apostila conformacao dos metais fund e aplicacao

Gerncia de Ensino Coordenadoria de Recursos Didticos

CONFORMAO DOS METAISFUNDAMENTOS E APLICAO

Vitria - Maro - 2008

COORDENADORIA DE ENGENHARIA METALRGICA

CONFORMAO DOS METAISFUNDAMENTOS E APLICAOAutor: MARCELO LUCAS PEREIRA MACHADOEngenheiro Metalurgista UFF RJ Doutor em Engenharia Eltrica/Automao UFES Mestre em Engenharia Metalrgica PUC-RJPs-Graduado em Educao/Aperfeioamento em Contedos Pedaggicos - UFES

Professor dos Cursos de Mestrado em Engenharia Metalrgica e de Materiais, Engenharia Metalrgica e Tecnlogo em Siderurgia, do Instituto Federal de Educao Cincia e Tecnologia do Estado do Esprito Santo IFES

Vitria -ES 2009

Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES

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SUMRIO

1 - CONFORMAO DOS METAIS................................................................................7 1.1 - CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE FABRICAO ..................................7 1.2 - CARACTERSTICAS DOS PROCESSOS DE FABRICAO .............................7 1.3 - PROCESSOS DE CONFORMAO DE METAIS NA FABRICAO...............10 1.4 - VARIVEIS, CLASSIFICAO E DESCRIO DOS PROCESSOS DE CONFORMAO DE METAIS...................................................................................11 1.5 - CONFORMAO DE METAIS COMO UM SISTEMA .......................................13 1.6 - CARACTERIZAO DO MATERIAL .................................................................14 1.7 - EQUIPAMENTO E FERRAMENTAL ..................................................................15 1.8 - CLASSIFICAO E BREVE DESCRIO DOS PROCESSOS DE CONFORMAO .......................................................................................................17 1.9 REVISO DE ESTRUTURA CRISTALINA ........................................................19 1.9.1- Cristalinidade.................................................................................................19 1.9.2 - Sistemas cristalinos......................................................................................20 1.9.3 - Cristais cbicos. ...........................................................................................21 1.9.4 Cristais hexagonais. ....................................................................................24 1.9.5 - Outros retculos cristalinos. ..........................................................................26 1.9.6 - Direes no cristal. .......................................................................................26 1.9.7- Planos cristalinos...........................................................................................27 1.9.8- Imperfeioes cristalinas .................................................................................29 1.9.9 - Deformao plstica.....................................................................................36 2 - FORJAMENTO.........................................................................................................41 2.1 - DEFINIO ........................................................................................................41 2.2- CLASSIFICAO................................................................................................42 2.2.1- Temperatura de trabalho ...............................................................................42 2.3 - GRAU DE RESTRIO AO FLUXO DE METAL ...............................................44 2.3.1 - Forjamento livre (matriz aberta) ...................................................................44 2.3.2 - Forjamento em matrizes fechadas ...............................................................44 2.3.3 - Forjamento a quente em matriz aberta ........................................................45 2.3.4 - Forjamento a quente em matrizes fechadas ................................................47 2.3.5 - Forjamento a frio ..........................................................................................50Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 3

2.3.6 - Equipamentos para forjamento ....................................................................51 3 - EXTRUSO..............................................................................................................56 3.1 - GENERALIDADES .............................................................................................57 3.2 - CLASSIFICAO...............................................................................................57 3.2.1 Quanto a temperatura de trabalho...............................................................57 3.2.2 Quanto as dimenses do produto................................................................59 3.2.3 Quanto ao sentido de deslocamento do pisto............................................60 3.2.4 - Outros processos de extruso......................................................................62 3.3 - EQUIPAMENTOS DE EXTRUSO ....................................................................63 3.4 - PARMETROS FSICOS ...................................................................................65 3.5 - DEFEITOS DA EXTRUSO...............................................................................66 4 - TREFILAO...........................................................................................................69 4.1 CLASSIFICAO DOS PRODUTOS TREFILADOS.........................................72 4.2 - MECNICA DA TREFILAO ...........................................................................72 4.3 - FIEIRA................................................................................................................73 4.4 - CLCULO DE CARGA NA TREFILAO .........................................................77 4.5 - TREFILAO DE VERGALHES E ARAMES ..................................................78 4.6 - TRATAMENTOS TRMICOS ............................................................................81 4.7 - MQUINAS DE TREFILAR INDUSTRIAIS ........................................................82 4.7.1 - Mquina de Trefilar em Srie ("Tandem"), com Deslizamento.....................82 4.7.2 - Mquina de trefilar cnica, com deslizamento..............................................83 4.7.3 - Mquina de trefilao de 3 sarihos (Morgan) ...............................................85 4.7.4 - Mquinas de trefilar em srie, sem deslizamento ........................................86 5 - LAMINAO ............................................................................................................88 5.1 - DEFINIES DOS PRODUTOS LAMINADOS:.................................................92 5.1.1 - Classificao dos produtos semi-acabados .................................................93 5.1.2 - Classificao dos produtos acabados ..........................................................94 5.2 - CLASSIFICAO DOS LAMINADORES .........................................................102 5.3 - RGOS MECNICOS DE UM LAMINADOR ................................................114 5.4 - CILINDROS DE LAMINAO: .........................................................................118 5.4.1 - Classificao dos cilindros: ........................................................................120 5.5 LAMINAO A QUENTE. ...............................................................................123 6 OUTROS PROCESSOS DE CONFORMAO ....................................................125


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7 FUNDAMENTOS DA CONFORMAO APLICADOS A LAMINAO.................132 7.1 INTRODUO.................................................................................................132 7.2 - PARMETROS DA LAMINAO ....................................................................132 7.3 - EQUAES DE FLUXOS TRMICOS NA LAMINAO ................................140 7.4 - ASPCTOS METALRGICOS NA LAMINAO ............................................147 7.4.1 - Processos de restaurao do gro.............................................................150 7.4.2 - Fatores que afetam a reduo crtica de recristalizao. ...........................158 7.4.3 - Efeito da Temperatura e Elementos de Liga ..............................................158 7.4.4 - Efeito da Quantidade de Deformao. .......................................................159 7.4.5 - Tamanho de gro da austenita completamente recristalizada aps deformao............................................................................................................161 7.4.6 - Crescimento do gro aps completa recristalizao na laminao. ...........162 7.4.7 - Tamanho de gro da austenita parcialmente recristalizada .......................165 7.4.8 - Mudanas estruturais no ao durante o resfriamento. ...............................165 7.4.9 - Efeito da microestrutura do ao na tenso de escoamento do material.....167 7.5 - CLCULO DA FORA DE LAMINAO UTILIZANDO MODELOS MICROESTRUTURAIS ............................................................................................173 7.6 - CLCULO DA FORA DE LAMINAO UTILIZANDO AS CARACTERSTICAS FSICAS DO LAMINADOR .......................................................................................177 7.7 - TRATAMENTOS TERMOMECNICOS NA LAMINAO ...............................184 8 - FORNOS DE REAQUECIMENTO .........................................................................198 8.1 - CLASSIFICAO DOS FORNOS DE REAQUECIMENTO .............................200 8.2 - PRODUO.....................................................................................................205 9 LAMINAO DE TIRAS A QUENTE.....................................................................208 10 - DECAPAGEM ......................................................................................................220 11 - LAMINAO A FRIO ...........................................................................................226 11.1 - PROCESSOS DE LAMINAO FRIO........................................................229 11.2 - CONSIDERAES SOBRE OS TIPOS DE LAMINADORES:.......................229 11.3 - RESFRIAMENTO DOS CILINDROS:.............................................................230 11.4 - LAMINADORES CONTINUOS: ......................................................................231 11.5 - BOBINADEIRAS.............................................................................................231 11.6 - OPERAO ...................................................................................................232 11.7 - LAMINAO DE CHAPA FINA ......................................................................233


