A estampagem a quente surge como alternativa para minimizar algumas desvantagens existentes no processo convencional a frio, em que são necessárias altas forças de conformação e muitas vezes causam um desgaste excessivo das ferramentas e grande retorno elástico.

Atualmente, a estampagem a quente é um dos processos mais bem sucedidos utilizados para produção de componentes estampados de geometria complexa com propriedades mecânicas superiores[1]. O aumento da temperatura em chapas de alta resistência faz com que aumente também a sua deformabilidade e reduz a tensão de escoamento[2].

O processo inicia com o aquecimento da chapa a uma temperatura entre 850°C a 950 °C, por alguns minutos, até alcançar uma microestrutura completamente austenítica. A chapa então é transferida para a matriz e em seguida é conformada e temperada simultaneamente, devendo atingir uma taxa mínima de resfriamento de 27°C/s para garantir uma microestrutura completamente martensítica ao final do processo[3]. Os aços ao boro de baixo carbono constituem a única classe de aço que produzem uma microestrutura totalmente martensítica após a estampagem a quente[4].

O processo de conformação e endurecimento pode ser realizado dentro da abordagem direta ou indireta. Na abordagem direta, a chapa é conformada apenas a quente, já na abordagem indireta, 80% a 95% da estampagem é realizada a frio, e a peça é finalizada no processo a quente para ajuste de dimensões e têmpera[3-4].

No entanto, o desenvolvimento de diferentes propriedades mecânicas ao longo da peça, os chamados “tailored blanks” fez com que outro método de estampagem a quente virasse alvo de estudos, uma vez que o processo convencional não permite obter esse tipo de característica.

O componente “pilar B” dos automóveis é um exemplo de tais componentes em que a parte inferior deve ter uma capacidade de absorção de energia mais elevada do que a proporcionada por uma estrutura totalmente martensítica, para aumentar o desempenho de colisão lateral, enquanto que a parte superior deve reter a estrutura martensítica para apresentar alta resistência. Por isso, foram introduzidas recentemente variantes da estampagem a quente convencional, com o objetivo de adaptar a microestrutura dos componentes a quente e, por conseguinte, as suas características mecânicas[5].

Essa variante pode seguir a estratégia de aquecimento parcial da chapa, onde uma parte é aquecida acima da temperatura de austenitização do material e outra parte é aquecida abaixo dessa temperatura. Após esse aquecimento chamado parcial, a chapa é estampada e resulta em um componente com diferentes valores de resistência mecânica e ductilidade.

Outra alternativa, ainda, é realizar o aquecimento total da peça na temperatura de austenitização e utilizar o resfriamento diferencial, onde pode-se realizar o aquecimento parcial da matriz, resultando em diferentes taxas de resfriamento durante a estampagem. As taxas de resfriamento abaixo de 27°C/s resultam na formação de uma microestrutura mais dúctil e com menor resistência, e taxas acima de 27°C/s resultam em um peça final com valores de resistência mecânica de até 1500 MPa[5].

A Figura 1 (a) mostra o esquema do aquecimento parcial, e Figura 1 (b) da refrigeração diferencial. A ilustração do componente “pilar B” com os diferentes valores finais de resistência à tração está apresentado na Figura 1 (c).

A estampagem a quente é a alternativa de processo que permite a fabricação de itens com dimensões e formatos complexos e de alta resistência mecânica. Como pode-se perceber, a etapa mais crítica da estampagem a quente é o resfriamento do componente, portanto, é imprescindível conhecer as características metalúrgicas do processo, uma vez que a decomposição controlada da austenita é o que garante as propriedades mecânicas excepcionais obtidas nas peças estampadas a quente.

Co-autora: Camila Pereira Lisboa é Engenheira Mecânica e mestranda em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais no Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da UFRGS. E-mail: camila.lisboa@ufrgs.br.

Referências Bibliográficas

[1] LI, N., SUN, C., MOHAMED, M., LIN, J., MATSUMOTO, T., & LIU, C. (2016). Experimental investigation of boron steel at hot stamping conditions. Journal of Materials Processing Technology, p. 2-10;
[2] MERKLEIN, M., LECHLER, J., & GEIGER, M. (2006). Characterisation of the flow properties of the quenchenable ultra high strength steel 22MnB5. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 55(1), P. 229-232;
[3] GORNI, A. A. (2010). Novas tendências no processo de estampagem a quente. Revista Corte e Conformação;
[4] KARBASIAN, H., & TEKKAYA, A. (2010). A review on hot stamping. Journal of Materials Processing Technology, p. 2130-2118;
[5] MERKLEIN, M., WIELAND, M., LECHNER, M., BRUSCHI, S., & GHIOTTI, A. (2016). Hot stamping of boron steel sheets with tailored properties: A review. Journal of Materials Processing Technology, 228, p. 11-24.

