Hoje os grandes martelos de contragolpe e acionamento pneumático ganharam destaque para o forjamento com manipulação robótica dos tarugos e dos forjados de eixos dianteiros de caminhões e virabrequins marítimos. A necessidade, porém de virabrequins ainda maiores para motores a diesel de petroleiros e outros navios de grande porte exigiram a construção de martelos de contragolpe de capacidades inatingíveis para prensas mecânicas, o até então objeto da atenção de todo o mundo da indústria de forjaria.

Esta reviravolta tornou necessária a adoção de técnicas e tecnologias modernas, até então focadas nas prensas, para estes martelos. A lubrificação das matrizes destes grandes martelos, até então domínio de materiais pouco amigáveis ao meio ambiente, como serragem e óleo combustível com grafite em pó misturado, teve que ser repensada. Não só os produtos químicos em si, como também os sistemas de aplicação.

Sabemos que a lubrificação das matrizes, em geral, visa principalmente dois aspectos: a lubrificação propriamente dita, que é o lubrificante oferecer um baixo coeficiente de atrito ao escoamento da geratriz sobre a matriz e o desmolde, que garante a remoção da geratriz da matriz sem arrancamento de partículas de uma ou de outra parte (Figura 1). Produtos à base d’água também proporcionam uma redução de temperatura da superfície da matriz, pois para a evaporação da água há necessidade de calor, retirada da superfície de trabalho, abaixando assim sua temperatura.

No caso dos martelos, a prioridade é outra. A ausência de pinos extratores (por motivos construtivos específicos deste tipo de máquina) implica em que os produtos que participam do forjamento sejam capazes de produzir um assim chamado “lift” evitando que as geratrizes fiquem aderidas às matrizes inferiores ou superiores, através de uma geração de gases que se forma na interface entre as gravuras e as geratrizes e assim as expilam das gravuras.

A Figura 2 mostra um martelo de contragolpe de acionamento pneumático atual muito difundido no mundo. O forjamento em matriz precisa de um complicado sistema de lubrificação para que as peças não fiquem presas à matriz superior durante os golpes. Óleo combustível (em geral o óleo combustível usado nos fornos de aquecimento dos tarugos) com grafite e serragem para a matriz superior foram os materiais que se estabeleceram em meados do século passado para este tipo de forjamento.

Na Figura 2 vemos as grandes quantidades de serragem que eram usadas no forjamento. Ao lado do operador da esquerda uma bandeja enorme ficava bem à mão para que ele pudesse arremessar punhados de serragem entre os golpes na matriz aberta. Provavelmente mais uma bandeja igual do outro lado onde o operador à direita está espreitando. No fundo atrás dele vemos as dunas de serragem que esperam para ser despejadas no martelo. O problema maior da serragem é que uma grande parte cai no poço do martelo e ali, como qualquer madeira, acaba apodrecendo e exala mau cheiro.

Mais tarde algumas variantes destes materiais foram introduzidas. A mais importante delas, sem dúvida, a utilização de água pulverizada para o controle de temperatura superficial das matrizes. Para isso foram desenvolvidas pistolas de pulverização de grande calibre para dar conta da grande quantidade de calor aportada pelo forjamento de tarugos de mais de 100kg a 1250°C. Depois, em algumas forjarias, para as matrizes inferiores, no lugar do óleo com grafite começou-se a usar dispersões de grafite em água. Mais uma vez desenvolveu-se uma pistola de pulverização de grande calibre de dupla função para aplicar antes, a água de pulverização e em seguida o grafite.

Na matriz de cima, entre os golpes era usual, e ainda continua no mundo inteiro, os operadores jogarem punhados de serragem que explode em contato com o aço em brasa e gera gases. Os operadores mostravam muita prática no “jogar” serragem. A serragem, que no início era apenas um resíduo indesejável de serraria e que quando solicitada pelas forjarias era entregue com muito gosto para se ver livre do estorvo, teve alguma “evolução”. Uma forjaria começou a solicitar um determinado tipo de serragem, ou seja, de uma determinada madeira! Os operadores molhavam a serragem para que ela tivesse um certo “peso” ao ser arremessada entre as matrizes, já que a explosão do óleo e as chamas provocavam uma pressão interna ao volume entre as matrizes que poderiam impedir a “penetração” do punhado de serragem.

Mas, qual o objetivo da serragem no processo de forjamento em martelos de grande porte?

Confira a continuação desta coluna, exclusiva em no portal, em breve.

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A indústria de forjaria está sofrendo diversas mudanças nos últimos anos em consequência de novos componentes forjados mais exigentes que pressionam a eficiência e a produtividade.

A redução de custos e consequente luta pela competitividade neste mercado força as forjarias a forjar com mais precisão e reduzir o sobremetal e consequentemente a necessidade de usinagem assim como o aumento da produtividade são os itens principais deste esforço.

O lay out das forjarias está sendo mudado totalmente para possibilitar produções maiores. Automação e manipulação robótica vieram para ficar e os equipamentos principais como prensas, transfers e fornos de indução foram integrados a centrais de comando computadorizado. Desta forma foram introduzidas muitas novas variáveis mas as exigências sobre os lubrificantes de forjaria permaneceram como estavam.

A tecnologia de lubrificantes de forjaria modernos praticamente ficou inalterada e os produtos resultantes de esforços desenvolvidos pelos fornecedores deste tipo de produtos não foi capaz de substituir o que uma boa dispersão de grafite micro processado de alta pureza pode proporcionar ao processo de forjamento. Tentativas de descobrir novas formulações e/ou substituição efetiva das formulações base grafite falharam e todas as evidências sugerem que continuarão a falhar no mínimo do ponto de vista da economia e da relação custo/benefício no forjamento de uma peça de aço usando como lubrificante de matriz uma dispersão de grafite em água. Um lubrificante de forjaria para ser realmente eficiente precisa proporcionar uma série de transformações instantâneas na superfície das áreas de trabalho das matrizes para possibilitar o processo de forjamento a quente ou a morno usando matrizes precisas para produzir peças de qualidade dimensional sem defeitos no seu interior ou na parte externa. Peças perfeitas para uma usinagem subsequente mínima ou dependendo do caso peças prontas para o uso.  Esta série de transformações podem ser resumidas como segue:

a) deposição instantânea de um filme contínuo e suave capaz de cobrir completamente e com a mesma espessura as áreas de trabalho da matriz;

b) como consequência direta modificar as áreas da matriz naturalmente não lubrificadas de alto coeficiente de atrito numa área lubrificada de baixo coeficiente de atrito capaz de permitir um fluxo metálico e de grãos de uma forma controlada;

c) um filme capaz de formar um revestimento de secagem rápida na superfície. A umidade do filme é prejudicial pois durante o forjamento podem ocorrer explosões de vapor d’água que podem prejudicar as matrizes (trincas) e as prensas (contragolpes);

d) um filme capaz de “desaparecer” durante o processo sem deixar resíduos sólidos nas matrizes bem como evitar o build up que por sua vez vai gerar defeitos de falta de enchimento.

