Desgaste em matrizes de forjamento

As principais formas as quais reduzem a vida de ferramentas de processos de conformação mecânica, levando a sua substituição por degradação ou a má qualidade do produto forjado são: Desgaste; Deformação plástica; Fadiga mecânica e; Fadiga térmica.

Dentre estas, devido aos altos carregamentos térmicos e mecânicos, Heynemeyer identificou o desgaste e a nucleação de trincas como as principias causas de falha em matrizes de forjamento a quente. Segundo Kannapann, os  valores podem variar para diferentes processos de conformação, mas geralmente são: 72% desgaste, 25% de fadiga mecânica, 2% fadiga térmica e 1% de deformação plástica, conforme figura 1. 

Durante os processos de forjamento, diversos destes mecanismos podem se manifestar e agir simultaneamente. Assim, a figura 1 também mostra as principais zonas onde ocorrem e os respectivos tipos de falha para matrizes de forjamento a quente. Obviamente, desgaste é mecanismo mais dominante encontrado. Cantos vivos, submetidos a temperaturas flutuantes e pressões extremamente altas, são os locais mais suscetíveis a ocorrência do desgaste.


Figura 1 - Localização dos principias tipos de falhas e frequência em matrizes de forjamento a quente 

Desgaste

Como previamente descrito, o desgaste de matrizes é dado como a causa mais comum de substituição ou retrabalho de matrizes para forjamento. Segundo a norma alemã DIN 50320, o desgaste é caracterizado como uma perda de material superficial de uma superfície sólida devido a ação mecânica. 

Na literatura, há a definição de diversas categorias de desgaste, como por exemplo desgaste adesivo, abrasivo, corrosivo, erosivo, gripagem , fadiga superficial, entre outros. Os dois primeiros citados são, geralmente, os mais importantes nos processos de conformação mecânica dos materiais, sendo, portanto, objeto de análise mais detalhada. 

A figura 2 mostra um exemplo de uma matriz para o forjamento de engrenagens cônicas a qual sofreu desgaste. Este mecanismo de falha é geralmente mais presente em operações de pré-forma dado o grande grau de deformação imposto e as grandes velocidades de deslizamento. 

O desgaste também leva a componentes fora de especificação. O ferramental de conformação pode ser retrabalhado através de polimento para que este reestabeleça sua geometria correta. Uma vez que o polimento foi realizado muitas vezes e o material removido atingiu uma profundidade crítica, é impossível retificá-la novamente e o ferramenta deve ser substituída.


Figura 2 - Marcas típicas de desgaste encontradas em uma matriz de forjamento de engrenagens cônicas 

Prevalente principalmente em processos de conformação a frio, o desgaste adesivo também é encontrado em processos a altas temperaturas. O desgaste adesivo tem origem quando as superfícies de contato estão sujeitas a pressões extremas, e velocidades de deslizamento excessivamente baixas. 

Desta forma, quando duas superfícies de contato são pressionadas umas com as outras, as asperezas nas suas superfícies são pressionadas formando uniões. Este processo também é conhecido como soldagem fria. Posteriormente, quando estas superfícies deslizam uma sobre a outra, conforme ilustrado esquematicamente na figura 3, o movimento contínuo entre elas impõe o rompimento de tais uniões, dando origem a uma superfície danificada e a fragmentos os quais ficam incrustados na outra superfície.  A superfície danificada origina-se no material de menor resistência, usualmente o material de menor dureza.


Figura 3 - Mecanismo de desgaste adesivo 

Dentre os tipos de desgaste, o desgaste abrasivo é o mecanismo de falha mais comum em matrizes de forjamento a quente. Ele possui origem na ação de numerosas partículas de alta dureza as quais se interpõem entre as superfícies da matriz e geratriz.Tais asperezas podem ter origem em irregularidades superficiais e devido a própria rugosidade da superfície de maior dureza, ou por existirem partículas duras incrustadas entre as superfícies de contato, como mostrado na figura 4. 

Em qualquer um dos casos descritos, a ação abrasiva se manifesta através de uma perda progressiva de material da superfície, deixando marcas de desgaste alinhadas com a direção do movimento relativo das peças. A quantidade de material removida está diretamente relacionada a pressão e velocidade de deslizamento entre as superfícies. Este mecanismo também é inversamente proporcional a dureza do material. 

Nos processos de forjamento a quente, uma camada de óxido se forma entre as superfícies da matriz e geratriz devido a reações químicas entre oxigênio e metais presentes. Devido a fragilidade destas camadas, elas quebram-se e formam partículas. Estas partículas formadas também desempenham papel importante relacionado ao desgaste abrasivo. A presença de partículas oxidadas age como agente abrasivo, e aliado a presença de outros contaminantes, originam o desgaste abrasivo entre três corpos conforme ilustrado na figura 4b.


Figura 4 - Mecanismo de desgaste abrasivo. (a) Desgaste abrasivo entre dois corpos; (b) Desgaste abrasivo entre três corpos

Embora, geralmente, as matrizes apresentem dureza superficial maior do que a geratriz, elas também estão expostas ao desgaste abrasivo devido ao encruamento localizado da geratriz durante o processo de forjamento. A dureza superficial, bem como a microestrutura do material possuem grande importância. 