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A alta resistência desses materiais permite que sejam utilizados componentes mais leves, o que implica na redução do consumo de combustíveis e a consequente redução da emissão de gases que contribuem para o agravamento do efeito estufa. Mas, o que é exatamente um AHSS? O que faz um AHSS diferente dos aços convencionais laminados e dos aços de alta resistência? O que torna esses aços assim tão “avançados”? Como eles são fabricados?^[1]

Inicialmente, considere a questão do desenvolvimento dos AHSS. Os aços de alta resistência foram desenvolvidos nas décadas de 1960 e 1970 basicamente pela adição de elementos de liga aos aços convencionais laminados para o aumento da resistência mecânica dos mesmos. Um pouco mais tarde, os AHSS foram desenvolvidos combinando basicamente a composição química dos aços de alta resistência com tratamentos termomecânicos complexos, onde o material é submetido a ciclos de aquecimento, manutenção, conformação mecânica e resfriamento visando atingir uma microestrutura que confira-lhes alta resistência mecânica combinada com alta conformabilidade. Mas o que pode ser considerada uma combinação adequada de alta resistência e alta ductilidade?

A Figura 1 mostra o conhecido “mapa” ductilidade x resistência para várias classes de aços. Na parte esquerda do mapa observa-se os aços laminados comuns e os aços interstitial-free (IF), ou seja, aços que não possuem em suas composições elementos intersticiais como carbono, nitrogênio e oxigênio. Também nessa faixa estão os aços IFP (intersticial-free com fósforo) e BH (bake-hardenable). Nos aços HB, que possuem baixíssimo teor de carbono (< 30 ppm), o fenômeno conhecido como envelhecimento por deformação é utilizado para aumentar a resistência do material através da realização de uma etapa de conformação a frio, seguida de um tratamento de envelhecimento a 150-200°C. Esses aços têm a tensão de escoamento na ordem 100 a 200 MPa e alongamento da ordem de 35 a 50%.

À medida que se caminha em direção ao lado direito do gráfico, surgem os genericamente chamados aços de alta resistência com tensão de escoamento da ordem de 200 a 550 MPa e alongamento da ordem 10 a 25%. Nessa faixa encontraram-se os aços de baixa liga e alta resistência (High-Strength, Low Alloy – HSLA), os aços C-Mn (carbono-manganês), e alguns aços Dual Phase (DP), Complex Phase (CP), Ferrítico-Bainíticos (FP) e TRIP (Transformation-Induced Plasticity).

De uma forma geral, considera-se que os aços de alta resistência são “avançados” (AHSS) quando a tensão máxima de tração é maior que 550 MPa. Nessa faixa encontram-se muitos aços DP, CP, FP e TRIP, mas principalmente os aços martensíticos e os aços baixo carbono ao boro, considerados a segunda geração dos AHSS, com tensão máxima de tração de até 1.000 MPa. Apesar da elevada resistência ao escoamento, esses aços possuem uma baixa ductilidade (cerca de 10% de alongamento). Isto dificulta a utilização dos mesmos pois exige técnicas especiais de conformação, como, por exemplo, a estampagem a quente.

Quando a tensão de escoamento ultrapassa os 1.000 MPa, costuma-se utilizar o termo aços de ultra alta resistência (ultra high strength steel – UHSS). Atualmente existem aços martensíticos e nanoestruturados que podem atingir tensões de escoamento de até 1.500 MPa^[2].

Todos esses aços são considerados a primeira geração dos AHSS.

Na parte superior da figura, à direita, tem-se os aços TWIP (twinning-induced plasticity – plasticidade induzida por maclação), considerados a segunda geração dos AHSS. Esses aços apresentam uma tensão de escoamento entre 900 e 1300 MPa e um alongamento entre 45 e 65%. Quimicamente esses aços se caracterizam pelo alto teor de manganês (15 a 30%), teores de alumínio e silício entre 2 e 4% e extra baixo teor de carbono (< 0,08%).

Essa combinação de elementos produz um aço com estrutura exclusivamente austenítica, estável a temperatura ambiente, a qual deforma-se basicamente por maclação, explicando a excepcional dutilidade do material. A deformação por maclação também encurta os deslocamento máximos possíveis para as discordâncias, o que leva ao aumento da resistência mecânica.

Apesar de sua excelente combinação de resistência e ductilidade, os aços TWIP ainda apresentam um custo relativamente elevado, devido ao alto teor de manganês, e um sistema complexo de fabricação^[3].

Atualmente, encontra-se em desenvolvimento a terceira geração dos aços avançados de alta resistência. A pesquisa direcionada para esse fim, tem o objetivo de preencher a lacuna existente entre os aços AHSS convencionais (1ª geração) e os aços TWIP (2ª geração), buscando sempre excelente ductilidade com alta resistência mecânica^[2].