Se esta série de transformações da superfície da matriz são realizadas então podemos esperar que o lubrificante de forjamento  proporcione os quarto pontos principais:

1) Lubricidade necessária para o fluxo metálico e bom enchimento da gravura;

2) Desmolde necessário para a rápida e fácil extração das peças forjadas;

3) Desgaste da matriz e proteção dimensional necessária para a consistência,  eficiência e de controle de custo do processo de forjamento e

4) Regulador de temperatura necessário para controlar os choques térmicos  das matrizes e manter as faixas de temperatura operacionais. Isso é conseguido através da evaporação da água veículo do lubrificante de matriz. A evaporação da água também fornece uma característica interessante que é a geração de vapor no espaço entre o componente forjado e as matrizes. Isso pode ser tremendamente interessante em martelos de contragolpe quando aplicado entre os golpes para fornecer o “lift” necessário para evitar o agarramento do componente forjado em uma das matrizes, nesta máquina desprovida de extratores.

Isso posto, agora temos que analisar porque nem todos os lubrificantes de grafite em água conseguem desempenhar como descrito: o segredo está na sua formulação e técnica de manufatura. O grafite precisa ser de uma morfologia, tipo, tamanho e pureza tão especial que poucos fabricantes o usam por causa do seu custo. Por outro lado, a formulação é determinante para que seja inodoro, tenha um pH determinado, estabilidade, que possa ser diluído em água, aderência, toxidade, etc. E no começo de tudo a tecnologia aplicada na manufatura do lubrificante de forjaria que proporcionará faixas de viscosidade específicas, a muito importante propriedade de não sedimentação que permitirão uma aplicação e uniformidade.

Algumas forjarias mudaram para produtos não pigmentados, sem grafite, “sintéticos”, baseado em argumentos de limpeza. Na realidade lubrificantes de grafite em água são mais limpos do que os assim chamados produtos brancos. A cor do seu lubrificante de matriz (preto ou branco) não deveria ser considerado sinônimo de limpeza. Além disso lubrificantes de grafite em água são seguros para a saúde e mais amigáveis ao meio ambiente. É só observar a FISPQ dos diferentes produtos de forjaria comerciais e ver os números de classificação de saúde correspondentes a um e outro tipo.

Todas as mudanças e pressões por causa de peças mais complexas e diferenciadas de certa maneira relegaram a lubrificação de matriz a um importância secundária. Ao ponto que atualmente a maioria das empresas chegou à conclusão que testes comparativos consomem tempo e não há garantia para se chegar aos benefícios esperados. Muitos na indústria da forjaria acreditam que primeiro as mudanças nos processos precisam se consolidar para depois olhar para o lubrificante e outros acreditam que é arriscado e perigoso introduzir mais novas variáveis no seu processo. Este ponto de vista conservador está fazendo a indústria perder muito dinheiro somente pelo fato de não se dar a devida atenção para o problema do lubrificante de matriz.

Esta coluna quer compartilhar a mensagem de que um lubrificante de forjaria de qualidade tem o poder de afetar todos os parâmetros principais do processo de forjamento… para pior ou para melhor. Por isso aconselha-se que as forjarias verifiquem com o seu atual fornecedor de lubrificante de matriz e recebam um maior conhecimento e informações sobre o produto que estão usando.

Comecem a ouvir os experts e comecem a debater sobre os lubrificantes de matriz. Com certeza encontrarão a melhor solução para consolidar todas as mudanças exigidas.

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Assim é com a formação de camada de lubrificante sólido (grafite ou similares e pseudo sólidos) na superfície da gravura da matriz. Inicialmente, vou falar da formação de camada de grafite, com a qual tenho bastante intimidade já há muitos anos. Qual a ideia?

É formar na superfície da gravura da matriz, que pode estar a temperaturas acima de 400°C, uma camada de grafite que garanta um coeficiente de atrito baixo para facilitar o escoamento do metal a 1250°C, acarretando um bom preenchimento da gravura e que não a desgaste antes do forjamento.

Para explicarmos o mecanismo de formação de camada vamos usar o processo de aplicação por pulverização, onde podemos descrever as diversas fases do processo.

Na Figura 1, à esquerda, uma gota de lubrificante diluído em água é arremessada por ar comprimido contra a superfície quente. Esta gota contém as partículas de grafite. A segunda representação (ainda na Figura 1) mostra a gota começando a se achatar sobre a superfície e continua se achatando pela quantidade de movimento (momentum) que lhe foi auferida.

Já à direita, houve um achatamento total da gota, obtenção do maior diâmetro a cobrir (molhar) a superfície. Neste momento, há a retirada do calor (parte cinza) do bloco quente sob o disco achatado da gota. O calor aportado pelo bloco quente evapora a água que muda de fase para vapor d’água e deixa um disco seco de lubrificante (parte verde). Para a aderência total do grafite o calor residual fornecido pelo bloco promove um cozimento (anbacken) da parte orgânica do lubrificante (binder).

De outra forma espera-se que a água, veículo no qual estão dispersas as partículas de grafite, seja totalmente evaporada durante o processo de aplicação. A mudança de estado líquido para gasoso da água precisa de calor, que é retirado da superfície de trabalho e abaixa a sua temperatura. Não esquecendo que também há uma retirada de calor no aquecimento da água veículo, só que bem menor do que na evaporação.

