Conformação dos Metais - PARTE2

Conformação dos Metais - PARTE2

OBSERVAÇÕES

  • D2 refere-se ao aço AISI D2;

  • MATRIX refere-se a uma família de aços de concepção moderna, associando a alta resistência a desgaste do aço AISI D2, com uma tenacidade mais elevada;

  • HSS é a sigla para AÇO RÁPIDO. O mercado nacional padroniza o aço AISI M2;

  • PM é a sigla de “POWDER METALLURGY”, designando os aços fabricados pela metalurgia do pó. Associando altíssima dureza com elevada tenacidade, é aplicado em situações extremas, de alta solicitação. Existem composições de TRABALHO A FRIO e também AÇOS RÁPIDOS, ficando a seleção mais adequada sujeita a estudo mais aprofundado;

  • As faixas de dureza apontadas são meras referências. Dependendo da situação, elas variam;

  • No caso do AISI D2, as durezas apontadas são obtidas através de ciclo de tratamento térmico específico, visando máxima tenacidade possível;

  • A tabela foi construída para aplicação em PUNÇÕES. Nas matrizes, em geral , aplicam-se qualidades de aço ligeiramente inferiores aos punções, pois a falha da matriz está associada ao desgaste do punção.

ALGUMAS AUSÊNCIAS NA TABELA

É possível que muitos dos leitores tenham sentido a falta dos aços AISI D6 e O1 (mais conhecidos no mercado nacional pela designação VC131 E VND, ambas designações VILLARES).

De fato, ambos durante muitos anos foram os aços de referencia para este segmento industrial, e até hoje são extensamente utilizados.

Entretanto, especificamente para fabricação de ferramentas para conformação a frio, é interessante observar alguns problemas graves associados a estes aços.

  • O aço AISI D6 é extremamente FRÁGIL, ou seja, apresenta BAIXÍSSIMA TENACIDADE, ficando sujeito a falhas do tipo LASCAMENTO, principalmente em punções de corte;

  • Este aço também apresenta graves problemas na aplicação dos processos de ELETRO EROSÃO, seja de penetração seja a fio, devido a presença de carbonetos massivos na sua microestrutura, propiciando o surgimento de trincas durante o processo;

  • No caso do AISI O1, apesar de apresentar boa tenacidade, devido à baixa temperabilidade, não é possível obter dureza homogênea entre a superfície e o núcleo, o que representa grave problema, principalmente em ferramenta de massa elevada;

  • Também este aço apresenta dificuldades na aplicação de eletro erosão, principalmente a fio, devido justamente às diferenças de dureza entre núcleo e superfície’;

  • Ambos não permitem a aplicação de ALÍVIO DE TENSÕES eficiente, por serem revenidos a baixas temperaturas (normalmente menores que 200 oC);

  • Pelo mesmo motivo, ambos apresentam dificuldades na aplicação de revestimentos do tipo PVD ou Nitretação, não havendo o máximo proveito das propriedades destes processos usados para aumentar a resistência a desgaste.

  1. CONDICIONAMENTO DO AÇO

Alguns cuidados na aquisição do aço, após a correta seleção devem ser observados, para não comprometer o rendimento da ferramenta.

  • Direção de laminação – usualmente as matrizes são fabricadas a partir de placas. É bastante desejável conhecer-se a DIREÇÃO DE LAMINAÇÃO original do bloco de onde foi retirada a placa e observar, sempre, que a direção longitudinal da placa deve ser paralela à direção principal de laminação. No caso de blocos de onde serão retirados punções por eletro erosão a fio, é imprescindível manter a direção de laminação no eixo longitudinal do punção. A fig. 8 Ilustra a influência da direção de laminação sobre a variação dimensional após tratamento térmico.

Fig. 8 – Influência do sentido de laminação na variação dimensional após tratamento térmico.

(BOEHLER)

DIREÇÃO DE LAMINAÇÃO

DIREÇÃO PREFERENCIAL DA VARIAÇÃO DIMENSIONAL

  • Sobre metal inicial – hoje em dia, as usinas já estão oferecendo muitas qualidades de aços no estado “descascado”, ou seja, com a “casca” original de laminação completamente retirada. Nos casos em que isso não aconteça, é imprescindível observar mínimo sobremetal para compra do aço, de modo que o “descascamento” possa ser executado pelo ferramenteiro.

TRATAMENTOS TÉRMICOS

  1. OBJETIVOS

Ao contrário do que muitos pensam, o principal objetivo do tratamento térmico de aços ferramenta não é a obtenção de dureza.

Na realidade, a dureza é apenas uma conseqüência, do verdadeiro objetivo do tratamento térmico que é a ALTERAÇÃO MICROESTRUTURAL.

É através de alterações na microestrutura do aço, que se obtém o desejado aumento de propriedades mecânicas, em especial a TENACIDADE associada a elevada Resistência Mecânica. A Resistência a Desgaste é fator secundário, que deve, preferencialmente ser tratada pela Engenharia de Superfícies.

Assim, importante no tratamento térmico é garantir a máxima transformação microestrutural possível.