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[1] http://www.worktruckonline.com/channel/truck-suppliers/article/story/2012/09/steel-yourself-for-the-future-of-truck-bodies.aspx (consulta em 08/03/2017);

[2] Carrie M. Tamarelli, C. M. AHSS 101 – The evolving use of advanced high-strength steels for automotive applications. Steel Market Development Institute, Southfield, 2011;

[3] Gorni, A. A. Aços avançados de alta resistência: microestrutura e propriedades mecânicas. Corte e Conformação, V. 12, n.44, dezembro, 2008, pp. 26-57.

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A deformabilidade dos materiais metálicos depende, além das características dos materiais, das condições de conformação. Entre os principais parâmetros que interferem na deformabilidade (ou forjabilidade, para o caso do processo de forjamento) está o estado de tensão (sm), a temperatura (?) e a velocidade de deformação (f.) (strain rate). Em princípio, são estes os parâmetros relacionados à conformação que definem se o material vai se comportar de maneira frágil ou dútil. Portanto, as condições de fragilidade ou dutilidade estão condicionadas às condições de conformação dos materiais. Esses fundamentos são necessários serem conhecidos para adaptá-los aos processos de conformação. Assim, as trincas que surgem durante o forjamento ou extrusão podem simplesmente ser originadas dos parâmetros de processo, e não exclusivamente do material que está sendo conformado. Um material como o mármore (tipicamente frágil) pode apresentar plasticidade dependendo do estado de tensões atuando sobre o material.

Considerações Gerais

De uma forma geral, a deformabilidade (ou forjabilidade) pode ser avaliada através de um ensaio de tração para um efeito comparativo entre diferentes materiais ou histórico de um mesmo material. Nesse sentido, pode-se analisar efeitos da microestrutura, temperatura, velocidade de deformação (strain rate) e deformação. No ensaio de tração, a medição do alongamento até a ruptura (erup) ou a redução em área até a ruptura (drup) pode ser um parâmetro indicativo da deformabilidade. A Fig. 1 mostra esquematicamente a medição destas variáveis num diagrama tensão de engenharia (s) e deformação relativa (e).

Empregando-se o ensaio de tração, pode-se tecer considerações sobre os efeitos da deformação a frio (f) (histórico anterior do material) (Fig. 2 a) da velocidade de deformação (f. [s-1]) (Fig. 2 b) e da temperatura (? [ºC]) (Fig. 2 c) sobre a deformabilidade.

Caso haja interesse em analisar os efeitos de tensões (de compressão ou de tração), pode-se fazer uso do ensaio de compressão. Neste ensaio, pode-se verificar nitidamente o efeito danoso das tensões de tração que podem ocorrer em algumas regiões das peças forjadas (ou no ferramental). A Fig. 3 mostra esquematicamente o efeito das tensões de tração (-s) e das tensões de compressão (+s) na deformabilidade dos materiais.

Efeitos do Estado de Tensões

A Fig. 4 mostra esquematicamente o estado de tensões que ocorre na extrusão de um componente no material que está sendo extrudado e na ferramenta. O efeito da contratensão aumenta as tensões na peça, evitando defeitos como “chevrons”.

O estado de tensões poderá ser alterado caso seja possível trabalhar com uma contratensão. A Fig. 5 mostra esquematicamente como se alteram as tensões no material quando uma contratensão (?constante) é aplicada. As tensões radiais (sr) e as tensões circunferenciais na direção do perímetro (sp) são minimizadas. Observa-se que se a tensão radial (sr) diminui, a tensão radial na ferramenta também diminui. Desta forma, o cintamento da ferramenta pode também ser otimizado. A contratensão (?constante) pode ser conseguida através do uso de um punção acionado com molas, ação hidráulica ou pneumática. Esse mesmo punção pode ser usado como o extrator da peça da ferramenta.

Efeito do Campo de Deformação

Outro exemplo usado no forjamento, é a compressão simples, muitas vezes usada como pré-forma (Fig. 6). Na compressão com ferramentas planas podem ocorrer defeitos por deformações localizadas, provocando bandas de cisalhamento (Fig. 6 a).

Uma pequena alteração na ferramenta inferior pode originar uma distribuição de deformação que dá origem a uma boa forjabilidade, evitando-se o aparecimento de trincas (Fig. 6 b).

De uma forma geral, para se evitar valores de deformações localizadas indesejáveis ou bandas de cisalhamento e obter uma boa deformabilidade, pode-se controlar analisando as seguintes propriedades dos materiais [2]:

a) Alto índice de encruamento – a capacidade de aumento da dureza por deformação (n).