Faz parte da formulação do lubrificante a presença de um ingrediente chamado binder, cuja função é ajudar o grafite a aderir firmemente na superfície da gravura. Já existe uma tendência de as partículas de grafite se aderirem à superfície que acabou de trabalhar por um fenômeno eletrostático. Para que seja possível a dispersão, as partículas de grafite são polarizadas e ostentam o mesmo sinal, repelindo-se mutuamente e conseguindo manter a dispersão. A superfície metálica da gravura da matriz onde houve o atrito com o metal da geratriz se carrega de eletricidade estática de outro sinal que o do grafite, e este é então atraído para esta superfície. Esta parte do processo de formação de camada também é térmico e precisa de calor retirado da superfície de trabalho que assa o binder, aderindo o grafite à superfície. Esta forte aderência é necessária para o funcionamento do grafite. O primeiro estrato precisa estar firmemente aderido para que os estratos seguintes deslizem uns sobre os outros, reduzindo assim o coeficiente de atrito. A tensão de cisalhamento entre os planos precisa ser menor do que a tensão de cisalhamento do primeiro plano e o substrato. De outra forma:

A Figura 2 mostra bem como o grafite funciona. Bem aderido (“assado”) à superfície quente pelo binder, aqui representado por uma mancha marrom, ele resiste a grandes pressões normais (setas vermelha e azul) e “abre” facilmente quando são aplicadas forças inclinadas. Este “abre” significa o deslizamento de um plano (estrato) sobre o outro desde que o primeiro estrato esteja firmemente aderido.

Desta forma, uma vez formada a camada ela trabalha de duas maneiras distintas:

Na Figura 3, no primeiro quadro temos dois planos (linhas pretas) em movimento relativo. O grafite entre os dois garante um movimento fácil devido a um coeficiente de atrito baixo.

O segundo quadro (ainda na Figura 3) mostra a capacidade desmoldante do grafite. É possível separar os dois planos sem que haja arrancamento de partículas de qualquer deles, pois a camada de grafite que há entre os dois garante uma separação perfeita.

Portanto, dando tudo certo, ao aplicarmos o lubrificante sobre a matriz, a água veículo se evapora totalmente e deixa firmemente aderida uma camada de grafite totalmente seca em cima apenas da gravura da matriz, na superfície de trabalho, de aproximadamente 15 a 20 µm.

No forjamento, o grafite, depois de trabalhar, se queima totalmente e transforma-se em CO2 e vapor d’água. Ou seja, uma aplicação sem resíduos. A Figura 4 apresenta bons exemplos do que queremos dizer, camadas e não crostas como na Figura5.

Mas, apesar de ser uma aplicação que perdoa bastante, fazendo com que o grafite vá aonde ele é necessário, pode haver problemas, sendo que o mais comum é o build up. O produto foi formulado para grudar em superfície quente! Em qualquer superfície quente! E gruda mesmo!

Quando aplicado inadvertidamente por overspray, em situações onde é necessário abaixar a temperatura da superfície para que possa ocorrer a formação da camada e em flooding, quando o excesso de lubrificante escorre por cima da matriz e da máquina, haverá a formação de camadas ou crostas oriundas de lubrificante líquido escorrido e não removidas pela ação do billet quente.

Estas formações são extremamente duras e dificílimas de remover. Dentro de gravações ou cantos da gravura impedem a chegada do metal naquele ponto ocasionando refugos dimensionais e gravações entupidas e inteligíveis.

Apenas um retrabalho mecânico nas matrizes é capaz de remover estas formações.

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Não há registros de onde ele tirou a ideia do sistema de dispersão das partículas de grafite em água que ele usou no DAG, mas foi perfeito, com uma temperatura de molhamento altíssima e uma cobertura excepcional, tornando possível a trefilação do tungstênio e a conclusão do invento de Edison. Vale dizer que este produto continua sendo usado pelos fabricantes de filamentos pelo mundo na sua fórmula original. Logo se viu que este produto seria muito útil para os demais processos de conformação de metais a quente.

Inicialmente, o sistema de aplicação utilizado foi o mesmo da trefilação do tungstênio: um sistema de recirculação usado normalmente na aplicação de fluido refrigerante em usinagem. Um tanque de armazenagem e uma bomba que bombeia o líquido para o ponto de uso. Debaixo da prensa um coletor de lubrificante escorrido o levava para um tanque inferior. Uma bomba recirculava o lubrificante escorrido para o tanque de trabalho. Este sistema ficou conhecido como flooding.

Acredita-se que as propriedades do lubrificante com grafite sintético eram tão extremas que a mistura com o lubrificante usado não diminuía o seu desempenho. O lubrificante de grafite sintético se adequou perfeitamente desde os sistemas mais primitivos até modernos sistemas de pulverização de atomização externa.

A única referência é que havia, sem dúvida, uma enorme diferença entre usar ou não usar o lubrificante.

Por exemplo, num processo em que, tradicionalmente, não se usava lubrificante nenhum, um forjamento em martelo de um alicate universal, a vida de matriz, de 2.500 peças, passou a 25.000 com este lubrificante. Onde havia o monitoramento da força de prensagem notava-se uma redução considerável, garantindo ao equipamento uma melhor preservação.

A fácil maneira de encher a gravura possibilitava a redução do peso do billet ou do tarugo,  resultando num excelente acabamento superficial das peças forjadas.

Em diversos processos de forjamento a quente e em prensas automáticas de alta velocidade tais como: soquetes de ferramentas manuais, ponteiras em geral, peças de transmissão de motos.

Forjamento a Morno

Para redução da carepa, foi desenvolvido o forjamento a morno com temperaturas do billet abaixo de 900°C. Nesta temperatura a tendência de oxidação do aço aquecido é bastante reduzido, possibilitando peças forjadas com menor sobre-metal e necessidade de usinagem reduzida, conhecido como near net forging.

Foi utilizado o lubrificante de grafite sintético como lubrificante de matriz e como billet coating, um invólucro impermeável de alta temperatura para evitar/reduzir a formação de carepa. Em ambos os casos, o lubrificante diluído é jorrado sobre as matrizes e sobre os billets antes do aquecimento. A boa estabilidade da dispersão de grafite sintético, mesmo em situação diluída, garantia um bom desempenho do banho de recirculação.

Nos anos 70, Aqui no Brasil

O lubrificante de grafite sintético era importado e naquela época o governo brasileiro baixou medidas para restringir as importações, atingindo diretamente os usuários deste produto que tiveram que procurar outras alternativas. A alternativa ao grafite sintético, de alta pureza, era o grafite natural, de pureza menor e principalmente de granulometria bem maior, já que a redução do tamanho das partículas seria antieconômica e encareceria o produto.