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11.8 - PRODUO DE FLHAS MUITA FINAS ......................................................233 11.9 - LAMINADORES DE ENCRUAMENTO E DE ACABAMENTO .......................233 11.10 - PROCESSO DE LAMINAO A FRIO DA USINA ARCELORMITTAL VEGA (VEGA DO SUL) .......................................................................................................235 12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................243


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1 - CONFORMAO DOS METAIS Um dado material, normalmente sem forma ou de geometria simples, transformado em um componente til atravs de um processo de fabricao. Este produto, na maioria das vezes, tem geometria complexa, com forma, tamanho, preciso, tolerncias, aparncia e propriedades bem definidas. 1.1 - CLASSIFICAO DOS PROCESSOS DE FABRICAO A fabricao e montagem de componentes metlicos podem ser classificadas, demaneira simplificada, em cinco reas gerais: 1. Processos para formas primrias em metais, tais como fundio, lingotamento, coquilhamento e metalurgia do p. Em todos estes processos de fabricao o material inicialmente no tem forma definida, mas a obtm atravs do processo. 2. Processos de conformao dos metais, tais como laminao, extruso, forjamento a frio e a quente, dobramento e repuxo, nos quais o metal conformado atravs de deformao plstica. 3. Processos de usinagem dos metais, tais como corte em serra, torneamento, fresamento e brochamento, nos quais uma nova forma gerada atravs da remoo de material. 4. Processos de tratamento dos metais, tais como tratamento trmico, anodizao e endurecimento superficial, nos quais a forma do componente permanece essencialmente imutvel, mas sofre mudanas de aparncia e propriedades. 5. Processos de unio, incluindo (a) unio fsica, tais como aquelas por soldagem ou por difuso; e (b) unio mecnica, tais como rebitamento, unio eixo-cubo por contrao e montagem mecnica. 1.2 - CARACTERSTICAS DOS PROCESSOS DE FABRICAO Existem quatro caractersticas principais em qualquer processo de fabricao, a saber:


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Geometria, tolerncias, razo de produo ou produtividade e fatores ambientais e humanos. Geometria. Cada processo de manufatura capaz de produzir uma famlia de geometrias. Dentro desta famlia h geometrias que podem ser produzidas somente com extraordinrios custo e esforo. Por exemplo, o processo de forjamento permite a produo de componentes que podem ser facilmente extrados de uma matriz, isto , matrizes superior e inferior. Atravs do uso de matriz especial com partes deslizantes possvel obter peas com detalhes perpendiculares direo de forjamento e com formas mais complexas.

Tolerncias. Nenhuma dimenso pode ser produzida exatamente como especificada pelo projetista. Portanto, cada dimenso associada a uma tolerncia, assim como cada processo de fabricao permite a obteno de certas tolerncias dimensionais, de forma e acabamento superficial. A qualidade dessas dimenses, no entanto, pode ser melhorada pelo emprego de variantes mais sofisticadas destes processos e atravs de novos desenvolvimentos. Por exemplo, pelo uso do processo de fundio em cera perdida a vcuo possvel obter formas muito mais complexas com tolerncias mais fechadas do que usando os processos com moldes de areia. Tolerncias dimensionais servem a um duplo propsito: *Primeiro, elas permitem o funcionamento adequado dos componentes fabricados: por exemplo, um tambor de freio de automvel deve ser circular, dentro de certos limites, para evitar vibraes e assegurar funcionamento correto dos freios. *O segundo propsito das tolerncias dimensionais proporcionar intercambiabilidade. Sem intercambiabilidade a capacidade de substituir um componente defeituoso (milInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 8

rolamento, por exemplo) por um novo, de um fabricante diferente seria inimaginvel na moderna produo seriada. Razo de Produo ou Produtividade. A razo de produo que pode ser atingida atravs de um dado processo de fabricao provavelmente o seu aspecto mais significativo, porque ela indica os aspectos econmicos e a produtividade que pode ser atingida. Nos pases industrializados, as indstrias de produo representam cerca de 30% a 40% do produto interno bruto. Conseqentemente, a produtividade destas indstrias, isto , a produo de componentes discretos, conjuntos montados e produtos por unidade de tempo, o fator mais importante a influenciar o padro de vida num pas, assim como sua posio competitiva no mercado internacional de bens de produo. A razo de produo ou produtividade pode ser aumentada atravs da melhoria dos processos de fabricao existentes ou pela introduo de novos processos e mquinas, todos requerendo novos investimentos. Contudo, o ingrediente mais importante para o aumento de produtividade reside no ser humano e nos recursos gerenciais, uma vez que boas decises em investimentos (quando, quanto e em que) so tomadas por pessoas bem treinadas e motivadas. Como resultado, o presente e o futuro da produtividade na fabricao dentro de uma fbrica, indstria ou nao dependem no somente do nvel de investimentos numa nova fbrica e equipamentos, mas tambm do nvel de treinamento e disposio dos engenheiros e especialistas em fabricao dentro destas entidades.

Fatores Ambientais e Humanos. Todo processo de fabricao deve ser examinado visando a) seus efeitos ambientais, isto , em termos de poluio do ar, gua e sonora, b) sua interface com os recursos humanos, isto , em termos de segurana humana, efeitos fisiolgicos e psicolgicos; eInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 9

c) seu uso de energia e recursos materiais, particularmente em termos de escassez de energia e materiais. Conseqentemente, a introduo e uso de um processo de fabricao devem antes ser considerados com vistas a estes fatores ambientais.

1.3 - PROCESSOS DE CONFORMAO DE METAIS NA FABRICAO Processos de conformao de metais incluem [73]: a) processos de conformao macia como o forjamento, extruso, laminao e trefilao; e b) processos de conformao de chapas como dobramento, repuxo e estiramento. Entre o grupo de processos de fabricao discutido anteriormente, a conformao de metais representa um grupo altamente significativo de processos para produo industrial, componentes militares e bens de consumo. Um modo comum de classificar os processos de conformao dos metais consideralos como conformao a frio ( temperatura ambiente) e a quente (a temperaturas acima da recristalizao). Muitos materiais comportam-se diferentemente em diferentes temperaturas. Normalmente, a tenso de escoamento de um metal aumenta com o aumento da deformao durante a conformao a frio e com o aumento da taxa de deformao durante a conformao a quente. Entretanto, os princpios gerais que governam a conformao dos metais a vrias temperaturas so basicamente os mesmos. Portanto, classificao dos processos de conformao baseados na temperatura inicial do material no contribui significativamente para o entendimento e melhoria destes processos. De fato, o projeto das ferramentas, mquinas, automao, manuseio de componentes e conceitos de lubrificao pode ser melhor considerado atravs de classificao baseada no na temperatura, mas sim na geometria especfica de sada e entrada, assim como nas condies do material e da razo de produo.