Neste caso, avalia-se o índice de encruamento (n) da curva de escoamento (tensão de escoamento (f) x deformação (f)).

kf = C .fn                             eq. (1)

b) Alto coeficiente de sensibilidade a velocidade de deformação (m): Este índice pode ser avaliado em uma curva de escoamento descrita com a influência da velocidade de deformação (f).

kf = C .fn.f.m                      eq. (2)

c) Baixa taxa de amortecimento térmico (ß)

kf = C .fn.f .m (1-ß?T)      eq. (3)

Para os aços próximos a temperatura ambiente (T), a constante ß, que representa a sensibilidade ao calor, tem valores aproximados de -0,0015 a -0,002 (°C -1) até temperaturas de 100ºC [2].

d) Baixa densidade de energia elástica acumulada, onde E é o módulo de elasticidade

Considerações Finais

Este trabalho abordou a questão da deformabilidade (ou, em especial, a forjabilidade, no caso, processo de forjamento) de uma forma qualitativa. Os próximos passos precisam ser suportados por uma análise quantitativa. Essa tarefa deverá ser realizada com o auxílio da simulação computacional. Existem vários softwares de mercado que podem permitir essa análise.

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[1] Geiger, R, Umformung bei bewusst geändertem Spannungszustand. Livro: Umfortechnick de K. Lange, Vol 4, pp 80-99, Editora Springen Verlag, 1993;

[2] International Cold Forging Group (IFCG): 40 Years History Document (Nov. 18/07). Grumer Drück GmbH, Erlanger, Germany, pp 9-25.

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Como as forjarias brasileiras enfrentarão essa mudança tecnológica? Será pelo velho procedimento de “tentativa e erro”? Será por cópia de tecnologia? Será necessário que seu corpo de engenharia venha aprender sobre a influência da velocidade de deformação na tensão de escoamento e sobre o significado de uma “curva de escoamento”?

Como chegar à fabricação de peças forjadas mais leves? O que fazer para que, com a mesma geometria, se consiga uma peça mais leve e, de preferência, de mais baixo custo, ecologicamente correta e de menor consumo de energia na fabricação (Fig.1)? Existem vários aspectos que devem ser considerados para se produzir peças mais leves, por exemplo:

• Matéria-prima;

• Projeto (forma e geometria);

• Processo de fabricação.

Em relação à matéria-prima iniciamos uma primeira estratégia com o objetivo de forjamento de ligas de ultra-alta resistência mecânica. Como exemplo, as ligas ao boro como a liga 7Mn B8. Com a ideia de se usar recursos governamentais do programa Embrapii, vários ramos industriais foram contatados: desde o fabricante de matéria-prima, sistemas de aquecimento, automatização, ferramentarias, equipamentos, instituições de pesquisas e forjarias (Fig.2). A ideia seria manter um ‘pool’ de empresas interessadas no desenvolvimento de forjados de alta resistência mecânica.

Em relação à geometria, foi impressionante o exemplo da empresa HEWI G. Winker GmbH na produção de componentes para a indústria de fixação [2]. Trata-se de uma patente para fabricação de uma porca (Fig.3) com geometria especial propiciando uma significante redução de massa, de até 20%, menor em relação às porcas convencionais. Além deste aspecto, ocorreu a eliminação de tratamento térmico e redução no custo de produção em 10%.

Sobre os processos de fabricação e estratégias como junção de peças, peças leves, etc. reportamo-nos à impressionante apresentação do Dr. Mauro de Souza (Diretor de Engenharia e Desenvolvimento da empresa Neumeyer Tekfor Tech Center Brazil) no Senafor de 2014 [3].

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[1] Bartsch, K.: Megatrend Leichtbau – Unternehmen de Massivumformung sind Partner MIT dem notwendigen know – how. Schmiede – journal, março, 2014, pg. 22-25,

[2] Unseld, P; L. Kertesz e G. Messmer: Leichtbau durch Kaltumformung mechanischer Verbindungselemente. Schmiede – Journal, Março, 2014, pg. 50-53,

[3] Souza, Mauro M. de: Inovações de produtos por meio de inovações dos processos de conformação e combinação de materiais com vistas ao desenvolvimento de componentes automotivos leves. 18ª Conferência Internacional de Forjamento (34º SENAFOR). Palestra de Abertura. Porto Alegre, Outubro, 2014.

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O forjamento a frio ocorre na temperatura ambiente, sendo um procedimento particularmente interessante devido ao fato de se permitir a fabricação de componentes com grande precisão dimensional, geometrias complexas e com acabamento próximo ao uso da peça (near-net-shape). A Figura 1 mostra alguns exemplos de componentes forjados a frio.São exemplos típicos para a indústria automobilística, que é a grande beneficiária de peças forjadas a frio.