Assim, as forjarias limitaram o uso do lubrificante de grafite sintético a casos especiais e passaram a usar o lubrificante de grafite natural nas outras operações de forjamento mais simples.

Nos casos onde os benefícios com o uso do lubrificante de grafite sintético passaram a não se tornar mais visíveis, palpáveis ou mensuráveis, principalmente no forjamento a quente tradicional, em pequenas prensas excêntricas, prensas de parafuso e martelos, com tempos de ciclo relativamente longos começaram a ser preferidos produtos mais simples, com grafite natural com purezas menores e moídas por menos tempo a granulometrias mais grossas, dentro da filosofia “também funciona”.

Custo x Benefícios

Em empresas onde os argumentos econômicos custo conseguiam se sobrepor aos argumentos técnicos (benefícios), os forjadores precisaram se adaptar às novas condições oferecidas pelos lubrificantes de grafite natural. Pouco a pouco, os lubrificantes de grafite natural foram conquistando processos mais exigentes e prensas maiores. Também tem que ser considerado que, uma vez acostumados ao superior desempenho do grafite sintético fica difícil de provar porque ele é tão bom e merece ser pago tão caro.

E devido a unidades de aquecimento antigas, máquinas de forjaria com necessidade de recuperação de energia, havia tempo no ciclo de forjamento para se aplicar o lubrificante e refrigerar as matrizes.

Em todos estes processos já havia se instalado a prática da aplicação de lubrificante através de sistemas de pulverização manuais, o que, sem dúvida era mais propício ao grafite natural.

Novos métodos de planejamento de produção reduziram os estoques, o que levou ao forjamento de lotes menores, em geral bastante abaixo da vida útil das ferramentas o que mascarou a verdadeira vida útil, um dos principais argumentos de uso de um lubrificante de grafite sintético.

Há 15 Anos

Face ao “sucesso econômico” dos lubrificantes de grafite natural e ao “esquecimento” dos benefícios do lubrificante de grafite sintético, começou-se a procurar uma forma de deslocar o lubrificante de grafite sintético em processos onde ainda tinha que ser usado.Descobriu-se uma forma de reduzir o tamanho das partículas de grafite natural de forma econômica abaixo de 10µm, mas, claro com um sobrepreço do grafite, era o grafite natural semi-coloidal.

Hoje, esta granulometria já está disponível no mercado.

Volume Maior de Grafite Natural

Uma experiência interessante foi realizada há alguns anos. Numa prensa automática de alta velocidade que sempre trabalhou com lubrificante de grafite sintético, tentou-se usar grafite natural com tamanho de grãos 3x maior (semi-coloidal).

Embora tenha-se conseguido uma vida de matriz equivalente, foi necessária uma quantidade 3x maior, o que acabou tirando a vantagem econômica do grafite natural. A grande quantidade deste lubrificante recirculando pela prensa e a forte tendência de sedimentação do grafite natural entupiu as saídas e o enorme build-up causou tempos de parada para limpeza. Esta proporção (quantidade 3x maior) foi confirmada em diversos outros testes de substituição. Mais do que um substituto do grafite sintético, o grafite semi-coloidal é uma alternativa interessante ao grafite natural não coloidal com um desempenho intermediário.

Mais Considerações

Não adianta colocarmos o melhor grafite que proporcione um bom poder de cobertura no lubrificante se este não é capaz de formar camada a altas temperaturas.

Por isso, primeiro temos que formar a camada.

Se não houver tempo disponível para a refrigeração das matrizes para que a temperatura chegue na temperatura de molhamento do lubrificante, ele terá que formar camada naquela temperatura alta.

O desenvolvimento de sistemas de pulverização de atomização externa facilitou o trabalho para todos lubrificantes. Sistemas de diluição automática possibilitaram a parametrização das diluições e a utilização de diluição customizadas por peça forjada.

Grafite Sintético Acessível

Há pouco tempo, o grafite sintético, que era de uso exclusivo, passou a ser oferecido para o mercado por preços mais interessantes.

O sistema de dispersão artesanal foi substituído por dispersantes químicos disponíveis no mercado.

Hoje, temos um lubrificante de matriz de grafite sintético com um desempenho excepcional a um custo interessante.

Ou seja, um caso claro de custo/benefício.

Benefícios do Uso de Lubrificantes de Grafite Sintético

– Menor consumo de lubrificante (com menos, faça mais);
– Vidas mais longas de ferramental, necessidades de reparação são postergadas;
– Desempenhos excelentes do processo, maior produtividade;
– Qualidade ótima das peças forjadas. Excelente capacidade de cópia da gravura;
– Baixos coeficientes de atrito das camadas permitem ótimo fluxo metálico e rápido preenchimento da gravura da matriz;
– Economia de matéria-prima devido ao melhor enchimento;
– Os baixos coeficientes de atrito permitem baixas forças de prensagem poupando o equipamento de conformação.

Conclusão

O lubrificante inventado há 110 anos para viabilizar a lâmpada incandescente já possuía os atributos necessários e suficientes para atender forjamentos de alta velocidade de peças near net e net shape de hoje em processos de forjamento a quente e a morno.

Pode, perfeitamente, substituir lubrificantes de grafite natural semi e não coloidal com enormes vantagens. Não requer nenhuma modificação/adaptação do sistema de lubrificação, apenas pequenos ajustes reversíveis.

Por isso, o retorno às origens.

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Desconsiderando a parte de acionamento dos atomizadores vemos que a principal diferença entre os dois sistemas é o ponto onde o líquido é acrescentado ao fluxo de ar. Enquanto no sistema anterior o ponto de atomização é interno a um sistema de dutos onde a pressão efetiva é a pressão estática de ar menos a pressão dinâmica presente no sistema de dutos que no limite acaba não debitando nenhuma quantidade de pulverizado ou produzindo gotas grandes que vão deformar a qualidade do pulverizado. Pode ocorrer que a pressão dinâmica é tão grande que a pressão efetiva é zero e não haverá mais fluxo de ar, o que faz com que as gotas de líquido se condensem nas paredes internas dos dutos, nucleiem poças de líquido na base interna dos dutos que serão expelidos em primeiro lugar no próximo ciclo de pulverização. Tudo fica pior quanto mais longe fica o ponto de saída do ponto de atomização. Bicos inadequados de airless ou amassamentos dos tubos de saída diminuindo a seção de saída prejudicam ainda mais o desempenho.

