONTÍNUOS Consiste de uma série de cadeira Duo, com cilindros girando no mesmo sentido, colocados no mesmo eixo de laminação e com pequeno afastamento entre as cadeiras. O material é trabalhado ao mesmo tempo entre vários pares de cilindros, cuja velocidade periférica aumenta proporcionalmente, para compensar a redução de seção. É o tipo de instalação destinada a grandes produções e programas de laminação relativarnente pouco variados. 5.2. TREM CROSS-COUNTRY: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 111

Assim chamado pela disposição escalonada das cadeiras do laminador. A peça, ao ser laminada, faz um trajeto de zigue-zague. Este tipo de laminador tem grande flexibilidade de programa de laminação, com uma produção horária, relativamente alta. 5.3. LAMINADORES DE TUBOS: São de muitos tipos diferentes: em alguns, a seção inicial é uma barra chata ou chapa de aço que é aquecida à temperatura de caldeamento; em outros ela é trabalhada a frio. Os tubos soldados por caldeamento de tôpo (butt-welded) são produzidos repuxandose uma peça do material através de um sino ou fieira. Os tubos com costura são formados a partir de chapas aquecidas, e a costura obtida pela pressão mecânica. Figura 5.14 Laminação de tubos com costura Os tubos sem costura são produzidos a partir de tarugos aquecidos e perfurados, de tarugos inteiriços, ou ainda, a partir de roletes aquecidos (slugs). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 112

Figura 5.15 Laminação de tubos sem costura, utilizando mandril e tarugos inteiriços (processo Mannesman) Figura 5.16 - Disposições de cadeiras de laminação formando trens: (a) simples; (b) aberto ou em linha; (c) em série; (d) contínuo; (e) e (f) semicontínuo; (g) ziguezague ou alternado. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 113

O processo de produzir tubos a partir de roletes (slugs) é chamado de estampagem, pois uma seção circular é aquecida e prensada através de uma série de matrizes, até se chegar à forma ou tamanho desejados. 5.3 - ÓRGÃOS MECÂNICOS DE UM LAMINADOR Um laminador consiste essencialmente, de duas gaiolas para suportar os cilindros, de dois ou mais cilindros e os meios para o seu acionamento e para controlar a abertura entre os cilindros de trabalho. Além disso, deve-se considerar as várias instalações de transporte das peças a laminar, os meios de lubrificar o equipamento e os de remover a camada de óxido. 1. GAIOLA: A gaiola do laminador é, em geral, uma peça de aço fundido, cujas dimensões são determinadas com um coeficiente de segurança bastante grande, como pode ser visto na figura 5.17. As duas gaiolas são ligadas entre si na parte superior por um cabeçote fundido ou, perto da base e do topo, por meio de tirantes forjados. No caso de laminadores de precisão, a deformação das cadeiras resultante das pressões de laminação, deve ser a menor possível, para que o material não ultrapasse as tolerâncias exigidas. Para reduzir a um mínimo o alongamento das gaiolas, uma das soluções é construí-ias com grandes seções, de modo que a solicitação específica (pressão por cm 2 ) seja a menor possível, ou então, empregam-se as gaiolas protendidas. As principais vantagens das gaiolas protendidas são: 1. a altura total da cadeira é menor e, portanto, a dilatação (que é proporcional ao comprimento tracionado) é menor; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 114

2. a pressão que atua sobre todos os elementos da cadeira durante a marcha em vazio (sem estar laminando o material) reduz a folga entre eles, melhorando, portanto, a precisão de laminação. A protensão de uma gaiola é obtida do seguinte modo: Tomando-se como referencia a figura 5.19 a pressão hidráulica é exercida sobre os pistões dos cilindros hidráulicos (15) que sob o efeito dos tirantes (3) se alongam; por intermédio do sistema de regulagem, os mancais do cilindro superior (2) são ajustados na distância desejada em relação ao cilindro inferior; sendo retirada a pressão hidráulica, os tirantes se encurtam e todos os elementos colocados entre as extremidades dos tirantes ficam sujeitos a uma forte pressão; a medida que os cilindros de trabalho se desgastarem e for necessário reajustar a distância entre os cilindros, é novamente exercida pressão hidráulica sobre os cilindros (15), os eixos (3) são forçados a se alongarem e o sistema de regulagem pode assim ser movimentado. Depois retira-se a pressão hidráulica e a gaiola continua trabalhando com a mesma protensão. A gaiola protendida tem a vantagem adicional de manipulação mais fácil, pelo fato de seu peso e dimensões serem menores, nos casos onde é necessário trocar rapidamente uma cadeira completa, como por exemplo, na mudança de um programa de laminação para o outro. Para assegurar a horizontalidade dos cilindros, as bases das gaiolas são apoiadas sobre uma placa usinada de ferro fundido ou de aço e fixados por parafusos. A abertura na gaiola através à qual passa o pescoço do cilindro é a "janela", normalmente revestida de placas de desgaste, que se pode trocar depois de certo tempo de uso, quando ficarem amolgadas ou danificadas. A parte inferior da janela serve de apoio para o mancal do cilindro inferior que, em grandes laminadores, geralmente é estacionário e nos pequenos laminadores é ajustável por meio de parafusos verticais ou de cunhas horizontais. Através o tôpo da gaiola, passam os parafusos para controlar a elevação do cilindro superior. Em pequenos laminadores, estes cilindros são ajustados manualmente; no. grandes, por meio de mecanismo de ajustagem motorizado. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 115

2. PLACAS DE APOIO: Para assegurar a horizontalidade dos cilindros, os pés da gaiola são apoiados sobre uma placa usinada de ferro fundido ou de aço e fixados por parafusos de cabeça quadrada. Figura 5.17 Seção de um laminador desbastador, acionado por um único motor. Observe-se a caixa de pinhões e as arvores de transmissão, dotadas de juntas universais, que transmitem esforços de rotação aos cilindros. Figura 5.18 - Detalhe de uma caixa de pinhões e um redutor simples constituidos por um conjunto de engrenagens. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 116

01 - Guarda lateral; 02 - Pistões hidráulicos do sistema de balanceamento do cilindro de encosto superior e work roll bending; 03 - Cápsula hidráulica; 04 - Motor do parafuso elétrico; 05 - Dial de visualização; 06 - Parafuso elétrico; 07 - Carrie beam; 08 - Rolo tensor (looper); 09 - Cilindro de trabalho (work roll); 10 - Tranquete; 11 - Calço móvel (soft line); 12 - Calço fixo (hard line); 13 - Célula de carga; 14 - Mancal morgoil; 15 - Cilindro de encosto (backup roll). Figura 5.19 - Vista lateral da cadeira de laminação, com detalhes dos componentes para sustentação e posicionamento dos cilindros. Figura 5.20 - Equipamentos constituintes de um laminador, destacando-se o sistema de acionamento e troca dos cilindros: (01) carro de troca dos cilindros de trabalho; (02) cilindros de trabalho (reserva); (03) parafuso elétrico; (04) cápsula hidráulica; (05) chapa de desgaste (bronzina); (06) árvore de ligação (spindle); (07) caixa de pinhões; (08) caixa de redução (F1 e F2); (09) motor. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 117

5.4 - CILINDROS DE LAMINAÇÃO: Os cilindros de laminação são em geral, peças inteiriças, fundidas ou forjadas. A parte central do cilindro, o "corpo" ou a "face" deste, é que entra em contato com o aço durante a "operação de laminar. Pode ser lisa ou, então, dotada de canais; em alguns casos pode ser entalhada para facilitar a mordida na laminação a quente, ou jateada por granalha metálica, para propiciar um acabamento fosco no produto final. Em cada extremidade, estão os "pescoços" que se apóiam nos mancais. Os pescoços podem ser cilíndricos ou cônicos. Além do pescoço fica o "trêvo", que recebe o acoplamento para rotação. Pode ser acoplado à caixa de pinhões ou a um outro cilindro da cadeira ao lado e podem ser de 4 ou. 5 abas. Os laminadores modernos utilizam juntas universais; para estas, o "trêvo" é substituido por uma seção adequada ao desenho do acoplamento. Figura 5.21 - Principais partes de um cilindro de laminação. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 118

Figura 5.22 Esquema mostrando partes de um cilindro de laminação com pescoço cilíndrico e garfo de acloplamento (acima), e pescoço cônico com munhão de aclopamento. As principais características que definem a qualidade de um cilindro de laminação são as seguintes: 1. dureza; 2. resistência ao desgaste da mesa; 3. resistência à ruptura por ocasião de uma eventual sobrecarga; 4. baixa sensibilidade à formação de trincas térmicas; 5. boa superfície. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 119

5.4.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS CILINDROS: São produzidos em uma enorme variedade de materiais, desde o aço simples com 0,50% de carbono, passando pelos ferros fundidos especiais e nodulares, até os carbo netos de tungstênio. Os cilindros podem ser fundidos com a mesa lisa ou com a mesa já esboçada para facilitar a usinagem dos canais. Os cilindros em aço, que podem ser ou fundidos ou forjados, são mais indicados onde aplicam-se fortes reduções, com canais fundamente entalhados nos cilindros. Mediante o emprego de elementos de liga e de tratamentos térmicos adequados podese conseguir altas durezas e resistências adequadas com cilindros de aço. O teor de carbono varia de 0,35 a 1%. Os principais elementos de liga são o cromo, o níquel e o molibdênio. Os cilindros de ferro fundido são de: ferro fundido cinzento moldado em areia; ferro fundido cinzento moldado em coquilha; ferro fundido tratado termicamente; ferro fundido de dupla fusão; ferro fundido nodular. O teor de carbono varia de 2,5 a 3%. Em alguns tipos são utilizados elementos de liga tais como níquel cromo e molibdênio. Apresentam melhor resistência ao desgaste do que os de aço. No entanto, sua resistência à ruptura é menor, não suportando grandes reduções por passe. São usados como cilindros preparadores ou acabadores em diversos tipos de trens de laminação, como mostraremos a seguir. Podemos classificar os cilindros como: 1. CILINDROS DE AÇO FUNDIDO: Apresentam resistência ao desgaste relativamente pequena mas, devido à sua alta resistência à flexão, permitem grandes reduções em cada passagem. São usados; principalmente, nos laminadores desbastadores, nas primeiras cadeiras de laminadores Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 120

de tiras a quente e como cilindros de encosto nos laminadores planos aquente e a frio. Podem também ser empregados como cilindros preparadores. 2. CILINDROS DE AÇO FORJADO: Apresentam melhor resistência ao desgaste. São usados principalmente como cilindros de trabalho de laminadores a frio. 3. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO EM MOLDES DE AREIA: São empregados como cilindros acabadores de trens de grandes perfis e trens comerciais, bem como cilindros preparadores de trens de perfis médios. 4. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO COQUILHADO: Possuem uma camada exterior dura, com grande resistência ao desgaste podendo gerar produtos com bom acabamento superficial. O núcleo, no entanto, é mais tenaz e possui boa resistência à ruptura. Podem ser usados em cadeiras acabadoras de trens de fio-máquina, de trens de pequenos perfis, e em laminadores desbastadores. 5. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO NODULAR: Além de terem boa resistência ao desgaste, apresentam resistência à ruptura maior que os outros cilindros de ferro fundido cinzento. Podem ser usados em cilindros de laminadores de tarugos e cilindros intermediários de trens de fio-máquina. Quando um esboço aquecido é laminado, uma parte de seu calor é transmitida aos cilindros, provocando o aquecimento destes. Como este aquecimento não é regular ao longo da mesa, formam-se as 'trincas térmicas' que marcam (danificam) os cilindros podendo, inclusive, provocar sua ruptura. Estas trincas podem, no entanto, ser evitadas ou atenuadas mediante um resfriamento adequado dos cilindros. Realiza-se o resfriamento lançando água sobre a mesa dos cilindros. A quantidade de água a ser utilizada depende de vários fatores como: a - comprimento do esboço a ser laminado: quanto mais comprido for o esboço mais intenso deverá ser o resfriamento; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 121

b - velocidade de laminação: quanto maior a velocidade, maior deverá ser a quantidade de água a ser utilizado no resfriamento; c - forma do canal: canais profundos exigem um melhor resfriamento; d - material de construção dos cilindros: quanto mais duros forem os cilindros, mais eficiente deverá ser o resfriamento. Na operação de um laminador, deve-se procurar evitar um aquecimento ou resfriamento brusco dos cilindros. Estas mudanças rápidas de temperatura produzem 'choques térmicos' que podem provocar trincas ou mesmo a ruptura do cilindro. Quando a operação do laminador for interrompida deve-se cortar a água de resfriamento, caso contrário ocorrerá um choque térmico no reinício da operação. Apesar de ser fundamental em todos os tipos de laminadores, é na laminação de chapas (principalmente nos cilindros acabadores) que o resfriamento assume importância ainda maior, pois, pode influir na uniformidade da espessura da chapa. Este aspecto será abordado por ocasião do estudo dos laminadores de produtos planos. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 122

5.5 LAMINAÇÃO A QUENTE. A maioria dos produtos laminada de aço é fabricado por um dos dois caminhos descritos a seguir, ou seja, produção de perfis, tarugos e barras (produtos não-planos ou produtos longos) ou produção de chapas, tiras e folhas (produtos planos). A figura (5.23), mostra uma representação esquemática do processamento de diversos produtos laminados, e a figura (5.24) mostra aplicações típicas deste produtos. Figura 5.23 Representação do processamento de diversos produtos laminados. Como pode ser observado, existem dois pontos iniciais distintos na laminação: ou parte-se do lingote obtido por lingotamento convencional na aciaria, ou parte-se das placas ou blocos do lingotamento contínuo também na aciaria. Quando o produto inicial é um lingote, existe a necessidade de um laminador primário, também conhecido pelo nome de laminador desbastador, onde os lingotes são transformados em blocos ou placas para subseqüente acabamento em barras, perfis, chapas. tiras e folhas. Depois da obtenção das placas ou dos blocos no laminador primário, estes dois semi- acabados serão acabados de maneiras diferentes. As placas serão reaquecidas nos fornos de reaquecimento e poderão seguir por dois caminhos distintos: ou são encaminhadas a um laminador de chapas grossas onde a Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 123

espessura da placa será reduzida, ou são encaminhadas para o laminador de tiras a quente onde serão obtidas as bobinas de tiras laminadas a quente. As bobinas de tiras laminadas a quente podem por sua vez, seguir vários caminhos distintos: podem ser utilizadas na fabricação de tubos sem costura, por diversos processos; podem servir de matéria-prima para o laminador de tiras a frio obtendo-se assim chapas e tiras laminadas a frio com ou sem revestimentos superficiais; podem servir de matéria-prima para os laminadores a frio tipo Sendzmir para o caso de aços especiais (inoxidáveis, ao silício, etc.) onde obteríamos as folhas ou fitas laminadas. As tiras ou chapas oriundas do laminador de tiras a quente podem também ser utilizadas para a fabricação de peças dobradas, rodas, vigas, vasos de pressão, etc. Para o caso dos tarugos, estes podem seguir três caminhos distintos: para os laminadores de perfis (leves, médios ou pesados) onde obteríamos os perfis estruturais e os trilhos; para os laminadores de barras ou de fios, onde se chegaria aos diversos tipos de barras e aos fios- máquina; para os laminadores de tubos sem costura. Normalmente, todas as etapas de laminação de tarugos até o produto final é feita aquente. Figura 5.24 Esquema mostrando aplicações típicas deste produtos. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 124

6 OUTROS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO A seguir serão apresentados outros processos de conformação [73]. Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: É uma operação de conformação em matriz fechad, normalmente executada a frio, na qual todas as superfícies de trabalho são confinadas ou restringida, resultando numa impressão bem definida ba matriz no componente. Ë tambem uma operação de acabamento ou retrabalho para afiar ou mudar um raio ou perfil existente. Prensa ou martelo Aços carbono ou ligados, aços inoxidáveis, ligas resistente ao caor, ligas de alumínio, cobre, prata e ouro Cunhagem sem rebarbas, cunhagem com rebarbas, cunhagem em matriz fechada, conformação dimensional (calibragem) Moedas metálicas, itens decorativos, medalhas, botões, etc. Figura 6.1 - Cunhagem Definição: Equipamento: Material: Aplicações: É o processo de conformação a quente no qual uma barra redonda é aquecida elétricamente e pressionada contra uma cavidade ou uma matriz plana Recalcadoras elétricas Aços carbono ou ligados, titânio. Em pré-conformações ou conformações finais. Figura 6.2 Eletro-recalque Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 125

Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: É um processo no qual uma endentação ou cravação é realizada num bloco quente ou frio através de um punção de área menor do que o bloco. Prensas mecânicas ou hidráulicas. Aços carbono ou ligados. Endentação ou cravação de matrizes. Fabricação de matrizes e moldes com impressões relativamente rasas. Figura 6.3 Endentação (a) em uma câmara e (b) sem restrição. Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: É um processo de conformação para dentes de engrenagens, num tarugo quente ou frio, através de laminação entre rolos laminadores com formato de roda dentada. Maquina laminadora de engrenagens. Aços carbono ou ligados. Laminador de roscas, laminador de rodas dentadas de corentes. Engrenagens, rodas dentadas. Figura 6.4 Laminação de engrenagens. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 126

Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: É um processo de forjamento(a quente ou a frio) em matriz fechada no qual se usam pré-formas de pós-metálicos sinterizados (metalurgia do pó). Prensas mecânicas ou hidráulicas. Aços carbono ou ligados, aços inoxidáveis, ligas de cobalto, alumínio, titânio e niquel. Conformação em matriz fechada com ou sem rebarba. Para forjamento de peças para automóveis, caminhões e veículos fora de estrada. Figura 6.5 Forjamento de sinterizados. Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: É um processo de conformação, a quente ou a frio, mo qual se pode produzir componentes na forma de prato, combinando-se rotação e pressão, reduzindo a espessura inicial do blank. Máquina de repuxo por torneamento. Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio, cobre e titânio. Conformação cônica,conformação e tubos, laminação/extrusão. Componentes empregados na industria aeroespacial, tais como ogivas de mísseis e foguetes. Figura 6.6 Repuxo por torneamento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 127

Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: Neste processo, a platina é presa entre um diafragma, o qual encerra uma câmara com um fluido, e um prensa-chapas. Um punção prensa a chapa contra a câmara fluídica, conformando a chpa em torno do punção com pressão isostática. Prensas hidráulicas de dupla ação, máquinas especiais. Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio. Técnica Hi-Drawa processo Marform. Componentes com recesso profundo, com ou sem flanges. Figura 6.7 Hidroconformacao com diafragma de borracha. Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: É um processo empregado para redução de área, ou perfil, de secção transversal de barras, tubos, arames, a quente ou a frio, puxando o tarugo através de um orifício. Bancadas de trefilação, máquinas de trefilação de arames. Aços carbono ou ligados, aços inoxidáveis, ligas de cobres, alumínio, titânio, nióbio tungstênio, tântalo e cobalto, berílio, níquel e cromo. Trefilação de barras, arames, perfiz, tubos com mandril estacionário ou com espiga flutuante. Barras, tubos, arames redundos ou com secções complexas. Figura 6.8 Trefilação. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 128

Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: Éste processo produz uma curvatura na chapa, barra ou outra secção usando trea cilindros com distancia ajustável Prensas mecânicas ou hidráulicas. Aços carbono ou ligados, aços inoxidáveis, ligas de cobalto, alumínio, titânio e niquel. Conformação em matriz fechada com ou sem rebarba. Para forjamento de peças para automóveis, caminhões e veículos fora de estrada. Figura 6.9 Calandragem. Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: Escareamento por prensagem é um processo no qual se produz um recesso cônico em volta de um furo numa chapa para alojar a cabeça de um parafuso ou rebite. É muito comum em chapas muito finas para a produção de um furo scareado por usinagem. Máquinas especiais para escareamento e prensagem. Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio e titânio superligas de ferro, níquel, cobalto, berílio e tungstênio. Escareamento de raio e em forma de moeda, flangeamento. Componentes de chapa fina que necessitam do embutimento de cabeças de parafusos ou rebites. Figura 6.10 Escareamento por prensagem. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 129

Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: Neste processo uma pressão é aplicada ao interior de um componente tubular para este adquira uma forma particular. Esta pressão interna pode ser aplicada através da expansão de um punção fluídico ou de borracha. Prensas mecânicas ou hidráulicas. Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio. Conformação de matriz, conformação livre, expansão por abaulamento, expansão por esferas de aço, expansão por fluido, por explosão. Contornos de tubos ou cápsulas. Figura 6.11 Abaulamento de tubos. Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: O componente é formado pela aplicação direta de um intenso campo magnético que força a chapa contra a cavidade de uma matriz. O campo magnético é conseguido pela passagem de corrente através de uma bobina. Equipamento especial. Materiais magnéticos. Conformação por descarga elétrica. Em componentes com recessos rasos, partes tubulares. Figura 6.12 Conformação eletromagnética. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 130

Definição: Equipamento: Material: Variações: Aplicações: Neste processo, o componente é conformado pela aplicação instantânea de alta pressão obtida pela detonação de uma carga explosiva. Equipamento especial para conformação por explosão. Ligas de alumínio. Conformação por descarga elétrica. Conformação de tubos com finíssima parede que requerem tolerância apertada. Figura 6.13 Conformação por explosão. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 131

7 FUNDAMENTOS DA CONFORMAÇÃO APLICADOS A LAMINAÇÃO 7.1 INTRODUÇÃO Inicialmente, as operações de laminação tinham como único objetivo atender as dimensões desejadas do laminado. Entretanto, desde os anos 50, tem-se percebido que tanto a temperatura final do laminado após o último passe, quanto o grau de redução aplicado no mesmo afetam significativamente as propriedades físicas do produto. Desta forma, em muitos processos de laminação a quente, muitas operações são realizadas de modo a se alcançar uma temperatura final que faz com que se obtenha as propriedades físicas desejadas no produto. Estas operações são chamadas de laminação controlada e mais recentemente de tratamentos termomecânicos[1]. Devido a forte relação entre as mudanças microestruturais e as propriedades mecânicas do aço durante a laminação à quente e no resfriamento dos aços, a partir da última década estudos tem sido feitos no sentido de se desenvolver modelos que levem em consideração propriedades físico-químicas e metalúrgicas do aço e também variáveis operacionais, com o objetivo de se otimizar o processo de laminação [2]. O controle das propriedades mecânicas do aço durante a laminação contribui para a redução de custos devido a menor necessidade de adição de elementos de liga no refino do aço e redução de tratamentos térmicos posteriores, visando melhorar suas propriedades mecânicas. Além disso, um controle computacional microestrutural reduzirá o número de amostragens e conseqüentemente aumentará a produtividade da laminação. 7.2 - PARÂMETROS DA LAMINAÇÃO 7.2.1 - Os principais parâmetros que afetam a resistência à deformação na laminação são [9]. 1- Composição química do material Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 132

2- Características metalúrgicas do material, 3- Temperatura do material 4- Geometria da zona de deformação, 5- Atrito externo na zona de deformação, 6- Material trabalhado duramente antes do passe de laminação em consideração, 7- Taxa de deformação. O atual estado da arte na teoria de laminação, não permite se obter uma relação analítica entre a resistência a deformação e os parâmetros acima listados. A solução prática para o problema foi em realizar testes na forma de duas etapas. A primeira etapa consiste em se determinar às características das medidas de escoamento do material a partir de testes feitos em laboratório ou na planta industrial sob condições controladas. A segunda etapa consiste em se obter uma correlação entre a resistência à deformação com as condições de laminação e as características das medidas de escoamento obtidas nos testes feitos na primeira etapa [9]. 7.2.2 - A resistência à deformação de um material laminado é dada por [9]: K def = P / F d + ( β 5. τ 1 + β 2.τ 2 ) (7.1) onde, K def = resistência à deformação, P = força de separação do cilindro, F d = área de trabalho projetada entre o cilindro e o material sendo laminado, τ 1,τ 2 = tensões de entrada e saída da tira, respectivamente, β 1,β 2 = coeficientes das tensões de entrada e saída da tira, respectivamente. A força de separação do cilindro pode ser determinada, se a distribuição de pressão P x na zona de deformação for conhecida [9], veja fig.7.1 e 7.2. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 133

I d α P = p. dx = R. θ. dθ 0 x 0 P (7.2) Onde: p x = pressão normal à distância x a partir do plano de saída, pθ = pressão no cilindro no ângulo θ, I d = arco de contato projetado entre o cilindro e o material, α = ângulo de mordida do cilindro, R = Raio do cilindro de trabalho A área de trabalho projetada entre o cilindro e o material sendo laminado é dada por: F d = W.I d (7.3) Onde, W = largura média do material, Quando a deformação do cilindro não pode ser ignorada, a área projetada do arco de contato é expressa por: I d = L = ( R.Δ - Δ 2 /4 ) 1/2 ( R.Δ ) 1/2 (7.4) R = raio do cilindro com deformação durante o trabalho, Δ = h 1 h 2 Para o caso em que a deformação do cilindro é desprezada, é expressa da seguinte forma: I d = L = ( R.Δ - Δ 2 /4 ) 1/2 ( R.Δ ) 1/2 (7.5) Se os raios dos cilindros não forem iguais, as equações 7.4 e 7.5 devem utilizar o raio médio, que é dado por: R m = (2R 5. R 2 ) / (R 1 + R 2 ) (7.6) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 134

R 1 e R 2 são os raios do primeiro e segundo cilindros. O raio corrigido do Cilindro de Trabalho (R ) pode ser determinado da seguinte forma[1,9]: R ' C. P = Ri. 1 + W. Δh (7.7) Onde: Ri raio inicial do cilindro de trabalho, mm, P carga aplicada sobre o cilindro, ton, W largura inicial do material, mm, Δh - Δh = h1 h2, 2 16( 1 υ ) C - = C (7.8) π. Ε ν - razão de Poisson, Ε - módulo de Young para o cilindro de trabalho. Fig.7.1 Distribuição normal da pressão e das forças de separação nos cilindros. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 135

Fig.7.2 Parâmetros da zona de deformação[9]. 7.2.3 - Expressões da Taxa de Deformação do Material ( ε ) Alguns pesquisadores desenvolveram expressões que permite calcular a taxa de deformação, listaremos aqui algumas destas expressões. Solução de Ford e Alexander [10]. A taxa de deformação em qualquer plano da zona de deformação é dada por: ε = (π.u / 30)(R/h 1 ) 1/2.(1 + r/4 )(r) 1/2 (7.15) U = Velocidade periférica do cilindro em rpm, R = Raio do cilindro de trabalho, r = Grau de redução r = (h 1 h 2 ) / h 1. Solução de Sims [7]. A taxa de deformação em qualquer plano da zona de deformação é dada por: ε = (π.u / 30)(R/h 1 ) 1/2.1/(r) 1/2 ln[1 / (1-r)] (7.16) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 136

Solução de Orowan e Pascoe [11]. A taxa de deformação média é dada por: ε = (π.u / 30)(R/h 1 ) 1/2.[(1 0,75.r) /(1 - r)](r) 1/2 (7.17) Solução de Wusatowski [12]: A taxa de deformação média é dada por: ε = (π.u / 30)(R/h 1 ) 1/2. [ r /(1-r) ] 1/2 (7.18) A taxa de deformação do material também pode ser calculada da seguinte forma[8]: ε h deformação _ hom ogenea _ no _ passe ε = = (7.19) t tempo _ de _ aplicação _ da _ deformaçâo 7.2.4 - Deformação efetiva do material. Levando em consideração as espessuras de entrada e saída, a deformação efetiva (ε) do material é a deformação homogênea (ε h ) multiplicada pelo critério de Von Mises ( 2 3), é dada por[8,73]: ε 2 2 = ε h1 h, ou seja: ε = ln (7.20) 3 3 h2 7.2.5 - Tempo de aplicação da deformação (t) [8]. O tempo de aplicação da deformação é aproximadamente igual ao tempo necessário para que o cilindro se mova de uma distância angular α como mostrado na fig.7.2. Nota-se que a distância angular α coincide com os pontos de entrada e saída do material. Então, o tempo pode ser equacionado da seguinte forma: t α 60. 2π U = (7.21) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 137

Onde: U velocidade do cilindro em RPM, α - ângulo de contato do material com o cilindro, rad. h1 h2 α = arccos 1 ' (7.22) 2R Desta forma, substituindo as equações 7.20 e 7.21 na equação 7.19, tem-se então a taxa de deformação homogênea do material durante o passe, dada por: π. 3. U ε = 45. α h1 ln h2 (7.23) 7.2.8 - Fator de deslizamento à frente Para se ter valores exatos da taxa de deformação e do tempo entre passes, a velocidade de saída da tira em cada passe deve ser estimada precisamente. Sabe-se que a velocidade de saída da tira é maior do que a velocidade tangencial do cilindro de trabalho. Usando-se equações de fluxo de massa é possível se chegar a um fator de deslizamento à frente em função do ângulo neutro, do raio do cilindro de trabalho, da espessura de saída do material e da velocidade tangencial do cilindro de trabalho [5]. Tomando-se como referencia a fig.7.3, a velocidade da tira no ponto neutro (Vr)é igual a velocidade tangencial do cilindro que está em função da velocidade angular (U). Vr = 2.π.R.U (7.29) Aplicando-se a equação de fluxo de massa no ponto neutro, tem-se: ' 2R Ve = Vr 1 + cosφn 1 n h2 ( 1 cosφ ) (7.30) Onde, Ve = Velocidade de saída da tira φn = Ângulo neutro. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 138

O ângulo neutro em radianos, onde se vê na fig.7.2 como θ n, pode ser obtido da seguinte forma: 1/ 2 1/ 2 1/ 2 h2 π h2 1 r φ n = ( ) +. tan.ln 1 r arctan (7.31) ' ' R 8 R 2 1 r Denominando-se de fator de deslizamento (λ) como sendo igual a: Então: λ 2 R ' cosφn 1 h2 ( 1 cosφn) = (7.32) Ve = Vr(1 + λ) (7.33) Denominando-se de fator de deslizamento à frente (λf) como: λf = 1 + λ (7.34) Então e expressão da velocidade de saída da tira corrigida pelo fator de deslizamento à frente é dada por: Ve = Vr.λf (7.35) Fig.7.3 Esquema que mostra a geometria da laminação no ponto neutro [5]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 139

7.3 - EQUAÇÕES DE FLUXOS TÉRMICOS NA LAMINAÇÃO A previsão da temperatura do material que está sendo laminado é parte essencial na tecnologia de laminação. Pelo uso de modelos matemáticos capazes de realizar tais previsões, técnicas de controles automáticos podem ser empregados para estabelecer set-ups e seqüências de operações antes da laminação iniciar. Isto é desejável não somente para melhorar a eficiência da laminação (por exemplo minimizar o número de passes em um laminador reverso), mas também para se atingir as propriedades metalúrgicas e físicas desejadas do produto final. Em muitos processos de laminação, a temperatura do material é controlada por sprays de água, isto é particularmente importante na laminação controlada onde certas faixas de temperaturas finais são especificadas. Entretanto, os sprays também são utilizados para a retirada de carepa e para o controle ou remoção de finas partículas de óxidos que são geradas na alta velocidade de laminação do material[1]. 7.3.1 - Calor Gerado Dentro do Material Durante a Laminação. A energia térmica no material antes de entrar no laminador pode ser adquirido das seguintes formas: a) pela deformação plástica do material, b) pelo efeito do atrito na mordida do cilindro de laminação, c) pela oxidação ou formação de carepa na superfície do material e d) pelas mudanças nas propriedades físicas e metalúrgicas que ocorrem no material. Uma maneira de se calcular o aumento de temperatura devido à deformação plástica no passe é dada por [14]: 1 P. εt Δ TDEF = (7.36) Atd W. ld. ρ. c aço aço Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 140

onde: ΔT DEF - aumento de temperatura devido à deformação plástica; Atd equivalente térmico da deformação; ld comprimento do arco de contato; ρ aço massa específica do aço; c aço calor específico do aço. Com respeito ao aumento de calor devido à mordida do cilindro, isto ocorre somente na superfície e a temperatura média da tira que esta sendo laminada será inversamente proporcional a espessura da mesma. A oxidação superficial do material durante a laminação é uma reação exotérmica e a sua taxa de geração de calor depende de alguns parâmetros tais como, temperatura do material e espessura da camada de óxido(ou velocidade de formação de carepa). De maneira análoga ao atrito de mordida do cilindro, o aumento na temperatura média do material que está sendo laminado é inversamente proporcional a espessura do mesmo No caso do calor gerado durante as transformações metalúrgicas que ocorrem no aço, são devido às reações que ocorrem no estado sólido e que está associado à decomposição da estrutura austenítica em ferrita e cementita. Este calor gerado é diretamente proporcional ao teor de carbono no aço e pode variar de 215 até 950 cal/g [1]. 7.3.2 - Resfriamento do Material Durante a Laminação Inicialmente, a perda de calor do material é devido: a) por condução diretamente para o cilindro de trabalho, b) por radiação, c) pelo ar (convecção), Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 141

d) pela água, e) por condução dentro do próprio material. O calculo da queda de temperatura devido à condução de calor pelo cilindro de trabalho é dada por [14]: ( Te Tcil). 9 2. Hac. ld. W.10 Δ TAC = (7.37) Vac. ρaço. caço ΔT AC - queda de temperatura média do material pelo arco de contato Tcil temperatura do cilindro de trabalho; W largura do material, Vac vazão do material no arco de contato no passe; Te temperatura de entrada do material no passe. Vac = h2.w.vr.36.10-7 (7.38) b3 Hac = 2. tac ψ ez 1 + z 2 π (7.39) b 3 λaço. ρ aço. caço = (7.40) 2. λcarepa. tac z = (7.41) b3. Scarepa b 3 efusividade térmica, λ aço condutividade térmica do aço, λ carepa - condutividade térmica da carepa, S carepa espessura de carepa. t ac tempo de aplicação da deformação no arco de contato em horas Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 142

4 1 2! 4! 6! ψ ez =. 1 + + LL (7.42) π 2 2 4 6 ( 2z) ( ) ( ) ( ) 1!. 2z 2!. 2z 3!. 2z Com relação a perda de calor por radiação, a perda de calor por radiação também pode ser calculada por [14]: 4 2. ε m. σ SB. θ S. tip Δ TRAD = ρaço. caço. h2 (7.43) t ip Tempo entre passes ΔT RAD - Queda de temperatura devido à perda de calor por radiação θ S Temperatura de saída em Kelvin, θ S = T SAIDA + 273 σ SB constante de Stefan-Boltzmann, σ SB = 1,356.10-12 cal/cm 2.s.K 4 ε m emissividade do aço, ε m = 0,8 A queda de temperatura devido à perda de calor por convecção (ar) pode ser determinada pela seguinte expressão: - ΔT AR [14] ΔTAR = ( T T ). 2α ar. t ip ρ. c. h2 1 aço aço AR e (7.44) 0,8 ρ Ve 0,8 0,0284.. ar α ar = λar ar W 0,2 (7.45) μ ΔT AR - queda de temperatura devido à perda de calor por convecção λ ar condutividade térmica do ar, ρ ar massa específica do ar, μ ar viscosidade do ar. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 143

Geralmente a perda de calor por convecção pelo ar é desprezada, por ser muito pequena comparada com perda devido a resfriamento com água. Entretanto, para uma temperatura superficial na faixa 800 a 900 0 C, o coeficiente de transferência de calor se situa na faixa de 80 a 90 kcal/m 2 /h/ 0 C[16]. Para uma convecção natural com o ar de superfícies planas do lado superior, a expressão da perda de calor é dada pela equação 7.46 e para o lado inferior pela equação 7.47 é, para a área superficial total esta sendo laminada [17]. ΔT SUP AR = 0,35T 0,25 em BTU/h/ft 2 (7.46) ΔT AR INF = 0,2T 0,25 em BTU/h/ft 2 (7.47) O resfriamento da superfície dos aços a altas temperaturas pela água utilizando-se sprays e jatos laminar tem sido estudados por muitos pesquisadores. Os resultados são apresentados em termos diferentes, tal como intensidade de resfriamento (BTU/hora/ft 2 ) e eficiência do spray (BTU/lb de água) e também pelo coeficiente de transferência de calor convencional (BTU/ft 2 /hora/ 0 F). A eficiência do spray é simplesmente a transferência de calor por unidade de água de resfriamento, e é uma medida que efetivamente mostra a remoção de calor pelo spray [18]. A queda de temperatura devido à condução de calor pela ação da água também pode ser calculada da seguinte forma: Na região dos sprays de água, pode-se estimar a queda de temperatura pela seguinte expressão[14]: ΔT AGUA ( Te T ) 4.λaco. agua t agua = (7.48) b π 3 ΔT AGUA - Queda de temperatura devido à t agua tempo de contato da água [seg], condução de calor pela ação da água λ aço condutividade térmica do aço Te temperatura de entrada no passe [ o C], [cal / cm.s. o C] T agua temperatura de entrada da água do spray antes do passe [ o C], Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 144

onde, 5 2 = 2,572.10.Te + (7.49) λaco 4,019.10 b 3 = λaço.ρaço.caço (7.50) ρ aço 8050 0,5.Te = (7.51) 1000 587,8 + 0,0683.Te C aço = (7.52) 4180 b 3 efusividade térmica ρ aço massa específica do aço em [g/cm 3 ], c aço calor específico do aço [Kcal/Kg.grau, ou cal/g.grau]. 7.3.3 - Fluxo de Calor no Cilindro de Trabalho. As entradas de calor no cilindro de trabalho podem ser vistas esquematicamente na fig.7.4 e são devidas a [9]: a) radiação do material que entra e sai no cilindro, b) condução de calor do material através da camada de óxido, c) efeito do atrito ao longo do arco de contato da mordida do cilindro, d) outras fontes. Geralmente os itens a e d são desconsiderados por serem muito menores que os itens b e c. As saídas de calor do cilindro de trabalho podem ser vistas esquematicamente na fig.7.5 e são devidas a [9]: a) convecção através do uso de fluido refrigerante (geralmente água ), b) convecção pelo ar, c) radiação para as vizinhanças, d) contato com o cilindro de apoio, e) fluxo de calor na direção longitudinal para o munhão do cilindro (parte central). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 145