Forjamento a Frio

Em materiais não ferrosos como o chumbo, zinco e cobre foram às primeiras aplicações do forjamento a frio. Inicialmente, em relação ao uso de aço, empregou-se quase que exclusivamente aço não ligado. O efeito do encruamento provocando um aumento na resistência mecânica foi de extrema relevância. Atualmente, já são também deformados a frio aços que apresentam alta resistência mecânica. Todos os materiais que apresentam uma determinada ductilidade a temperatura ambiente podem ser deformados a frio.

Peças com cantos vivos, rebaixos internos, furos com diâmetros pequenos e profundos e massas assimétricas não são adequados para a produção pela deformação a frio. Comparado à usinagem e ao forjamento a quente, o forjamento a frio apresenta maior produtividade e economia de matéria-prima, o que torna esse processo altamente competitivo para a produção de peças em aço.

Como exemplo de alguns materiais comumente deformados a frio destacam-se:

• Aços não ligados: AISI 1010, 1015, 1020;

• Aços ligados: AISI 5115, 6120, 3115;

• Aços para tratamentos térmicos: não ligados: AISI 5140, 4130, 4140, 8620.

• Aços inoxidáveis:

– perlíticos: AISI 410, 430, 431;

– austeníticos: AISI 302, 304, 316, 321.

• Ligas de alumínio:

– baixa liga: 1285, 1070, 1050, 1100;

– sem encruamento: 3003, 5152, 5052;

– com encruamento: 6063, 6053, 6066, 2017, 2024, 7075.

Economicamente, em comparação com processos concorrentes ao processo de deformação a frio, nada se pode afirmar a priori. Fundamentalmente, o processo a frio passa a ter vantagens econômicas, dependendo do volume de material e de quanto a peça forjada se aproxima em geometria da peça pronta. É muito importante, ainda, a utilização de um material de menor custo, devido ao encruamento, em substituição de um aço com maior porcentagem de liga. É possível, ainda, a eliminação de tratamentos térmicos após o forjamento.

Não deve ser desconsiderado que o elevado custo do equipamento, somado ao desenvolvimento necessário para definir os passos de trabalho, pode ter como consequência a necessidade de se produzir um número elevado de peças para tornar o processo economicamente competitivo. Em geral, o rendimento só pode ser determinado com base em cálculos comparativos ou com base em experimentos.

Os desenvolvimentos teóricos são extremamente importantes quando se deseja minimizar a quantidade de experimentos para se atingir o produto final. Principalmente no cálculo de custo para a comparação de dois processos, evitando-se a realização de experimentos, a utilização de teorias tem sido de grande importância para a simulação do processo em que se deseja prever o fluxo de material. As teorias mais empregadas são: Teoria dos Elementos Finitos e Teoria do Limite Superior. Em relação às características técnicas necessárias para qualquer cálculo é fundamental o conhecimento da curva de escoamento (Tensão de escoamento em função da deformação logarítmica).

Em relação a materiais empregados, além dos já citados acima, sabe-se pouco sobre novos materiais. Apenas aços ligados ao boro mereceram algum destaque nos últimos anos. Sobre os materiais é importante o conhecimento dos seguintes fatores:

• Tratamento térmico antes de forjar;

• Estrutura metalográfica;

• Tamanho de grão;

• Texturas – linhas de segregação;

• Velocidade de deformação;

• Comportamento da curva de escoamento;

• Ductilidade.

Em relação à Curva de Escoamento é importante observar que o trabalho de conformação dá origem a um aumento de temperatura. As curvas de escoamento em função da temperatura são parâmetros técnicos de fundamental importância na definição das etapas de processo. Em relação aos processos de fabricação como usinagem, solda, conformação a quente, etc., a conformação a frio apresenta as seguintes vantagens e desvantagens.

Vantagens

• Menor quantidade de matéria-prima requerida (a peça pode ser obtida em sua forma final sem nenhuma perda de material ou com pequena quantidade de sobremetal para usinagem ou ainda necessitando apenas operações de furação ou rebarbagem);

• Redução ou eliminação de operações subsequentes (mesmos motivos anteriores);

• Melhoria das propriedades mecãnicas da peça devido ao trabalho de conformação realizado no material (em geral aumenta o limite de ruptura, o limite de escoamento e a dureza, além de se obter uma estrutura granular orientada na direção do trabalho mecânico aplicado);

• Possibilidade de utilização de matéria-prima mais barata (pelos motivos do item anterior);

• Obtenção de formas especiais (é possível obter peças que não seriam produzidas economicamente por nenhum outro processo);

• Alta produtividade;

• Precisão dimensional (tolerâncias reduzidas podem ser obtidas com grande repetibilidade destas, de peça a peça e de lote a lote, reduzindo os custos de inspeção de cada lote);

• Bom acabamento superficial (geralmente obtém-se rugosidade superficial comparável ao retificado);

• A proteção contra a corrosão é aumentada devido à operação de fosfatização.