  1. TIPOS DE TRATAMENTOS APLICADOS

    • ALIVIO DE TENSÕES – usado principalmente para reduzir o estado de tensões introduzido por processos de usinagem, eletro erosão, retífica e soldagens. Embora utilizado para reduzir as distorções inerentes do tratamento térmico de tempera, a aplicação deste tratamento com este objetivo somente tem sentido se houver uma etapa de usinagem entre o Alívo de Tensões e a Tempera.

    • RECOZIMENTO – tem como objetivo principal recuperar a estrutura original após tempera. Usado, p.ex., para os casos em que, após a tempera é necessária uma nova usinagem, para alteração e/ou correção da geometria da ferramenta. Usado também nos casos em que é necessário RETEMPERAR a ferramenta.

    • TEMPERA – objetiva alterar a microestrutura para aumentar a Resistência Mecânica, mantendo uma boa tenacidade. É sempre seguida do revenido (em muitos casos MULTIPLO REVENIDO é recomendado).

    • SUB ZERO – usado em complementação da tempera, objetiva melhorar a estabilidade dimensional e aumentar a tenacidade (em alguns casos).

  1. CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO

Os aços mais modernos permitem diversos ciclos de tratamentos térmicos, que podem ser selecionados de acordo com a aplicação a que ser destina a ferramenta.

De um modo geral, o profissional de tratamento térmico seleciona o ciclo de acordo com a aplicação, dentro de limites economicamente viáveis, e procura tornar a mais homogênea possível a distribuição de calor, tanto no aquecimento, como no resfriamento.

Uma das dificuldades no tratamento térmico dos aços ferramenta, é encontrar o tempo mais adequado para o chamado “ENCHARQUE”, ou seja, o tempo necessário para que toda a massa metálica esteja à mesma temperatura.

Somente tratamentos que usam fornos a vácuo possibilitam tal controle, uma vez que é possível a colocação de termopares junto à peça, ou mesmo em corpos de prova (fig.9), os quais controlam DIFERENÇAS de temperatura entre superfície e núcleo, e somente continuam o tratamento quando tais diferenças atingem um valor específico.

Fig. 9 – representação esquemática da colocação de termopares nas peças e ferramentas.

(BRASIMET)

A fig.10, a seguir, ilustra um ciclo de tratamento completo, aplicado em aço AISI D2, para ferramentas de conformação a frio (vale tanto para Punções como para Matrizes).

TEMPERA SOB VÁCUO

2 PRÉ AQUECIMENTOS

AUSTENITIZAÇÃO 1050 Oc

PRESSÃO DE RESFRIAMENTO DE 5,0 bar

ETAPA DE SUBZERO

- 190 oC

N2 LÍQUIDO

TRIPLO REVENIDO

TEMPERATURA DE 520 oC

tempo

Fig. 10 - Ciclo padrão de tratamento térmico do aço AISI D2, aplicado a ferramentas de conformação de metais . (BRASIMET COM.IND.S.A.)

  1. DISTORÇÕES NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS

Há que se considerar dois tipos de distorções.

As DISTORÇÕES EVITÁVEIS, correspondem a alterações de forma ocorridas devido, principalmente à montagem de cargas inadequada, equipamento deficiente, mau condicionamento do aço, processos deficientes de usinagem e ciclos de tratamento inadequados.

Este tipo de distorção pode ser reduzido ou até mesmo completamente anulado, desde que se tomem cuidados quanto à escolha do equipamento, ciclos térmicos, uso de dispositivação adequada (fig.11), bom condicionamento inicial do aço, uma correta prática de usinagem e outros cuidados básicos inerentes a uma boa instalação de tratamento térmico.

Fig. 11 – exemplo de dispositivação utilizada em fornos a vácuo.

(BRASIMET)

As DISTORÇÕES INEVITÁVEIS correspondem às que ocorrem devido às diferenças volumétricas inerentes à transformação micro estrutural objetivada no tratamento térmico de Tempera.

A transformação microestrutural do aço impõe EXPANSÃO VOLUMÉTRICA teórica, da ordem de 4.3% (aços carbono). A esse valor somam-se tensões residuais de usinagem, variações naturais de composição química, efeito de massa, todas contribuindo, em maior ou menor grau, para aumentar a distorção Inevitável.

A fig. 12 a seguir ilustra o feito de expansão, em corpos de prova utilizados para medição de temperatura em fornos a vácuo.

Fig. 12 – efeito da expansão volumétrica em corpos de prova de 60 kgs (aço carbono). Peças tiradas da mesma barra original.

A – sem tempera

B – após vários ciclos de tempera

(BRASIMET)

A

B

A seguir, listamos algumas recomendações importantes para o sucesso do processo de Tratamento Térmico.