Fig.7.4 - Esquema mostrando as entradas de calor no Cilindro de trabalho. Fig.7.5 - Esquema mostrando as saídas de calor do Cilindro de trabalho. Os modelos matemáticos descrevem fluxos de entradas e saídas de calor do cilindro de trabalho de maneiras diversas e muito complexas. Basicamente eles podem ser classificados em modelos uni ou bi-dimensional. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 146

7.4 - ASPÉCTOS METALÚRGICOS NA LAMINAÇÃO Antes de os Aspectos Metalúrgicos na Laminação serem analisados, é necessário se fazer um breve comentário sobre as estruturas cristalográficas e as fases do aço durante o seu aquecimento e resfriamento para que se possa melhor compreender as mudanças nas propriedades do material [77]. Para o bom entendimento dos aços, é necessário se conhecer primeiro o diagrama de equilíbrio ferro-carbono (Fe-C) dado na fig.7.6[20]. Esse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto Fe 3 C (cementita) que é extremamente duro e contém, aproximadamente, 6,7% de carbono. Como pode ser visto na fig.7.6, o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se até 912 o C sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912 o C até 1354 o C no estado alotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticulados cristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico de corpo centrado (CCC) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC). A fig.7.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicas CCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um átomo de ferro no centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro no centro das faces do reticulado [77]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 147

Fig.7.6 Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono[20] Estrutura CCC Estrutura CFC Fig.7.7 Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbica de corpo centrado CCC e cúbica de face centrada CFC. Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até o limite de 0,77%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez mais Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 148

baixas até o limite de 727 o C. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C é onde se situa praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo. Os átomos de carbono ocupam os espaços vazios dos reticulados de átomos de ferro e como pode ser observado na fig.7.6, a fase austenítica (estrutura CFC) tem capacidade para absorver mais carbono do que a fase ferrítica (estrutura CCC). A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento, é muito mais fácil de ser deformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um aço, deve-se primeiro alcançar a estrutura austenítica, ou seja: conforme o teor de carbono, aquecer o aço em torno de 800 a 880 o C, para em seguida fazer a deformação no laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza economicamente o produto além de poder conferir boas propriedades mecânicas e metalúrgicas ao aço posteriormente ou durante a laminação. Para se ter uma idéia da facilidade de deformação de um metal com estrutura cristalina CFC, o chumbo é um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC. Uma das conseqüências do processo de reaquecimento do aço é o crescimento de grão. O controle deste crescimento é uma etapa importante no processo de laminação controlada onde se desenvolve grandes esforços para alcançar produtos com estruturas de granulação fina [21,22]. Para aços microligados, a temperatura de reaquecimento deve ser alta o bastante para solubilizar as partículas estáveis que se formaram com as ligas. A temperatura de reaquecimento também afeta a formação da chamada bandas de deformação, a qual desenvolve um importante papel durante o processo subseqüente de restauração do grão[23]. Como pode ser visto na fig.7.8 [9], quanto maior a temperatura de reaquecimento do material, menor será a quantidade de formação das bandas de deformação e com menos uniformidade após uma dada redução no material. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 149

Fig.7.8 - Efeito da quantidade de redução sobre a formação das bandas de deformação Para que o tamanho de grão final da austenita seja fortemente dependente do reaquecimento do grão, é necessário que a temperatura de reaquecimento seja mantida acima da temperatura de crescimento do grão [21]. 7.4.1 - Processos de restauração do grão. A restauração dos grãos é um mecanismo de amaciamento do material, onde a energia de deformação elimina as discordâncias e outros defeitos cristalinos, tais como, vazios e elementos intersticiais, permitindo o rearranjamento da estrutura cristalina [77]. Inicialmente na laminação à quente, a microestrutura do aço consiste de grãos equiaxiais grosseiros de austenita, como pode ser visto na fig.7.9. Durante o passe no laminador, os grãos de austenita são deformados e alongados. As bandas de deformação podem aparecer dentro dos grãos de austenita, como mostrado na fig.7.9. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 150

Fig.7.9 - Ilustração esquemática da recristalização estática [9,77]. Na laminação à quente existem três processos de restauração dos grãos que são: a) Processo de restauração Estático Este processo inicia e termina após a deformação, b) Processo de restauração Dinâmico Este processo inicia e termina durante a deformação do material, c) Processo de restauração Metadinâmico Este processo se inicia durante a deformação e se completa após a deformação do material. Fig.7.10 Ilustração mostrando as recuperações estática e dinâmica e as recristalizações estáticas, dinâmica e metadinaâmica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 151

7.4.1.1 - Processo de restauração estático. Devido aos defeitos na estrutura cristalina principalmente na forma de discordâncias, existe uma energia armazenada no material, chamada de força motriz. Esta força motriz depende tanto da taxa de deformação quanto da força aplicada durante o passe para dar início ao processo de recristalização estática [77]. Na laminação à quente, a recristalização estática pode iniciar espontaneamente. O núcleo de recristalização toma lugar preferencialmente nos contornos de grãos alongados e nas bandas de deformação [24]. Na laminação a quente dos aços, a recristalização estática normalmente ocorre entre passes, ou seja, após a deformação. As microestruturas desenvolvidas pelo processo de restauração dinâmico não são estáveis e a elevadas temperaturas são modificadas por processos de restauração metadinâmicos e estáticos. Este último processo pode incluir recuperação estática, recristalização estática e metadinâmica. O amaciamento do material devido à recuperação e recristalização estáticas ocorre numa velocidade que depende das condições de deformação e da temperatura anteriores. A curva de recristalização geralmente segue uma equação como a de Avrami[18], Johnson-Mehl[25], ou Kolmogorov [25], que se apresentam na seguinte forma: X t = 1-exp[-C.(t/t f ) kt ] (7.53) Onde, X t = fração de recristalização no tempo, t f = tempo para produzir a fração de recristalização f, C = -ln(1-f), kt= exponencial do tempo. O tempo para se produzir uma certa fração de recristalização f, normalmente é obtido por uma expressão que depende da temperatura, da deformação, da taxa de Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 152

deformação, do tamanho de grão inicial e da energia de ativação para a recristalização. A forma geral desta expressão pode ser descrita como [25,77]: t f p q r Qrec = B. ε. d0. Z. exp (7.54) RT Onde, R = constante dos gases, B,p,q e r = são constantes que dependem do material, ε = deformação do material, d 0 = tamanho de grão inicial, Q rec = Energia de ativação para a recristalização. Z = Parâmetro Zener-Hollomon. O parâmetro Zener-Hollomon está diretamente relacionado a uma velocidade de deformação levando em consideração o efeito da temperatura, e é dado por: Z = ε.exp(q def / RT) (7.55) ε = taxa de deformação, R = constante dos gases, T = temperatura absoluta, Q def = Energia de ativação para a deformação. Como a energia armazenada no material representa a força motriz para a recristalização, isto justifica o expoente negativo para a deformação do material e para o parâmetro Zener Hollomon. Pois quanto maior a deformação aplicada no material, menor será o tempo para se produzir uma determinada recristalização f. A redução do tempo de recristalização também pode se reduzido com a diminuição do tamanho de grão antes da deformação, devido ao aumento de densidade de sítios de nucleação. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 153

Deformação acumulada - εa Caso não ocorra recristalização completa num determinado passe, alguma deformação residual ficará retida e será transferida para o passe seguinte [13,26,27,28,77,78], então: εa i = εt i + (1 X i-1 )εa i-1 (7.56) εt = Deformação total, X = Fração de recristalização do material. Muitos autores têm encontrado equações que determinam a fração de recristalização X e o tempo para se alcançar uma determinada recristalização. 7.4.1.2 - Processo de restauração dinâmico. Quando o aço é deformado no estado de austenita a altas temperaturas, a tensão de escoamento aumenta para um máximo e em seguida cai para um valor constante, como mostrado na fig.7.10[9]. Isto é devido ao fato de que após um certo tempo de deformação, a geração de discordâncias e sua posterior eliminação alcançam um certo equilíbrio de modo que o material pode continuar a ser deformado sem que ocorra qualquer aumento ou diminuição na tensão de escoamento. Esta tensão é denominada de tensão de escoamento no regime estacionário σ ss. Esta tensão pode ser escrita da seguinte forma [4]: σss = Ass. εt.exp ( Qdef R. T ) q (7.57) Ass, q - Constantes da equação acima, Qdef - Energia de ativação para a deformação, R - Constante universal dos gases ideais, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 154

T - Temperatura. Desta forma pode-se afirmar que: altas taxas de deformação favorecem a recristalização dinâmica e quanto maiores forem as taxas de deformação mais rapidamente se iniciará o processo de recristalização dinâmica no material. A deformação de pico ε p que corresponde ao valor máximo que a tensão de escoamento atinge durante a deformação à quente do aço [9,77], é dado por: ε p = A.Z.(d 0 ) 1/n (7.58) onde, A, n = constantes, d 0 = tamanho de grão inicial, Z = Parâmetro Zener-Hollomon. Desta forma, a restauração dinâmica se inicia quando a deformação aplicada ultrapassa o valor da deformação critica ε c [4,30]. Muitos autores consideram que, para os aços carbono-manganês, o valor da deformação crítica ε c corresponde a 80% da deformação de pico ε p [4,30], ou seja: ε c = 0,8.ε p (7.59) Portanto, quando uma certa deformação ε aplicada durante a laminação for menor do que ε c, ou seja, ε < ε c ou ε < 0,8.ε p tem-se recristalização estática, por outro lado, quando ε > ε c ou ε > 0,8.ε p tem-se recristalização dinâmica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 155

Figura 7.10 - Efeitos dos processos de restauração dinâmicos na curva tensão-deformação [9,77]. σ ss - Tensão de escoamento no regime estacionário [9,77]. Figura 7.12 - Curvas tensão-deformação de um aço com 0,25%C mostrando a influência da velocidade de deformação na peridodicidade de picos de tensão; este comportamento está relacionado com o fenômeno de recristalização dinâmica. Como pode ser observado na fig.7.11 e 7.12, a restauração dinâmica na laminação dos aços tem início para grandes deformações, devido ao fato de que a deformação crítica Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 156

necessária para alcançar o estado constante da tensão de escoamento ser muito alta, mesmo em altas temperaturas. Como existem inúmeros estudos que relaciona o limite de resistência ε p em função do tamanho de grão inicial, temperatura, taxa de deformação, etc, pode-se então calcular a deformação crítica do aço em função destas mesmas variáveis. A relação entre ε c /ε p para vários tipos de aço, se encontra na faixa entre 0,67 e 0,86 [33]. Foi observado que para aços ao nióbio, o valor da relação ε c /ε p está na faixa de 0,65 [25,34]. 7.4.1.3 - 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 (7.10). Este fenômeno normalmente ocorre na deformação a quente quando a deformação aplicada ultrapassa a deformação crítica ε c, mas a tensão de escoamento no regime estacionário σ ss não é alcançada. As equações da fração de recristalização para a restauração metadinâmica possuem uma cinética rápida. Observa-se que a cinética da recristalização metadinâmica não depende da deformação, mas somente da taxa de deformação, como foi observado por vários autores [32,33,34,35,77]. Nota-se que esta analise é feita após a deformação do material ultrapassar a deformação crítica. Da mesma forma com que acontece na recristalização dinâmica, altas taxas de deformação favorece com que mais cedo se inicia o processo de recristalização metadinâmico. Devido a grande influencia da taxa de deformação, outros fatores como temperatura e elementos de liga nos aços tem pouca influencia na recristalização metadinâmica [25,32]. Adições de molibidênio, nióbio e titânio possuem pequeno efeito na recristalização metadinâmica, principalmente devido à formação de carbonetos que inibem o início da recristalização[25]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 157

7.4.2 - Fatores que afetam a redução crítica de recristalização. A quantidade crítica de deformação é a redução mínima na laminação na qual a austenita se recristaliza completamente, e é chamada de redução crítica de recristalização. De acordo com cada processo de restauração a redução crítica aumenta rapidamente com a diminuição da temperatura de deformação e também com adição de elementos de liga, especialmente o nióbio [23,77]. Outro fator que afeta a redução crítica de recristalização é o tamanho de grão inicial [23], ou seja, quanto maior o tamanho de grão, maior é a redução crítica de recristalização. A fig.7.13 mostra também que para os aços carbono a redução crítica de recristalização é muito pequena. Observa-se uma forte influência da temperatura de laminação, pois quanto maior a temperatura de laminação menor é a redução crítica de recristalização. Fig.7.11 - Efeito da temperatura de deformação e do tamanho de grão sobre a quantidade crítica de redução necessária para acompleta recristalização no aço carbono e ao nióbio. 7.4.3 - Efeito da Temperatura e Elementos de Liga Temperatura de recristalização de um aço é a temperatura mais baixa a qual a estrutura austenítica se recristaliza completamente após deformação. Portanto, quanto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 158

mais alta a temperatura de laminação a quente, maior será o número de grãos deformados que serão recristalizados. A temperatura de recristalização do material aumenta com a adição de elementos de liga. Esta relação pode ser vista na fig.7.12. O cobalto, alumínio, nióbio, titânio e em menor grau o vanádio retardam a recristalização estática e dinâmica [1,36]. Fig.7.12 - Aumento na temperatura de recristalização com o aumento de elementos de liga no aço com 0,007%C; 1,40%Mn; 0,25%Si [9]. 7.4.4 - Efeito da Quantidade de Deformação. Dependendo da quantidade de deformação na laminação, o processo de restauração estático se processa de três formas, como mostrado na fig.7.13. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 159

Fig.7.13 - Efeito da quantidade de redução e temperatura de laminação sobre o comportamento da restauração: o aço ao nióbio foi aquecido para1150 o C a qual deu um tamanho de grão de aproximadamente180 μm e laminado em um passe [9]. 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 grandes formados devido a pequena deformação na região de recuperação permanece ainda após muitos passes na zona de recristalização parcial. b) Recristalização Parcial Quando a redução na laminação é suficiente para iniciar a recristalização parcial, produzindo uma microestrutura mista de grãos recristalizados e grãos restabelecidos c) Recristalização Completa É a redução mínima na laminação na qual a austenita se recristaliza completamente e é sempre chamada de redução crítica de recristalização [37]. O tamanho de grão da austenita recristalizada diminui significativamente com o aumento no grau de redução total, como pode ser visto na fig.7.14. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 160

Fig.7.14 - Efeito da redução total sobre o tamanho de grão da austenitano aço nióbio a qual foi préaquecido para 1280 o C ou 1150 o C e subseqüentemente laminado em multi-passes. 7.4.5 - Tamanho de grão da austenita completamente recristalizada após deformação. Os grãos recristalizados após deformação podem ter sido originados após a recristalização estática ou após recristalização dinâmica ou metadinâmica. No caso de recristalização estática, os tamanhos de grão após completa recristalização são função da deformação prévia do material e do seu tamanho de grão inicial. Normalmente estas equações são escritas da seguinte forma: d rec = E.d F 0.ε -G (7.60) onde E, F e G são constantes da equação. Observa-se que o tamanho de grão aumenta com o tamanho de grão inicial e diminui com o aumento da deformação aplicada ao material. Pequenos tamanhos de grãos levam a maiores densidades de discordâncias que por sua vez, contribui para o aumento da taxa de nucleação de grãos o que resulta numa diminuição dos grãos recristalizados. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 161

7.4.6 - Crescimento do grão após completa recristalização na laminação. Após a completa recristalização do grão, inicia-se o seu processo de crescimento devido às altas temperaturas e a energia acumulada nos contornos de grãos produzida pelas deformações aplicadas. Desta forma, pode-se listar os principais fatores que afetam a velocidade e o tamanho dos grãos recristalizados, que são: a) Tamanho de grão da austenita antes da deformação, a qual é função da temperatura de aquecimento, b) Tempo de exposição do material a altas temperaturas, c) Quantidade de deformação antes de qualquer deformação posterior, Como os sítios de recristalização são predominantemente localizados nos contornos de grãos, o tamanho de grão inicial tem uma grande influencia no tamanho de grão final do aço. A fig.7.15 mostra o efeito do tempo de encharque e da quantidade de redução sobre o progresso do crescimento do grão aço carbono plano e aço ao nióbio. Fig.7.15 - Efeito do tempo de encharque e da quantidade de redução sobre o Progresso do crescimento do grão aço carbono plano e aço nióbio[23]. O crescimento do grão é dividido em três regiões [23]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 162

Região 1 Nesta região, os grãos começam a crescer a partir de uma estrutura mista com grãos recuperados e grãos grandes ou grãos recristalizados e outros recuperados, dependendo da quantidade de redução. Região 2 Nesta região, o crescimento dos grãos segue a equação de Miller [33]: d 10 = d 10 r + (A.t)exp(-Q /R.T) (7.61) onde, A,Q são constantes, e t o tempo Região 3 Esta região corresponde ao crescimento anormal quando grãos muito grandes subitamente se desenvolvem entre os grãos pequenos. O tamanho dos grãos coalescidos a partir de uma estrutura de grãos pequenos durante este processo de recristalização secundária é muito maior do que os grãos coalescidos a partir de uma estrutra de grãos grandes. No caso da laminação a quente dos aços a equação geral para o crescimento de grão é dada por: d y = d y rec + K. t.exp Qcre R. T (7.62) onde: d e d rec tamanho do grão final e recristalizado, respectivamente, y exponencial do crescimento do grão, K constante, t tempo entre passes na laminação, Q cre energia de ativação para o crescimento do grão. Hodgson et. al. [27,38] mostrou que o tempo entre passes tem um papel muito importante no crescimento do grão, e que durante o primeiro segundo o crescimento do grão é muito rápido e segue uma curva parabólica. Após este tempo, a taxa de crescimento do grão diminui para um exponencial da ordem de sete. Como na laminação a quente o tempo entre passes é muito curto, portanto este tempo de um segundo afeta significativamente o tamanho de grão. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 163

Este mesmo autor também sugere que diferentes taxas de crescimento do grão são obtidas quando ocorre recristalização estática ou dinâmica [27,38]. Segundo o autor, a recristalização estática requer nucleação principalmente nos contornos de grão, portanto os grãos formados são pequenos e possuem uma alta taxa de crescimento. Por outro lado, durante a recristalização dinâmica os núcleos são formados devido ao grande acúmulo de discordâncias gerando muitos grãos pequenos e com menores taxas de crescimento, este crescimento dos grãos recristalizados dinâmicamente é chamado de recristalização metadinâmica. Em seus estudos, o autor concluiu que os grãos produzidos pela recristalização dinâmica/metadinâmica são mais finos do que os oriundos da recristalização estática. Fig.7.16 - Comportamento do tamanho de grão da austenita após completa recristalização em função do tempo mostrado por Hodgson et. al. [27,77,78]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 164