Já no caso da atomização externa, como se pode ver na Fig. 1 na parte inferior, com o líquido praticamente explodindo dentro do leque de ar que está se expandindo dentro da pressão atmosférica, a pressão efetiva é a pressão inicial do líquido sem nenhuma interferência de outras pressões.

A outra conclusão importante da Fig. 1 é o leque de pulverizado. Quando na atomização interna o leque apresenta gotas grandes e heterogêneas, na atomização externa as gotículas são pequenas e homogêneas.

A primeira conclusão de gotículas pequenas e homogêneas é a capacidade de refrigeração da aplicação. Gotas pequenas têm uma superfície maior, evaporam mais rapidamente e conseguem trocar mais calor com a superfície quente, refrigerando-a. Desta forma se consegue uma rápida ancoragem do lubrificante sólido à superfície quente. Isso vem de encontro com as condições reinantes em prensas automáticas de alta produção. Ali, o aporte de calor causado por acima de 20 golpes por minuto necessita ser totalmente retirado em tempos menores do que 1 segundo!

Por outro lado, a rápida evaporação da água e as altas temperaturas da superfície da matriz colaboram com a ótima aderência do lubrificante sólido.

O resultado prático está na Fig. 2.

Partindo do princípio de que forma camada lubrificante na matriz tão somente o lubrificante sólido que teve a “sua” água evaporada, podemos dizer que com atomização interna, com gotas grandes e irregulares, cerca de 20% do volume aplicado evapora a água e forma camada e 80% escorre. Com atomização externa, gotas pequenas e homogêneas, 90% do aplicado evapora e forma camada e somente 10% escorre. Com o tempo e o aperfeiçoamento do sistema até esta quantidade poderá ser minimizada.

Apesar de o Toyota Paper ter atestado um aumento de vida de punção atribuível às gotas pequenas do pulverizado e a demonstração acima ter atribuído uma evaporação maior da água do lubrificante, vamos tentar mostrar o porquê disso.

De forma resumida, a fórmula e a Fig. 3 nos dizem que uma quantidade de calor 7 vezes maior é necessária para evaporar água a 100ºC do que para aquecer a mesma quantidade até 100ºC. Isso significa que gotículas pequenas se aquecem mais rapidamente devido a uma superfície maior, evaporam rapidamente, retirando mais calor da matriz.

A Fig. 4 mostra que com gotas menores se cobre uma área maior que troca mais calor!

Desta forma, cumpre-se o objetivo da aplicação de lubrificante em matrizes de forjaria:

Rápida formação de filme seco e bem aderido de lubrificante sólido garantindo a proteção da gravura das matrizes, melhorar o enchimento das gravuras devido ao menor coeficiente de atrito. Como todo lubrificante aplicado será revertido em filme seco e bem aderido de lubrificante sólido teremos um aproveitamento otimizado com toda água aplicada sendo evaporada e a camada de grafite se transformando durante o processo de forjamento em CO2 e vapor d’água sem deixar resíduos. Com esta aplicação, além do excelente aproveitamento do grafite, a evaporação da água se encarrega do gerenciamento térmico das matrizes, evitando superaquecimentos de determinadas áreas e, devido à ausência de grandes flutuações de temperatura, o perigo da ocorrência da fadiga térmica e perda de dureza do aço das matrizes.

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Já prensas maiores precisavam de um volume deslocado maior chegando até aos chamados sistemas airless, nos quais uma bomba, em geral de pistões, pressuriza o lubrificante até 80bar ou mais. Isso não é muito sadio para a delicada dispersão de sólidos em água e outras formas tiveram que ser encontradas com pressões de ar comprimido encontradas comumente em qualquer indústria, de 6 a 7 bar. Com o ar “turbinando” o lubrificante e aumentando o impulso, estava criado o sistema de pulverização chamado airmix.

Aí foi criatividade total! Alguns fabricantes apostaram em enormes difusores no melhor estilo carburador com lubrificante sendo injetado em venturis de 2” de fluxo de ar para alimentar até 200 furos de saída numa complicadíssima configuração para homogeneizar os fluxos e as pressões de saída. Outros já apostavam nas chamadas válvulas de atomização por injeção concêntrica com recursos tipo turbo para melhorar a atomização e outros obtinham a pulverização por cisalhamento, no qual o fluxo de lubrificante entrava perpendicularmente ao duto de ar. Todos estes sistemas tinham algo em comum, a posição dos atomizadores era longe dos pontos de utilização, alguns para aumentar o conforto de regulagem num local de fácil acesso do operador ou por conveniência construtiva, como no caso dos grandes difusores, e havia mangueiras, muitas mangueira que ligavam os fabricantes de pulverizado aos bicos de saída.

Outro ponto em comum é que o que saía dos bicos era um pulverizado grosso, úmido e com qualidade terrivelmente variável ao longo do ciclo de pulverização. Como ficou comprovado posteriormente, gotículas de lubrificante “voando” em suspensão no fluxo de ar é uma situação extremamente instável e que depende do próprio fluxo de ar. A perda de carga causada pelo atrito do fluxo nas paredes internas dos dutos, piorado por depósitos de lubrificante seco estreitando as passagens e bicos de saída inadequados, acabam causando um colapso no fluxo de ar e as gotículas de lubrificante que voavam dentro do fluxo de ar, agora parado, acabam ficando sem sustentação e caem na parede interna do tubo ou mangueira. Lá, por nucleação, as gotículas se juntam e formam poças. O ar, que parou, no caminho para a saída, acaba criando uma contrapressão que anda “para trás”. A tendência é essa contrapressão acabar empurrando o lubrificante de volta para o vaso de pressão que era usado como “bomba”! Imagine uma pista de três vias estreitada para uma. O congestionamento vai ficando cada vez mais longo como numa onda de choque que anda para a jusante.