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Geometrias complexas, tanto no processo de conformao macio quanto no de chapas, podem ser obtidas igualmente bem por conformao a frio ou a quente. Evidentemente, devido menor resistncia ao escoamento dos materiais deformados a elevadas temperaturas, as tenses nas ferramentas e as cargas nas mquinas so, relativamente, menores na conformao a quente se comparadas quelas na conformao a frio. Conformao especialmente atrativa em casos em que: a) geometria dos componentes moderadamente complexa e o volume de produo grande, de maneira que o custo do ferramental por unidade produzida possa ser mantido baixo - por exemplo, em aplicaes automobilsticas; e b) as propriedades e integridade metalrgica dos componentes so extremamente importantes, como o caso de aeronaves de carga, motores a jato e componentes de turbinas. O projeto, anlise e otimizao de processos de conformao requerem: a) conhecimento analtico referente ao fluxo metlico, tenses e transferncia de calor, b) informaes tecnolgicas relacionadas com lubrificao, tcnicas de aquecimento e resfriamento, manuseio de materiais, projeto e fabricao de matrizes e equipamentos de conformao.

1.4 - VARIVEIS, CLASSIFICAO E DESCRIO DOS PROCESSOS DE CONFORMAO DE METAIS Na conformao de metais, um componente inicialmente simples - um tarugo ou uma chapa metlica, por exemplo - plasticamente deformado entre as ferramentas (matriz ou estampo) para a obteno da configurao final desejada. Portanto, um componente de geometria simples transformado num outro complexo, em que as ferramentas guardam a geometria desejada e aplicam presso ao material em deformao atravs da interface ferramenta-material.Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 11

O processo de conformao de metais comumente produz pouca ou nenhuma sobra e a geometria final do componente aparece num curto perodo de tempo, normalmente com um ou poucos golpes de uma prensa ou martelo. Como resultado final, a conformao de metais apresenta um potencial para economia de energia e material especialmente em mdios e grandes lotes, em que o custo de ferramental pode ser facilmente amortizado. Alm disso, para um dado peso, componentes produzidos por conformao exibem melhores propriedades mecnicas, metalrgicas e confiabilidade do que aqueles produzidos por fundio ou usinagem. Conformao de metais a tecnologia da experincia orientada. No decorrer dos anos, uma grande quantidade de conhecimento e experincia tem sido acumulada neste campo, na sua maioria pelo mtodo da tentativa-e-erro. No entanto, a indstria de conformao de metais tem sido capaz de fornecer sofisticados produtos fabricados dentro das mais rgidas normas, usando ligas recentemente desenvolvidas e difceis de conformar. Os fenmenos fsicos que descrevem uma operao de conformao so de difcil expresso atravs de relaes quantitativas. O fluxo de metais, o atrito na interface ferramenta-pea, a gerao e transferncia de calor durante o fluxo plstico do metal e o seu relacionamento com a microestrutura, as propriedades e as condies do processo so difceis de prever e analisar. Freqentemente, quando se produzem componentes discretos, vrias operaes intermedirias de conformao (pr-conformao) so necessrias para transformar a geometria inicial simples em uma complexa, sem causar danos ao material ou prejudicar suas propriedades. Conseqentemente, o principal objetivo de qualquer mtodo de anlise auxiliar o engenheiro de conformao no projeto de conformao e/ou seqncia de pr-formas. Para uma dada operao de conformao (pr-conformao ou conformao final), o projeto essencialmente consiste em [73]: a) estabelecer as relaes cinemticas (forma, velocidades, taxas de deformaes,Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 12

deformaes) entre a parte deformada e a parte no deformada, isto , prever o fluxo de metal; b) estabelecer o limite de conformabilidade, ou seja, determinar se ou no possvel a conformao sem rupturas internas ou na superfcie do metal; e c) prever as foras e tenses necessrias para efetuar a operao de conformao a fim de que o ferramental e equipamento possam ser projetados ou selecionados. Para entender, projetar, dimensionar e otimizar a operao de conformao til: a) considerar o processo de conformao de metais como um sistema e b) classifica-lo de forma sistemtica.

1.5 - CONFORMAO DE METAIS COMO UM SISTEMA Um sistema de conformao metlica consiste de todas as variveis de entrada, tais como [73]: 1) o tarugo ou "blank" (geometria e material), 2) o ferramental (geometria e material), 3) as condies na interface ferramenta-pea, 4) o mecanismo de deformao plstica, 5) o equipamento usado, 6) as caractersticas do produto final e, finalmente, 7) o ambiente da fbrica onde o processo est sendo conduzido. A maneira de encarar o problema do ponto de vista do "sistema" na conformao de metais permite o estudo da relao entrada-sada e dos efeitos das variveis do processo na qualidade do produto e no aspecto econmico do processo.


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A chave para o sucesso na operao de conformao, isto , para obter a forma e propriedades adequadas, o entendimento e o controle do fluxo metlico. A direo deste fluxo, sua magnitude de deformao e a distribuio de temperatura envolvida afetam significativamente as propriedades do componente conformado. O fluxo metlico determina ambas as propriedades relacionadas com a deformao local e a formao de defeitos, tais como trincas ou dobras na superfcie ou sob ela. O fluxo metlico local , por sua vez, influenciado pelas variveis do processo, as quais esto resumidamente relacionadas na Tabela 1.1.

1.6 - CARACTERIZAO DO MATERIAL Para uma dada composio de material e uma histria de deformao-tratamento trmico (microestrutura), a tenso de escoamento e a conformabilidade nas vrias direes (anisotropia) so as mais importantes variveis na anlise de um processo de conformao de metais [73,77,78,79]. Para uma dada microestrutura, a tenso de escoamento, , escrita como funo da deformao , da taxa de deformao e da temperatura T:

= F , ,T

(1.1)