7.4.7 - Tamanho de grão da austenita parcialmente recristalizada No caso em que não ocorra recristalização completa, ou seja, recristalização menor do que 95%, o tamanho de grão para o próximo passe pode ser calculado pela seguinte expressão [27,30]: 4 d = d 3 rec. X + di 1. ( 1 X ) 2 (7.63) 7.4.8 - Mudanças estruturais no aço durante o resfriamento. Após a laminação à quente, o material é sujeito a um resfriamento combinado de ar e água. O tamanho de grão da ferrita será afetado por [45,46]: a) temperatura final de laminação, b) atraso de tempo entre a laminação e o início do resfriamento com água, c) velocidade de resfriamento. O tamanho de grão da ferrita no aço aumenta com o aumento do atraso de tempo e diminui tanto com a diminuição da temperatura final de laminação quanto com o aumento da velocidade de resfriamento do material. 7.4.8.1 - Tamanho de grão da Ferrita O tamanho de grão final da ferrita no aço é um dos principais parâmetros da laminação devido a sua forte influencia nas propriedades mecânicas do mesmo. Por outro lado, o tamanho de grão da ferrita é fortemente influenciado pelo tamanho de grão da austenita e da taxa de resfriamento após o último passe e também da deformação residual final contida no aço [32]. Sellars e Beynom [6,25] fizeram um equacionamento levando em consideração estes fatores. O equacionamento consiste primeiro em se calcular o tamanho de grão da ferrita sem deformação residual, levando-se em consideração somente a taxa de Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 165

resfriamento e o tamanho de grão final da austenita. Em seguida calcula-se o tamanho de grão final da ferrita no aço, levando-se em consideração a deformação residual contida no mesmo. Desta forma pode-se escrever o tamanho de grão da ferrita recristalizada, sem presença de deformação residual ou acumulada - d α rec, da seguinte forma [77,78,79,80]: 1 2 2 [ exp( 1,5.10 d )] α d rec = a + b. T + g.1. (7.63) T - Taxa de resfriamento do aço ( 0 C/s), d Tamanho de grão da austenita, a, b e g São constantes para cada tipo de aço [25] a = 1,4; b = 5,0; g = 22 para aço carbono e microligado [25], a = 2,5; b = 3,0; g = 20 para aço carbono ao nióbio [25]. A deformação residual ou acumulada reduz o tamanho de grão final da ferrita, por causa da presença de grande quantidade de discordâncias que aumenta o número de sítios de nucleação para a transformação de austenita em ferrita. Hodgson e Gibbs [32] utilizaram a seguinte expressão para aços carbono, nióbio e microligados para cálculo do tamanho de grão da ferrita em presença de deformação residual ou acumulada - d α. 1 = α d 2 α d rec. 1 0,45. ε a 7.65) εa Deformação residual ou acumulada. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 166

7.4.9 - Efeito da microestrutura do aço na tensão de escoamento do material Durante a deformação do aço, energia é armazenada devido a deformação dos grãos na forma de defeitos no reticulado(discordâncias). Desta forma, onde ocorre uma recristalização em que os defeitos do reticulado são eliminados e a energia armazenada nos grãos deformados é reduzida. Portanto, a tensão de escoamento de uma estrutura completamente recristalizada será bem menor do que aquela que foi parcialmente recristalizada. Desta forma, o controle da evolução microestrutural durante a laminação a quente tem um papel fundamental no resultado da tensão de escoamento média (TEM) do material e, por conseguinte nas propriedades mecânicas do mesmo. Boratto e outros autores[8,13,28,29,47,48] utilizaram a analise da curva TEM com o inverso da temperatura para prever três temperaturas criticas do aço durante a laminação, que são as temperaturas Ar 3 e Ar 1 do diagrama Fe-C e a temperatura de não recristalização T nr. Esta técnica passou a ser utilizada também para se prever a ocorrência da recristalização dinâmica na laminação a quente dos aços[4,6,13,49,50]. Sarmento e Evans[50] traçaram curvas da TEM com a deformação total usando dados industriais de duas laminações a quente de tiras. Eles analisaram o comportamento da TEM nos aços C-Mn e Nb e concluíram que a recristalização dinâmica somente ocorre quando a deformação acumulada ultrapassa a deformação crítica. Desta forma, outros autores[4,6,13,25,49], analisaram o comportamento da TEM com o inverso da temperatura de modo a identificar a ocorrência de mudanças microestruturais durante a laminação a quente dos aços, tais como, recristalização estática, dinâmica e metadinâmica, deformação acumulada, e transformação de fase. Para melhor entendimento destas analises, a fig.7.17 mostra estes fenômenos de uma maneira esquemática. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 167

Fig.7.17 Representação esquemática da variação da tensão de escoamento média TEM em função do inverso da temperatura absoluta e sua influencia com os fenômenos metalúrgicos, numa laminação a quente com cinco passes [12]. Observe que no primeiro passe onde se situa a mais alta temperatura a inclinação da curva é menor onde ocorre recristalização estática. Pois altas temperaturas favorecem a completa recristalização entre passes. Nota-se pelo aumento da inclinação da curva que no segundo passe com temperatura mais baixa a recristalização completa não ocorre, levando ao aparecimento de deformações acumuladas. O acumulo destas deformações levam a um limite onde se inicia a recristalização dinâmica no passe três seguida da metadinâmica até o passe quatro. Esta mesma análise foi feita por D. Auzinger e outros [49] para laminação de tiras a quente, como pode ser visto na fig. 7.18. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 168

Fig.7.18 Representação esquemática da variação da tensão de escoamento em função do inverso da temperatura durante a laminação a quente [49]. Entretanto, para se avaliar corretamente a tensão de escoamento na laminação à quente, alguns autores [51,52] consideraram as seguintes duas situações para o caso da recristalização estática, mas que podem ser aplicadas para qualquer tipo de recristalização. a - tempo de recristalização t R ou t rec é menor ou igual ao tempo entre passes: t I ou t ip ( t rec < t ip ), b- tempo de recristalização t R ou t rec é maior do que o tempo entre passes: t I ou t ip ( t rec > t ip ). O primeiro caso está mostrado na fig.7.19 onde d 01 é o tamanho de grão inicial antes do primeiro passe. A estrutura dos grãos é de completamente recristalizada (X R =1) após tempo t R a qual o tamanho de grão é igual a d R. Por conseguinte, a tensão de escoamento para o segundo passe pode ser determinada pelo uso da equação conhecida aplicável para estruturas de grãos completamente recristalizadas. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 169

Fig.7.19 - Evolução dos parâmetros estruturais entre os passes. Caso a recristalização não tenha sido completada antes do segundo passe, então a equação para a tensão de escoamento pode ser apresentada como consistindo de dois componentes, como mostrado na fig.7.20. _ = R 2 R 1 ε ( 1 X ). σ ( ε ) σ X. σ ( ε 2 ) + 1+ 2 (7.66) onde: _ 2 ε σ ( 2 ) é o componente da tensão de escoamento correspondente a parte recristalizada da estrutura dos grãos, e 1 1 ε σ ( ε + 2 ) é o componente da tensão de escoamento correspondente a parte não recristalizada da estrutura dos grãos. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 170

Fig.7.20 - Princípio de um modelo de tensão de multi-passes Misaka e Yoshimoto[3] desenvolveram um modelo que calcula a tensão de escoamento média (TEM) em aços C-Mn durante a laminação de tiras à quente. Esta equação considera somente recristalização estática e leva em consideração o teor de carbono (%C), a deformação homogênea (ε h ) e a taxa de deformação ( ε ). Esta equação é escrita da seguinte forma [3,77,78,79,80]: [ C] 1120[ C] 0,13 0,21 2 2 2851+ 2968 TEM MK = exp 0,126 1,75[ C] + 0,594[ C] +. ε. ε (7.67) T Onde: TEM MK - tensão de escoamento média T Temperatura C teor de carbono no aço. Esta equação foi testada para teores de carbono na faixa de 0,05 a 1,20%, taxa de deformação entre 30 e 200 s -1, temperatura entre 750 e 1200 o C, e deformação abaixo de 0,50. Shida[25] também deduziu uma equação para o calculo da TEM usando oito tipos de aços carbono-manganês com teor de carbono na faixa de 0,01 a 0,08%, taxa de deformação entre 0,2 e 30s -1, temperatura entre 650 e 1200 o C, e deformação acima de 0,60. A sua equação é dada por: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 171

ε K f = K 1,3 0,2 n m ε ε. 0,2 10 (7.68) Onde: K f tensão de escoamento média, K, n, m - fatores que dependem da temperatura e teor de carbono. Karjalainem e outros [28] desenvolveu uma equação empírica da TEM a partir de testes de torsão para aços microligados com teores na faixa de 0,05 0,9%C; 1,20 1,57%Mn; 0,011-0,046%Nb; 0,001-0,142%Ti; 0-0,082%V e 0,03-0,70%Ni; e a mesma é dada por [77]: TEM 380000 = 225 + (7.69) T Biglou e outros[53] também desenvolveu uma equação empírica da TEM a partir de testes de torção para aços com teores na faixa de 0,07%C; 1,3%Mn; 0,076%Nb; 0,24%Ti; e a mesma é dada por: TEM 1000 = 166,6 + 391,2. (7.70) T Esta equação foi desenvolvida para a condição de total recristalização entre passes. A equação de Misaka passou a ser utilizada por alguns autores para se prever a TEM dos aços em função da temperatura e teor de carbono[4,6]. Porem, para se levar em consideração outros elementos de liga e também não somente a ocorrência de completa recristalização estática entre passes, mas também a recristalização dinâmica e metadinâmica foi-se necessário fazer melhoramentos na sua equação. Para se levar em consideração a recristalização dinâmica foi utilizada a seguinte expressão[4,6,25,77,78,79,80]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 172

( 1 Xdin) + K. ss Xdin TEM Final TEM Cor. σ. Onde: = (7.71) TEM Final - Tensão de escoamento média final, Xdin - Fração de recristalização dinâmica do material que ocorre a partir do pico da curva de tensão/deformação no regime estacionário - σss, K σss - Constante da equação acima, - Tensão de escoamento no regime estacionário. 7.5 - CÁLCULO DA FORÇA DE LAMINAÇÃO UTILIZANDO MODELOS MICROESTRUTURAIS Pesquisadores como Sims, Cook-McCrum, Ford-Alexander e outros[9] desenvolveram expressões para o cálculo da força e torque na laminação. Mas a exemplo do cálculo da resistência à deformação, um importante critério para selecionar a equação mais adequada, é a capacidade de verificação e calibração desta equação, utilizando os dados reais da planta. Desta forma, a equação deve conter variáveis que podem ser prontamente medidas durante os testes de laminação. O torque de deformação numa de laminação é igual ao torque necessário para mover ambos os cilindros. No caso de os cilindros serem de iguais diâmetros, a equação geral do torque puro na laminação é dada por [9]: M = 2.P.a (7.72) Onde, M = torque na laminação, a = braço de alavanca mostrado na fig.7.1, P = força de reação à deformação do material aplicada aos cilindros. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 173

Esta força é dada por: P = K w.f d = K w.w.i d (7.73) Na presença de tensões de entrada e saída da tira esta força pode ser modificada para [9]: P = W.(K def - β 5. τ 1 - β 2.τ 2 ).(R.Δ) 1/2 (7.74) Também levando em consideração a tensão na tira entre duas cadeiras de laminação, pode-se determinar a resistência a deformação em função de fatores geométricos que podem ser calculados, como mostrado na equação (7.75) [77,78,79,80]. K def τ TEM 1 + τ2 =. φn (7.75) α φ n Ângulo neutro O braço da alavanca normalmente é expresso como uma fração do comprimento do arco de contato I d. a = m.i d = m.(r.δ) 1/2 (7.76) O coeficiente do braço de alavanca (m) é dado por: m = M / (2.P.I d ) (7.77) Sims desenvolveu um modelo para a distribuição de pressão ao longo do arco de contato numa laminação a quente [7,54]. Levando-se em consideração a fig.7.2, o modelo de Sims obteve relações de tensões de compressão S com a tensão de escoamento K, tanto para a região de entrada até o ângulo neutro, como do ângulo neutro para a região de saída do arco de contato. As equações obtidas são [1,7,77]: + S K ' π Y π + + R = ln 4 h2 4 h2 1 2. tan 1 ' R h2 1 2. θ (7.78) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 174

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 175 + + = θ α π π. 1 tan. 1. 1 tan. 1 4 1 ln 4 2 1 ' 1 2 1 ' 2 1 ' 1 2 1 ' h R h R h R h R h Y K S (7.79) Onde: S + - Tensão de compressão na região de saída do arco de contato, S - - Tensão de compressão na região de entrada do arco de contato. α - Ângulo do arco de contato da tira com o cilindro, θ - Ângulo qualquer da região do arco de contato, φ n Ângulo neutro, Y Espessura da tira no ângulo neutro. Fazendo S + = S - e θ = φn determina-se a expressão do ângulo neutro conforme a equação (7.80). ( ) + = 2 1/ 2 1/ ' 2 1/ ' 1 arctan 2 1.ln 1 2 8 tan. 2 r r r R h R h n π φ (7.80) Sims considerou que a força de laminação P pode ser expressa como a integral da pressão s ao longo do arco de contato [1], ou seja: = α θ 0 '.. d s R P (7.81) Esta integração duas regiões de cada lado do ponto neutro e chega-se a seguinte expressão para a força específica de laminação [1]. ( ) + = 2 1 ln 2 1 1 ln 4. 1 tan. 2. 2.. 2 1 1 2 1 ' ' h h h Y r r R h K R P α π π (7.82)

Fazendo-se o fator geométrico Q igual a: ' 2 1 1 r 1 π.. π. tan r R Y Q =.ln.( 1 r) 2 1 (7.83) r 2 2 4 r h h Onde r é o grau de redução do material sendo laminado. A espessura do material Y no angulo neutro pode ser calculado da seguinte forma [8,77]. ' [ cos( n) ] h2 Y = 2. R.1 φ + (7.84) A equação da força específica de laminação simplifica para: 1 ' [.( h1 h2) ] 2 Q P = K R. (7.85) Na laminação de aços planos, considera-se um estado plano de deformações [8], portanto, substituí-se a tensão de escoamento K pela tensão de escoamento média TEM utilizando o critério Von Mises que é 2 / 3. Desta forma, a equação da força de laminação para aços planos torna-se: 2 TEM =.K 3 (7.86) ' P TEM. W. R.( h1 h2)q. = (7.87) Onde, W é a largura da peça sendo laminada. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 176

7.6 - CÁLCULO DA FORÇA DE LAMINAÇÃO UTILIZANDO AS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO LAMINADOR Quando um esboço é laminado entre dois cilindros, aparece uma força tendendo a separar estes cilindros, conhecida como força de laminação (figura 7.21). Evidentemente, a separação dos cilindros não se efetua, pois estes são contidos pelos mancais e pelos parafusos ajustadores ou cápsulas hidráulicas das cadeiras. Esta força se traduz pela maior ou menor dificuldade em fazer girar os cilindros durante a laminação do esboço e deve ser fornecida pelo motor (ou motores) do laminador. Figura 7.21 - Representação esquemática da força de laminação. Além da força de laminação, que é necessária para vencer a resistência do metal e o atrito deste contra os cilindros, o motor deve ainda fornecer uma força suplementar para vencer as resistências passivas de todo o conjunto. Entende-se por resistência passiva aquela que é oferecida pelo atrito dos cilindros contra os mancais, pelo atrito entre as engrenagens da caixa de pinhões ou do redutor, pelas perdas no próprio motor etc. Existem diversos métodos para se calcular a força de laminação, que serão estudados mais adiante. Suponhamos que a distância entre os cilindros de um laminador, girando em vazio, seja h f. Quando se introduz o esboço, aparece a força de laminação, que comprime os cilindros contra seus mancais, alonga as colunas da cadeira e flexiona os cilindros. Além disto, desaparecem as folgas do conjunto (parafuso de Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 177

regulagem e mancais, parafuso e porca etc.). Como resultado de todas estas deformações, a abertura que estava regulada para h f aumenta para h. Em conseqüência, o esboço sairá do laminador com uma espessura maior do que a prevista. A diferença h - h f denomina-se deformação elástica ou cedagem do laminador. A cedagem (ou cedimento elástico da cadeira) depende diretamente da força de laminação, das características do material de que são feitos os diversos órgãos da cadeira e do seu tipo de construção (rigidez da cadeira). Para a consideração da cedagem da cadeira, deve ser realizada a determinação do módulo elástico ou de rigidez do laminador, pois este parâmetro afeta diretamente o acerto final da espessura de acabamento das chapas laminadas a quente. A abertura necessária entre os cilindros de uma determinada cadeira de laminação (S) pode ser calculada com a seguinte equação: F S = h f ΔS (7.88) K h f - espessura final pretendida para a chapa na saída da cadeira (mm); h i - espessura inicial pretendida para a chapa na saída da cadeira (mm); F - força de laminação na cadeira (kgf); K - módulo de rigidez ou elasticidade da cadeira corrigido em função da largura da chapa e do diâmetro atual do cilindro de encosto (kgf/mm); S - outros parâmetros que influem no valor da abertura entre cilindros (coroa térmica dos cilindros, variação da espessura da camada de filme de óleo nos mancais etc.). A figura (7.22) mostra uma representação gráfica das variáveis de processo incluídas na equação anterior. O segmento AB da curva carga ou força de laminação-deformação da cadeira de laminação corresponde à região denominada Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 178

mole, relacionada com o aparecimento de coroa térmica dos cilindros, com a variação da espessura da camada de filme de óleo nos mancais, dentre outros aspectos. Somente após a neutralização destas folgas pela carga de laminação haverá uma proporcionalidade linear direta entre a deformação da cadeira de laminação e a força de laminação (segmento BC). Figura 7.22 - Representação gráfica do efeito da cedagem na determinação da abertura entre cilindros numa cadeira de laminação Para a determinação do módulo de rigidez de uma cadeira de laminação pode-se utilizar a expressão que relaciona a espessura final da chapa na saída da cadeira h f com a carga de laminação (F) e a abertura dos cilindros numa determinada cadeira (S): F = K h S K F f (7.89) Esta equação poderia ser utilizada para a determinação do valor de K pela medição direta dos valores de F, S e h f e substituindo-os na equação: K = h F f S (7.90) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 179

