PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO CAP.1 Introdução Prof.º Dr. José Eduardo Salgueiro Lima

Objetivos: Introduzir o tema dos processos de conformação o entendimento dos conceitos de trabalhos a frio , quente e morno. Fenômeno do encruamento.

INTRODUÇÃO Entende-se como conformação dos metais a modificação de um corpo metálico para outra forma definida. Os processos de conformação podem ser divididos em dois grupos: processos mecânicos, nos quais as modificações de forma são provocadas pela aplicação de tensões externas, e processos metalúrgicos, nos quais as modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas. Os processos mecânicos são constituídos pelos processos de conformação plástica, para os quais as tensões aplicadas são geralmente inferiores ao limite de resistência à ruptura do material, e pelos processos de conformação por usinagem, para os quais as tensões aplicadas são sempre superiores ao limite mencionado, sendo a forma final, portanto, por retirada de material. Devido a sua natureza, esses processos são também denominados “Processos de Conformação Mecânica”.

PROCESSOS METALÚRGICOS Os processos metalúrgicos subdividem-se em conformação por solidificação, para os quais a temperatura adotada é superior ao ponto de fusão do metal e a forma final é obtida pela transformação líquido-sólido, e conformação por sinterização, em que a temperatura de processamento é inferior ao ponto de fusão do metal (metalurgia do pó).

Processos Mecânicos Processos de conformação plástica, para os quais as tensões aplicadas são geralmente inferiores ao limite de resistência à ruptura do material. (No corte as tensões aplicadas são maiores que a tensão de ruptura do metal). Processos de conformação por usinagem, para os quais as tensões aplicadas são sempre superiores ao limite mencionado, sendo a forma final, portanto, por retirada de material. Devido a sua natureza, esses processos são também denominados “Processos de Conformação Mecânica”.

Conformação Plástica É importante o estudo dos processos de conformação plástica dos metais porque mais de 80% de todos os produtos metálicos produzidos são submetidos, em um ou mais estágios, a tais processos. Os processos de conformação plástica dos metais permitem a obtenção de peças no estado sólido, com características controladas, através da aplicação de esforços mecânicos em corpos metálicos iniciais que mantêm os seus volumes constantes.

Exemplo: Forja a quente Tarugo cortado e esboçado Primeiro forjamento Forjamento Final Peça rebarbada Ponta de eixo Fonte: Catálogo de Prensas Schuler S.A.

Conformação Plástica Os objetivos desses processos são a obtenção de produtos finais com especificação de: a) dimensão e forma; b) propriedades mecânicas; c) condições superficiais

Conformação Plástica Os processos de conformação plástica podem ser classificados de acordo com vários critérios: a) quanto ao tipo de esforço predominante; b) quanto à temperatura de trabalho; c) quanto à forma do material trabalhado ou do produto final; d) quanto ao tamanho da região de deformação (localizada ou geral); e) quanto ao tipo de fluxo do material (estacionário ou intermitente); f) quanto ao tipo de produto obtido (semi-acabado ou acabado).

Esforço predominante Os processos quanto ao tipo de esforço predominante podem ser classificados em: a) processo de conformação por compressão direta; b)processo de conformação por compressão indireta; c) processo de conformação por tração; d) processo de conformação por cisalhamento; e) processo de conformação por flexão.

Classificação dos processos de conformação plástica

Efeito da temperatura na conformação mecânica Quando a temperatura de trabalho é maior que a temperatura que provoca a recristalização do metal, o processo é denominado trabalho a quente. Quando a temperatura de trabalho é menor que a temperatura que provoca a recristalização do metal, o processo é denominado trabalho a frio. A definição de conformação a quente e a frio, são definidas em função de uma temperatura em que o metal em deformação sofre recristalização, que entre outros fatores, é função da temperatura de fusão do metal.

Efeito da temperatura na conformação mecânica Quando a temperatura de trabalho é maior que a temperatura que provoca a recristalização do metal, o processo é denominado trabalho a quente. Quando a temperatura de trabalho é menor que a temperatura que provoca a recristalização do metal, o processo é denominado trabalho a frio. A definição de conformação a quente e a frio, são definidas em função de uma temperatura em que o metal em deformação sofre recristalização, que entre outros fatores, é função da temperatura de fusão do metal.

Temperatura de recristalização Fonte: Van Vlack

Temperaturas de recristalização Chumbo - 4C Estanho - 4C Zinco 10C Alumínio de alta pureza 288C Liga de Alumínio 315°C Cobre de alta pureza 120C Latão 60-40 475C Níquel 370C Ferro 450C Aço baixo carbono 538C Tungstênio 1200C

Temperatura Homóloga Para tornar independente a definição de conformação a quente e a frio do metal deformado, costuma-se definir uma nova escala de temperaturas que denomina-se temperatura homóloga.