Desvantagens

• Necessidade de prensas de maior capacidade;

• Pressões elevadas nas ferramentas, necessitando-se assim materiais especiais e em geral de alto custo;

• Necessidade de recozimentos intermediários para obter-se grandes deformações;

• Viável economicamente apenas para lotes grandes de peças;

• Tempos de preparação de máquina e ajuste do ferramental (set up) maiores.

Etapas do processo

Geralmente, parte-se de um material de seção circular, o qual é cortado em blanques que passarão nas diversas combinações das operações de forjamento até a forma desejada. As etapas são definidas por leis e critérios bastante conhecidos, que limitam o comportamento da peça-trabalho: limite de redução de área, limite de recalque livre ou confinado, conformabilidade do metal, etc.

Corte

O corte dos blanques pode ser feito em operação independente através de corte por cisalhamento em prensas verticais ou horizontais ou dentro de uma operação integrada em prensas de múltiplo estágio. O corte ideal seria por serra circular ou fila horizontal, porém é muito mais caro (tempo de corte, perda de matéria- prima), mas, dependendo da precisão desejada e do tamanho do blanque, este procedimento é inevitável.

O corte por cisalhamento (Figura 2) obtido em operação independente tem a desvantagem de maior número de set up e maior movimentação de material em processo, porém tem a vantagem de poder-se efetuar as operações de tratamento térmico e superficial em separado, que por sua vez trazem vantagens de se poder cortar um material duro (desejável para corte por cisalhamento) e conformar um material de maior plasticidade (após recozimento), e ainda de se obter toda a superfície do blanque recoberta com lubrificante, ou seja, inclusive as faces onde foram feitos os cortes. Observa-se que o corte da geratriz é uma operação fundamental do processo de forjamento a frio. De um modo geral, o preparo da geratriz tem uma influência nos custos de produção e nas dificuldades decorrentes da automação do processo (Figura 3).

Tratamento térmico

Para se obter uma melhor conformabilidade, o material deve estar esferoidizado, sendo esta uma das etapas vitais do processo. Normalmente, faz-se um recozimento em fornos contínuos com atmosfera neutra e velocidade controlada ou em fornos a vácuo no caso de blanques e em fornos campana a vácuo para bobinas. Esta é uma etapa significativa nos custos, principalmente quando o forjado necessita usinagem posterior como uma operação de fresamento, por exemplo, na qual é necessário regenerar a estrutura para a condição de normalizado.

Decapagem mecânica

A geratriz ou blanque recozido deve passar por uma limpeza com jato de granalha de aço com a finalidade não só de remover a oxidação superficial como também de aumentar a área da superfície e ao mesmo tempo diminuir a área de contato inicial no forjamento. Isso permite, assim como a operação de fosfatização, uma melhor absorção de lubrificante e obviamente uma melhor condição de atrito.

Esta etapa em conformação a frio já é tradicionalmente conhecida como fosfatização/ensaboamento, uma vez que a fosfatização sempre precede a aplicação do lubrificante, que por sua vez é um sabão alcalino. Esta é também uma etapa muito importante no processo, pois altas taxas de pressão específica são verificadas na interface metal/matriz e uma boa lubrificação reduz as forças de atrito existentes nesta região, o que obviamente reduz a força necessária de forjamento, além de aumentar a vida útil da ferramenta e de levar à obtenção de peças mais perfeitas, quer quanto ao seu aspecto, quer dimensionalmente. Dependendo do estado em que o blanque ou geratriz chega para a lubrificação, ele passa pelas seguintes operações:

1. Desengraxamento;

2. Lavagem;

3. Decapagem;

4. Lavagem;

5. Fosfatização;

6. Lavagem;

7. Neutralização;

8. Aplicação do sabão;

9. Secagem.

Descrição Sumária das Operações:

• Desengraxamento: realizado quando as peças vêm para o banho contaminadas com óleo ou graxa ou quando vão para novo tratamento térmico. Desnecessário quando as peças vêm de jateamento de granalha ou de recozimento;

• Lavagem: usada para retirar resíduos da operação anterior, inclusive a solução desengraxante. Feita em água com renovação constante;

• Decapagem: química, neste caso, tendo um papel triplo: eliminar os óxidos superficiais (provenientes de tratamento térmico, ferrugem, etc.); aumentar o microrrelevo das superfícies por multiplicar os pontos de germinação de cristais de fosfatos; deixar o material quimicamente ativo. É feita mediante imersão das peças numa solução aquosa a 10-15% de ácido sulfúrico a uma temperatura de 65- 70ºC, que contém fracamente um inibidor de ataque do aço;