Porém, este método torna-se inadequado devido à dificuldade para medição precisa de S. Uma alternativa mais utilizada consiste na laminação de duas chapas de espessuras diferentes através da mesma abertura dos cilindros S, medindo-se as cargas de laminação (F 1 e F 2 ) e as espessuras finais obtidas (h f1 e h f2 ). Não importa se as chapas são do mesmo material ou da mesma largura. Os resultados obtidos podem ser substituídos na expressão de cálculo da força de laminação: F 1 = K (h f1 - S) F 2 = K (h f2 - S) (7.91) (7.92) Este sistema de equações pode ser resolvido para o cálculo do módulo de rigidez: K = F F 1 2 h f 1 h f 2 (7.93) e para a abertura dos cilindros: S = F h 1 f 2 F 1 F F 2 2 h f 1 (7.94) É conveniente que este procedimento seja repetido com mais experiências para permitir a determinação de uma equação que expresse a variação do coeficiente K em função do valor de S. A equação (7.88) é fundamental nos modelos computacionais de controle da espessura na laminação dos produtos planos (sistemas AGC - automatic gauge control ou controle automático de espessura). A representação gráfica da equação pode ser empregada para ilustrar o efeito da variação de alguns parâmetros de processo na alteração da espessura do produto em relação a uma espessura programada. Como exemplo dessas análises, consideraremos o caso da alteração do limite de escoamento na variação da espessura inicial do produto a ser laminado. A figura 7.23 apresenta esquematicamente o efeito da variação da resistência que o material da chapa a ser laminada oferece à deformação. Um maior limite de escoamento (curva à direita) tenderia a aumentar a espessura final do produto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 180

laminado, pois a deformação da cadeira será maior do que o previsto para a força aplicada. Figura 7.23 - Efeito da variação da tensão de escoamento na variação de espessura do laminado e a correção necessária da abertura entre os cilindros, para evitar o erro dimensional no laminado. A figura 7.24 mostra o efeito da variação da espessura inicial do esboço (na entrada da cadeira de laminação) na espessura final da chapa (na saída da cadeira de laminação). Apesar de ser óbvio que uma maior espessura do esboço na entrada da cadeira provocaria uma maior espessura do esboço ou da chapa (se for o último passe), o gráfico ou a equação permite saber qual correção na luz ou abertura entre os cilindros de laminação será necessária para corrigir o erro dimensional. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 181

Figura 7.24 - Representação gráfica do efeito da variação da espessura inicial do esboço na espessura final do laminado e a correção necessária da abertura entre os cilindros para evitar o erro dimensional no laminado. Um aumento no coeficiente de atrito entre o cilindro e o esboço em processo de laminação ocasiona um aumento da carga necessária para promover a deformação do esboço. Por este motivo, os efeitos da variação do coeficiente de atrito são semelhantes aos produzidos por alterações na tensão de escoamento do material sendo laminado. Desta forma, torna-se importante analisar os fatores que provocam uma alteração do coeficiente de atrito (alteração da velocidade de laminação nos períodos de aceleração e desaceleração do laminador, utilização ou não de lubrificantes, temperatura de laminação, desgaste dos cilindros etc.) na variação dimensional ao longo de uma bobina laminada. É digno de nota que, no caso da laminação de chapas com espessura final muito fina e para materiais de alta resistência mecânica, a abertura entre cilindros prevista pela equação (7.88) pode ser negativa, isto é, os cilindros estariam ajustados com interferência, situação impossível na prática, pois, além de danificar os cilindros, impossibilitaria a mordida do esboço. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 182

Neste caso, inicia-se a laminação do esboço com uma abertura positiva, para possibilitar o agarramento e, imediatamente após a mordida, gera-se um comando para que os cilindros se mantenham a uma distância S i previamente calculada, que não é atingida devido ao afastamento entre cilindros induzido pela força de laminação. Valores típicos para K situam-se na fixa de 50 a 1000 tf/mm. Para o caso da laminação de chapas a quente podem ser aplicadas cargas de 500 a 5000 tf. A título de ilustração pode-se calcular a abertura necessária para a laminação de uma chapa com espessura final de 1,20 mm, a partir de um esboço processado no trem desbastador até uma espessura de 36 mm, considerando um valor de K = 800 tf/mm, em 6 passes num trem acabador de tiras a quente, conforme apresenta a tabela 7.1. Tabela 7.1: Exemplo da seqüência de aberturas entre cilindros num trem acabador a quente. Espessura inicial h i (mm) Espessura final h f (mm) Força de laminação F i (tf) Abertura dos cilindros S i (mm) 36,00 16,40 2210,2 13,64 16,40 7,47 1914,8 5,08 7,47 3,77 1813,6 1,50 3,77 2,28 1440,4 0,48 2,28 1,53 1372,2-0,19 1,53 1,20 1259,0-0,37 F = K (h f - S), ou seja: h f = S + (F/K) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 183

7.7 - TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS NA LAMINAÇÃO A laminação controlada ou tratamentos termomecânicos são uma série de tratamentos térmicos e de deformações plásticas de modo a se alcançar as melhores propriedades mecânicas dos aços tais como [9]. 1- Maior resistência ao escoamento; 2- Melhor tenacidade; 3- Melhor soldabilidade; 4- Maior resistência à fratura frágil; 5- Maior resistência à fratura dútil de baixo nível de energia; 6- Menor impacto nas temperaturas de transição; 7- Boa conformação a frio, particularmente no dobramento; 8- Redução de custo a qual é possível utilizando a laminação a quente ao invés de seção de tratamentos térmico posterior. Um fator adicional à redução de custo é o fato do processo de laminação controlada permitir que se alcancem as propriedades desejadas com menos quantidades de elementos de liga no aço do que as necessárias no processo de laminação a quente convencional. Os tratamentos termomecânicos podem ser divididos em três classes que estão baseadas na dependência da relação tempo-temperatura com a transformação da austenita, as quais são adotadas pelo Estados Unidos da América[1]. Classe I Deformação antes da transformação da austenita. a- Processo convencional de laminação a quente, b- Deformação antes da transformação para martensita, c- Deformação antes da transformação para agregados de ferro-carbono. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 184

Classe II Deformação durante a transformação da austenita. a- Deformação durante a transformação para martensita, b- Deformação durante a transformação para agregados de ferro-carbetos, Classe III Deformação após a transformação da austenita. a- Deformação da martensita seguido por um revenimento, b- Deformação da martensita revenida seguido por um tratamento de envelhecimento, c- Deformação dos produtos das transformações isotérmicas. Na classe I-a, o objetivo principal é a mudança nas dimensões do produto, porém melhorias nas propriedades mecânicas podem ser alcançadas por um controle cuidadoso nas condições de laminação a quente de modo a produzir tamanho de grãos mais finos no aço. Na classe I-b, o acréscimo na redução leva a maiores limites de elasticidade e resistência dos aços. A resistência também aumenta quando a temperatura de deformação aumenta, mas isto é relativamente independente da temperatura de austenitização. Depois do aço laminado e ocorrido a transformação da martensita, a resistência do aço permanece maior do que aqueles tratados pelo método convencional, aparentemente devido a uma maior interação dos átomos de carbono com as imperfeições cristalinas. Este tratamento proporciona um aço de alta resistência sem os efeitos adversos de tenacidade e dutilidade. Na classe II-a os tratamentos são limitados para aços de baixos teores de carbono, tal como o aço inoxidável 301. Aumento na redução e diminuição na temperatura final de laminação leva a um aumento no limite de elasticidade. A principal contribuição deste tratamento é a melhoria na tenacidade devido ao refino de grão da ferrita e a esferoidizacao das partículas de carbetos. Na classe III em todos os tratamentos, inicialmente para pequenas quantidades de deformação ocorre um rápido aumento no limite de elasticidade, seguido por um suave aumento para deformações posteriores. A quantidade de resistência do aço aumenta Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 185

com o aumento do teor de carbono do aço e é devido principalmente a dureza da martensita. Os tratamentos termomecânicos são todas as técnicas em que se utiliza primeiramente a deformação para promover ou durante a mudança alotrópica do material de modo a se obter melhoramentos nas propriedades mecânicas do aço [56]. De acordo com Tanaka[56], a diferença fundamental entre a laminação convencional e a laminação controlada, reside no fato de que na primeira, a nucleação da ferrita ocorre nos contornos de grãos da austenita, enquanto que na segunda a nucleação ocorre no interior do grão e também nos contornos de grãos, o que leva a mais grãos refinados. Desta forma, otimizações podem ser alcançadas ajustando-se o processo de laminação controlada com base na analise química do material ainda na panela de aço líquido[58]. A principal razão dos tratamentos termomecânicos é se alcançar as propriedades mecânicas requeridas (normalmente atribuídas a pequenos tamanhos de grãos) com a menor adição de elementos de liga e sem necessidade de tratamentos térmicos posteriores [59]. Entretanto, a laminação controlada geralmente requer altas forças de laminação, devido a laminação em mais baixas temperaturas, podendo diminuir a produtividade. No entanto, esta desvantagem pode ser minimizada pelo uso de modelos matemáticos de controle do processo, particularmente para aqueles relacionados à força de laminação [60,61]. Outro fator que também afeta as propriedades do aço está relacionado às mudanças estruturais que ocorrem durante a laminação, devido o resfriamento do laminado pela combinação de ar e água. O tamanho de grão da ferrita pode ser afetado pelos seguintes fatores: a- Temperatura final de laminação; b- Atraso de tempo entre a conformação e o inicio do resfriamento com água; c- Taxa de resfriamento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 186

Sabe-se que quanto menores forem a temperatura final de laminação e o atraso de tempo entre a conformação e o inicio do resfriamento e quanto maior for a taxa de resfriamento, menor será o tamanho de grão no aço. 7.7.1 - TRATAMENTOS TERMOMECÂNICOS DURANTE A LAMINAÇÃO Os processos de laminação a quente, podem ser classificados de acordo com o lugar em que a deformação ocorre com relação ao diagrama de transformação de fase das ligas de ferro. Conforme esta classificação, o processo de laminação à quente é dividido em quatro grandes grupos[57,62,63], como mostrado na fig.(7.25) e listados a seguir. Fig.7.25 - Representação esquemática de várias práticas comuns utilizadas para os tratamentos termomecânicos de um aço HSLA. a) Laminação à Quente Convencional. Durante este processo, a laminação do aço é realizada de maneira continua e geralmente termina numa temperatura acima da linha de transformação Ar 3. Por conseguinte, a deformação ocorre somente na fase gama do diagrama (austenita). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 187

b) Laminação Controlada. Neste processo, a laminação do aço é interrompida por um ou dois períodos a qual permite que o aço seja primeiro deformado somente na fase gama e depois na região de transformação gama-alfa (austenita-ferrita). c) Laminação com Temperatura Final Baixa Neste processo a temperatura do último passe é levada a ficar abaixo da temperatura de transformação no resfriamento Ar 1 o que resulta em deformação na região de fase alfa. d) Laminação Contínua. Este processo realiza deformações na região gama, gama + alfa, e na região alfa. Experiências têm mostrado [9] que a laminação controlada proporciona um aumento no limite de elasticidade e melhora a dutilidade em comparação com a laminação a quente convencional. A baixa temperatura final de laminação proporciona aumento no limite de elasticidade do aço. O processo de laminação contínua é o que proporciona o maior aumento no limite de elasticidade. 7.7.1.1 - Tipos de Processos de Laminação Controlada Durante o processo de laminação controlada, melhorias nas propriedades do aço são obtidas pelo refinamento de sua estrutura. Por causa da relação entre os grãos de gama e alfa, o refinamento da estrutura alfa é alcançado com o refinamento dos grãos gama [63]. Como mencionado anteriormente, o refino de grão depende da temperatura de deformação. A laminação controlada geralmente é feita em dois ou três estágios como mostrado na fig.(7.26) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 188

Fig.7.26 - Esquema simplificado de laminação: processo convencional em dois estágios e em três estágios [9]. O processo em dois estágios envolve as seguintes três etapas [57,64]. Etapa 1 - Redução da espessura do material na rápida região de recristalização. Esta região está acima de 1000 o C. A deformação nesta região produz grãos gama recristalizados grosseiros a qual se tem uma transformação relativa para grãos alfa grosseiros e estrutura bainítica superior. Etapa 2 Tempo de espera na laminação no intervalo de temperatura entre 1000 e 900 o C. Este tempo de espera é necessário para garantir a quantidade necessária de deformação na região de não-recristalização. Durante este intervalo, recristalização parcial tende a ocorrer e leva a uma formação de estrutura de grãos mistos. Etapa 3 Redução final da espessura na região de não-recristalização. Deformação abaixo da temperatura de recristalização produz estruturas de grãos gama contendo finos grãos da estrutura alfa. No processo em três estágios, a redução na região de não-recristalização também é interrompida por um intervalo de tempo. A fig.(7.26) faz uma comparação com os processos em dois e três estágios. Durante o intervalo de tempo a altas temperaturas no processo em dois estágios, ocorre uma recristalização rápida levando a formação Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 189

de uma estrutura de grãos grosseiros no final do intervalo de tempo. No processo em três estágios, o primeiro intervalo de tempo a altas temperaturas leva a formação de estrutura de grãos grosseiros. Durante o segundo intervalo de tempo, entretanto, a recristalização é lenta de maneira que o tamanho do grão no final do processo em três estágios é mais fino do que aquela obtida no processo em dois estágios. 7.7.1.2- Mudanças Estruturais no Aço Durante a Laminação Controlada. As mudanças estruturais no aço durante a laminação controlada estão mostradas na fig.(7.27). Estas mudanças estão relacionadas a deformação nas três seguintes regiões[57]. Fig.7.27 -Ilustração esquemática de mudança na microestrutura com Deformação durante a laminação controlada. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 190

a) Deformação na região de recristalização. Nesta região, grãos de austenita grosseiros tipo a são refinados por deformações repetidas e a recristalização produz grãos recristalizados tipo b. Durante o resfriamento estes grãos se transformariam em grãos de ferrita grosseiros tipo b. b) Deformação na região de não-recristalização. Nesta região, bandas de deformação são formadas de forma alongada nos grãos de austenita não recristalizados tipo c. Durante o resfriamento a ferrita poderá nuclear tanto nas bandas de deformação quanto nos contornos de grãos, originando uma estrutura fina de grãos alfa-gama do tipo c. c) Deformação na região gama-alfa. Nesta região, as bandas de deformação continuam a serem formadas e também a deformação da ferrita produz uma subestrutura d. Durante o resfriamento após a deformação, a austenita não recristalizada se transforma em grãos alfa equiaxiais, enquanto que a ferrita deformada muda para subgrãos tipo d. A formação das bandas de deformação é um dos principais fatores da laminação controlada. Na laminação à quente convencional os grãos alfa nucleiam exclusivamente nos contornos de grãos gama, por outro lado, na laminação controlada a nucleação dos grãos alfa acorre tanto no interior dos grãos de austenita quanto nos contornos destes grãos. Isto é por que as bandas de deformação funcionam de maneira equivalente a pequenos contornos de grãos de austenita. Esta divisão permite a nucleação de pequenos grãos alfa, produzindo estrutura de grãos muito refinados. O segundo fator mais importante na laminação controlada é a formação dos subgrãos de ferrita durante a deformação na segunda fase [65]. Quanto menor o tamanho do subgrão maior é o efeito na resistência do aço. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 191

7.7.1.3 - Mudanças Estruturais no Aço Durante a Laminação Contínua. A laminação contínua, permite obter uma desejável combinação de aumento na resistência e tenacidade de um aço extra-baixo-carbono [57,62]. Isto é atribuído a: a) refino dos grãos tanto da estrutura gama quanto da alfa devido às grandes deformações repetitivas, b) recuperação dinâmica que produz uma estrutura poligonal fina, e c) textura cristalográfica cúbica que resulta a partir dos processos de deformação. As texturas executam um importante papel no controle do impacto da temperatura de transição (ITT). Para aço de laminação contínua a temperatura de transição pode ser relacionada quantitativamente a parâmetros de textura com base em produtos de intensidades de planos de deslizamentos [111] e planos transversais [110] [63]. Quanto menor a temperatura final de laminação na região alfa, maior é a intensidade de formação de texturas cúbicas [111] e <110>, o que resulta em menores temperaturas de transição [9]. 7.7.1.4 - Mudanças Estruturais no Aço Durante Resfriamento Controlado Após a laminação da placa ou chapa, geralmente o material resfriado por meio de jatos d agua. A estrutura do aço após o resfriamento irá variar devido a velocidade de resfriamento e também com a temperatura final do material após terminado o resfriamento[66]. A relação entre o caminho percorrido do resfriamento e a microestrutura resultante esta mostrada na fig.(7.28) para o caso de bobinas e placas no diagrama de resfriamento contínuo de um aço vanádio-nitrogênio. O diagrama mostra que o constituinte na forma de bainita(b) irá se formar no aço caso a sua temperatura após o resfriamento estiver abaixo de 550 o C. Se o resfriamento estiver na faixa de 579 a 635 o C, a microestrutura se consistirá de finos grãos poligonais de ferrita e alguma perlita. Esta temperatura favorece significativamente o aparecimento de precipitados duros após o bobinamento[9]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 192

Fig.7.28 - Diagrama de transformação contínuo para um aço micro ligado de 0,16%C; 1,4%Mn; 0,004%P; 0,012%S; 0,4%Si; 0,04%Al; 0,11%V; e 0,018%N. Caminhos de resfriamentos controlados para bobinas e placas estão superpostos no diagrama[9]. 7.7.1.5 Efeito de Elementos de liga na Laminação Controlada Elementos de liga tais como Nióbio, Vanádio e Titânio são muito utilizados na laminação controlada [9]. As adições destes elementos aumentam a resistência do aço[9,57]. Segundo Tanaka [57], o aumento da resistência do aço pelo Nióbio é devido ao refinamento dos grãos e a formação de precipitados de carbonetos de nióbio. O Vanádio causa um grande aumento na resistência do aço devido principalmente a sua formação de precipitados. O Titânio promove somente um ligeiro aumento na resistência do aço devido a menores quantidades de refinamento de grãos e formação de precipitados. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 193

7.7.2 - Prática da Laminação Controlada na Laminação de Tiras à Quente. A prática da laminação controlada em uma laminação a quente típica consiste das seguintes seis etapas [9,67]. a) Reaquecimento de placas, a qual, é acompanhado de crescimento de grão, b) Laminação de desbaste, que pode ser considerado como deformação na região de recristalização, c) Intervalo de tempo entre o desbaste e a laminação de acabamento, d- Laminação final (acabamento), que pode ser considerado como deformação na região de não-recristalização das duas fases (gama e alfa), e- Rápido resfriamento no leito de resfriamento, f- Temperatura durante o bobinamento, que pode levar a formação de precipitados de nióbio e vanádio causando um grande aumento no limite de elasticidade do material. As propriedades desejadas do aço na laminação controlada podem ser afetadas por uma série de fatores do processo. Os fatores mais importantes estão mostrados a seguir [9,57,63]: a) redução da temperatura de reaquecimento da placa para obter tamanhos de grãos gama pequenos e uniformes, mas permitindo uma completa solução dos elementos de liga, b) seleção de uma quantidade de redução adequada por passe durante os passes iniciais para obter uma estrutura de tamanho de grãos gama recristalizados fina e uniformes, c) seleção da temperatura e do intervalo de tempo entre a região de recristalização e não-recristalização, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 194

d) seleção de uma quantidade de redução adequada e temperatura de laminação na região das duas fases (gama e alfa), e) seleção de uma velocidade de resfriamento apropriada, e f) seleção de uma temperatura de bobinamento ótima. Todos os fatores listados acima têm o mesmo propósito e uma combinação adequada de alguns deles poder-se-ia obter as propriedades desejadas de um aço na laminação controlada. Existe uma diversidade de práticas desenvolvidas na laminação controlada para se obter as propriedades finais desejadas no aço, e isto é devido principalmente a diferenças na capacidade, no poder de resfriamento e na estabilidade de operação nas diferentes máquinas de laminação. 7.7.2.1 Exemplo de Aplicação da Laminação Controlada O processo de laminação controlada desenvolvido pela Sumitomo [68] na produção de aço para ser utilizado na fabricação de tubos de grandes diâmetros inclui como propriedades do aço, alta resistência, alta tenacidade e alta absorção de energia. A laminação controlada permite que se alcancem estas propriedades pela seleção adequada da temperatura de reaquecimento de placa, da temperatura final de laminação, da dinâmica de resfriamento acelerado, dos elementos de liga e da temperatura de transformação de endurecimento do material. A fig. (7.29) mostra uma faixa ótima de propriedades mecânicas desejadas ao aço, entre a temperatura de reaquecimento e a temperatura final de laminação. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 195

