Lubrificantes à base de grafite para matrizes dominaram as aplicações nas forjarias por séculos. A necessidade da indústria de transformação conduz ao caminho de uma direção mais limpa e segura – o desenvolvimento de lubrificantes sintéticos. Novos lubrificantes poliméricos já mostram resultados promissores em uma variedade de aplicações
No forjamento em matriz fechada, a matriz equivale de 10 a 15% do custo total de forjamento. Faz sentido, então, que qualquer melhoria na vida da matriz beneficiaria a produtividade e rentabilidade na forjaria. Uma fórmula exclusiva de um novo lubrificante foi desenvolvida para a utilização em forjarias, que além de se tornar mais fácil de manusear, elimina muitos defeitos e problemas encontrados em lubrificantes para matrizes com base de grafite em operações típicas, tais como pisos sujos, quebra de componentes eletrônicos, pulverizadores entupidos e acúmulos nas cavidades internas e externas.
Uma série de economias foi provada no processo, incluindo:
• Nenhum acúmulo na cavidade interna;
• Pouco ou nenhum acúmulo nas áreas externas;
• Economias domésticas significativas;
• Redução de limpeza de uniformes;
• Redução de limpeza do chão;
• Sem agitação de concentrado nem diluição;
• Controle de diluição;
• Polímeros podem ser utilizados em um sistema de diluição centralizado, eliminando os carros de pulverização;
• Sem pulverizadores entupidos;
• Redução de manutenção da bomba.
História dos Lubrificantes de Grafite para Matrizes
O uso de grafite como lubrificante é anterior à revolução industrial e tem sido usado por muito tempo. Os registros de seu uso como lubrificante são datados de mais de 400 anos, durante o reinado de Elizabeth I, na confecção de bolas de canhão que, como reportado, mantinham a trajetória retilínea e voavam mais longe. O grafite sintético é datado da época de Thomas Edison, vindo da necessidade de se produzir fios de tungstênio utilizados nas lâmpadas incandescentes.
O uso do grafite à base de água é atualmente o padrão industrial, pois o uso de grafite à base de óleo continua a ser um risco de incêndio em muitas forjarias. Quase todos os lubrificantes de grafite para matrizes usados no passado são muito semelhantes a essas formulações atualmente utilizadas. Os mesmos benefícios da utilização do grafite permanecem, enquanto os mesmos problemas tendem a ocorrer sempre que o grafite é utilizado.
Problemas na Separação do Grafite
Lubrificantes de grafite para forjamento são normalmente fornecidos como um concentrado que é diluído antes da utilização. As diluições dos lubrificantes de grafite comuns, à base de água, podem variar de 1:1 a 1:10, em média. A densidade de grafite é de cerca de 2 g/ml – cerca de duas vezes mais pesado que a água. Esta diferença significativa de densidade resulta na decantação do grafite antes do uso da solução.
Isso resulta em uma das maiores dificuldades na utilização deste material – a manutenção de uma suspensão consistente de grafite em ambos: o concentrado e o diluído. Normalmente, o concentrado utiliza estabilizadores para manter uma mistura homogênea de grafite. Quando diluído, no entanto, estes estabilizadores estão em um nível demasiadamente baixo para ajudar a manter a homogeneidade da mistura.
Este problema de separação visto através de amostras de diluição tem um impacto significativo sobre o processo de forjamento. Linhas de distribuição de fluido ou bicos de pulverização que não estão constantemente sendo misturados e que são deixados estagnados entopem rapidamente e se tornam inutilizáveis. Alguns destes sistemas de pulverização têm um sistema automático de lavagem com água embutido, de modo que os bicos de pulverização podem ser lavados quando não estão em uso.
Acúmulo de Grafite
O grafite é adequado para suportar temperaturas extremas de forjamento por causa da sua elevada temperatura de decomposição, 3500°C, em relação ao ponto de fusão do aço a 1370°C. O grafite proporciona um filme sólido entre a matriz e a parte forjada. Esta barreira física explica por que o grafite proporciona lubrificação, porém, isto pode causar problemas de acúmulo tanto dentro, como fora da cavidade da matriz.
Acúmulos dentro da cavidade causam problemas relacionados com as dimensões da peça e com a gravura de identificação do número de série da peça, o que pode resultar em defeitos e devoluções por parte dos clientes. Se o acúmulo na cavidade interior causar problemas, o processo de forjamento deve ser interrompido e a cavidade escovada para remover o grafite, para que, assim, as peças voltem às especificações.