A resistência ao desgaste abrasivo não é dependente somente da razão entre as durezas das superfícies e do agente abrasivo, mas também das características de resistência, forma, tamanho de grão e geometria da partícula abrasiva. 

Desde a década de 1950, o tema de desgaste relacionado aos processos de conformação mecânica tem atraído a atenção dos pesquisadores. Pode-se citar os trabalhos de Kang, onde os autores propuseram um modelo de desgaste considerando a amolecimento do material devido a ação da temperatura em processos de forjamento a morno. 

Através deste modelo foi possível calcular o perfil de desgaste das ferramentas envolvidas no processo. Já, Lee  propôs um novo modelo de desgaste o qual considera a variação do coeficiente de desgaste e a variação da dureza em função da temperatura. Abachi avaliou para diferentes pontos de uma matriz de forjamento a quente, as profundidades de desgaste e comparando com resultados obtidos experimentalmente sugeriu valores para o coeficiente de desgaste ao longo da superfície das matrizes

Panesar tentou ajustar os coeficientes de desgaste obtidos por simulação numérica com os obtidos experimentalmente, mas o autor apurou que estes eram diferentes dependendo de sua localização na matriz. Ele concluiu que isto poderia ser explicado devido as variações de temperatura ao longo do ferramental de forjamento. Estudos realizados por Behrens consideraram variações de dureza do material das matrizes para calcular via análise em elementos finitos o desgaste defrontado pelas matrizes durante o processo de forjamento a quente.

Modelo de archard

O modelo matemático mais difundido para o cálculo do desgaste é o proposto por Archard. Este método é confiável, mas depende de validação experimental para definir a variável do coeficiente de desgaste. Contudo, o método também pode ser impreciso se não considerar a variação da dureza dos materiais em função da temperatura.  

Um dos conceitos cruciais para a teoria de fricção seca entre superfícies é a definição da área real de contato formada entre um número limitado de asperezas nas superfícies opostas em contato. O modelo que se assume, conforme mostrado previamente na Figura 3, define que a área real de contato é muito pequena, tornando a pressão de contato próxima a um limite superior definido pela dureza do material de menor dureza entre os dois corpos em contato. Seguindo esta formulação, a área real de contato é dada pela equação 1.


Onde A é a área real de contato em m2, W é o carregamento normal em Newtons (N) e H é a dureza do material em Pa.

Desgaste adesivo

Para a teoria do desgaste adesivo, considera-se primeiramente que toda deformação de aspereza é de natureza plástica e que durante o evento de fricção, a área real de contato possui simetria circular com raio a, conforme mostrado na figura 5.


Figura 5 - Diagrama esquemático mostrando a evolução de um único evento de contato entre duas asperezas considerando a área de contato como um círculo de diâmetro 2a 

A área de contato circular é dada, com boa aproximação, pela equação 2.


Desta forma, considerando uma única aspereza da área real de contato total, podemos reescrever a Equação 2 na forma da equação 3.


Assume-se que o contato entre cada aspereza resulte em uma partícula removida de volume δV. As dimensões desta partícula removida são consideradas diretamente proporcionais a área de contato em um fator cúbico ao raio da área circular de conato. Matematicamente, podemos escrever esta proporção como δV∝a3. Assim, torna-se conveniente assumir que a partícula é uma meia esfera podemos escrevê-la pela equação 4. 



Também é necessário realizar considerações sobre a distância de deslizamento das asperezas. Considera-se também, que esta distância de deslizamento δL, é diretamente proporcional à distância de contato na proporção δL∝a. Uma convecção conveniente e realista deste caso baseado em diferentes modelos descreve a distância de deslizamento pela equação 5. 


A partir destas considerações é possível deduzir a contribuição de cada contato de asperezas para a taxa de desgaste, ou como mencionado anteriormente, o volume removido por distância de deslizamento. Assim, unido as equações 4 e 5 temos.


Realizando o somatório para que consideremos todas as asperezas em contato chegamos a equação 7.


Note que foi introduzido na equação 7 uma constante de proporcionalidade K1. Explicações posteriores sobre sua significância serão realizados no decorrer deste trabalho, mas por hora é suficiente considerar que está constate é introduzida para criar uma conformidade entre experimentos e teoria. Este fator de um terço proveniente da equação 7 é resultado das considerações geométricas específicas relacionados às asperezas. Portanto, como com o intuito de padronizar e realizar uma coerência maior entre experimentos e teoria podemos assumir que o coeficiente de desgaste para adesão pode ser descrito pela equação 8.


Diferentes interpretações podem ser dadas para o coeficiente de desgaste K. A interpretação mais simplificada propõe que K representa a proporção de contatos de asperezas que efetivamente resultam em remoção de volume de material. Assim sendo, assumindo por exemplo K=10-3 (um valor bastante alto para K), significa que um entre mil eventos de contato resultam em remoção de material enquanto os outros 999 contatos não causam nenhum dano à superfície. 