Para formular a Equao Constitutiva, Equao 1.1, necessrio conduzir testes de toro, de deformao plana, de compresso e testes de compresso uniforme. Durante qualquer desses testes, o trabalho plstico cria um certo aumento em temperatura, o qual deve ser considerado na estimativa e no uso dos resultados do teste. Atualmente esto sendo desenvolvidos modelos microestruturais e trmicos que podem determinar a tenso de escoamento, temperaturas, tamanho de gro, etc. O que ir contribuir em muito na reduo de custos, na melhoria da qualidade do produtoInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 14

e no aumento da produtividade [77,78,79,80]. Conformabilidade a capacidade do material ser deformado sem apresentar ruptura; isto depende: a) das condies existentes durante o processo de deformao (tais como temperatura, taxa de deformao e a histria anterior de tenso e deformao) e b) das variveis do material (como a composio qumica, vazios internos, incluses e microestrutura inicial). No processo de conformao a quente, gradientes de temperatura no material em deformao (por exemplo, devido a resfriamentos locais) tambm influenciam o fluxo metlico e os fenmenos de ruptura. 1.7 - EQUIPAMENTO E FERRAMENTAL A seleo de uma mquina para um dado processo influenciada pelo tempo, preciso e pelas caractersticas de carga-energia da mesma. A seleo do equipamento timo requer consideraes do sistema completo de conformao, incluindo tamanho do lote, condies na fbrica, efeitos ambientais e necessidades de manuteno, assim como as necessidades de cada componente especfico e do processo sob estudo. As variveis de ferramental incluem: a) projeto e geometria, b) acabamento superficial, c) rigidez e d) propriedades mecnicas e trmicas sob as condies de utilizao


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Tabela 1.1 - Variveis mais significativas num processo de deformao [73]. _____________________________________________________________________ MATERIAL DO TARUGO *Tenso de escoamento como funo da deformao, taxa de deformao, temperatura e microestrutura (equaes constitutivas) *Conformabilidade como funo da deformao, da taxa de deformao, temperatura e microestrutura (curvas limites de conformao) *Condies superficiais *Propriedades termo-fsicas *Condies iniciais (composio qumica, temperatura, estados anteriores da microestrutura). *Efeitos de mudanas em microestrutura e composio qumica na tenso de escoamento e conformabilidade. FERRAMENTAL *Geometria das ferramentas *Condies superficiais *Material/dureza/tratamento trmico *Temperatura *Rigidez e preciso CONDIES NA INTERFACE FERRAMENTA-PEA *Tipo de lubrificante e temperatura de trabalho *Isolao e caractersticas de resfriamento na camada de interface *Lubrificao e tenso de cisalhamento ao atrito, *Caractersticas relacionadas aplicao e remoo do lubrificante. ZONA DE DEFORMAO *Mecanismo de deformao, modelo usado para anlise *Fluxo de metal, velocidade, taxa de deformao, deformao (cinemtica). *Tenses (variao durante a deformao) *Temperaturas (gerao e transferncia de calor) EQUIPAMENTO USADO *Velocidade/razo de produo *Fora/capacidade de converso de energia *Rigidez e preciso PRODUTO *Geometria *Preciso dimensional/tolerncias *Acabamento superficial *Microestrutura, propriedades mecnicas e metaIrgicas AMBIENTE *Capacidade da mo-de-obra disponvel *Poluio do ar e sonora e resduos lquidos *Controle da produo e equipamentos disponveis na fbrica __________________________________________________________________


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1.8

-

CLASSIFICAO

E

BREVE

DESCRIO

DOS

PROCESSOS

DE

CONFORMAO Os processos de conformao podem ser classificados em duas grandes categorias [73]: 1. Processos de conformao macia (Tabela 1.2). 2. Processos de conformao de chapas (Tabela 1.3).Tabela 1.2 - Classificao dos processos de conformao macia [73]. Forjamento Laminao Extruso Forjamento em matriz Laminao de chapas Extruso sem lubrificao fechada com rebarba Laminao de perfis Extruso a quente Forjamento em matriz Laminao de tubos direta com lubrificao fechada sem rebarba Laminao de anis Extruso hidrosttica Laminao rotativa Cunhagem por penetrao Eletro-recalque Laminao de Forjamento por engrenagens extruso direta Forjamento por retro- Laminao/forjamento Laminao transversal extruso Laminao superficial Endentao Forjamento isotrmico Repuxo por torneamento Forjamento de ogiva Forjamento em matriz Reduo de tubos (Rocking) aberta (forjamento livre) Forjamento orbital Forjamento de sinterizado Forjamento radial Recalque Trefilao Trefilao com rolos Calibrao de parede (Ironing) Estiramento de tubos

Tabela 1.3 - Classificao dos processos de conformao para chapas [73]. Dobramento e flangeamento reto Conformao de recessos rasos Escareamento por prensagem Conformao Dobramento em martelo Conformao eletromagntica Calandragem Conformao por exploso Entalhamento Conformao de perfilados (joggling) Conformao de perfis por estiramento Repuxo profundo e flangeamento Conformao de perfis com rolos Rolagem por torneamento Conformao de chapas Embutimento profundo Conformao por estiramento Nervuramento Processo marform (androforming) Conformao por Conformao com sapatas de borracha envelhecimento Conformao por Hidroconformao com diafragma de borracha alongamento (creeping) Conformao e tmpera em matriz Conformao por abaulamento Conformao a vcuo

Em ambos os casos, as superfcies do material deformado e das ferramentas esto emInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 17

contato e o atrito entre elas tem grande influncia no processo. No forjamento macio, o material inicial um tarugo, barra ou vergalho e um aumento considervel na taxa superfcie-volume ocorre no componente conformado. Na conformao de chapas, um blank de chapa (platina) plasticamente transformado em um objeto tridimensional sem qualquer mudana significativa na espessura da chapa original ou nas caractersticas superficiais. Processos que se enquadram na categoria de conformao macia tm as seguintes formas distintas: *O componente passa por uma grande deformao plstica, resultando numa aprecivel mudana de forma e seo transversal. *A poro do componente que sofre deformao plstica , geralmente, muito maior do que aquela que sofre deformao elstica, portanto o retorno elstico insignificante (conformao a quente). Exemplos de processos de conformao macia so extruso, forjamento, laminao e trefilao. As caractersticas dos processos de conformao de chapas so: *O componente uma chapa ou fabricado a partir de uma chapa. *A deformao normalmente causa mudanas significativas na forma, mas no na seo transversal da chapa. *Em alguns casos, a magnitude da deformao plstica permanente comparvel deformao elstica, portanto, o efeito mola ou retorno elstico pode ser significativo. Exemplos de processos que se enquadram nesta categoria so o dobramento convencional com dois apoios somente ou com estampos macho-fmea, repuxo profundo, conformao por estiramento e com puno flexvel. Alguns processos podem ser enquadrados em ambas as categorias (conformao macia ou de chapas), dependendo da configurao do produto.Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 18

Por exemplo, na reduo da espessura da parede de um tubo, partindo-se de um tubo de parede grossa, o processo de trefilao poderia ser considerado como de conformao macia. Por outro lado, se o blank inicial fosse uma lata fabricada com chapa fina, a trefilao seria considerada como conformao de chapas.