RECOMENDAÇÕES PARA ENVIO DE PEÇAS PARA TRATAMENTO TÉRMICO

  • Prever sobre metal para re-trabalho posterior, para correção das distorções dimensionais;

  • Evitar cantos vivos, marcas de usinagem e qualquer outra fonte de concentração de tensões;

  • Informar sempre o tipo de aço, e a faixa de dureza pretendida;

  • Informar qualquer processo anterior de tratamento térmico, soldagem ou trabalho mecânico a quente que tenha sido utilizado na ferramenta;

  • Certificar-se da correção dos parâmetros utilizados pelos profissionais de tratamento térmico, particularmente as temperaturas utilizadas, tempos previstos em cada etapa e equipamento utilizado

  • Preferencialmente, discutir com os profissionais do tratamento térmico as especificações de dureza e seleção do aço, ANTES da execução da ferramenta.

ENGENHARIA DE SUPERFÍCIE

Como já foi discutido, o objetivo principal do tratamento térmico é a alteração micro estrutural e não a dureza, pelo menos não naquilo que se refere a RESISTENCIA A DESGASTE.

O Desgaste em ferramentas de conformação a frio é essencialmente um fenômeno de superfície, dependente, não somente da dureza relativa entre as superfícies em contato, mas também da natureza química e do coeficiente de atrito.

Em ferramentas de conformação a frio, recomenda-se o uso de revestimentos de filmes finos, altamente resistentes a desgaste, de natureza cerâmica, aplicados pelo processo PVD.

Tais filmes, p.ex., Nitreto de Titâneo, Nitreto de Cromo, Carbonitreto de Titâneo e Nitreto de Titâneo Alumínio, são extremamente delgados, com espessuras que raramente ultrapassam 5 m, não afetando, portanto, a ferramenta dimensionalmente.

A natureza cerâmica destas camadas, confere baixos coeficientes de atrito no par ferramenta/chapa, contribuindo enormemente para redução do desgaste.

Os processos PVD (fig.13) são caracteristicamente aplicados a baixas temperaturas, variando de 250 oC a 500 oC, e portanto, para a maioria dos aços ferramenta mais recomendados para ferramentas de conformação a frio, não haverá interferência na dureza de núcleo (esta é uma outra limitação dos aços AISI D6 e O1 como já foi discutido).

Quanto ao tipo de revestimento a ser aplicado, isso depende das condições de trabalho, tipo de processo, condições da chapa e produção desejada. O critério de seleção é similar ao usado para a escolha do aço, focando-se, desta vez, a Resistência a Desgaste.

Fig. 13 – exemplo de aplicação de revestimento PVD em estampos de corte (Nitreto de Titâneo)

(BRASIMET)

  1. CONCLUSÃO

O sucesso de uma ferramenta de conformação a frio depende de muitas variáveis, nem todas ao alcance de nosso controle.

Por outro lado, uma ferramenta, qualquer que seja ela, nunca falha devido a um único motivo. Na verdade, é um grande conjunto de variáveis que sustenta a ferramenta, todas elas contribuindo de alguma forma para melhorar ou piorar o rendimento de uma ferramenta.

Assim, se pudermos juntar pelo menos as variáveis que estão sob controle dos envolvidos na confecção de uma ferramenta, e pudermos fazer o melhor por eles, ou seja, selecionar o melhor aço disponível, o melhor tratamento possível, a melhor seqüência de usinagem disponível, e o melhor tratamento de superfície, é possível que, mesmo que ocorra uma pequena falha, p.ex. de operação, o conjunto das outras variáveis consiga sustentar a ferramenta, prolongando sua vida útil.

Por outro lado, se optarmos por critérios PURAMENTE ECONOMICOS ou mesmo o velho e irritante “SEMPRE FOI FEITO ASSIM”, dificilmente atingiremos o máximo rendimento na ferramenta.

Concluindo, para obtenção do máximo rendimento de uma ferramenta, na melhor condição de CUSTO x BENEFICIO, é imprescindível um bom relacionamento entre os profissionais que fabricam a ferramenta, e os que executam o tratamento térmico, para que o projeto, como um todo possa ser avaliado por todos os envolvidos, incluindo-se aí o tipo de aço escolhido.

Nessa situação, os diversos problemas que surgem durante a confecção poderão ser previstos e/ou evitados, contribuindo, em muito para os objetivos.

BIBLIOGRAFIA

  1. ACEROS FINOS BOEHLER PARA LA TECNICA DE ESTAMPACION, catálogo BOEHLER EDELSTAHL GMBH

  2. STEELS FOR COLD WORK TOOLING, catálogo UDDEHOLM Tooling Svenska AB

  3. FUNKENEROSIVE BEARBEITUNG VON WERKZEUG STAHLEN, publicação técnica BOEHLER EDELSTAHL GMBH

  4. YOSHIDA, S., SELEÇÃO DE AÇOS E TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA FERRAMENTAS DE CONFORMAÇÃO A FRIO – ESTAMPARIA, publicação técnica BRASIMET COM.IND.S.A.

  5. YOSHIDA, S., TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS FERRAMENTA, publicação técnica BRASIMET COM.IND.S.A.

  6. THYSSEN PORTUGAL – AÇOS E SERVIÇOS LDA, catálogo THYSSEN PORTUGAL

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