Máscaras metálicas de DP600 em superfícies de matrizes de forjamento

A aplicação de insertos produzidos a partir de chapas metálicas (die mask) sobre a superfície de matrizes durante o processo de forjamento pode elevar a vida útil das ferramentas, que são submetidas a tensões, deformações e gradientes de temperatura que provocam, em uma fina camada superficial, desgaste térmico e adesivo, bem como fadiga termomecânica, levando a potenciais riscos de danos às matrizes.

Um processo de forjamento a quente envolve um sistema complexo no qual um billet metálico, normalmente a 1.200ºC, no caso de forjamento de aço, é deformado entre duas matrizes para a obtenção da forma final desejada. Normalmente as matrizes são aquecidas a temperaturas entre 200 e 300ºC com o objetivo de evitar um choque térmico entre o metal forjado e a ferramenta.

Assim, durante um processo de forjamento, existe uma intensa troca térmica entre o billet e a ferramenta. Devido a aplicação da força necessária para deformar o metal, altas tensões normais se desenvolvem na interface entre o metal sendo deformado e a ferramenta. 

No momento em que a deformação é iniciada estabelece-se um movimento relativo entre as superfícies da matriz e do billet, gerando atrito e calor na interface (mesmo com a utilização de lubrificantes), com o desenvolvimento de tensões tangenciais, no mínimo iguais a metade da tensão de escoamento do material sendo forjado. 

À medida que a deformação prossegue, aumenta a área de contato entre a superfície do billet e a superfície da ferramenta e um maior tensionamento da ferramenta. À medida que os detalhes geométricos da matriz vão sendo preenchidos, altas tensões, que podem ser muito maiores que a tensão de escoamento do material, se desenvolvem nesses pontos. Quando o forjamento está quase completo, inicia-se a formação da rebarba. Neste ponto o tensionamento da ferramenta atinge o valor máximo.

Todo esse carregamento mecânico e variações de temperatura levam a matriz a falhar com o tempo e definem sua vida útil. Os principais fenômenos que contribuem para a falha da ferramenta após um determinado número de ciclos de forjamento são: degaste abrasivo; fadiga mecânica; fadiga térmica; amolecimento; deformação plástica e fragilização superficial.

Assim, o desenvolvimento proposto neste estudo pode vir a contribuir fortemente para o aumento da vida útil das ferramentas nas forjarias brasileiras, impactando diretamente na redução dos custos de produção e aumento da competitividade.

Ao longo dos anos, várias tecnologias visando aumentar a vida útil de matrizes têm sido desenvolvidas e aplicadas. A maioria se baseia na realização de algum tipo de tratamento térmico ou termoquímico na superfície da matriz com o objetivo de aumentar sua dureza superficial. Isto diminui o amolecimento superficial e a atuação dos mecanismos de abrasão e fadiga térmica e mecânica. Os tratamentos mais comuns são a nitretação ou carbonitretação em banho de sal, o PVD (Physical Vapor Deposition), o CVD (Chemical Vapor Deposition) e o PACVD (Plasma Aided Chemical Vapor Deposition).

Todos esses métodos têm demonstrado a sua viabilidade e levado a um aumento significativo na vida útil de matriz (50 a 200%) em muitos anos de pesquisa e/ou aplicação industrial. Entretanto, relevantes desvantagens estão associadas ao custo relativamente alto, ao fato de requerem equipamentos especiais normalmente não disponíveis em forjarias e consumirem muito tempo, dependendo do tamanho da matriz.

Além disso, todas as camadas superficiais de ferramentas, modificadas por esses tratamentos, falham após certo tempo de produção. Nesse caso, toda a ferramenta deve ser reparada ou substituída o que implica em parada na produção para troca de setup, o que pode ser caro e demorado.

Uma abordagem alternativa para proteger a ferramenta do desgaste bem como da fadiga termomecânica, pode ser associada a aplicação de uma “máscara” metálica, de baixo custo e facilmente substituível, adaptada à gravura da matriz base. A ideia básica é que a “máscara” protetora reduza o choque e as trocas térmicas, bem como o atrito, entre o material sendo forjado e a matriz.