1.9 REVISO DE ESTRUTURA CRISTALINA 1.9.1- CRISTALINIDADE. Uma molcula tem uma regularidade estrutural, porque as ligaes covalentes determinam um nmero especfico de vizinhos para cada tomo e a orientao no espao dos mesmos. Portanto, uma repetio deve existir ao longo de um polmero linear. A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos atmicos, que tambm so repeties, nas trs dimenses, de uma unidade bsica. Tais estruturas so denominadas cristais [75]. A repetio tridimensional nos cristais devida coordenao atmica no interior do material; adicionalmente, esta repetio, algumas vezes, controla a forma externa do cristal. A simetria hexagonal dos flocos de neve , provavelmente, o exemplo mais familiar deste fato. As superfcies planas dos cristais de pedras preciosas e quartzo (SiO2) so todas manifestaes externas dos arranjos cristalinos internos. Em todos os casos, o arranjo atmico interno persiste mesmo que as superfcies externas sejam alteradas. Por exemplo, a estrutura interna de um cristal de quartzo no alterada, quando as suas superfcies so desgastadas para formar gros de areia. Analogamente, h um arranjo hexagonal das molculas de gua, quer nos cubos de gelo, quer nos flocos de neve.


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Fig. 1.1. Estrutura cristalina. A cristalizao do sal comum na forma de cubos decorre da estrutura cristalina cbica do NaCI. O MgO tem a mesma estrutura [75].

1.9.2 - SISTEMAS CRISTALINOS. Qualquer empacotamento atmico dever se encaixar em um dos sete principais tipos de cristais. Estes esto intimamente associados com o modo pelo qual o espao pode ser dividido em volumes iguais, pela interseo de superfcies planas. O mais simples e mais regular deles envolve trs conjuntos. Mutuamente perpendiculares, de planos paralelos, igualmente espaados entre si, de forma a dar uma srie de cubos. Podemos, tambm, descrever esta diviso da maneira mostrada na Fig. 1.2, atravs de espaamentos iguais em um sistema de eixos ortogonais. Outros mtodos de diviso do espao incluem as combinaes mostradas na Tabela 1.4.

Fig. 1.2. Clulas cbicas. O espao est dividido por trs conjuntos de planos paralelos, igualmente espaados. Os eixos de referncia x, y e z so mutuamente perpendiculares. Cada ponto de interseo equivalente [75].


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Esses sete sistemas incluem todas as possveis geometrias de diviso do espao por superfcies planas contnuas. A maior parte dos cristais geralmente de sistema cbico. Entre os exemplos, inclui-se a maior parte dos metais comuns (com exceo do magnsio e do zinco, que so hexagonais) e alguns dos mais simples compostos cermicos tais como MgO e TiC. Tabela 1.4. Geometria dos Sistemas Cristalinos [75].

1.9.3 - CRISTAIS CBICOS. Os tomos podem ser agrupados, dentro do sistema cbico, em trs diferentes tipos de repetio: cbico simples (cs), cbico de corpo centrado (ccc) e cbico de faces centradas (cfc). Cada tipo ser considerado separadamente, preocupando-se apenas com os metais puros que tm apenas uma espcie de tomo. Estruturas mais complexas, que contm dois tipos de tomos, sero analisadas nos captulos que se seguem: Cbico simples. Esta estrutura, que est mostrada na Fig. 1.3, hipottica para metais puros, mas nos fornece um excelente ponto de partida. Alm das trs dimenses axiais, a, serem iguais e os trs eixos mutuamente perpendiculares, h posies equivalentes em cada clula. Por exemplo, o centro de uma clula tem vizinhanas idnticas ao centro da clula seguinte e ao de todas as clulas unitrias do cristal. Analogamente, os cantos direitos inferiores (ou qualquer outra posio especfica) de todas as clulas unitrias so idnticos. Descrever uma clula unitria descrever o cristal todo.


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A estrutura, mostrada na Fig. 1.3, contm um tomo metlico por clula unitria. (Apenas um oitavo de cada um dos tomos mostrados, cai dentro da clula). Esta a razo pela quais os metais no se cristalizam na estrutura cbica simples. Considerando-se os tomos.

Fig. 1.3. Estrutura cbica simples. Os vrtices das clulas unitrias esto em posies equivalentes no cristal. a = a = a. Os eixos so perpendiculares entre si.

Fig. 1.4. Estrutura cbica de corpo centrado. (a) e (c) so representaes esquemticas, mostrando a localizao dos centros dos tomos. (b) Modlo de esferas rgidas (Bruce Rogers, 7he Nature of Meta/s. Cleveland: American Society for Metais, 1951) [75].

Estruturas cbicas de corpo centrado.Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 22

O ferro tem estrutura cbica. temperatura ambiente, a clula unitria do ferro tem um tomo em cada vrtice do cubo e um outro tomo no centro do cubo (Fig. 1.4a). Tal estrutura cbica conhecida como cbica de corpo centrado. Cada tomo de ferro, em uma estrutura cbica de corpo centrado (ccc), cercado por oito tomos de ferro adjacentes, quer o tomo esteja localizado em um vrtice, quer no centro da clula unitria. Portanto, todos os tomos de ferro so, geometricamente, equivalentes (Fig. 1.4c). H dois tomos por clula unitria em uma estrutura ccc. Um tomo est no centro do cubo e oito oitavos esto nos oito vrtices (Fig. 1.5).

Fig. 1.5. Clula unitria cbica de corpo centrado. Em um metal, a estrutura ccc tem dois tomos por clula e um fator de empacotamento atmico de 0,68.

Estrutura cbica de faces centradas. O arranjo atmico do cobre (Fig. 1.6) no o mesmo que o do ferro, embora tambm seja cbico. Alm de um tomo em cada vrtice da clula unitria, h um no centro de cada face e nenhum no centro do cubo. Tal reticulado denominado cbico de faces centradas. Estruturas cbicas de faces centradas (cfc) so mais comuns entre os metais que as estruturas cbicas de corpo centrado. Alumnio, cobre, chumbo, prata e nquel possuem esse arranjo atmico.


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Fig. 1.6. Estrutura cbica de faces centradas de um, metal. (a) e (c) so representaes esquemticas, mostrando a localizao dos centros dos tomos. (b) Modlo de esferas rgidas. (Bruce Rogers, The Nature of Meta/s. Cleve1and: American Society for Metais, 1951) [75].

1.9.4 - CRISTAIS HEXAGONAIS. As estruturas das figuras (1.7a e b) so duas representaes de clulas unitrias hexagonais simples. Estas clulas no tm nenhuma posio interna que seja equivalente aos vrtices. Embora o volume da clula da figura (1.7a) seja trs vezes o da clula da figura (1.7b), h trs vezes mais tomos (3 versus 1) na clula da figura (1.7a); portanto, o nmero de tomos por unidade de volume o mesmo. Os metais no cristalizam no hexagonal simples, em virtude do fator de empacotamento ser muito baixo.


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Fig. 1.7. Clulas unitrias hexagonais simples. (a) Representao hexagonal. (b) Representao rmbica. Ambas so equivalentes com a * c, um ngulo basal de 120 e ngulos verticais de 90 [75].