Temperatura Homóloga(Th) A temperatura homóloga Th é definida pela relação, a seguir onde: Tt= Temperatura de trabalho em que a deformação está sendo executada. em Kelvin (K), Tf= Temperatura de fusão do metal considerado, em Kelvin (K). Assim trabalho a frio é aquela que é realizada à temperatura homóloga de até 0,5. Para Th superiores a 0,7 é considerado trabalho a quente, enquanto que entre 0,5 e 0,7, dizemos em conformação a morno (warm work), e neste caso tem-se a recuperação parcial da estrutura do metal que está sendo deformado. Figura a :Trabalho a Frio, Figura b :Trabalho a Morno e Figura c :Trabalho a Quente

Trabalho a quente A conformação a quente de um metal, é o primeiro estágio de deformação, após a sua solidificação, na maioria dos metais e ligas. Devido ser uma operação em que envolve tensões aliadas a altas temperaturas tem-se um processo de difusão altamente eficiente fazendo com que o produto final seja mais homogêneo. As porosidades e bolhas são em geral eliminadas no processo devido ao cladeamento superficial, quando estas entram em contato, sob pressão. A tensão de escoamento diminui com a temperatrua, e praticamente não há encruamento. A energia do processo é muito menor e é possível se produzir grandes deformações plásticas.

Trabalho a quente A temperatura mínima para conformação a quente, é igual a mínima temperatura em que um metal recristaliza com uma determinada deformação. A temperatura máxima de conformação a quente, é determinada em função da oxidação do metal, para que esta não seja muita intensa. Quando se trata de ligas metálicas com componentes de pontos de fusão mais baixo, estes componentes em geral se precipitam nos contornos de grãos. A temperatura é também limitada para que não se tenha um crescimento excessivo dos grãos.

Refina a microestrutura Laminação a Quente Refina a microestrutura Obs.: Recristalização dinâmica ocorre mais facilmente em reduções maiores que 50 %, e será tanto mais rápida, quanto mais elevada for a temperatura do material.

Laminação a Quente As temperaturas recomendadas para o reaquecimento antes da laminação são as seguintes: Aço doce: 1250-1350°C Aços de baixo teor de liga: 1250-1300°C Aços de alto teor de liga: 1250°C máx. Aços inoxidáveis austeníticos: 1100-1200°C

Exemplo: Forja a quente Tarugo cortado e esboçado Primeiro forjamento Forjamento Final Peça rebarbada Ponta de eixo Fonte: Catálogo de Prensas Schuler S.A.

Conformação de superligas Ligas trabalhadas termo mecanicamente (Wrougth Alloys) são Forjadas e Laminadas seguidas ou não de Tratamentos Térmicos.

Desvantagens Processo realizado a altas temperaturas logo a oxidação do metal pode ser crítica, exigindo fornos de pré aquecimento de atmosfera controlada. Os aços sofrem descarbonetação superficial. Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em custo. O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos. Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.

Vantagens Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (necessita-se então de máquinas de menor capacidade se comparado com o trabalho a frio). Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade Elimina porosidades Deforma profundamente devido a recristalização

Trabalho a morno O trabalho a morno tem como vantagens: Forças e potencias utilizadas são menores que as utilizadas no trabalho a frio, São possíveis trabalhos com geometrias mais intrincadas A necessidade de recozimento pode ser reduzida ou mesmo eliminada

Trabalho a frio No trabalho mecânico a frio, provoca-se o aparecimento no metal do chamado efeito de encruamento, ou seja, o aumento da resistência mecânica com a deformação plástica. O trabalho mecânico a frio permite aumentar a resistência mecânica de certos metais não-ferrosos que são endurecíveis por tratamentos térmicos.

Trabalho a frio Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui. Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas. Produz melhor acabamento superficial.

Encruamento ou endurecimento pela deformação à frio É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio). Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação. Mecanismo para aumento de resistência. O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

Trabalho a frio Antes da deformação Depois da deformação

Trabalho a frio

Laminação a frio

Laminador “Cluster” ou Sendzimir

Laminador Seqüencial de Perfis

Laminador de Tubos com Costura Tubos com diâmetro interno entre 10 e 114 mm e espessura de parede entre 2 e 5 mm

Trabalho a frio: Repuxo

Trabalho a frio: Estiramento aplicação aeronáutica

Recozimento Se os metais deformados plasticamente forem submetidos ao um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos

Etapas do recozimento ESTÁGIOS: Recuperação Recristalização Crescimento de grão

Recuperação Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)

Recristalização Depois da recuperação, os grãos ainda estão tensionados Na recristalização os grão se tornam novamente equiaxiais (dimensões iguais em todas as direções) O número de discordâncias reduz mais ainda As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

Crescimento de grãos Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer. Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência.

Ciclos e deformação a frio e recozimento Cápsula para cartuchos em latão 70/30 (cobre – zinco) A figura ao lado mostra um exemplo de um ciclo de deformação a frio e recozimento usado numa operação industrial.

Exercício1 A temperatura de fusão do chumbo é de 327 ºC, uma chapa deste material será laminada, e o trabalho será realizado a 30ºC. Adotar K=ºC+273 Qual a temperatura homóloga? Qual o tipo de trabalho?

Exercício 2 A temperatura de fusão do estanho é de 232 ºC, uma chapa deste material será repuxada, e o trabalho será realizado a 30ºC. Adotar K=ºC+273 Qual a temperatura homóloga? Qual o tipo de trabalho?

Exercício 3 As superligas são ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis, etc...). As superligas mais conhecidas são à base de Ni, mais há ligas à base de Co, Fe, etc... Ligas trabalhadas termo-mecanicamente (Wrougth Alloys) são Forjadas e Laminadas seguidas ou não de Tratamentos Térmicos. Um bloco de uma superliga de níquel-cromo Inconel 718, deverá ser forjada a quente, sabendo-se que a sua temperatura de fusão é de 1370ºC, calcule a mínima temperatura de processo para esta condição.