Em práticas de engenharia, os valores de K geralmente são muito pequenos, na casa de 10-6 a 10-9. Uma segunda importante interpretação que pode ser dada ao coeficiente de desgaste K é que este modelo considera que todos os contatos de asperezas resultam em deformação plástica. Valores tão pequenos de K podem indicar que a maioria destes contatos pode ser de natureza elástica.

Desgaste abrasivo

O desgaste abrasivo é considerado o mecanismo dominante caso a superfície de contato de maior dureza possua alta rugosidade ou se partículas abrasivas estiverem presentes na interface de contato. Na teoria para o desgaste abrasivo, considera-se que cada elemento possua uma geometria pontiaguda (ao invés de circular) agindo, desta forma, como um identador na superfície oposta. Assim, assume-se que o elemento abrasivo possui a geometria de um semicone de ângulo θ, conforme figura 6. Devido a ação de um carregamento δW, o elemento abrasivo identa na superfície oposta uma profundidade z. 


Figura 6 - Geometria típica de cone considerada para o modelamento da teoria do desgaste abrasivo 

O carregamento é suportado somente pela face frontal de contato enquanto este move-se para frente na direção do deslizamento. Dada estas considerações geométricas e considerando novamente a equação 1, podemos definir que o desgaste abrasivo é modelado pela Equação 10.


Também, o volume de material removido pode ser expresso pela equação 11.


Combinando as equações 10 e 11, define-se a equação 12 que descreve o volume de material removido pela distância de deslizamento percorrida por cada elemento abrasivo.


Se considerarmos o volume total removido e adicionado a constante de proporcionalidade K2 chegamos a equação 13.


A interpretação dada a K2 pode ser a mesma considerada no desgaste adesivo. Considera-se que K2 é a proporção de todos eventos de contato que resultam em produção de partículas removidas. Já o termo cot(θ) é um fator geométrico que representa a média da inclinação de todas as partículas abrasivas presentes. Este fator geométrico é dado simplesmente em função da forma atribuída aos elementos identadores abrasivos. É possível reescrever a equação 14 na sua forma generalizada, conforme já discutido para o desgaste adesivo.


Como visto, tanto o desgaste abrasivo como adesivo pode ser modelado pela equação 14. Portanto, é possível considerar que o coeficiente de desgaste K pode avaliar tanto o desgaste adesivo como abrasivo simultaneamente.

Profundidade de desgaste

A equação 14 mostra a teoria de desgaste nos seus termos mais fundamentais, mas muitas vezes não é adequada para descrever o comportamento de interesse relacionado a profundidade de desgaste, d. Se dividirmos ambos os lados da equação 14 pela aparente área de contato Aa, obteremos como resultado a equação 15.


Se considerarmos agora a velocidade de deslizamento ϑ, e o tempo t, podemos reescrever a equação 15 no formato.


Aqui é possível notar que a profundidade de desgaste é diretamente proporcional à constante K, a pressão σN, a velocidade de deslizamento ϑ e ao tempo t. Enquanto que, quanto maior a dureza do material H, menor será o desgaste. Se considerarmos um processo transiente, onde a cada momento tais valores se modificam em função das condições de contorno, teremos que a profundidade do desgaste pode ser realizada através de uma integração em relação ao tempo. Assim, para o cálculo da profundidade de desgaste em softwares  de elementos finitos a equação 17 é utilizada.


Deve-se destacar que a matriz de forjamento possui grande expressão nos fatores relacionados à custo e dimensional das peças forjadas. Dependendo do tamanho e complexidade o custo de uma matriz pode ser elevado e espera-se que sua vida útil seja suficiente a fim de equilibrar custos de fabricação com número de peças produzidas. Entre os defeitos mais usuais ocorridos em matrizes de forjamento está o desgaste de suas superfícies, acarretando em peças de dimensões aquém das esperadas, gerando retrabalho ou até mesmo descarte da matriz. 

Desta forma, a pesquisa por métodos que possam prever ou incrementar a vida útil de matrizes se faz necessária e neste aspecto a metodologia proposta por Archard, aliado a análise em elementos finitos, é uma ferramenta útil para a solução de tais desafios.

Coautor 

Lírio SchaefferEngenheiro Mecânico, Doutor em Conformação Mecânica - Alemanha (1982). Professor Titular na UFRGS- Departamento de Metalurgia e coordena o Laboratório de Transformação Mecânica materiais biomédicos. Consultor ad hoc da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), consultor do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Consultor da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ). [email protected]

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Diego Rafael Alba

Graduação em Engenharia Mecânica (2013) e Mestrado em Engenharia de Materias, Minas e Metalúrgica (2015) pela UFRGS. Atualmente aluno de doutorado do Programa de Pós Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGE3M) da UFRGS realizando sua tese no Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM). Pesquisas relacionadas aos processos de conformação mecânica e análises numérica dos processos através do método dos elementos finitos. Experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Propriedades Mecânicas dos Metais e suas ligas, atuando principalmente nas áreas de forjamento, soldagem em estado sólido, fadiga e análise de falha. Experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em projeto de componentes e equipamentos da indústria rodoviária e de Óleo & Gás.