Mas, o que acontece na matriz onde, afinal, o lubrificante deveria estar criando uma camada protetora? Quando a contrapressão se estabelece não sai mais nada pelos bicos e acaba se forjando metal sobre metal. No próximo ciclo de lubrificação, o novo fluxo de ar arrasta em primeiro lugar as poças de lubrificante que ficaram dentro dos tubos jogando jorros de lubrificante e não gotículas sobre as matrizes. Caso o equipamento fique algum tempo parado (por exemplo, num setup), as poças de lubrificante dentro das mangueiras secam e criam uma “arteriosclerose” nos dutos, estreitando cada vez mais a passagem. Conforme a temperatura da superfície das matrizes, estes jorros podem causar o efeito Leidenfrost, que é a sublimação da água em vapor de água superaquecido que se adere à superfície quente, é isolante térmico e impede a retirada de calor da matriz.

Nestas alturas, o sistema de lubrificação já entrou em total colapso. Foram desenvolvidas contramedidas, mas nunca se chegou a uma situação ideal. Em contraposição ao que viria a seguir, este sistema acabou sendo chamado de atomização interna.

Em 1993, dois engenheiros japoneses Tatsuro Iwama e Yasuhiro Morimoto, da Material Engineering Division da Toyota Motor Corporation, publicaram uma matéria, “Die life and lubrication in warm forging”, que ficou conhecida como Toyota Paper. Transcrevo resumidamente o abstract considerando que isso ocorreu há mais de 20 anos.

“Já que o forjamento a morno possibilita o processamento de peças de grande resistência com alto nível de precisão, é possível eliminar a usinagem das pistas de esferas internas na parte externa de juntas homocinéticas. A aplicação deste processo tem aumentado a cada ano e o tamanho das peças assim processadas continuam a crescer. A severidade do processo incluindo maior redução da área de seção e maior comprimento de extrusão reversa também cresceu. Um dos resultados disso é que a vida útil do punção de extrusão reversa diminuiu em condições normais de processo. Este relatório contém contramedidas para aumentar a duração da vida do punção. São apresentados os resultados da investigação. A vida útil dos punções de extrusão reversa é afetada por fadiga térmica e perda de dureza da camada superficial do punção. Para aumentar a vida útil do punção, é importante que exista um filme de lubrificação seco e firmemente aderido ao ferramental. A faixa de temperatura que proporciona este filme de lubrificação de espessura apropriada está entre 200 e 300ºC. O filme lubrificante bem aderido pode ser criado no menor tempo fazendo as gotas de lubrificante muito pequenas. ”

O Toyota Paper não disse como Iwama e Morimoto conseguiram variar a condição de pulverização (muito pequenas) e apenas qualificaram os pulverizados como “finely atomized” e “poorly atomized”. Por isso que este relato provocou uma corrida à determinação do tamanho de gotículas no leque pulverizado. Uma universidade desenvolveu um método de medição de gotículas no leque pulverizado mostrado a seguir.

Com este método se dispõe de uma importante ferramenta para a construção de dispositivos de pulverização, chamados vulgarmente de bicos de pulverização. O melhor bico se revelou sendo aquele onde a mistura do líquido com o ar é feita exatamente no leque de saída do ar, criando o conceito de atomização externa. O resultado acabou sendo a obtenção de dispositivos que emitiam gotículas incrivelmente homogêneas em tamanho e, portanto, com velocidades iguais e vazões controláveis pelas pressões de forma linear.

Com isso, estava assegurado o controle remoto através de reguladores de pressão por CLP. Na realidade, a atomização externa só é uma novidade neste campo de aplicação, esta técnica sempre foi usada na pintura onde as vazões são menores e as condições de aplicação muito menos severas (temperaturas do substrato e condições do ambiente).

Na forjaria, muitos benefícios são proporcionados por este sistema. Alguns são:

• Ausência total de contrapressão, nenhuma variação de desempenho durante o ciclo, claro, garantido o fornecimento de ar a pressão constante;

• Ausência total de entupimentos, já que não há coexistência de ar e lubrificante;

• Início da pulverização nas condições ideais mantidas durante o ciclo todo;

• Gotículas suficientemente pequenas para garantir uma evaporação rápida, excelente retirada de calor sem formação de efeito Leidenfrost.

Com a evaporação rápida da água das gotículas, o lubrificante sólido se ancora firmemente (e rapidamente) na superfície da matriz mesmo a temperaturas elevadas.

Exatamente como o Toyota Paper resumiu: “O filme lubrificante bem aderido pode ser criado no menor tempo fazendo as gotas de lubrificante pequenas. ”

Quem se interessar pela íntegra do Toyota Paper posso fornecer. É só me contatar no e-mail henristrasser@uol.com.br.

Ao projeto em volta da atomização externa chamou-se de nova tecnologia de pulverização, pois além dos bicos revolucionários ainda tem toda uma estrutura de comando robotizada que começou a ser introduzida na indústria da forjaria a partir de 1995. No Brasil, os primeiros equipamentos chegaram em 1999. O problema é que os equipamentos antigos, funcionando segundo técnicas e tecnologias anteriores, não são retrofitáveis para a nova tecnologia. Por isso, somente novas instalações estão equipadas com a nova tecnologia.

O que esta tecnologia é capaz de fazer já é um próximo assunto.

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Mas como é possível isso? O grafite, para funcionar, precisa estar firmemente aderido no billet ou no ferramental e estar totalmente seco. O ambiente do flooding é úmido, líquido. A explicação parece ser que o volume de água é tanto que, mesmo ocorrendo o fenômeno de Leidenfrost (repulsão da água e formação de vapor superaquecido isolante que evita a transferência de calor), a água em excesso provoca uma redução de temperatura do ferramental, causada pelo aquecimento/evaporação da água do lubrificante em contato com ela e quando é atingida a temperatura máxima de molhamento do lubrificante, o grafite consegue se aderir firmemente. Isso funciona independente da concentração do lubrificante. Há casos comprovados com 25% a 0,7% de sólidos. Não há como checar formação de camada de forma convencional (visual), apenas se monitora o resultado final.