Fig.7.29 Região ótima das condições de laminação para as propriedades desejadas [68]. Como pode ser visto nesta figura, a expansão do limite de resistência (curva 1) pode ser obtida pela aplicação de precipitação ou transformação de endurecimento. O refino do grão pode melhorar a tenacidade do material (curva 2) e uma alta absorção de energia (curva 3) do material pode ser alcançada utilizando-se aços de mais baixo teor de carbono e enxofre. As mudanças microestruturais que ocorrem durante a laminação controlada podem ser vistas de maneira esquemática na fig. (7.30) de onde obtêm-se os seguintes comentários [9]. 1 O refino de grão da estrutura austenitica pode ser obtido pela diminuição da temperatura de reaquecimento da placa e/ou pela adição de aproximadamente 0,015% de titânio como elemento de liga. 2 O refino de grão da austenita recristalizada pode ser obtido pelo aumento do grau de redução em altas temperaturas e/ou pela adição de aproximadamente 0,015%Ti como elemento de liga. 3 O aumento da quantidade de grãos de ferrita recristalizada devido a produção de bandas de deformação tem como causa as grandes reduções na região de não recristalização da austenita, região logo acima da linha de temperatura de tranformação Ar 3. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 196

4 Aços de alta resistência podem ser obtidos se laminados na região ótima de austenita-ferrita (dual-phase region). 5 Uma alta taxa de resfriamento do material pode obter estruturas de granulação fina de ferrita e bainita misturadas. Fig.7.30 Mudanças na microestrutura durante a laminação controlada e altas taxas de resfriamento[68]. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 197

8 - FORNOS DE REAQUECIMENTO Sua função principal é elevar a temperatura dos produtos semi-acabados, (tarugos ou placas), até que o material esteja suficientemente plástico para permitir a redução mecânica à secção desejada. Certas condições que afetam a operação e qualidade do produto devem ser atendidas ao aquecer o aço, que são: 1. A temperatura deverá ser suficientemente alta para não obrigar a reduzir a velocidade de produção do laminador, nem submeter os cilindros a pressões excessivas; 2. Não deverá ocorrer superaquecimento, pois a temperatura demasiadamente elevada irá afetar a secção, as propriedades físicas e a estrutura de grão de produto acabado; 3. O aquecimento deve ser uniforme em toda a secção e em todo o comprimento, para evitar rupturas intemas, ou uma variação, tanto na secção, como na estrutura de grão do produto acabado; 4. Cada peça de aço da mesma ordem de produção deve ser aquecida, em sequência, à aproximadamente a mesma temperatura, para evitar atrasos na laminação devido a ajuste nos cilindros; e, 5. O aquecimento deve permitir o fluxo adequado de calor, sem haver fusão da superfície externa e, também, para evitar trincas e tensões internas, causadas por diferenças muito grandes de temperatura entre o núcleo e a superfície da peça. A importância relativa de cada uma das condições acima, varia com o tipo de aço: nos aços de baixo carbono, as condições de aquecimento são diferentes das de aços altamente ligados. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 198

Alguns princípios básicos devem ser respeitados para o projeto e operação dos fornos de aquecimento, tais como: 1. Capacidade térmica, ou seja, a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do material. 2. Fluxo de calor até a superfície e através da peça. Num forno de reaquecimento o calor é transmitido por radiação e convecção. A radiação do calor da chama depende da diferença de temperatura entre a superfície do aço e a chama, da distância entre elas, da luminosidade e espessura da chama (coeficiente de emissividade). A convecção de calor das paredes do forno para a superfície da peça depende da diferença de temperatura entre os dois corpos e do coeficiente de transferência de calor por convecção. 3. O fluxo de gases no interior do forno influencia na uniformidade de aquecimento das peças. 4. Os combustíveis usados nos fornos de reaquecimento podem ser sólidos (carvão pulverizado), líquidos (óleos combustíveis ou alcatrão) ou gasosos (gás natural, gás de alto fomo, gás de coqueria ou a combinação dos dois últimos. 5. Deve haver espaço para a chama e os gases queimados no volume interno do forno, o qual depende do tipo de combustível utilizado e do grau de mistura e da temperatura do ar e do combustível. A chama não pode ser mais comprida que o forno, sob pena da combustão ir completar-se no canal de fumaças e danificar o recuperador. Se, pelo contrário, a chama for muito curta em relação ao tamanho do forno, os gases queimados esfriam-se ainda no seu interior, resultando condições desfavoráveis para o aquecimento. A combustão superficial da mistura é também importante, pois, influencia na velocidade de combustão. 6. A movimentação dos gases queimados não deve causar turbilhões em retrocesso ou zonas mortas. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 199

8.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS FORNOS DE REAQUECIMENTO Existem fornos descontínuos e contínuos, ou seja: 8.1.1 - FORNOS DESCONTÍNUOS OU INTERMITENTES São aqueles em que o material a ser aquecido é carregado e permanece estacionário sobre a soleira até atingir a temperatura de laminação ou forjamento. Algumas vezes é comum virar-se os blocos ou lingotes a fim de homogeneizar o aquecimento. Normalmente o ar é pré-aquecido por regeneradores e a combustão sofre inversão da chama. Quando são utilizados recuperadores, a direção da chama é a mesma, todo o tempo. O aço a ser aquecido nestes fornos é normalmente carregado e retirado do forno, por meio de máquinas carregadoras. Como vantagens dos fornos descontínuos podemos citar: 1. Permitir o aquecimento de vários tipos de aços ou dimensões diferentes de peças que necessitam um processo de aquecimento específico, o que pode ser melhor executado em lotes separados do que misturados no mesmo forno; 2. Podem operar a temperaturas mais elevadas do que um forno contínuo, podendo-se 'lavar' a superfície do aço, isto é, fundir parcialmente a crosta de óxido para remover defeitos da superfície, sem haver o perigo das peças colarem umas nas outras; 3. Possibilidade de misturar de peças de aços diferentes dentro do forno é menor; 4. Sem despesas adicionais para esvaziar o forno, no fim de um programa de aquecimento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 200

Como desvantagens podemos citar: 1. Elevado investimento por tonelada de produção; 2. Baixa eficiência da soleira (pequena área de utilização); 3. Maior quantidade de pessoal necessário para operar o forno; 4. O comprimento das peças é limitado (6 m) devido às dificuldades no sistema de manuseio e carregamento. 8.1.2 - FORNOS CONTÍNUOS Estes fornos possuem, em geral, várias zonas de aquecimento em seu interior. O material é carregado em uma extremidade, sendo forçado a caminhar pelo interior do forno pela ação de empurradores ou vigas. O material normalmente é descarregado pela outra extremidade do forno, ou por uma porta lateral, por meios mecânicos. Nos fornos contínuos, tanto a carga como a descarga, se realizam de maneira periódica durante a operação. Como vantagens podemos citar: 1. Elevada produção; 2. Menor quantidade de mão-de-obra por tonelada aquecida; 3. Menores custos de depreciação e manutenção por tonelada aquecida; grande produção por metro quadrado de área ocupada. 4. No caso de várias zonas, melhor controle do ritmo de aquecimento; Como desvantagens, os fornos contínuos apresentam: 1. Falta de flexibilidade no atendimento de pequenas encomendas ou diversos tipos de aços; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 201

2. Os lados do material devem ser planos para evitar empilhamento de peças na soleira; 3. maior custo para esvaziar o forno na reparação ou no final de programa de produção, exceto no caso de vigas caminhantes; 4. O esvaziamento do forno em caso de acidente é muito trabalhoso, provocando qrandes perdas de tempo. 5. Maior perigo de haver mistura de peças de diferentes aços dentro do forno; 6. Maior dificuldade para empurrar diferentes seções dentro do forno (exceto no caso de vigas caminhantes). Os fornos contínuos podem ser classificados quanto a maneira como as peças são aquecidas e conduzidas no interior do forno em: fornos de empurrar e fornos de vigas caminhantes,. Comparados entre si, os fornos de empurrar e os fornos de vigas caminhantes, apresentam pontos positivos e inconvenientes. Com o sistema de empurrar, teremos um forno sensível do ponto de vista mecânico, uma vez que, habitualmente, peças móveis no interior do forno, devido às altas temperaturas reinantes no interior do mesmo, sempre são críticas. Uma das vantagens dos fornos de vigas caminhantes é a possibilidade de esvaziamento ao final da jornada, visto que os fornos de empurrar não apresentam esta possibilidade, o material permanece inativo dentro do forno a altas temperaturas várias horas. O que se repercute em uma maior oxidação, com uma considerável perda de material e um maior depósito de carepa, sobre a soleira do forno. Uma outra vantagem muito importante é a maior uniformidade de temperatura das peças aquecidas devido ao fato de não haver contato permanente delas com os suportes (strids) para sustentação durante o aquecimento. A manutenção do forno de empurrar é sensivelmente mais cara. Por outro lado, o investimento em sua construção é menor. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 202

Os fornos de reaquecimento contínuos possuem três zonas de combustão: 1. Zona de pré-aquecimento Onde o material que entra a temperatura ambiente é aquecido, em contra corrente, até uma temperatura da ordem de 700 o C, pelos gases da combustão procedentes das outras zonas em direção ao recuperador onde aquecerá o ar de combustão. 2. Zona de aquecimento ou intermediária Região de grande fluxo de calor onde o material é aquecido na superfície até uma temperatura de 1250 o C, principalmente por radiação do calor das chamas dos queimadores (em torno de 10). 3. Zona de encharque Equipada com queimadores (radiação de calor) onde se consegue que a diferença de temperatura entre o ponto mais frio (núcleo) e o ponto mais aquecido da peça, seja reduzida ao mínimo, não representando um problema para o trem de laminação ou para a qualidade do produto final laminado. Também existem fornos do tipo rotativos empregados no reaquecimento de tarugos ou blocos para a laminação de produtos tubulares ou ainda no aquecimento de materiais para a realização de operações de forjamento. Na atmosfera do forno, como conseqüência da combustão completa ou parcial, podem se encontrar os seguintes gases: dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO), anidrido sulfuroso (SO 2 ), vapor de água, hidrogênio, nitrogênio, metano, etc. Em altas temperaturas, o dióxido de carbono e o excesso de oxigênio, reagem com o metal aquecido da superfície formando carepa. Esta perda de material por oxidação, sem levar em conta o custo econômico que representa devido a queda de rendimento, pode se constituir em uma causa do não cumprimento das tolerâncias dimensionais previstas para o produto laminado, principalmente em relação ao comprimento dos produtos. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 203

Figura 8.1 - Tipos de fornos contínuos de reaquecimento: de vigas caminhantes e de empurrar. Figura 8.2 - Corte de um forno de reaquecimento de empurrar com 3 tipos de zonas de combustão (adaptado de McGannon, 1970). Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 204

Fig.8.3 Esquema mostrando um forno de reaquecimento de vigas caminhante 8.2 - PRODUÇÃO A capacidade de um forno de reaquecimento é afetada pela continuidade de operação. Produções horárias elevadas ou baixo consumo de combustível não podem ser obtidos se o forno é aquecido, utilizado durante curto período e novamente deixado resfriar. Fig.8.4 Fotos dos skids de um forno de vigas caminhantes Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 205

Fig.8.5 Esquema mostrando detalhes do mecanismo de vigas caminhantes de modo a permitir o deslocamento de placas sem riscar a superfície das mesmas em um forno de vigas caminhantes. Ademais, os refratários serão submetidos à expansão e contração repetidas, o que é nocivo à sua duração. A eficiência térmica é definida como a porcentagem do calor total fornecido ao forno que é usada para elevar a temperatura da carga até à necessária para a laminação (ou forjamento). Nos fornos contínuos equipados com recuperadores e bom isolamento, pode atingir até 40%. A eficiência da combustão pode ser melhorada evitando-se as perdas que ocorrem no forno, dentre as quais se destaca a quantidade de energia contida nos gases da chaminé. Pode-se reduzir esta perda pela instalação de recuperadores, regeneradores ou caldeiras de recuperação. As perdas de irradiação podem ser reduzidas pelo uso de isolantes. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 206

Figura 8.6 - Evolução de temperaturas ao longo de um forno de reaquecimento contínuo de vigas caminhantes. As placas de aço são enfornadas à temperatura ambiente. Figura 8.7 - Evolução de temperaturas ao longo de um forno de reaquecimento contínuo de vigas caminhantes da ArcelorMittal Tubarão. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 207

9 LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE. Os laminadores de tiras a quente são aqueles destinados a produção de chapas finas tiras até espessuras acima de 1,0 mm. Uma boa parte dos produtos dos laminadores de tiras a quente é utilizada na espessura com que sai do laminador, são as chapas finas e tiras a quente. Entretanto, outra grande parte é destinada a laminação a frio, para a produção de chapas finas a frio e das folhas. Assim como as chapas grossas, as chapas finas e tiras laminadas aquente podem ser classificadas de diversas maneiras segundo os requisitos de qualidade, ou seja: 1 - qualidade comum; 2 - qualidade estampagem; 3 - qualidade baixo teor de metalóides; 4 - qualidade requisitos de propriedades mecânicas. A seqüência de operações nos trens de tiras aquente é, em linhas gerais, a seguinte: 1- preparação das placas; 2- reaquecimento das placas; 3- descarepação; 4- laminação a quente; 5- bobinamento ou corte; 6- decapagem e oleamento (opcional); 7- acabamento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 208

1 Preparação. A preparação ou condicionamento das placas consiste na eliminação de seus defeitos, a fim de se evitar que os mesmos apareçam no produto acabado. As placas provenientes do desbastador são resfriadas e inspecionadas nas duas faces e, se necessário, é realizada a remoção dos defeitos (geralmente gotas frias, trincas, dobras, superfície queimada, superfície esponjosa, bolsas, etc.) através da escarfagem manual com maçarico ou com a utilização de esmeril. Em usinas siderúrgicas de elevado padrão de qualidade, o resfriamento e inspeção é feito por amostragem. A maior parte das placas, provenientes de desbastadores ou do lingotamento contínuo, é enfornada a quente, sem inspeção visual, com sensível economia de combustível. 2 Reaquecimento de placas. Completado o exame e o condicionamento, as placas são transportadas para a área dos fornos de reaquecimento onde sua temperatura será elevada até o ponto que o trabalho de deformação plástica seja facilitado. Os fomos são do tipo contínuo dotados de um sistema de carregamento, podendo ser de empurrar ou de vigas caminhantes. 3 - Descarepação. A descarepação, ou seja, a eliminação da camada superficial de óxido, merece atenção especial, pois, a qualidade de superfície da chapa acabada depende em grande parte, do cuidado com que ela (a camada de óxido) for removida. Para isto existem três métodos: a) emprego de uma cadeira duo horizontal, que pode igualmente efetuar uma redução de espessura; b) utilização de uma cadeira duo vertical, bastante útil no caso de placas de largura menor, pois, além de controlar as bordas da chapa, ajuda a evitar o seu fendilhamento; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 209

c) emprego de jatos d' água sob alta pressão, normalmente entre o laminador vertical e o laminador quádruo de chapas grossas, ou antes e depois do quebrador de carepas e do laminador quádruo reversível. Os cilindros horizontais podem apresentar uma superfície entalhada (usinada), para facilitar o agarramento e arrastamento da carepa primária pelos cilindros ásperos. A ação dos cilindros verticais provoca o trincamento da carepa na direção transversal do esboço, facilitando a sua remoção sem o perigo de incrustá-la, o que pode acontecer com cilindros horizontais. Os jatos de água, além da ação mecânica (impacto) propriamente dita, também provocam o resfriamento rápido da camada de carepa acarretando o seu fendilhamento (a carepa trinca porque é friável) e diminuindo a adesão da mesma à superfície do metal base. Observa-se que a água que penetra nas trincas provoca um aumento de volume ao se transformar em vapor induzindo o remoção da camada de carepa. A laminação, pode ser realizada em 4 tipos de laminadores: 1 - laminador contínuo; 2 - laminador semi-contínuo; 3 - laminador reversível Steckel -laminador planetário. 4 Laminação a quente. A laminação a quente, pode ser feita em laminador contínuo, semicontínuo e laminador steckel. 4.1 - Laminador Contínuo No arranjo dos trens contínuos de tiras aquente, o mesmo é dividido em 2 partes: trem preparador e trem acabador. O número e o tipo de cadeiras utilizadas em cada trem variam em função do grau avanço tecnológico da empresa projetista/construtora do equipamento, do tipo de aço a ser laminado, da capacidade de produção almejada, etc. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 210

1. Trem preparador: O trem preparador pode ser composto por até de 4 cadeiras quádruo, não reversíveis, distanciadas entre si de tal modo que a placa quase nunca é laminada em duas cadeiras simultaneamente. Outra opção é a utilização de uma cadeira quádruo reversível. A primeira cadeira, que é precedida por um quebrador de carepa pode ser utilizada como alargadora de placas no caso de laminação cruzada. Para a operação de alargamento, torna-se necessário uma mesa viradora e uma prensa endireitadora de bordas. As três cadeiras seguintes são, geralmente, dotadas de cilindros verticais para laminar as bordas da chapa. Figura 9.1 - Foto de uma cadeira de laminação universal com laminador quadruo reversível. Entre o trem preparador e o acabador tem-se uma mesa de rolos de grande comprimento, cuja finalidade principal é permitir o controle da temperatura da chapa antes de sua entrada no trem acabador. Nos modernos trens de chapas finas aquente, utilizam-se fornos conhecidos como coil box depois do trem de desbaste. A finalidade deste equipamento é evitar o resfriamento do esboço que está sendo laminado devido ao aumento da superfície de contato esboço/ambiente. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 211

O princípio de funcionamento baseia-se no bobinamento do esboço no momento que a espessura atinge a faixa de 20 a 40 mm. A utilização do coil box permite a construção de unidade mais compactas de laminação de chapas finas aquente. Fig.9.2 Representação esquemática do coil box posicionado depois do trem de desbaste; 1- rolos do berço; 2- rolo de desempenamento inferior; 3- rolo de formação da bobina; 4- rolos defletores; 5- braço oscilante com unidade ajustável; 6- rolos de desempenamento superiores; 7- pistão hidrálico de ajuste; 8- engrenagem (fuso) de elevação para ajustar o gap de desempenamento; 9- capa da forno; 10- mecanismo de transferência de bobina; 11- unidade de desbobinamento. Fig.9.3 Representação esquemática da seqüência de bobinamento e desbobinamento do coil box. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 212