• Lavagem: esta é necessária porque antecede a fosfatização, que é sensível ao carregamento de soluções dos banhos anteriores. Realizada com água com renovação constante;

• Fosfatização: é a operação mais delicada do processo. Realizada a quente, normalmente com tempo de imersão de 5 a 10 minutos;

• Tem como finalidade formar sobre a superfície do aço uma camada de fosfato de zinco que forma um reticulado cristalino de alta aderência, capaz de reter o lubrificante nas operações de forjamento a frio;

• Lavagem: efetuada como nas etapas anteriores;

• Neutralização: realizada, como o nome diz, para neutralizar os resíduos ácidos da operação de fosfatização;

• Aplicação do sabão: mergulha-se as peças numa solução de sabões alcalinos entre 60 e 80ºC e a camada lubrificante de sabão de zinco une-se firmemente à camada de fosfato de zinco e, com isso, à superfície do metal;

• Secagem: efetuada em estufa ou ar para evitar a evaporação da água durante o forjamento, devido ao aquecimento da peça, o que pode impedir o funcionamento do lubrificante.

Tratamento térmico após as operações de forjamento

Conforme citado anteriormente, a peça pode sofrer ainda um tratamento térmico após a última operação de forjamento visando a uma melhor usinabilidade, alívio de tensões ou ainda à obtenção de determinada propriedade mecânica ou de estrutura desejada para que a peça cumpra a função para a qual foi projetada de maneira satisfatória e segura.

Resistência à Fadiga

No forjamento ou na Extrusão a Frio obtém-se uma maior resistência à fadiga devido às tensões residuais de compressão existentes nas camadas superficiais do componente deformado. A densidade de material no contorno de grão também é minimizado (principalmente quando comparado com componentes usinados). O material existente entre o contorno de grão atua como microtrincas. Quanto menos material existe no contorno de grão, maior é a resistência à fadiga. As linhas de fluência e o comportamento de fases contínuas esclarecem o aumento da resistência à fadiga.

Defeitos em Produtos Forjados a Frio

Os defeitos que surgem em produtos forjados a frio são causados basicamente por fatores como:

• Tratamento térmico incorreto e baixa qualidade superficial dos tarugos de partida;

• Deficiência da lubrificação na interface tarugo-ferramentas;

• Execução de etapas de extrusão ou recalque com graus de deformação excessivos e;

• Uso de ferramentas com geometrias inadequadas.

Limitações do Processo

Como em qualquer processo, as limitações do forjamento a frio de eixos de aço referem-se a aspectos econômicos e relativos à própria natureza do processo.

• A limitação de capacidade do equipamento de forjamento em termos de energia disponível e dimensões;

• Características de produtos forjados;

• As propriedades mecânicas do material empregado na fabricação das ferramentas, em termos de dureza e resistência à compressão.

Esses aspectos fazem com que um dado equipamento seja capaz de produzir forjados com dimensões e geometrias específicas, limitando seu uso para uma categoria de produtos.

As limitações impostas pelas ferramentas apresentam um caráter econômico relacionado com o seu custo e vida de trabalho.

O forjamento a frio apresenta-se como um processo economicamente competitivo em que a escolha adequada do material e dos processos para fabricação do ferramental influi decisivamente.

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[1] SCHAEFFER, L.Forjamento Introdução ao Processo, 2ª edição,Editora Imprensa Livre,2006

[2] TONINI, Planejamento do Procssos e de Ferramentas para o Forjamento a Frio,1999

[3] VILLAS, Analise Numérica do Forjamento a Frio de um Componente Metálico não Axi-Simetrico e Ferramentas,2011

[4] http://in3.dem.ist.utl.pt/mscdesign/02ed/01tecmec/file2.pdf

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Um fato muito importante, evidenciado no XXXIV SENAFOR, foi a demonstração de que atualmente são as forjarias que devem mostrar aos fabricantes de automóveis novos “design’s” de peças, que venham atender ao conceito de “componentes mais leves”. Este conceito está sendo o grande foco da indústria automobilística mundial que, a partir de 2020, terá que pagar uma multa por cada grama de CO2 expelida pelos veículos.

A indagação que se faz a seguir é: as nossas forjarias estão preocupadas em INOVAR a ponto de sugerir novos procedimentos e processos para as montadoras? A nossa experiência mostra que não existe muito interesse neste tipo de desenvolvimento tecnológico. Por exemplo: há 20 anos, no Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da UFRGS, desenvolveu-se para uma empresa uma tecnologia para produção de cruzetas de precisão a frio. As cruzetas eram forjadas pelo processo convencional a quente e com muita rebarba (Figura 1).