O grafite é também um excelente condutor elétrico e é normalmente usado como um ânodo de baterias alcalinas e de íon de lítio. As boas propriedades elétricas do grafite podem causar estragos nos componentes elétricos das forjarias, como computadores e interruptores, causando curto circuito no sistema.
O acúmulo nas cavidades exteriores causa problemas no ambiente circundante, como o grafite preto entrando em roupas, pele, cabelo, sendo carregado por toda a planta e nos carros dos trabalhadores, até os seus destinos. O acúmulo nas cavidades exteriores também se prende às ferramentas, como sargentos e parafusos, tornando-se de difícil remoção.
Lubrificantes Sintéticos
Décadas atrás, uma solução para o problema do grafite foi o desenvolvimento de lubrificantes sintéticos. Estas medidas ajudaram a atender às necessidades da indústria, eliminando o acúmulo de grafite e aumentando a vida útil da matriz. O resultado foi um ambiente de trabalho mais limpo e seguro.
Mais recentemente, uma classe nova e distinta de lubrificantes – lubrificantes poliméricos – tem sido desenvolvida e está disponível para uso comercial.
Lubrificantes Poliméricos
As diferenças significativas entre os lubrificantes poliméricos e a categoria mais antiga de lubrificantes sintéticos são as seguintes:
• Desenvolvimento inicial de laboratório focado na criação de uma barreira em filme sem utilizar a teoria do filme sólido de lubrificação, ao contrário de grafite ou sintéticos. Eliminando o uso de quaisquer lubrificantes sólidos na formulação deve-se, naturalmente, evitar o acúmulo, tornando a aplicação do lubrificante na matriz muito mais fácil e facilitando o uso do equipamento de pulverização automático;
• Lubrificantes poliméricos formam uma película protetora cobrindo a matriz, proporcionando liberação da peça e lubrificação a temperaturas típicas da matriz, entre 121 e 371°C;
• Vários estudos de laboratório demonstraram que os lubrificantes poliméricos têm a capacidade de diminuir a tensão superficial da água em temperaturas típicas da matriz de forjamento a quente, ao contrário dos lubrificantes sintéticos ou à base de grafite. A capacidade do fluxo térmico de um lubrificante polimérico é 300% maior que os lubrificantes de grafite, permitindo não somente a formação de um filme significativamente melhor em altas temperaturas, mas também o controle do resfriamento do material da matriz;
• A película polimérica demonstrada em alguns estudos fornece 400% mais lubrificação a 260°C do que a de grafite ou sintética, quando utilizado o teste de compressão do anel;
• A vida útil da matriz é uma grande preocupação entre os forjadores. A manutenção de uma temperatura consistente na matriz é um caminho para a vida longa da mesma. Temperaturas consistentes de matriz, tipicamente na faixa entre 204 e 315°C, melhoram sua vida útil, pois este é o ponto onde o material da matriz tem maior dureza e resistência ao impacto.
Poliméricos projetados para o forjamento de precisão de grandes volumes
Os resultados das instalações que utilizam lubrificantes poliméricos comerciais sustentam o fato de que estes lubrificantes são bem projetados e bem adequados para o forjamento de precisão de grandes volumes. A utilização de um lubrificante polimérico pode potencialmente resultar numa redução líquida dos tempos de ciclos, devido à química avançada destes sistemas. Com a capacidade de manter uma temperatura mais consistente na matriz, os clientes devem esperar um aumento na vida útil nas mesmas, dada a relação com o superaquecimento. Outras ligas testadas com o lubrificante polimérico incluem titânio, alumínio e aço inox. Os testes vão continuar expandindo o alcance desta nova tecnologia, oferecendo melhores ideias a respeito de quais processos serão mais adequados para lubrificantes poliméricos.
A maior dificuldade encontrada nos ensaios de produtos poliméricos é a ausência de qualquer revestimento visível após a aplicação. Não há nem revestimento branco nem preto após seu uso. O cliente se preocupa com o revestimento visível na matriz, pois é um alerta de indicativo de desgaste. Essa avaliação se deu depois do lubrificante polimérico atuar por mais de 6 horas, produzindo partes com qualidade (checadas a cada 30 minutos), e confirmando com o gerente de planta e com a ferramentaria que não existia desgaste excessivo nas matrizes. Na verdade, a ferramentaria indicou que nunca foi vista uma matriz de tal qualidade após tantos ciclos.
