forjamento - trabalho

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1. INTRODUÇÃO

Forjamento é um processo de conformação mecânica, que resulta em uma mudança permanente nas dimensões finais e nas características metalúrgicas de uma peça, de tal modo que ele tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho (Metal Mundi, 2010).

Atualmente existe um variado maquinário capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas e asas de avião (Engemec, 2010).

A maioria das operações de forjamento é executada a quente; contudo, uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões, são produzidas por forjamento a frio (Engemec, 2010).

Na economia em 2004, a produção nacional de fundidos e forjados foi de 162,4 mil toneladas, enquanto o consumo foi de 135,9 mil toneladas. No entanto, na composição desses números, a maior parte pertence aos fundidos (Revista alumínio, 2008).

Com o objetivo de mostrar ao leitor este processo bastante utilizado na conformação de metais, porem pouco difundido procurou-se elaborar um trabalho simples e acessível porem de acordo com as normas técnicas vigentes, da ABNT (NBR 6023).

2. FORJAMENTO- DEFINIÇÃO E HISTORIA

O forjamento é o processo conformação mecânica pelo qual o metal é aquecido e moldado por deformação plástica com a adequada aplicação da força de compressão. O método de forjamento antecede o processo de soldagem. Forjar um determinado tipo de material refina a estrutura de grãos e melhora as propriedades físicas do metal. Materiais com sinais de forjamento são mais consistentes, não apresentam porosidade, rachaduras e outros defeitos. Também as operações de revestimento, como metalização ou pintura são simples devido a uma boa superfície, que precisa de muito pouca preparação. Metais forjados possuem rendimento de alta resistência ao peso e a pressão. (Manutencaoesuprimentos, 2010)

O forjamento, geralmente realizado a quente, é responsável pela produção de grande parte dos elementos e componentes mecânicos. A combinação de formas adequadas com excelentes propriedades obtidas com este processo tem garantido sua permanência entre os mais empregados, por isso são empregos, freqüentemente, na concepção das partes de aeronaves. Além disso, para peças de grandes dimensões, somente o forjamento permite a obtenção das formas e propriedades requeridas, e com uma perda mínima de material, oferecendo assim um menor custo de fabricação.

Acredita-se que os forjamentos mais antigos tenham se iniciado no Egito e na Ásia por volta de 4.000 a.C. ou provavelmente ainda antes. Ferro e bronze fundidos foram forjados por esses homens da antigüidade para produzir ferramentas manuais, instrumentos e armas grosseiras, como facas, adagas e lanças. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente existem variados equipamentos de forjamento para a produção de peças das mais variadas geometrias (Worldlingo, 2010).

Figura 1 - Artesão forjando uma peça na bigorna

Fonte:Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC Rio<http://www.dema.puc-rio.br/download/MET%201836%20-%207.pdf.acesso> em 13 maio 2010

O metal é sempre mais forte na direção de sua estrutura granular. O forjamento permite que os grânulos sejam alinhados na direção do instrumento. O corte da usinagem do instrumento normalmente avança contra o grão, e dessa forma enfraquece o instrumento. Além disso, uma vez que o forjamento é criado pela pressão e não pela usinagem, muito menos material é perdido no processo. Com base nessas vantagens, os forjados são geralmente mais fortes do que os Instrumentos usinados.

A desvantagem do forjamento é que as altas temperaturas necessárias no processo podem provocar uma rápida oxidação, o que produz um acabamento insatisfatório e escamas na superfície. Em virtude dessa escamação, a manutenção de pequenas tolerâncias pode, às vezes, ser difícil.

Quando as peças metálicas são forjadas procura-se alterar principalmente as propriedades de elasticidade e de plasticidade do metal.

 Elasticidade

Elasticidade é a propriedade que o material metálico tem de se deformar, se um esforço é aplicado sobre ele, e de voltar a forma anterior quando o esforço aplicado parar de existir.

Plasticidade 

Plasticidade é a propriedade que o material metálico tem de manter uma determinada deformação, se um esforço for aplicado sobre ele, e permanecer deformado quando o esforço parar de existir. Normalmente este esforço aplicado ao metal é maior e mais prolongado, do que na descrição anterior.

Estas propriedades dependem de como os átomos do metal estão arranjados, onde situações estruturais permitem maiores ou menores deformações, requerendo mais ou menos energia e esforço para se deformar um material metálico.

De um modo geral, todos os materiais conformáveis, podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são:

      • Aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta);

      • Ligas de alumínio;

      • Cobre (especialmente os latões);

      • Magnésio;

      • Níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial); Titânio;

3. INFLUÊNCIAS DA TEMPERATURA NO FORJAMENTO

A fixação da temperatura é variável, sendo uma dependência do tipo de material que se deseja forjar. Em geral seus limites são fixados pelo aumento excessivo de força quando a temperatura é muito baixa (limite inferior) e pela oxidação em temperaturas mais altas (limite superior). Todavia, é necessário um conhecimento bem detalhado do comportamento do material com o qual se está trabalhando, ou seja, conhecer a tensão de escoamento, as perdas por oxidação, o alongamento e as zonas de transformação de fase em função da temperatura. Todos esses parâmetros devem ser conhecidos para se evitar defeitos e otimizar o processo.