Estrutura hexagonal de empacotamento fechado ou compacta. A estrutura hexagonal, Especificamente formada pelo magnsio, est mostrada na Fig. 1.8. Essa estrutura, que mais densa que a representada na Fig. 1.7, denominada de hexagonal de empacotamento fechado ou hexagonal compacta (hc). caracterizada pelo fato de que cada tomo de uma dada camada est diretamente abaixo ou acima dos interstcios formados entre trs tomos das camadas adjacentes. Portanto, cada tomo tangencia trs tomos na camada acima do seu plano, seis tomos no seu prprio plano e trs tomos na camada abaixo do seu plano [75].

Fig. 1.8. Estrutura hexagonal compacta. (a) Vista esquemtica, mostrando a localizao dos centros dos tomos. (b) Modlo de esferas rgidas [75].


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1.9.5 - OUTROS RETCULOS CRISTALINOS. No daremos maiores atenes aos outros sistemas cristalinos (Tabela 1.4) e aos grupos espaciais (Fig. 1.9) das outras estruturas cristalinas, porque os princpios so os mesmos que os citados anteriormente.

Fig. 1.9. Grupos espaciais. Estes 14 reticulados de Bravais se repetem nas trs dimenses. Cada ponto indicado tem idnticas vizinhanas. Compare com a Tabela 1.4 [75].

1.9.6 - DIREES NO CRISTAL. Quando, em seguida, correlacionarmos vrias propriedades e estruturas cristalinas, ser necessrio identificar direes especficas no cristal. Isto pode ser conseguido, com relativa facilidade, se usarmos a clula unitria como base. Por exemplo, a Fig. 1.10 mostra trs direes em um reticulado ortorrmbico simples. A direo [111] aquela de uma reta que passa pela origem e por um ponto cuja coordenada em cada eixo o correspondente parmetro da clula. Analogamente, as direes [101] e [100] so retas passando pela origem e pelo ponto 1, 0, 1 e 1,0, 0, respectivamente.


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Fig.1.10. Direes no cristal. Usualmente, utilizam-se colchetes [h k I] para indicar as direes no cristal. Os parnteses (h k l) indicam planos cristalinos [75].

1.9.7- PLANOS CRISTALINOS. Um cristal contm planos de tomos e esses planos influenciam as propriedades e o comportamento do cristal. , portanto, vantajoso identificar os vrios planos atmicos que existem em um cristal. Os planos cristalinos mais facilmente visualizados so os que limitam a clula unitria; entretanto, existem muitos outros planos. Os planos mais importantes, nos cristais cbicos esto mostrados nas Figs. 1.11, 1.12, e 1.13.

Os planos nas Figs.1.11 a 1.13 so designados (010), (110) e ( 1 11), respectivamente. Estes smbolos (hkl) so denominados ndices de Miller [75].

Fig. 1.11. Planos (010) em estruturas cbicas. (a) Cbica simples. (b) ccc. (c) cfc. [Observe que os planos (020) includos para as estruturas ccc e cfc, so idnticos aos planos (010)].


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Fig. 1.12. Planos (110) em estruturas cbicas. (a) Cbica simples. (b) ccc. (c) cfc. [Os planos (220) includos para a estrutura cfc, so equivalentes aos planos (110)].

Fig. 1.13. Planos (111) em estruturas cbicas. (a) Cbica simples. (b) ccc. (c) cfc. Intersees negativas so indicadas com barras sobre o ndice. [Os planos (222) includos para a estrutura ccc, so equivalentes aos planos ( 1 11)].

Em resumo, os planos (010) so paralelos aos eixos cristalogrficos x e z. Os planos (110) so paralelos ao eixo z, mas cortam os eixos x e y em distncias, contadas a partir da origem, iguais aos parmetros correspondentes. Os planos (-111) cortam os trs eixos cristalogrficos. Os nmeros usados acima so os inversos das distncias das intersees do plano com os eixos origem, medidas usando-se como unidade o parmetro correspondente ao eixo. O plano (010) corta o eixo y em 1 e os eixos x e z e no infinito.


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1 1 1 , , = (010) 1 Para o plano (110):

1 1 1 , , = (110) 1 1

Para o plano ( 1 11):

1 1 1 , , = 1 10 1 1 1

Como a origem escolhida arbitrariamente, isto , poderia ser tanto o ponto O' como o ponto O da Fig. 1.11a, o plano com ndices (010) igualmente arbitrrio. Assim sendo, (010) um smbolo para todos os planos atmicos que so paralelos ao plano que satisfaz a definio dada no pargrafo anterior. Esta generalizao dos ndices completamente lgica, ainda mais que todos estes planos paralelos

so

geometricamente semelhantes. Os ndices de Miller podem tambm ser negativos, e o sinal negativo colocado sbre o dgito correspondente, por exemplo, ( 1 1 1 ).

1.9.8- IMPERFEIOES CRISTALINAS 1.9.8.1 - INTRODUO. Imperfeies do reticulado so encontradas na maior parte dos cristais. Nos casos em que esto envolvidos individualmente tomos deslocados, tomos extras ou falta de tomos, temos os defeitos pontuais. Os defeitos de linha envolvem a aresta de um plano extra de tomos. Finalmente, temos as imperfeies de fronteira, quer entre cristais adjacentes, quer nas superfcies externas do cristal. Tais imperfeies influenciam muitas das caractersticas dos materiais, tais como resistncia mecnica, propriedades eltricas, propriedades qumicas e sero discutidas nos captulos subseqentes.


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Fig. 1.14. Defeitos pontuais. (a) Vazios. (b) Vazio duplo (faltam dois tomos). (c) Defeitos de Schottky (vazios de um par de ons). (d) Defeitos intersticiais (e) Defeito de Frenkel(deslocamento de um on) [75].

1.9.8.2 - DEFEITOS PONTUAIS. Vazios. O mais simples defeito pontual um vazio, o qual simplesmente envolve a falta de um tomo (Fig.1.14) dentro de um metal. Tais defeitos podem resultar de um empacotamento imperfeito durante a cristalizao original ou podem se originar das vibraes trmicas dos tomos em temperatura elevada, pois, conforme a energia trmica se eleva, aumenta tambm a probabilidade dos tomos individuais se afastarem de suas posies de menor energia. Os vazios podem ser simples como aquele mostrado na Fig.1.14a ou dois ou mais deles podem se condensar para formar um vazio duplo (Fig.1.14b) ou triplo. Defeitos de Schottky Esto intimamente relacionados com vazios, mas so encontrados em compostos que devem manter um balano de carga (Fig. 1.14c). Envolvem vazios de par de ons de cargas opostas. Tanto os vazios como os defeitos de Schottky facilitam a difuso atmica.


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Defeitos intersticiais. Um tomo extra pode se alojar em uma estrutura cristalina.Tal imperfeio produz uma distoro no reticulado (Fig.1.14d), salvo se o tomo intersticial for menor que os tomos restantes do cristal. Defeitos de Frenkel Quando um on deslocado de sua posio no reticulado para um interstcio (Fig.1.14e), temos o defeito de Frenkel.