O lubrificante polimérico exige mais atenção quando aplicado nas zonas quentes da matriz e não funciona tão bem em temperaturas inferiores ao ponto de ebulição da água. Para aqueles acostumados à aplicação de outros lubrificantes, é necessário uma quantidade razoável de treinamento de aplicação do lubrificante polimérico.
Conclusão
O distanciamento da indústria de forjados em relação aos lubrificantes à base de grafite resultou na aplicação de lubrificantes poliméricos nas matrizes e aumento da vida útil das mesmas. Os poliméricos se provaram adequados aos processos de forjamento de precisão de grandes volumes e aumentaram a vida útil da matriz.
Pesquisas e testes continuam conforme os desenvolvedores adquirem mais dados em relação ao desgaste. É claro que os números são de difícil obtenção, pois falhas em matrizes têm muitas causas, desde material deficiente até a montagem equivocada da prensa.
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Estudo de caso: Empresa de forjamento a quente em matriz fechada
Os testes práticos foram realizados em uma empresa de forjamento a quente em matriz fechada, localizada no Meio-Oeste dos EUA, que fornece uma variedade de peças para mercados que necessitam forjados ao carbono, ligados, microligados e aço inox. A empresa tem a alta qualificação TS16949.
O fabricante utiliza, atualmente, um produto sintético que contém grafite. Eles tinham um controle relativamente bom sobre o processo de pulverização, porém ainda encontravam dificuldades em evitar o entupimento de seus auto pulverizadores com grafite. No entanto, o seu sistema de manutenção preventiva era muito bem projetado e os sistemas de pulverização eram limpos com um fluxo de água a cada noite. Seus tanques de diluição passavam por uma limpeza profunda uma vez por semana devido à precipitação de grafite. Eles não verificavam a razão de diluição porque não se tinha efetivamente a necessidade de se fazer isso na planta.
Uma verificação rápida utilizando o lubrificante polimérico e uma técnica de pulverização à mão foi iniciada e os resultados dos testes foram bons. Um ensaio mais longo, de um dia, usando o nosso sistema portátil na unidade de autopulverização, mostrou que o lubrificante polimérico teve desempenho pelo menos igual ao grafite.
Com base nos benefícios significativos da execução de um produto sem grafite, eles decidiram mudar para o nosso lubrificante polimérico, e os resultados têm sido excelentes. Isso também proporcionou uma oportunidade para organizar o seu sistema de pulverização com novas linhas e bombas que não entopem com grafite. Os benefícios obtidos são os seguintes:
– Melhoria significativa na precisão dimensional em comparação com o lubrificante anterior;
– Redução significativa das tonelagens necessárias para produzir as peças;
– Sem manutenção horária na prensa para manter os autopulverizadores trabalhando e sem limpeza dos tanques de diluição;
– Diluições constantes (± 2% da proporção) utilizando um sistema de diluição automático;
– Matrizes limpas durante a operação;
– Sem acúmulo na cavidade interior;
– Plantas e roupas limpas;
– Aparente aumento líquido na vida da matriz.
Estudo de caso: Fabricante de eixo forjado e usinado
Outra forjaria do Meio-Oeste dos EUA, que fornece eixos forjados e usinados para veículos comerciais, fora de estradas e equipamentos agrícolas, também participou dos testes. A empresa utilizava um lubrificante sintético nas matrizes. Eles tinham dificuldades com o acúmulo de lubrificante no interior da matriz, parecido com resíduos de cimento, resultando em dificuldades de remoção do forjado. Além disso, havia dificuldade para remover a peça após o processo, e a necessidade de manutenção no sistema de bombeamento e pulverizadores era significativa devido ao entupimento. Nós utilizamos nosso sistema portátil acoplado ao sistema automatizado de pulverização e começamos os testes. A retirada da peça após o forjamento foi muito superior comparado ao uso do lubrificante sintético, e o lubrificante polimérico proporcionou os seguintes benefícios ao processo:
– É utilizado 300% menos lubrificante;
– Diluições constantes (± 2% da proporção) utilizando um sistema de diluição automático;
– Sem entupimento dos pulverizadores;
– Sem limpeza de matrizes durante a produção;
– Não é necessário um supervisor durante a manutenção diária do sistema de pulverização;
– Redução nas chamadas para manutenção de bombas quebradas;
– Sem acúmulo na cavidade interna quando utilizado o lubrificante polimérico, reduzindo o retrabalho e a sucata (redução de 60%);
– Redução do tempo na ferramentaria para manutenção de rotina, eliminando a limpeza nas matrizes e fixadores. [/info_box]