O efeito da distribuição da temperatura, taxa de deformação, geometria do instrumento e fricção são aspectos críticos no conjunto do processo de forjamento. Tanto a temperatura de acabamento mantida durante o forjamento como a forma de resfriamento tem um efeito sobre o produto. O resfriamento rápido de um produto que estiver aumatemperatura alta resultará em excessiva dureza do produto, aumentando dessa forma as tensões internas. Recomenda-se que seja empregado um tratamento de recozimento antes da usinagem da peça forjada. O recozimento consiste no aquecimento da peça seguido de um lento resfriamento em um forno de recozimento para amaciar o instrumento.

4. CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TEMPERATURA

Todas as informações a seguir foram tiradas de< http://www.ebah.com.br/ trabalho-sobre-forjamento-pdf-a19817.html>

4.1. Forjamento a frio

Forjamento a frio, é uma deformação plástica de metais, sem aquecimento, onde o material é forçado por compressão, a fluir entre uma matriz e um macho, resultando na obtenção de peças com forma e tolerâncias de precisão.

É um método usado para mover, sem remover o metal. Esta tecnologia já provou ser altamente econômica. Suas aplicações estão crescendo rapidamente e seu potencial e desenvolvimento para peças com formas geométricas mais complexas, fabricadas com matérias-primas que permitem maior grau de deformação.

O trabalho a frio é acompanhado do encruamento do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras – tais como contornos de grão – que impede o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material.

Por encontrar-se em baixas temperaturas, a tensão de deformação do material é alta e, portanto exige altas pressões por parte das máquinas e, conseqüentemente, exige forjas de grande ou médio porte. A vantagem que encontra sobre o forjamento a quente é que após o processo a peça encontra-se já em suas dimensões acabadas, pois não sofreu dilatações por causa do aumento de temperatura.

Todos os materiais que apresentam uma ductilidade à temperatura ambiente podem ser deformados a frio. Fundamentalmente o processo a frio passa a ter vantagens econômicas, dependendo do volume do material e de quanto à peça forjada se aproxima em geometrias da peça pronta.

4.2. Forjamento a morno

Os processos de forjamento a morno objetivam aliar as vantagens das conformações a quente e a frio.

O trabalho a morno consiste na conformação de peças numa faixa de temperatura onde ocorre o processo de recuperação, portanto, o grau de endurecimento por deformação é consideravelmente menor do que no trabalho a frio.

Existe uma faixa de temperatura empregada na conformação a morno dos aços, entre 500 e 800° C. A temperatura inferior de conformação é limitada em aproximadamente 500°C devido à possibilidade de ocorrência da "fragilidade azul" em temperaturas mais baixas.

Esta fragilização aumenta a tensão de escoamento e diminui a ductilidade. Ela ocorre em temperaturas em torno de 200 a 400°C onde, átomos intersticiais difundem-se durante a deformação formando atmosferas em torno das discordâncias geradas, ancorando-as. O nome azul refere-se à coloração do óxido formado na superfície do aço nesta faixa de temperatura.

Com relação ao trabalho a quente o processo a morno apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilatação - contração do material e da matriz.

A maior desvantagem da conformação a morno com relação ao processo a quente é o aumento do limite de escoamento que ocorre com a redução da temperatura de deformação. O aumento da carga de conformação implicará na necessidade

de se empregar prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes. Os tarugos para a conformação, por sua vez, podem requerer decapagem para remoção de carepa e utilização de lubrificantes durante o processo. Em relação ao trabalho a frio o processo a morno apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo.

4.3. Forjamento a quente

O processo de forjamento a quente distingue-se do realizado a morno pela faixa de temperatura na qual é realizado, isto é, faixa de temperatura em que ocorrem

os mecanismos de recuperação e recristalização.

Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal e proporciona

maior habilidade para o escoamento plástico sem o surgimento de trincas como também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão presentes às temperaturas de trabalho a

quente. As bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho.

As variações estruturais devido ao trabalho a quente proporcionam um aumento na ductilidade e na tenacidade, comparado ao estado fundido. Geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as superfícies externas podem ocorrer crescimento de grãos no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho.

A maioria das operações de trabalho a quente é executada em múltiplos passes ou estágios; em geral, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior do trabalho a quente para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. Como, porém, deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de grãos darão origem a peças com melhor resistência e tenacidade.

Para se obter peças forjadas com boa qualidade, o processo precisa ser completado a uma temperatura definida para cada tipo de material.Isso fica visível se o forjamento for realizado a temperaturas abaixo das estabelecidas, conforme tabela 01, pois o material pode ficar encruado e a peça sujeita a fissuramento. O encruamento pode ser eliminado por recozimento, mas as fissuras não.