1.9.8.3 - DEFEITOS DE LINHA (DISCORDNCIAS) Discordncia em cunha O tipo mais comum de defeito de linha, no interior de um cristal, uma discordncia. Uma discordncia em cunha est mostrada na Fig. 1.15. Pode ser descrita como a aresta de um plano atmico extra na estrutura cristalina. Zonas de compresso e de trao acompanham uma discordncia em cunha, de forma que h um aumento de energia ao longo da discordncia. A distncia de deslocamento dos tomos ao redor da discordncia denominada vetor de Burgers. Esse vetor perpendicular linha da discordncia em cunha.

Fig. 1.15. Discordncia em cunha. Um defeito em linha ocorre na aresta de um plano atmico extra. (Guy, A. G., Elements of Physical Metallurgy, Reading Mass.: Addinson Wesley, 1959, pag. 110) [75].

Discordncia helicoidal Uma discordncia helicoidal tem seu deslocamento, ou vetor de Burgers, paralelo ao defeito de linha (Fig. 1.16). Tenses de cisalhamento esto associadas aos tomosInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 31

adjacentes; assim sendo, analogamente s discordncias em cunha, tambm nesse caso, temos um aumento de energia. Ambos os tipos de discordncias esto intimamente associados cristalizao. As discordncias em cunha, por exemplo, so originadas quando h uma pequena diferena na orientao de partes adjacentes do cristal em crescimento, de forma que um plano atmico extra introduzido ou eliminado. Como est mostrado na Fig. 1.16, uma discordncia helicoidal permite um fcil crescimento do cristal, uma vez que os tomos e clulas unitrias adicionais podem ser adicionados ao "passo" da hlice. Assim sendo, o termo helicoidal muito adequado, j que, conforme o crescimento se processa, uma hlice se "enrola" em torno do eixo. Da mesma forma que na cristalizao, as discordncias esto associadas tambm com deformao. Vemos isso na Fig. 1.17, onde uma tenso de cisalhamento origina tanto uma discordncia em cunha como uma helicoidal. Ambas levam ao mesmo deslocamento final e esto relacionadas atravs da discordncia mista que se forma.


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Fig. 1.16. Discordncia helicoidal. O vetor de deslocamento (vetor de Burgers) paralelo ao defeito de linha [75]

Fig. 1.17 - Formao de discordncia por cisalhamento. (a) Discordncia em cunha. (b) Discordncia helicoidal. (c) Discordncia mista [75].

1.9.8.4 - Contornos de Gro.Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 33

Embora um material, como o cobre de um condutor eltrico, contenha apenas uma fase, ele contm muitos cristais de vrias orientaes. Esses cristais individuais so denominados gros. A forma do gro em um slido usualmente controlada pela presena dos gros circunvizinhos. No interior de cada gro, todos os tomos esto arranjados segundo um nico modelo e uma nica orientao, caracterizada pela cdula unitria. Entretanto, no contorno do gro entre dois gros adjacentes h uma zona de transio, a qual no est alinhada com nenhum dos gros (Fig. 1.18). Quando um metal observado ao microscpio, embora no possamos ver os tomos individuais ilustrados na Fig. 1.18, podemos facilmente localizar os contornos dos gros, se o metal foi atacado. Primeiramente, o metal cuidadosamente polido, de forma a se obter uma superfcie plana e espelhada e, ento, quimicamente atacado por um curto perodo de tempo.

Fig. 1.18 - Contornos de gro. Observe a rea de desordem na transio de um gro para outro. (Clyde Mason, Introductory Physical Metal/urgy. Cleveland: American Society for MetaIs, 1947) [75].


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Fig. 1.19 - Contornos de gro. (a) Molibdnio (250 x) (O. K. Riegger). (b) Periclsio, MgO, de alta densidade (250 x) (Gardner, R. E. e G. W. Robinson, Jr., "Improved Method for Polishing Ultra-High Density MgO" J. Am. Ceram. Soe. 45, 46 (1962) [75].

Os tomos, na rea de transio entre um gro e o seguinte, se dissolvero mais facilmente que os outros tomos e deixaro uma linha que pode ser vista com o microscpio (Fig. 1.19); o contorno de gro atacado no atua como um espelho perfeito como acontece com o restante do gro. Podemos considerar o contorno de gro como sendo bidimensional embora, na verdade, tenha uma espessura finita de 2 a 10 ou mais distncias atmicas. A diferena na orientao dos gros adjacentes produz um empacotamento dos tomos menos eficientes ao longo do contorno. Dessa forma, os tomos ao longo do contorno tm uma energia mais elevada que aqueles do interior dos gros. Isto justifica o ataque mais rpido dos contornos, descrito acima. A maior energia dos tomos do contorno tambm importante na nucleao da nova fase e o menor empacotamento atmico favorece a difuso atmica. H ainda um segundo tipo de contorno, o qual suficientemente distinto daqueles mostrados na Fig. 1.19, para merecer uma discusso separada. o denominado contorno de pequeno ngulo e , na realidade, uma srie de discordncias alinhadas (Fig. 1.20). A energia associada a este tipo de contorno relativamente pequena;


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entretanto, ele tem importncia, porque tende a ancorar os movimentos das discordncias que normalmente contribuem para a deformao plstica.

Fig. 1.20 - Contorno de pequeno angulo(a) cristal de germnio atacado para mostrar as extremidades das discordncias em cunha(100x). (b) Representao esquemtica, mostrando apenas as clulas unitrias. O angulo foi exagerado. (Cortesia de F. L. Vogel Jr.) [75].

1.9.9 - DEFORMAO PLSTICA Quando so submetidos ao de foras exteriores, os metais sofrem deformaes, que podem ser elsticas ou plsticas de acordo com a magnitude das foras aplicadas. Os mecanismos mediante os quais se deformam os metais so basicamente os seguintes: 1. Deformao por deslizamento 2. Deformao por maclao 3. Bandas de deformao e bandas de dobramento.


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Dos trs mecanismos, o mais importante o deslizamento, sendo muito pouco freqente as bandas de deformao e de dobramento, motivo pelo qual no sero analisadas. A maclao, por sua parte, se bem que produz pouca deformao em si, permite o prosseguimento do deslizamento, com se ver na anlise a seguir.

1.9.9.1 - DEFORMAO POR DESLIZAMENTO A deformao plstica ocorre normalmente nos metais atravs do deslizamento de blocos do cristal, uns sobre os outros, ao longo dos planos cristalogrficos bem definidos que so chamados planos de deslizamento. Numa aproximao grosseira, o deslizamento, ou escorregamento, de um cristal pode ser considerado anlogo distoro produzida quando se espalha um baralho sobre a mesa, empurrando uma de suas extremidades. A figura (1.21) ilustra esta visualizao clssica do deslizamento.