Conceitualmente, o flooding é muito simples. Um sistema de refrigeração de usinagem, um tanque com uma bomba de recirculação, já é suficiente para um flooding em forjamento de peças pequenas. Para peças maiores e com produtividade mais elevada, um sistema mais potente é necessário. Um tanque de cerca de 1 a 25m3 (lubrificante sólido adicionado à água de refrigeração) de suprimento dotado de agitador e bombas de pressurização de alta pressão do lubrificante de matriz, um sistema de válvulas de comando e bicos que conduzem o lubrificante diluído para o ferramental. Sistemas de flooding mais modernos são dotados de calhas coletoras de lubrificante e um tanque de coleta equipado com agitador e bomba para recircular o lubrificante para o tanque de trabalho. É que o descarte é muito volumoso e se parte do princípio que pouco grafite foi consumido nas passagens anteriores. De tempos em tempos há necessidade de repor lubrificante fresco para compensar a perda de grafite e a evaporação da água. Em alguns casos, o controle do teor de sólidos é feito por determinação do teor de resíduos sólidos (TRS) a 120ºC e dá uma boa indicação da necessidade de reposição.

Este processo sempre funcionou muito bem em sistemas de forjamento automático, multiestágio, por transfer, de alta velocidade, de até 120 golpes por minuto em que o tempo disponível para a lubrificação/refrigeração é = 1 segundo. Serve tanto em forjamento a quente e já é tradicional no forjamento a morno.

Entretanto, a experiência mostrou que este processo requer grafite sintético coloidal (= 3 µm) para funcionar a contento. Sem dúvida, há empresas que já estão trabalhando com lubrificantes de matriz contendo grafite semicoloidal, mas apesar de estarem dominando os problemas inerentes, a vida útil do ferramental está deixando a desejar no bench mark. O problema do lubrificante de matrizes natural e com granulometria semi-coloidal (= 4 µm) para o processo de flooding é a estabilidade da suspensão que é baixa e acaba floculando dentro do tanque, calhas e linhas de alimentação, o que causa build up e o consequente entupimento. O grafite, assim depositado, principalmente em superfícies quentes, é extremamente duro de ser retirado.

É claro que, mesmo com o grafite certo, há problemas. A contaminação do lubrificante com óleo de lubrificação da máquina transforma os efluentes de classe II B para classe I, que tem que ser incinerados para descarte. Calhas coletoras do lubrificante de matriz, se possíveis, podem ajudar a diminuir o problema. Quanto maior o volume recirculado, maiores os problemas de invasão/contaminação. Paradoxalmente, o grafite sintético, apesar de se comportar de forma exemplar no flooding, é mais difícil de tratar, pois é mais complicado separá-lo da água do que o grafite natural semicoloidal.

A contaminação com óleo também traz outro problema. A recomposição do banho de lubrificante de matrizes monitorada pela determinação do teor de sólidos fica mascarada, pois o óleo invasor também funciona como “sólido”, uma vez que também não evapora a 120ºC. É quando a situação fica mais complicada, pois em geral somente fabricantes de lubrificantes de matrizes têm recursos para a determinação do grafite, que é o teor que interessa ser mantido constante. O resíduo da evaporação a 120ºC é submetido a uma nova queima a 600ºC em ambiente inerte de N2, que queimará os orgânicos e, depois, a 900ºC e ambiente inerte de N2 e a queima do grafite. A determinação das cinzas de grafite por diferença de peso nos dá o teor de grafite.

Além do mais, o grafite “gosta” muito mais de óleo do que da água. Desta forma, o grafite migra para o óleo e, quando este é escumado, uma parte do grafite é arrastada com ele.

No fundo, quem manda mesmo na reposição do banho de lubrificante de matrizes é a vida das matrizes! O forjador costuma ter um histórico de vidas de matrizes e sabe quando e o quanto adicionar de lubrificante de matrizes novo, de acordo com resultados imediatos de vida. Também costuma-se fazer um programa de forjamento, na qual as peças mais complexas entram logo depois de uma reposição maciça do banho e as mais simples vão sendo forjadas até a depleção do banho de lubrificante de matrizes.

O flooding é um processo muito antigo que ainda dá excelentes resultados em diversas empresas. Com o aumento de disponibilidade de grafite sintético, as coisas ficam um pouco mais fáceis.

No entanto, hoje em dia, existe uma forte tendência, mesmo para processos de alta velocidade e máquinas de forjaria automáticas, para adotar sistemas de pulverização de atomização externa que permitiriam o uso de lubrificante perdido sem recirculação, sem descarte e sem sujeira. Além disso, tornariam possível o uso de lubrificantes que não fossem de grafite sintético.

Mas esse já é um próximo assunto.

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Portanto, não é de hoje que se tenta desesperadamente encontrar um lubrificante sem grafite, branco, de cor clara, sintético e outros nomes com os quais este tipo de produto foi designado. Os primeiros lubrificantes sem grafite foram emulsões de óleo mineral em água para aplicações muito simples. A seguir vieram os sais anorgânicos, produto de uma neutralização do ácido correspondente. A pressão do billet sendo forjado causa uma pirólise que deposita uma camada de sal estratificada. No entanto, também estes lubrificantes foram usados em aplicações específicas, mormente em matrizes fechadas com pouco movimento metálico. Aplicado em forjamentos normais causava vidas de matriz muito inferiores ao do grafite. Ainda hoje, na substituição direta do grafite, consegue-se no máximo 1/3 da vida de matriz. Isso tem a ver com o fato de que os lubrificantes sintéticos de hoje têm excelentes propriedades de desmolde, elevadas temperaturas de molhamento, mas não têm boas propriedades lubrificantes, pelo menos, quando comparadas ao grafite.

Os primeiros esforços sérios de substituição do grafite foram verificados no Japão, durante o “milagre japonês” no fim dos anos 80, quando vieram os decasséguis que não queriam trabalhar com grafite. Foi desenvolvido um sal com nitreto de boro (conhecido como grafite branco, matéria-prima do diamante sintético) que conseguiu excelentes vidas de matriz, equivalentes às do grafite. Por ser muito caro, passado o boom, voltou-se imediatamente ao grafite. No entanto, o fato ficou e algumas empresas japonesas tentaram novamente a erradicação do grafite há uns 10 anos.

Os fornecedores de lubrificantes de matriz continuaram suas pesquisas sobre este tipo de lubrificante e já há notícias de aplicações de lubrificantes sintéticos de matriz produzindo com sucesso em campos antes reservado apenas ao grafite.Como todos os esforços de substituição do grafite pelo sintético, apenas trocando os produtos e eventualmente fazendo alguma correção ou modificação no sistema de aplicação, fracassaram, pode-se concluir que apenas isso, uma ordem rígida de erradicação do grafite da presidência e achar que a lubrificação com grafite é algo retrógrado, não é mesmo suficiente.