Tabela 01- Faixa de temperatura de conformação a quente dos materiais mais comuns

Material

Temperatura (°C)

Ligas de Alumínio

320 - 520

Ligas de Cobre (latões)

650 - 850

Aço de baixo teor de C

900 - 1150

Aço Médio teor de C

850 - 1100

Aço Alto teor de C

800 - 1050

Aço liga com Mn ou Ni

850 - 1000

Aço liga com Cr ou Cr-Ni

870 - 1100

Aço Inoxidável (18/8)

850 - 1050

Aço Inoxidável (18/8)

750 - 1100

Fonte: FILHO, Ettore B.[et al].Conformação Plástica dos Metais.São Paulo:Unicamp 5ed.1997

Na conformação a quente deve-se se tomar cuidado com as quedas de temperatura, não deixando ultrapassar o limite inferior da tabela.

Esta queda de temperatura pode ocorrer devido ao esfriamento da peça em contato com o ar (radiação) e a transmissão de calor da peça para a ferramenta fria. Sendo que os fatores que influem na transmissão do calor são tempo de contato peça ferramenta e a superfície da peça.

Durante a conformação ocorre também um aquecimento da peça devido à energia de deformação, porem menos importante do que as perdas acima mencionadas somente em casos de aços de alta liga, submetido à elevada conformação, é possível que este aquecimento se sobreponha ao esfriamento.

5. TRATAMENTOS TÉRMICOS

Dependendo da aplicação de uma peça forjada, suas propriedades mecânicas podem ser melhoradas por um tratamento térmico, anterior ou posterior à operação de forjamento.

  • Pré-aquecimento:É feito para prevenir fratura ou distorção do material. Isto é feito colocando-se o material em uma serie de fornos que irão aumentando gradativamente a temperatura desse material.

  • Recozimento:Este processo deve anteceder o forjamento para que o material se torne menos quebradiço, ou mais maleável e dúctil, e também reduzir as tensões internas. Este tratamento é feito aquecendo-se o aço acima da zona critica e deixá-lo resfriar lentamente.

  • Normalização:É feito para melhorar a estrutura cristalina do aço, obtendo assim melhores propriedades mecânicas. É feito aquecendo-se o material acima da zona critica e deixando-o resfriar ao ar. Isto permite um refinamento no tamanho do grão.

  • Endurecimento: Pode ser realizado após o processo de forjamento, por um tratamento de tempera, aquecendo-se o material vagarosamente até a zona critica, para que haja uma transformação uniforme na estrutura do aço, e então e resfriando-o rapidamente em um tanque com água ou óleo.

6. MATRIZES ABERTAS E MATRIZES FECHADAS

Matrizes são peças, usualmente de aço ferramenta, que entram em contato com o metal durante o forjamento. Comumente se classifica a operação em pauta em forjamento em matrizes abertas e em matrizes fechadas; no caso do forjamento em matrizes abertas, a restrição ao movimento lateral do metal sendo comprimido é pequena, e as matrizes têm geometria bastante simples (Fundamentos da conformação mecânica dos metais, 1993).

 6.1. Matrizes aberta

Nos forjamentos realizados em matrizes abertas as matrizes normalmente têm formatos de geometria básica e bem simples. Uma parte da matriz fica presa na parte superior do martelo de forja e a outra parte da matriz fica fixa na parte inferior do equipamento, não havendo nenhuma outra parte nas laterais da peça que venha a restringir ou impedir a deformação, deixando este espaço livre para a deformação do metal. No forjamento em matrizes abertas da-se o golpe vira-se a peça a 90º e volta-se a bater, quando for possível e o processo for por martelamento, quando for por prensagem a deformação ocorre um único aperto. São utilizadas para a produção de peças grandes e em lotes produtivos pequenos.

A moldagem livre é apropriada para a confecção de peças de tamanhos diversos, que devem receber formas simples e lisas com superfícies planas ou uniformemente redondas. Para o forjamento de peças pesadas de um tamanho da ordem de 100 toneladas a moldagem livre é a única possibilidade de fabricação.O forjamento livre pode ser realizado com o auxílio da força muscular, quando então é denominado forjamento livre manual, ou com o auxílio, das prensas ou máquinas de forjar, neste caso recebe a denominação de forjamento livre a máquina. Tanto numa situação quanto outra, o formato da peça, assim como suas dimensões são obtidas pela habilidade do forjador em manipular as máquinas e as ferramentas sendo, portanto, uma operação a ser realizada por profissional especializado.

Nas situações em que as peças já não são tão pequenas, ou ainda que se deseje maior produção o forjamento livre pode ser realizado com máquinas, neste caso a única mudança é que a força para a deformação não é mais muscular, ela é produzida por uma máquina, mas todo o controle da forma, dimensão e deformação é levado a cabo pelo forjador baseado na sua habilidade e conhecimento.

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