2. Trem acabador: O trem acabador é constituído de 4 a 7 cadeiras quádruo não reversíveis, colocadas muito próximas umas das outras de modo que a chapa é laminada simultaneamente, em todas as cadeiras. Antes do trem acabador, tem-se uma tesoura de pontas e um quebrador de carepas. Entre a última cadeira do acabador e as bobinadeiras, tem-se as mesas de resfriamento. Trata-se de uma linha de rolos de grande comprimento onde se lança água sobre a tira a fim de resfria-la até uma temperatura conveniente para o bobinamento. Figura 9.4 - Trem laminador de acabamento do tipo contínuo para chapas finas a quente. Alguns trens contínuos de tiras a quente, produzem também chapas grossas, as quais no entanto, geralmente, só são laminadas no trem preparador. Um transferidor situado antes do trem acabador conduz as chapas grossas para as desempenadeiras e dai, para o setor de acabamento. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 213

(a) (b) (c) (d) Figura 9.5 - Exemplos de sistemas de resfriamento de chapas laminadas a quente: (a e c) do tipo chuveiro; (b) lâmina de água e (d) armazenador de água para um sistema do tipo chuveiro O resfriamento da tira por fluxo laminar de água (laminar flow) é, dentre os até então existentes, o que faculta o mais preciso e uniforme resfriamento da tira. Contribui, portanto, para a uniformidade das propriedades metalúrgicas e mecânicas das tiras produzidas. Para otimizar o resfriamento, o fluxo de água deve se realizar em regime laminar (não turbulento). Várias estratégias de resfriamento podem ser utilizadas conforme a necessidade de variação de temperatura ao longo da chapa laminada. Como a ponta da chapa tende a ser mais fria, por ter entrado em contato em primeiro lugar com os cilindros de laminação, efetuando uma maior troca de calor com este do que o restante da chapa, pode-se atrasar ligeiramente o despejo de água sobre a chapa ou fazê-lo com menor intensidade. Para permitir tais controles, o sistema de resfriamento é subdividido em zonas de ajuste normal (chamadas microzonas) e zonas de ajuste preciso (ajuste fino ou trimming zones), cada uma delas individualmente controlada. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 214

Assim, quando se tornar necessário o ajuste da temperatura de bobinamento, procede-se da seguinte forma: - se for pequeno, atua-se diretamente nas zonas de ajuste preciso; - se for grande, efetua-se um ajuste preliminar por meio das zonas de ajuste normal e, em seguida, o final, por meio das zonas de ajuste preciso. Normalmente a parte superior de resfriamento laminar é montada em seções de estruturas articuladas, que podem ser levantadas por basculamento quando não estiverem sendo usadas ou quando ocorrer embolamento da tira sobre a mesa. Já a parte inferior consta de bicos de aspersão de água (chuveiro) montados em estrutura fixa. A pressão da água no sistema pode ser constante ou não. Nos sistemas mais modernos optou-se por uma pressão constante, uma vez que uma pressão mais elevada não exerce grande influência na eficiência do resfriamento e exige maior investimento inicial e manutenção mais freqüente. Nos sistemas de pressão constante, esta é devida apenas à diferença de nível entre os pontos de saída e o tanque de distribuição, situado a uma altura em torno de 10 m. A quantidade de água utilizada nesta etapa é relativamente grande, podendo chegar a 10.000 m 3 /h. Esta água deve ser pré-tratada, para evitar a introdução de defeitos superficiais nas chapas e deve ser reutilizada, para não ser uma fonte de impactos ambientais severos. Cerca de 1% da água deve ser reposta, devido às perdas por evaporação durante o contato com a chapa de aço aquecida. A estratégia de resfriamento também envolve a refrigeração ou não do mandril da bobinadeira e das primeiras espiras enroladas nesse mandril, uma vez que este parâmetro afeta a microestrutura e, conseqüentemente, as propriedades mecânicas, principalmente no caso de temperaturas de bobinamento elevadas. O resfriamento deve ser igual nos dois lados da chapa, para não provocar o seu empenamento, devido a uma maior contração do lado mais frio. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 215

Figura 9.6 - Diversas opções para a aplicação do resfriamento da chapa (as áreas escuras indicam os setores onde a água é aspergida sobre a chapa), conforme a microestrutura almejada e o tipo de aço que está sendo laminado (Heinrich et al., SMS). Após a laminação das tiras a quente, temos o bobinamento e/ou corte. Na maioria dos casos, os produtos dos trens de tiras a quente são bobinados logo que saem do laminador. Porém, no caso da fabricação de chapas planas de aço, ao invés de bobinas (chapas de aço enroladas), faz-se o corte do esboço e seu desempeno. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 216

4.2 - Laminador Semicontínuo O laminador semicontínuo é muito semelhante ao laminador contínuo. A diferença principal reside no fato de que ao invés de várias cadeiras preparadoras, todas girando na mesma direção, empregam-se para o mesmo trabalho, uma ou duas cadeiras reversíveis. A capacidade de produção destes trens é inferior a dos trens contínuos. 4.3 - Laminador Steckel Como o custo inicial do laminador contínuo ou semicontínuo é um investimento muito alto, sua aquisição só se torna econômica para grandes produções. Por isto, foi desenvolvido um laminador para produções menores chamado de laminador Steckel, o qual consiste de: um laminador duo ou de um laminador de bordas com cilindros verticais para quebrar a carepa; uma cadeira quádruo reversível única, de dois fornos com bobinadeiras (uma câmara revestida internamente de refratário, aquecida a gás ou a óleo, dentro da qual tem-se um mandril enrolador); cilindros impulsionadores ou arrastadores; mesas de aproximação e de saída. (a) (b) Figura 9.7 - Laminador Steckel para produção de chapas finas a quente: (a) fluxograma geral da linha de laminação; (b) detalhe do trem acabador com o laminador Steckel. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 217

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 218 Fig. 9.8 Representação esquemática de um laminador contínuo de tiras a quente

Nos primeiros passes a laminação é realizada de maneira convencional e os fornos não são utilizados. Quando se atinge uma determinada espessura, passa-se a enrolar a tira alternadamente em um dos fomos. Os fornos estão muito próximos da cadeira de modo que ao mesmo tempo em que a chapa é laminada, ela está sendo enrolada num forno e desenrolada no outro. Quando completa-se o passe, inverte-se o sentido de laminação e a tira é introduzida no mandril do forno onde vai ser enrolada. Deve ser observado que a finalidade dos fornos não é a de aquecer a tira e sim atenuar o resfriamento. Mesmo assim, as extremidades se resfriam muito e podem apresentar espessura irregular. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 219

10 - DECAPAGEM Decapagem é o processo de remoção da camada de ferrugem ou de carepa da superficie do aço, pela ação de uma solução ácida diluida, a fim de permitir a deformação a frio (como a laminação, estiramento ou estampagem), ou a aplicação de um recobrimento protetor (pintura ou eletrodeposição). 10.1 - CONSTITUIÇÃO DA CAMADA DE ÓXIDO Enquanto que a ferrugem consiste principalmente de hidróxido de ferro, a camada de óxido, apresenta várias zonas de diferentes composições, espessura e porosidade. Geralmente, observam-se dispostas uma sôbre a outra: Fe 2 O 3 ; Fe 3 O 4 ; wustita ( FeO ) e Ferro metálico (Fig. 10.1). O Fe 2 O 3 representa uma casca dura e quebradiça, de coloração avermelhada. O Fe 3 O 4 de coloração cinza azulada é mais poroso, enquanto a wustita tem uma estrutura granuiar e porosa. O FeO dissolve-se fácilmente nos ácidos diluidos, enquanto que o Fe 3 O 4 já o faz mais dificilmente e o Fe 2 O 3 ainda menos. Se a superfície metálica estiver recoberta de uma camada ínínterrupta de Fe 2 O 3 será muito mais düícil efetuar a decapagem. Por felicidade, a carepa é quebradiça; mediante um processo de dobramento da chapa em ambos os sentidos, é possível de físsurar esta camada de óxidos, permitindo o acesso do ácido de decapagem à camada mais solúvel de FeO. Como meios de decapagem usam-se ácidos ou sais inorgânicos, sendo o ácido sulfúrico o mais empregado devido ao seu preço. Para a decapagem de aços especiais, utilizam-se misturas de ácido clorídrico e nítrico. O ataque das camadas de óxido com o ácido sulfúrico ocorre segundo as reações: Fe 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4 )3 + 3H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 SO 4 = FeSO 4 + Fe 2 (SO 4 )3 + 4H 2 O FeO + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 O Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 220

Fig. 10.1 Ataque do ácido nas diversas camadas de óxido da carepa. A velocidade de reação desta última equação sendo maior, a decapagem é facilitada quando o ácido atinge a camada de FeO, através das fendas das camadas superiores. Além das reações acima, há um ataque não desejável, do ácido sôbre a chapa, ou seja: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H2. O progresso desta reação é dificultado pelas adições de inibidores de decapagem. A velocidade de decapagem aumenta com a concentração do ácido até um máximo de 25 a 30%, decaindo novamente a concentrações maiores. Um fator de ainda maior importância é a temperatura do banho; a decapagem à temperatura ambiente é lenta, e a cada 10 C de aumento de temperatura, até cêrca de 60 C, corresponde uma duplicação da velocidade de reação. Para a decapagem de peças começa-se com um banho à concentração de 20% a uma temperatura de 50 C; pouco a pouco o banho é aquecido até cêrca de 100ºC. O Sulfato ferroso, ao chegar ao ponto de saturação da solução (variável conforme a concentração e temperaturas, atingindo um máximo entre 60 e 70ºC), deposita-se no fundo do tanque. 10.2 - DECAPAGEM COM ÁCIDO CLORÍDRICO As reações da decapagem são as seguintes: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 221

Fe 2 O 3 + 6HCl = 2FeCl 3 + 3H 2 O Fe 3 O 4 + 8HCl = FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O FeO + 2HCl = FeCl 2 + H 2 O A reação do ácido com o metal é: Fe + 2HCl = FeCI 2 + H 2 Trabalha-se com uma concentração de 20% inicialmente, baixando até 5% e às temperaturas de 20 até 40ºC. Temperaturas superiores a 40ºC resultam em perdas excessivas de ácido, pela evaporação, no caso de decapagem em tanques abertos. 10.3 - INIBIDORES São resíduos da produção de alcatrão ou parafinas, constituídos de longas cadeias de átomos de oxigênio, carbono, nitrogênio e enxôfre. Além de evitarem o ataque do ácido sôbre o metal, os inibídores impedem a formação de névoas ou fumaças de ácido no ambiente de decapagem. Além disso, o inibidor deve evitar a difusão do hidrogênio, que pode causar flocos ou bôlhas de decapagem. Um bom inibidor não deve decompor-se à temperatura e à concentração dos banhos de decapagem, nem sujar a superflcíe metálica que protege. Os banhos já usados devem ser submetidos a um tratamento antes de serem descarregados para os esgotos, para evitar danos à vida anímal e vegetal. Este tratamento pode ser: neutralização ou recuperação do ácido. A neutralização é feita por meio de solução de leite de cal, juntamente com insuflação de ar. O sulfato de cálcio formado é sedimentado e retirado de tempos em tempos. Na recuperação, procura-se obter o sulfato ferroso mono-hidratado, FeSO 4 H 2 O, o qual na presença de oxidantes, regenera o ácido sulfúrico, obtendo-se como resíduo Fe 2 O 3. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 222

10.4 - DECAPAGEM CONTÍNUA O aparecimento dos laminadores contínuos (Tandem) a frio, para a produção de chapas finas e de fôlha-de-flandres, ocasionou o desenvolvimento da decapagem continua para o material laminado a quente e enrolado em bobinas. (Fig. 10.2). Uma decapagem continua é dividida em três partes, que podem ser controladas separadamente: alimentação, a decapagem propriamente dita e a saida. Fig. 10.2 - Esquema de uma decapagem continua, mostrando a preparação, o poço de acumulação de entrada, o tanque de decapagem (de três a cinco) e o tanque de água para separação em bobinas, com o aparamento lateral e, se necessário, o oleamento, durante a rebobinagem. a)alimentação: Os componentes principais da zona de entrada são: o equipamento de manuseio para colocar a bobina em posição no desenrolador, a tesoura de pontas e a máquina para juntar os extremos das bobinas. O transportador de entrada de uma linha de decapagem deve possuir suficiente capacidade para armazenar 2 a 3 bobinas, de modo a manter o fluxo do material, mesmo que a ponte rolante ou outro sistema de transporte das mesmas, não esteja operando continuamente. Basculadores de bobinas são colocados no lado de entrada do transportador, para que a bobina fique com seu eixo na horizontal em vez de na vertical, como havia sido transportada desde o laminador a quente. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 223

A bobina é colocada na desenroladeira, sendo mantida num eixo ou mandril e a tira é forçada a fazer uma curva em S ao se desenrolar e antes de entrar numa endireitadeira de rolos. Esta operação de dobramento causa grande número de fissuras transversais na camada de óxido, diminuindo a coesão desta com o metal e facilitando a ação do ácido. Outra vantagem é da tira ser aplainada e sofrer suficiente trabalho a frio para eliminar dobras localizadas. A desenroladeira está ligada a um gerador elétrico a fim de criar tensão suficiente na tira de uma maneira econômica, isto é, gerando energia. A seguir, a tira passa na tesoura de pontas cuja função é produzir borda adequada para a solda. Máquinas de solda tipo TAYLOR-WINFIELD, permitem que a junção dos dois extremos das tiras seja laminada no trem a frio. Óbviamente, a junta tem que ser da melhor qualidade: na máquina de solda, ambos os extremos da tira são presos firmemente por meio de garras condutoras de eletricidade, um arco elétrico é formado entre êles e os dois extremos são trazidos um de encontro ao outro, formando uma junta caldeada e a solda é rebarbada por meio de uma raspadeira móvel. A tira passa a seguir pelos rolos empurradores que a levam ao poço de acumulação (looping pit) o qual serve de estocagem intermediária, a fim de permitir que a seção de entrada possa parar para a alimentação de nova bobina e efetuar a solda com a extremidade da bobina anterior, sem haver interrupção do processamento da tira nos tanques de decapagem. Às vêzes, o poço de acumulação está cheio de água para diminuir o atrito entre as superficies. Em seguida, vem o segundo conjunto de rolos empurradores que alimenta a tira na decapagem propriamente dita. b) Tanques de decapagem: A zona de decapagem normalmente contém quatro tanques de 18 a 25m de comprimento, 1,20m de profundidade e 30 a 40 cm mais largos que a tira máxima a ser decapada e que, em geral, são construídos de chapas de aço soldadas de, pelo menos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 224

3/8 polegadas de espessura, com um revestimento de borracha vulcanizada no seu interior. Para proteger a borracha da abrasão e calor excessivos, existe um outro revestimento, de 200mm, de tijolo antiácido vitrificado, feito em duas camadas, unidas por um cimento antiácido. Tampas de chapa, revestidas de borracha, servem de cobertura para os tanques e lateralmente é feita a exaustão (por meio de ventiladores de pás recobertas de borracha), para evitar o escape de vapôres de ácido para o ambiente. O aquecimento é feito pelo vapor injetado ao longo das paredes. Nos extremos de cada tanque, grandes rolos revestidos de borracha, aparados por meio de cilindros pneumáticos, mantém a tira mergulhada no ácido. Um tanque de lavagem com jatos de água fria sob pressão, seguido de outro com água quente completam o sistema. c) Saída: Ao deixar cada um desses tanques a tira passa entre rolos de borracha, que são comprimidos contra a tira, retirando o excesso de solução. A velocidade de uma linha de decapagem é cêrca-de 200m/min e o comprimento total da instalação, 250m. O ácido usado para a decapagem de aço comum é normalmente ácido sulfúrico diluido (devido ao seu baixo custo, comparado com o de outros ácidos). A concentração é no máximo de 15-17% e a temperatura do banho é próxima à da ebulição da água. A medida que o solução de decapagem vai sendo usada, cresce a concentração de sulfato ferroso até um limite máximo tolerável, em que começa a prejudicar o aspecto da chapa, sendo então necessário trocar a solução. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 225

10.5 - LIMPEZA DA SUPERFÍCIE POR MEIOS MECÂNICOS Consiste na remoção da camada de óxido por meio de impacto de jatos de areia ou de granalha metálica. Certas máquinas utilizam o ar comprimido e outras, força centrifuga, para impulsionar as partículas de granalha. O emprêgo de areia de sílica, projetada contra a superfícíe metálica por meío de ar comprimido, não se recomenda, não só pelos custos substancialmente maiores, como devido ao perigo de Silicose para os trabalhadores. Uma variante dêste processo é a utilização de água sob pressão (até 120 kg/cm 2 ) com mistura de areia de quartzo; é usada principalmente em fundições, para limpeza e acabamento de peças. Nas máquinas que empregam a fôrça centrifuga, dependendo do material a ser decapado (tubos, tarugos ou chapas), varia o número de turbinas, que são colocadas de modo a atingir uniformemente roda a superfície das peças. As turbinas de várias aletas são alimentadas axialmente, o que permite a orientação da granalha em várias inclinações. A roda da turbina tem diâmetro entre 300 e 600mm e gira entre 2.000 a 2.800 rpm. (Fig. 10.3). Fig. 10.3 Turbina para limpeza de tarugos ou chapas por meio de projeção centrífuga de jatos metálicos (granalha) contra a superfície a limpar. 11 - LAMINAÇÃO A FRIO Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 226

Na definição da A.I.S.I (American Iron and Steel Institute) Chapas finas laminadas a frio, cortadas ou em bobinas, são produtos planos de aço, entre as espessuras de 0,36mm e 6,34mm (0,0142" a 0,2499") [81]. A Especificaçào Brasileira EB-188 aplica-se às chapas finas de aço carbono com espessura igualou superior a 0,30mm até 6,00mm inclusive, com os diversos acabamentos.especificados, em chapas cortadas ou bobinas. A mesma especificação compreende quatro grupos de qualidades em que se podem enquadrar as chapas finas de aço ao carbono [81]: Qualidade Comum Qualidade Estampagem Qualidade Baixo Teor de Metalóides Qualidade Requisitos de Propriedades Mecânicas a) Qualidade comum: É elaborada com aço de baixo teor de carbono, efervescente, acalmado mecânicamente, ou semi-acalmado. É produzida com superfície fôsca, adequada para a aplicação de vernizes orgânicos, tais como: pintura e esmaltes, mas que não é indicada para a eletrodeposição onde a superficie lisa e isenta de defeitos é essencial. As chapas cortadas não devem apresentar defeitos que sejam claramente visiveis na sua superficie; as bobinas poderão ter maior porcentagem de defeitos, porque o produtor não tem a mesma possibilidade de rejeitar as partes contendo imperfeições como no caso de chapas. A chapa de qualidade comercial até 0,1570 de carbono deve ser dobrada sôbre si mesma, em qualquer direção, sem haver fissuras visíveis ao longo da dobra. Para teores de carbono entre 0,15 e 0,25%, o corpo de prova deve poder ser dobrado a 180º em tôrno de uma peça, tendo uma espessura igual à do especimen, sem apresentar fissuras. Chapas de acabamento brilhante são produzidas pela passagem entre cilindros esmerilhados e polidos e possuem acabamento mais lustroso que as de qualidade Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 227

comercial, sendo indicadas para as peças que necessitem bom acabamento com pouca deformação. Para a eletrodeposição estas chapas devem ser submetidas a polimento prévio. b) Chapa laminada a frio para estampagem: É produzida a partir de aços selecionados e especialmente processada para ter caracteristicas uniformes de estampagem, sendo obtida normalmente a partir de aço efervescente. Em caso de estampagem particularmente severa, especifica-se aço acalmado. A superficie é geralmente fôsca, para aplicação de tintas ou esmaltes, mas não é adequada à eletrodeposição, onde a isenção de defeitos superficiais é essencial. As chapas dêste tipo de aço deverão produzir, dentro das tolerâncias negociadas em cada caso entre o produtor e o consumidor, peças determinadas. c) Qualidade baixo teor de metawides: São produzidas com análise química tal, que a soma dos teores dos vários elementos seja baixa e são empregadas na fabricação de peças revestidas com esmaltação vitrea, galvanização, etc. d) Requisitos de propriedades mecânicas: As chapas finas produzidas sob Requisitos e Propriedades Mecânicas Determinadas são destinadas a peças sujeitas a esforços de qualquer natureza ou conjuntos estruturais diversos. Então, são exigidas propriedades mecânicas especificadas, tais como: ensaio de tração, dureza, etc. As chapas desta qualidade de aço podem ser também produzidas de acôrdo com determinadas faixas de dureza Rockwell. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 228