De acordo com este conceito, a “máscara” protetora é completamente substituída quando apresentar desgaste após certo número de ciclos de forjamento. A figura 1 mostra esquematicamente o conceito.

Figura 1 - Conceito básico do forjamento de uma peça com simetria axial utilizando matriz com “máscara”

Análise experimental 

A partir da definição da geometria a ser estudada (figura 2) projetada no software Solidworks, foi selecionado o material e o processo de obtenção das máscaras metálicas através de simulações numéricas. O processo de estampagem convencional das máscaras foi pré-selecionado.

As simulações de estampagem, foram realizadas no software DeformTM v. 11.0, na configuração apresentada na figura 3. As simulações do processo de forjamento foram realizadas no software Simufac.Forming12.0, conforme demostrado na configuração apresentada na figura 4.

Figura 2 - Projeto da matriz inferior e máscara aplicados ao processo de forjamento

Os materiais DIN 1.3343, DC04 e DP600 foram testados em simulações numéricas do processo de estampagem, sendo o DP600 o aço selecionado para as aplicações experimentais devido às características geométricas obtidas após a simulação e a facilidade de adaptação a cavidade da matriz de forjamento.

Figura 3 - Demonstração das ferramentas utilizadas na simulação do processo de estampagem

As máscaras foram estampadas em estágio único em chapas de DP600 com 1 mm de espessura e diâmetro de 100 mm, em uma prensa Danpresse, com capacidade de 200 kN e velocidade de prensagem de 5,0 mm/s, a partir de um punção cilíndrico de 50 mm de diâmetro até a profundidade de 20 mm.

As matrizes foram fabricadas por usinagem em aço ferramenta H13 e posteriormente temperado e revenido, sendo que a figura 2 ilustra a matriz inferior. Já a matriz superior é plana com o mesmo diâmetro e especificações da inferior, conforme esquematizado na figura 3

Como billet, no processo de forjamento, foi utilizado o aço C45 com 25,4 mm de diâmetro e 35 mm de altura. O conjunto matriz/máscara/billet utilizado no processo de forjamento é apresentado esquematicamente na figura 4 e na imagem apresentada na figura 5.

Figura 4 - Representação do conjunto aplicado a simulação numérica do processo de forjamento

O forjamento foi realizado em prensa hidráulica, marca FKL, com capacidade de 700 t e velocidade de atuação de 5 mm/s. A temperatura inicial do billet foi de 1.200ºC, aquecido em forno elétrico, marca Sanchis, e transferido de forma manual com utilização de tenaz para a matriz, conforme figura 5a, em tempo inferior a 4 s. 

A matriz inferior foi aquecida, por resistência elétrica, até 300ºC e a matriz superior foi mantida a temperatura ambiente estimada em 20ºC. O tempo de contato entre o billet e a máscara é estimado em 10 s. Foram realizados 4 forjamentos sequenciais. O processo de forjamento esta apresentado na figura 5b.

Figura 5 - Forjamento Experimental. (a) Posicionamento no billet. (b) Forjamento

Após o forjamento experimental, análises de micro dureza foram realizadas na máscara utilizada, a partir de microdurômetro, marca INSIZE, modelo ISH-TDV1 000, nas rotas demonstradas na figura 6. Foram obtidos 5 valores de micro dureza na condição inicial da chapa, antes da estampagem, e 11 valores após sua utilização como máscara no processo de forjamento. 

Figura 6 - Rotas de micro dureza. a) Condição inicial da chapa. b) Condição da chapa utilizada como máscara após o forjamento

 

Resultados

 Os resultados de tensão e deformação obtidos por simulação numérica, sem o uso de prensa chapas, do processo de estampagem são apresentados na figura 7, onde pode ser observada a formação de rugas no corpo do flange no decorrer da simulação do processo, bem como, a redução da espessura da chapa na base da matriz. A força de estampagem resultante da simulação atingiu o valor máximo de 90 kN. 