Tudo leva a crer que o problema esteja no projeto das matrizes. O desenho convencional usando como lubrificante de matriz o grafite não serve para um lubrificante de matriz sintético. Portanto, para sintético será necessário um outro projeto. A diferença pode estar no coeficiente de atrito da camada formada pelo lubrificante de matriz. Provavelmente, uma redistribuição da deformação será necessária.

No gráfico acima estão apresentados os coeficientes de atrito de camadas secas e bem aderidas de diversos lubrificantes de matriz. As barras se referem a produtos comercializados e experimentais. Uma coisa é certa, quanto menor o coeficiente de atrito mais caro será o produto. É certo que isso é claramente um caso de custo-benefício, pois quanto mais durarem as matrizes, menor será o custo da matriz por peça, maior será a produtividade pela ausência de down time para reparar ou trocar as matrizes. No caso dos sintéticos (barra azul turquesa da direita a primeira barra cinza), é provável que o coeficiente de atrito esteja da ordem de 0,12 a 0,14 para um lubrificante com custo coerente em relação ao grafite, pois ele não vai trazer vantagens de vida de matriz. Apesar de já existirem lubrificantes de matriz com coeficiente de atrito abaixo de 0,1 e menor, certamente a sua utilização também necessitará de total reprojeto, reengenharia das matrizes.

Causa estranheza que os tão úteis simuladores não considerem os coeficientes de atrito fornecidos pelo lubrificante de matriz. Um conhecedor da matéria comentou que há um simulador de forjamento que permite a entrada do coeficiente de atrito, mas que se acaba colocando “aquele que dá mais certo”! Pode?

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O solvente/diluente/veículo usado no lubrificante de matriz é a água potável, com raríssimas exceções. A grande diferença com a tinta, além de o pigmento ser o lubrificante sólido, é a temperatura da superfície na qual ele será aplicado, que vai de pouco abaixo de 100ºC até acima de 400ºC, enquanto a tinta é aplicada em substratos próximos da temperatura ambiente.

A camada lubrificante precisa ser recomposta após cada ciclo de forjamento, pois a ideia é que ela seja toda consumida no ciclo de forjamento. O grafite é queimado e se transforma em CO2 e vapor d’água. A formação da camada, por meio da aplicação, também tem a sua função bem definida. O calor trazido pelo tarugo e pelo atrito do fluxo metálico sobre a superfície das gravuras tem que ser removido para evitar que o aço da matriz caia fora de sua faixa de trabalho, perca a dureza e sofra fadiga térmica. Esta remoção de calor é conseguida pela evaporação da água, veículo do lubrificante. A água é evaporada e o lubrificante sólido permanece aderido na superfície por intermédio de um processo de cozimento. A isso se chama de molhamento. Em geral, a faixa de temperatura de formação de camada vai desde 100ºC a 300ºC. Alguns lubrificantes conseguem molhar abaixo de 100ºC e outros conseguem fazê-lo até 400ºC.

A origem do lubrificante de matrizes está na invenção do DAG (Defloculated Acheson Graphite) por Edward Goodrich Acheson há mais de 100 anos quando Thomas Edison encomendou uma solução para a trefilação do tungstênio do filamento da lâmpada incandescente que estava inventando. Sabendo da extrema severidade do processo, Acheson escolheu fazer uma grafitização completa de carvão vegetal e obteve um grafite sintético de altíssima pureza numa granulometria ao redor de 1 µm. Vale dizer que este produto continua sendo usado pelos fabricantes de filamentos pelo mundo na sua fórmula original.

Os sistemas de aplicação iniciais foram inspirados nos sistemas usados em usinagem para aplicação dos fluidos refrigerantes. Na forjaria, estes sistemas antes aplicavam óleo mineral ou óleo grafitado num processo chamado de flooding, inundação. Uma bomba centrífuga bombeia o lubrificante através de tubos de pequeno diâmetro para as gravuras que as inunda. O calor das gravuras provoca a evaporação da água e separa o lubrificante que se adere sobre a superfície. Como apenas uma parte do lubrificante evapora e forma camada, recolhe-se o restante e reencaminha-se para o suprimento. Perfeito. Mas aí surgiram gravuras maiores e os sistemas tiveram que ser ampliados. Os tubos não eram mais suficientes para levar o lubrificante às regiões mais internas da gravura. Aí, adicionou-se ar comprimido para aumentar o alcance do jorro numa pulverização grosseira com gotas grandes. Como o consumo de lubrificante aumentou começou a procura por lubrificantes mais baratos, o que significa grafites com pureza menor, naturais e de granulometria maior. Pouco a pouco tornou-se claro que o grafite natural de granulometria maior não se adapta tão bem ao flooding do que o grafite sintético fino. Outro problema foi o aparecimento do efeito Leidenfrost, com vapor superaquecido isolando a superfície que evita a aderência da camada lubrificante por causa das partículas maiores que não conseguem lidar com o molhamento como as partículas menores. Também, devido às partículas maiores, o menor poder de cobertura levou a consumos maiores e o overspray começou a ser depositado em todo o ambiente de forjamento, tornando-o sujo e cheio de grafite.

O outro problema do grafite de custo menor é a diminuição da temperatura de molhamento. Mas enquanto a temperatura da superfície da gravura da matriz não ultrapassasse 300ºC isso não seria problema, mesmo que nos processos usuais da época, de produtividade menor, a temperatura não chegaria a esses valores. Em extremo, havia tempo suficiente para fazer uma refrigeração da superfície com aplicação do próprio lubrificante.

Em 1995, foi implementado nos equipamentos de aplicação a técnica da pulverização externa que, junto à mobilidade da condução robótica e da refrigeração, a água melhorou em muito a aplicação de lubrificantes de matrizes com grafite natural e de granulometria maior. Desta forma, a viabilidade deste tipo de lubrificante de matriz foi assegurada.

Entretanto, atualmente, com a forte pressão de custos em nível internacional, a saída das forjarias na busca da competitividade são os processos de forjamento de alta velocidade, em que, devido à maior frequência de chegada de tarugos, o aporte de calor aumenta e os tempos disponíveis para refrigeração/lubrificação vão sendo cada vez menores, sendo necessários lubrificantes de matriz capazes de formar camada a altas temperaturas, o que certamente é uma volta às raízes.

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