11.1 - PROCESSOS DE LAMINAÇÃO À FRIO O processo de produção de chapas ou bobinas laminadas a frio compreende inicialmente a deformação do aço a temperaturas abaixo do ponto crítico. Este ponto varia com o tipo de aço: 627 C para o ciclo de resfriamento e 727 C para o ciclo de aquecimento são temperaturas bastante representativas [81]. A redução a frio é obtida pela deformação da estrutura cristalina; resulta numa elevação da resistência à tração, da dureza superficial, do limite elástico e numa redução da dutilidade. A seguir, o material é submetido a um recozimento (para restituir-lhe dutilidade) e depois, a um passe de acabamento ou de encruamento, para uniformizar a superficie ou obter uma dureza determinada e homogênea, em roda a área. As chapas finas ou bobinas laminadas a frio podem ser produzidas numa grande variedade de equipamentos, seja Duo, Trio, Quádruo ou Multiplo; as cadeiras poderão ser dispostas isoladamente ou em Tandem. 11.2 - CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TIPOS DE LAMINADORES: As vantagens da utilização de cilindros de trabalho de pequeno diâmetro seriam [81]: a) para uma dada redução, a carga sôbre o laminador é menor; b) a deformação elástica do cilindro no arco de contato (ou achatamento do cilindro, como é chamado comumente) é diminuída; c) a energia necessária é menor; d) o alargamento lateral é reduzido e, portanto, a tendência para fendilhamento nos bordos é menor. Por outro lado, é mais difícil de alimentar tira, os cilindros aquecem-se mais e há maior dificuldade na transmissão da energia mecânica devido ao pequeno diâmetro dos pinhões que deverão ser usados. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 229

A tendência na laminação a frio tem sido de aumentar as velocidades dos cilindros, reduzir os tempos improdutivos e mecanizar cada vez mais, o manuseio do material. Daí a laminação contínua de bobinas em várias cadeiras vir substituindo a laminação de chapas individuais. 11.3 - RESFRIAMENTO DOS CILINDROS: Durante a operação, uma considerável quantidade de calor égerada na tira e nos cilindros de trabalho, pelo atrito e pela deformação plástica do material; parte dêste calor é levada pela tira e parte passa aos cilindros. À medida que a velocidade aumenta, a quantidade de calor passando aos cilindros na unidade de tempo, também aumenta. Como o cilindro não é aquecido uniformemente, pois o centro é sempre mais quente que as bordas, haverá a tendência de mudar a forma do cilindro e, portanto, quanto maior a velocidade, mais vigoroso deve ser o resfriamento. No caso de chapas de aço comum, pode-se usar óleo solúvel, contendo até 90-95% de água, sem detrimento à qualidade. No caso de aços ligados, a mistura óleo solúvel e água, mancha a tira, devendo-se usar um óleo mineral ou orgânico, cuja capacidade de resfriamento, em média, é metade da água. Por isso, a sua velocidade de laminação é limitada a 300 m/min, enquanto o aço comum pode ser laminado a 1000-1200 m/min. Ao laminar a frio chapas finas para carroçaria, utilizam-se, como lubrificantes, emulsões de óleos minerais que servem, além de reduzir o coeficiente de atrito durante a laminação, também para remover o calor gerado pelo trabalho de redução. Quando porém, a espessura final é inferior a 0,35mm, o efeito lubrificante dos óleos emulsionáveis (que em geral são hidrocarbonetos saturados de cadeia aberta) não é mais suficiente; deve-se usar óleo de palma (azeite de dendê). Ao contrário dos óleos emulsionaveis, que durante o recozimento gaseificam sem residuos, as graxas orgânicas, ao queimar deixam depósitos que dificultam a laminação de encruamento e mais tarde, durante a deposição da camada de estanho, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 230

não permitem uma boa adesão da camada metálica de proteção, necessitando por isso, de uma decapagem eletrolitica para sua remoção. 11.4 - LAMINADORES CONTINUOS: A laminação a frio em várias cadeiras, desenvolveu-se a partir de 1928, quando foram empregados os primeiros laminadores quádruo, em Tandem. Logo, foi descoberta a influência da tensão entre as cadeiras (ou entre as bobinadeiras e o trem, no caso do laminador reversível). Num trem de várias cadeiras, a tíra é enfiada entre os cilindros a velocidades relativamente baixas e introduzida na bobinadeira. A tensão então é aplicada entre as cadeiras e entre a última cadeira e a bobinadeira e mantida durante o tempo em que o laminador é acelerado até a velocidade de trabalho. A desaceleração no final da bobina é feita também procurando-se manter constante a tensão entre as cadeiras. Os laminadores contínuos consistem de três a seis cadeiras, normalmente do tipo quádruo, equipadas com uma desenroladeira do lado de entrada e uma bobinadeira tensionadora do lado de saída. Geralmente, há uma enroladora de correia para guiar a ponta da tira em tôrno do mandril expansivel, eliminando-se, assim, a necessidade de parar a bobinadeira em posição certa e determinada para inserir a ponta da tira entre as garras de pressão. Os conjuntos de laminadores continuos são: de 3 e 4 cadeiras e até 2.490mm de largura, para chapa fina laminada a frio, chapa de carroçaria de automóveis, etc.; de 4 a 5 cadeiras até1.425mm de largura, para chapas mais leves e para fôlhas-de-flandres; e de 5 a 6 cadeiras para fôlhas-de-flandres. Com o aumento da velocidade de saída, os mais recentes laminadores para fôlhas trabalham acima de 2.100m/min., o que implica na necessidade de se operar com bobinas cada vez maiores, senão, o laminador estaria constantemente acelerando e desacelerando. Este problema foi resolvido soldando-se várias bobinas numa só, durante a decapagem continua. 11.5 - BOBINADEIRAS Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 231

A enroladeira tensíonadora, de um laminador a frio deve receber a ponta da bobina ao sair da cadeira, prendê-ia e colocá-ia sob tensão, sem choques bruscos ou exagerados; deve enrolar a tira com uma tensão constante e automàticamente diminuir a velocidade, sem alterar a tensão, à medida que a bobina aumenta de diâmetro. 11.6 - OPERAÇÃO A chapa no instante em que entra em contato com o cilindro de trabalho, desloca-se à velocidade menor que a da superfície dêste, mas durante a redução, a velocidade vai aumentando e, finalmente, deixa o cilindro com velocidade ligeiramente maior do que velocidade periférica do cilindro. Esta diferença de velocidade entre a tira e a superfície do cilindro, durante a sua passagem através o laminador, ocorre enquanto a mesma está sendo submetida a uma pressão elevada. O movimento relativo entre a tira e a periferia do cilindro é possibilitado pela lubrificação: no caso de haver deficiência de lubrificante a superfície da tira é rasgada; se houver excesso, os cilindros escorregam e não se pode reduzir corretamente o material. A redução a frio é feita até 50% pelo menos, da espessura original da tira laminada a quente, ou seja, ao dôbro do comprimento inicial, para evitar má estrutura granulométrica depois do recozimento. O máximo de redução sem que o aço fique demasiado duro e quebradiço, tornando anti-econômica a laminação, é até 90% da espessura original. Os cilindros de trabalho, usados na laminação de tiras a frio são de ferro fundido nas duas primeiras cadeiras e de aço forjado nas outras, porque nos passes iniciais o material ainda está relativamente maleável, enquanto que nas últimas já está encruado; a dureza e o polimento dos cilindros de aço forjado assume importáncia fundamental para a boa superfície,da chapa. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 232

11.7 - LAMINAÇÃO DE CHAPA FINA A chapa fina para a produção de folhas de flandres tem de 610 mm a 940 mm de largura e desde 0,178 mm a 0,571 mm de espessura. O processo consíste na redução a frio em laminadores contínuos de 4, 5 e 6 cadeiras ou num laminador reversível. A seguir, os resíduos de óleo de laminação são removidos numa linha de limpeza eletrolítica; a bobina é recozida entre 650 e 700 C; depois passa pelo laminador de encruamento com uma ou duas cadeiras, para obter a dureza superficial, acabamento e aplainamento desejados, antes de ser cortada na linha de tesouras. 11.8 - PRODUÇÃO DE FÔLHAS MUITA FINAS A chamada fôlha-de-flandres fina (Thin tin) tem até 1.067mm de largura e de 0,076mm a 0,178mm de espessura. Os métodos de produção são diversos: a) laminar num laminador de 6 cadeiras: b) usar um laminador de 4 ou 5 cadeiras e depois um laminador reversível para as reduções finais; c) laminar num laminador de 4 ou 5 cadeiras, efetuar um recozimento intermediário e reduzir até à bitola final num laminador de 2 ou 3 cadeiras, antes de se fazer o estanhamento. 11.9 - LAMINADORES DE ENCRUAMENTO E DE ACABAMENTO O material depois do recozimento, tem uma grande maleabilidade e em muitos casos, é necessário aumentar a resistência à tração, o que é feito pelo encruamento, que normalmente é uma redução da espessura da chapa. A laminação de encruamento tem por fim: melhorar o aspecto da superficie que devido ao recozimento tornou-se fôsca, tornando-a bem plana e brilhante; aumentar o limite de deformação permanente; e evitar as linhas de Luder (Stretcher Strains) durante uma estampagem posterior. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 233

A redução varia de 0,5% até um máximo de 4%, dependendo da dureza superficial desejada. O material para estampagem profunda recebe apenas uma redução de 0,5% (Fig. 11.1), enquanto que o que se destina a partes estruturais sofre uma redução maior. As primeiras instalações de encruamento, eram de uma só cadeira, com a tensão aplicada entre a desenroladeira e o laminador, por meio de freios mecánicos. A demanda crescente de melhor acabamento e maior dureza superficial, obrigando a passar as bobinas duas vêzes pelo mesmo laminador, levaram à construção de instalações de duas cadeiras, principalmente para a fõlha-de-flandres. Um laminador com duas cadeiras pode obter maiores reduções e também, atingir maior tensão entre as cadeiras do que a possivel de obter entre uma única cadeira e a bobinadeira. Esta tensão maior tende a aumentar o aplainamento e produzir um material melhor que o obtido apenas pela laminação em uma só cadeira. Fig. 11.1 - Laminador de encruamenlo de uma só cadeira para chapas laminada a frio [81]. A tensão na desenroladeira deve ser controlada para evitar marcas de deformação, "stretcher strains", que podem ocorrer se a tira é esticada demasiadamente antes de laminar. Durante a laminação de encruamento, a tensão deve ser suficiente para exceder o limite de deformação permanente, mas não aproximar-se muito do limite de ruptura. A primeira cadeira faz uma redução leve, de até 10%, para aplainar o material, eliminar irregularidades de bitola e dar a tensão necessária na tira, ao entrar na segunda Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 234

cadeira. Esta é que efetua á maior redução, podendo atingir até 50%. Um medidor automático de espessura por meio de Raios X, mede a bitola da chapa e comanda os parafusos ajustadores ou a tensão entre as cadeiras, para dar espessura uniforme. A produção de durezas superficiais elevadas, tem conduzido a aumentar a poténcia dos motores a valores da ordem de 1/2 HP para cada centimetro da largura dos cilindros de trabalho e cada 15 metros por minuto de velocidade nominal. A pressão de laminação é da ordem de 900 kgf por mm de largura da tira; as tensões são da ordem de 30 a 60% da resistência mecânica do material. 11.10 - PROCESSO DE LAMINAÇÃO A FRIO DA USINA ARCELORMITTAL VEGA (VEGA DO SUL) 11.10.1 - Produtos e Aplicações da Usina Vega do Sul Bobina decapada a quente: Espessuras entre 2,0 e 4,8 mm e larguras entre 750 e 1875 mm. É aplicado em rodas de automóveis, botijão de gás, compressores, entre outras peças. Bobina fina a frio: Espessuras entre 0,4 e 2,0 mm e larguras entre 750 e 1875 mm. É utilizado em automóveis, eletrodoméstico, entre outros. Extragal: São chapas de aço com revestimento de zinco. Espessura do Revestimento 4 a 25μ (30 a 175 g/m²) por face. Benefícios Alta resistência à corrosão. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 235

Aplicação Indústria automobilística, de eletrodomésticos e da construção civil. Galvalia: São chapas de aço com revestimento de liga zinco e ferro. Espessura do Revestimento 4 a 10μ (30 a 70 g/m²) por face. Benefícios Alta resistência à corrosão, boa soldabilidade e excelente aderência à pintura. Aplicação Indústria automobilística e de eletrodomésticos 11.10.2 - Produção da ArcelorMittal Vega (Vega do Sul) A Vega do Sul é uma planta industrial que utiliza como matéria-prima bobinas laminadas a quente fornecidas pela ArcelorMittal Tubarão (CST), de Vitória (ES). A Vega do Sul não é uma usina siderúrgica integrada, pois trabalha somente com o beneficiamento (tratamento) do aço. A empresa produz atualmente bobinas laminadas a frio através dos seguintes estágios: 11.10.3 - Etapas da Produção: 1 - Linha de decapagem: Processo de remoção da camada de óxidos da superfície das bobinas laminadas a quente. 2 - Laminador a frio de 4 cadeiras: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 236

Processo de redução da espessura das chapas de aço laminadas a quente através da laminação a frio. 3- Recozimento em caixa: Processo de tratamento térmico utilizado para restituir as propriedades mecânicas do aço após sua laminação a frio, adequando-as à aplicação final pelo cliente. 4- Encruamento: Processo de redução a frio da bobina de aço, com baixos valores de redução, utilizado para ajustar as propriedades mecânicas do material, introduzir a textura superficial e melhorar a planicidade do produto final. 5- Linha de galvanização: Processo de revestimento da superfície da bobina com uma fina camada de zinco para o aumento da resistência à corrosão do aço. 6 - Linha de inspeção: Procedimento de inspeção final da qualidade do produto antes do envio do produto acabado para os clientes. 1- Decapagem A finalidade deste processo é a remoção da camada de óxido superficial (carepa) gerada no processo de laminação a quente. A carepa é removida através de uma solução de Ácido Clorídrico, no qual a chapa é imersa. A solução ácida remove os óxidos da chapa, resultando em uma superfície adequada às aplicações ou processos posteriores. O processo de decapagem possui um circuito fechado com uma unidade de regeneração de ácidos, cuja finalidade é recuperar o Ácido Clorídrico, que é reutilizado na preparação da solução ácida, evitando a contaminação do meio ambiente e o aumento de custos do processo. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 237

Fig.11.2 Foto da linha de decapagem da usina Vega do sul Fig.11.3 Foto da linha de decapagem da usina Vega do sul Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 238

2 - Laminação a Frio O objetivo deste processo é a obtenção de chapas finas por meio da redução a frio controlada, garantindo ao produto homogeneidade de espessura, planicidade e rugosidade adequada às etapas seguintes. O laminador de tiras a frio com 4 cadeiras reduz a espessura da tira para os valores especificados pelo cliente. Neste processo, o aço sofre esforços de compressão de até 3.000 toneladas em cada cadeira, e trações de até 60 toneladas entre elas. As cadeiras são equipadas com controle de espessura e planicidade. Fig.11.4 Esquema da linha de decapagem e laminação a frio da usina Vega do Sul 3 - Recozimento Este processo tem o objetivo de restaurar as propriedades mecânicas do material, perdidas no processo de laminação a frio. Permite desenvolver textura interna favorável aos processos em conformidade às necessidades dos clientes finais, tais como a estampagem realizada em chapas utilizadas em automóveis e eletrodomésticos. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 239

Fig.11.5 Foto da área de recozimento das bobinas de Vega do sul 4- Encruamento A finalidade deste processo é ajustar as propriedades mecânicas do material, introduzir a textura superficial e melhorar a planicidade do produto final. Isso se obtém por meio da laminação com baixas taxas de redução. Fig.11.6 - Foto do laminador de encruamento de Vega do Sul Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 240

Fig.11.7 Esquema da linha de recozimento e laminador de encruamento de Vega do Sul 5 - Galvanização A finalidade desse processo é o revestimento da superfície da bobina laminada a frio com uma fina camada de zinco para proteger o aço contra a corrosão. Para a indústria automobilística a proteção contra a corrosão das carrocerias é um importante diferencial competitivo, por ter garantia de 12 anos. Para atender essa necessidade, a Vega do Sul produz bobinas de aço revestidas para a indústria automobilística, e para outros segmentos industriais como o de eletrodomésticos e da construção civil. A linha de galvanização consiste em um conjunto de processos contínuos que garantem características mecânicas e de revestimento necessárias ao produto final. As bobinas laminadas a frio passam na entrada da linha por uma seção de limpeza da superfície, para na seqüência, serem submetidas a um processo de recozimento contínuo. Finalizado o recozimento, o metal está pronto para receber o revestimento. A chapa é mergulhada em um banho de zinco fundido de elevada pureza, dando origem ao revestimento do tipo Extragal. O revestimento tipo Galvalia é obtido submetendo a bobina, após sua saída do pote de zinco, a um tratamento térmico, que transforma o revestimento de zinco puro em uma liga zinco-ferro. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 241

Terminado o revestimento, a bobina passa pelo processo de encruamento para ajustar as propriedades mecânicas do material, introduzir a textura superficial do produto e melhorar a planicidade. A Linha de Galvanização a quente dispõe ainda de um processo de tratamento de superfície, a cromatização, utilizado para aumentar a resistência à corrosão da bobina de aço revestida. No final da Linha de Galvanização, a bobina é inspecionada, oleada e embalada para envio aos clientes. Fig.11.8 Esquema da Linha de Galvanização de Vega do Sul Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES 242

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