Figura 7 - Resultados da simulação de estampagem: (a) Tensão na direção Z; (b) Deformação e tensão efetiva no final do processo

Quando comparados com os resultados apresentados nas imagens da figura 8, percebe-se a relação entre a região inicial de contato e as maiores deformações. Pode, ainda, ser verificado que o aumento da deformação na região superior modifica a espessura da máscara. 

Figura 8 - Resultados da simulação numérica. (a) Contato entre a máscara e a peça forjada. (b) Deformação efetiva da máscara após o forjamento

Quanto a distribuição da temperatura na máscara, percebe-se a variação da temperatura durante o processo de forjamento, onde a máscara atingiu um valor máximo de 700°C na região inferior. Na figura 9, quando comparada à figura 8, verifica-se que é a região que permace em contato com a peça desde o posicionamento do billet até o final do forjamento.

Figura 9 - Resultados da simulação numérica para temperatura da máscara ao final do processo de forjamento

Concluída a análise das simulações numéricas, parte-se para análise e comparação dos resultados experimentais.

Após quatro forjamentos sequenciais, houve fratura na região da flange, conforme apresentado na figura 10. Observa-se ainda que a parte interna, que permaceu em contato com a peça até o final do processo de forjamento, não apresenta fraturas. 

Observa-se desgaste superficial em toda a parte interna da máscara. Entretanto, esse desgaste é acentuado na região do raio interno e na região onde o billet foi posicionado que é a de maior contato com a máscara, onde foi atingida a máxima temperatura.

 Figura 10 - Máscara fraturada após 4 forjamentos sequenciais

Ainda, pode ser observado que na região de transição entre a parede e a flange ocorreu o dobramento da chapa, como mostrado na figura 10.

Pode-se atribuir como um dos fatores que causaram a fratura na região do flange a contínua deformação ocorrida na máscara durante o processo de forjamento. 

Como a geometria da peça forjada foi apenas conformada dentro da cavidade da matriz/máscara e o deslocamento da prensa até o fechamento da matriz não foi controlado, pode ter ocorrido a aplicação de força excessiva sobre a flange provocando o escoamento da máscara sobre a peça forjada. A redução acentuada na espessura da região do flange também é associada a este fator.

Quanto aos resultados de microdureza, na condição inicial apresentaram dureza média de 48 HRC. Após forjamento, na região da flange a dureza média foi de 50 HRC e na região correspondente aos pontos 4 a 8, apresentados na figura 6, a dureza média foi de 64 HRC. A partir do diagrama TTT do aço DP600, atribui-se o aumento de dureza a transformação martensítica ocorrida na região central da máscara. 

Conclusões

Neste estudo analisamos a aplicabilidade de máscara metálica em aço DP600 para aumento da vida útil das matrizes de forjamento. Foi possível compreender a complexidade que envolve a adaptação do conjunto máscara matriz e as falhas que podem ocorrer quando a máscara é submetida aos esforços atuantes no processo de forjamento. 

Resultados das análises de micro dureza mostram que ocorre aumento expresivo de dureza na região da máscara exposta a altas temperaturas, bem como as regiões da máscara que sofrem maiores deformação durante a estampagem e o forjamento. 

Agradecimentos 

Os autores agradecem a CAPES que através do Projeto Bragecrim (AUXPE 2203/2015) apoia este projeto. Ao Prof. Dr. Gerhard Hirt, Diretor do Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (Alemanha) pela cooperação neste intercâmpio de informações.

Co-autores 

Juliana zottis - [email protected]    

Rodrigo prestes limberger - [email protected] 

Alberto moreira guerreiro brito - [email protected]    

Alexandre da silva rocha - [email protected]

Lírio schaeffer - [email protected]    

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Luana De Lucca de Costa

Graduação em Engenharia Mecânica pela Faculdade SATC (2012) e mestrado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2014). Atualmente é professora do Ensino Básico, Técnico e Tecnológico no Instituto Federal de Educação do Rio Grande do Sul e doutoranda do programa de pós-graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2014). Tem experiência na área de Fabricação Mecânica, Ciência dos Materiais e Metalurgia Física.