A empresa financiou este novo desenvolvimento e até hoje produz cruzetas de precisão a frio. Entretanto, as técnicas modernas já mostram cruzetas ocas de muito mais baixo peso (Figuras 2 e 3). Durante todos estes anos a empresa nunca se interessou em continuar uma modernização da tecnologia. Será que atualmente o pensamento é outro? Tudo indica que nossas empresas se acostumaram a uma “situação de conforto” comprando “know how” e pagando por patentes oriundas de tecnologia desenvolvida no exterior. Nossos centros de pesquisa continuam não sendo apoiados pelos sucessivos governos brasileiros e nem tampouco nossas indústrias precisam deles. Quando será que iremos começar a inovar?

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[1] Liewald, M. e A. Felder: Die Produktionsaforderungen bestimmen die Zukünftige Kompetenzen in der Massivumformung. Anais: Internationale Konferenz Neue Entwiklungen in der Massivumformung Stuttgart/Alemanha, Maio, 2011, pg 207-244

[2] Liewald M. e A. Felder: Recent Developments in Cold Forging in Europe – Impact of e-mobility. Anais da 31º Conferência Internacional de Forjamento (SENAFOR), Porto Alegre, 2011

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Até hoje a grande preocupação no desenvolvimento tecnológico dos componentes conformados na indústria automobilística foram as inovações no lado dos processos tecnológicos de produção. Assim surgiu o forjamento de precisão a morno e a frio. Grandes melhorias foram conseguidas em relação ao ferramental e, principalmente, no que se refere à qualidade dos tipos de aços para matrizes. Quase nada foi realizado em relação à fabricação de aços de alta resistência mecânica. É exatamente nesse aspecto, atualmente, que o foco nos países desenvolvidos passa a ser: “produção de materiais de mais alta resistência e consequentemente mais leves”.

Na área de chapas, nos anos 70, iniciaram-se grandes desenvolvimentos no sentido de se produzir estruturas com maiores resistências mecânicas e, consequentemente, originando assim enormes reduções de peso nos automóveis. A partir daquele tempo vários novos aços surgiram no mercado internacional representados por IF, BH, TRIP, DP, CP, Martensíticos etc. Na época, o projeto ULSAB reuniu várias empresas siderúrgicas que investiram nestes novos desenvolvimentos. Na área da ciências dos materiais maciços pouco se realizou ultimamente e é exatamente na tecnologia da conformação de componentes maciços de aços é que se consegue a grande redução de peso. Desta forma, um grupo de empresas europeias formado por 15 firmas ligadas ao forjamento e 9 produtores de aços iniciou em 2013 um novo programa de desenvolvimento de aços mais leves e de alta resistência [2]. Essa organização já demonstrou que é possível reduzir 42 kg num automóvel de classe média quando se empregam novos tipos de aços de alta resistência acoplados com técnica de forjamento adequada. Seria esse o caminho para minimização de consumo de energia e a redução de emissão de CO2.

A preocupação de conceitos de inovação usando materiais modernos, ou seja, aços de alta resistência no forjamento, já foi mostrada em detalhes na Conferência Internacional em Stuttgart, Alemanha, em 2011 [3]. A Figura 2 mostra recentes experimentos que estão sendo realizados na modificação dos aços TRIP/TWIP, em que se consegue resistência mecânica acima de 1200 MPa para alongamentos superiores a 40%.

É muito importante para o Brasil que empresas de aços já estejam se preparando para apresentar no mercado nacional aços de alta resistência mecânica [4].

Com a inauguração do Centro de Conformação Mecânica e União de Materiais, no recentemente criado Instituto Senai de Inovação (ISI)-CIMATEC, em Salvador, Bahia, também uma instituição de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia se prontifica a apoiar a indústria nacional de forjaria. Um dos objetivos desse Centro é o enfrentamento desse desafio. Em cooperação com o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, estamos nos preparando para dar apoio às empresas brasileiras que desejam desenvolver esta nova tecnologia.

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””] [/our_team]

[1] Bartsch,K.: Megatrend Leichtbau – Unternehmen der Massivumformung sind Partner mit dem notwendigen Know-How. Schmiede-Journal, Março, 2014, pg 22-25.

[2] www.massiverLeichtbau.de

[3] Masek, B.: New Innovative Concepts for Using Modern Hight-Strength Steels in Metal Forming. Conferencia International” New Developments in Forging Technology” Anais editados por Mathias Liewald, Stuttgart,2011,pg 241-256.

[4] Tavares, L.R.C.V.: AcelorMittal – Soluções em Aços para Forjaria. Apresentação no Treinamento em Forjamento: Tecnologia e Desenvolvimento do Processo de Forjamento. Laboratório de Transformação Mecânica –UFRGS-Porto Alegre, Abril, 2014.

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