Figura 1.21 - (a) orientao dos cristais antes da aplicao da deformao; (b) orientao aps a aplicao da deformao sem qualquer restrio para o deslizamento; (c) orientao aps a aplicao da deformao com a presena de restries para o deslizamento (garras do equipamento de ensaio de trao)

1.9.9.2 TENSO CRTICA DE CISALHAMENTO Existe uma tenso crtica a partir da qual um metal comea a se deformar


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plasticamente a uma velocidade aprecivel. Abaixo desta tenso o material se encontra na zona elstica e somente pode-se deformar a velocidade de deformao muito baixa e com grandes tempos. O deslizamento produzido por tenses tangenciais atuando nos planos de deslizamento. Tem-se provado experimentalmente que necessrio que a tenso de corte no plano e na direo de deslizamento alcance um certo valor crtico, para que o cristal comece a deformar-se plasticamente. A tenso mnima sob a qual se produz deformao plstica no sistema de deslizamento dado, se denomina tenso crtica de cisalhamento. A determinao da tenso crtica de cisalhamento para um sistema de deslizamento, efetua-se em funo da fora externa aplicada sobre o cristal e da orientao do sistema de deslizamento em relao a aquele de aplicao da fora externa. Para simplicidade de anlise considera-se o que ocorre num monocristal cilndrico sujeito a um esforo de trao segundo seu eixo (figura 1.22). 1. Na superfcie transversal (S) do cilindro atua a fora de trao (P) na direo do eixo do cilindro (E). 2. O plano de escorregamento de superfcie (S') est inclinado de um determinado ngulo (); este ngulo corresponde inclinao da normal do plano de escorregamento (B) em relao ao eixo do cilindro (E). 3. A relao entre as superfcies (S) e (S') fica ento estabelecida: S' = S/cos() 4. A fora de trao (P) pode ser decomposta em uma fora normal (Pn) ao plano de escorregamento na direo da normal (B) e uma fora tangencial (Pt) na direo da reta (C), que a linha de maior inclinao no plano de escorregamento.


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Figura 1.22 - Anlise de esforos em um monocristal cilndrico.

5. As expresses da fora (P) decomposta ficam: Pn = Pcos() Pt = Psen()

6. A fora decomposta (Pt) a fora de cisalhamento que atua no plano de escorregamento; a tenso de cisalhamento calculada pela relao:

' = Pt

= sen( ). cos( ) S' S

P

e como = P S a tenso de trao, tem-se:

' = sen( ). cos( )7. Contudo, apenas eventualmente a direo cristalogrfica de escorregamento (D) coincide com a direo de linha de maior inclinao (C); em geral elas formam um ngulo (), no plano de escorregamento. 8. Assim, para calcular a tenso de cisalhamento atuante no plano de escorregamento e na direo de escorregamento necessrio nova decomposio de fora nessaInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 39

direo (D).

= ' cos( )

ou

= . sen( ). cos( ). cos( )Analisando ento a expresso que permite calcular a tenso crtica de cisalhamento, decomposta e atuante no plano e direo de escorregamento, pode-se notar que: a. O valor mximo da tenso de cisalhamento em funo do ngulo e de inclinao do plano de escorregamento em relao ao eixo de trao ocorre quando = 45O. b. Para ngulos e maiores e menores do que 45O as tenses so menores, e no caso do ngulo aproximar-se de 90O a tendncia da fora de trao provocar mais a separao dos tomos entre si do que o deslizamento do tomo, uns em relao aos outros. O critrio de escorregamento estabelecido por essa expresso, que se constitui numa lei de definio do fenmeno, sofre alteraes para alguns metais com o surgimento de escorregamentos transversais de escorregamento principais e retomo posterior s direes originais ou escorregamentos conjugados.


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2 - FORJAMENTO O forjamento , com absoluta certeza, o mais antigo dos processos detransformao mecnica de metais, com registros datando de cerca de 7.000 anosatrs. H evidncias de que o forjamento foi usado no Egito antigo, Grcia, Prsia,ndia, China e Japo para a fabricao de armas, jias e uma variedade deutenslios. Naquela poca, os artesos que dominavam as tcnicas do forjamentoeram tratados com muito respeito e considerao. Por volta de 1600 A.C., na ilha de Creta antiga, placas de pedra gravadas eram usadas como matrizes paragravao em ouro e prata. Isto evoluiu para a fabricao de moedas, medianteum processo semelhante, cujos registros datam de cerca de 800 A.C. Matrizes mais complexas foram usadas em Roma, por volta de 200 A.C. A evoluo do forjamento permaneceu estagnada durante muitos sculos, at o surgimento domartelamento com guia, no final do sculo VIII D.C. Este desenvolvimento permitiu o ingresso definitivo do forjamento na indstria, como processo de fabricao. Atualmente, o forjamento um importante processo industrial, largamente utilizado na fabricao de componentes de elevada resistncia para aindstria automotiva, aeroespacial e outras aplicaes. Tais componentes incluem eixos de manivela para motores (virabrequins), bielas, engrenagens, componentesestruturais para aeronaves e peas para turbinas de motores a jato. Alm disso,lingotes de ao e outras ligas metlicas so submetidos a operaes primrias de forjamento, produzindo formas bsicas que so subseqentemente usinadas.

2.1 - DEFINIO Forjamento um processo de conformao no qual modificam-se a geometria, as dimenses e as propriedades mecnicas de um corpo metlico pela ao de tenses compressivas diretas. A ao das matrizes se d mediante a aplicao de golpes rpidos e repetidos (martelos de queda livre ou acionados) ou pela aplicao lenta de intenso esforo compressivo (prensas hidrulicas, excntricas e de parafuso).


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2.2- CLASSIFICAO 2.2.1- . TEMPERATURA DE TRABALHO a) FORJAMENTO A QUENTE mais comum formas simples (matriz aberta) formas complexas (matrizes fechadas) recuperao e recristalizao oxidao e contrao trmica: sobremetais

b) FORJAMENTO A FRIO para peas de geometrias mais simples encruamento tolerncias mais estreitas


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Figura 2.1 Forjamento a quente de peas simples

Figura 2.2 Forjamento a quente de peas complexas (matriz fechada)


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2.3 - GRAU DE RESTRIO AO FLUXO DE METAL 2.3.1 - FORJAMENTO LIVRE (MATRIZ ABERTA) formas simples e regulares (anis, eixos, etc.) peas de grandes dimenses baixa produtividade normalmente realizado com martelos, embora operaes de desbaste de lingotes devam ser feitas em prensas hidrulicas

Figura 2.3 Forjamento livre em matriz aberta

2.3.2 - FORJAMENTO EM MATRIZES FECHADAS para peas de geometrias complexas alta produtividade maior homogeneidade estrutural melhor qualidade dimensional normalmente realizado em prensas mecnicas, embora algumas peas, mais simples, possam ser forjadas em martelos. VARIAO: Forjamento em Matriz Fechada sem Rebarba controle rigoroso do volume de metal a ser forjado


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Figura 2.4 Forjamento em matriz fechada

2.3.3 - FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZ ABERTA As matrizes de forjamento livre so, na maioria das aplicaes, planas ou com ligeiros contornos superficiais que auxiliam a amoldar a pea. Alm disso, a pea deve ser manipulada freqentemente (girando-a periodicamente e/ou movendo-a para frente e para trs) para se atingir a mudana de forma desejada. A habilidade do operador um fator importante para o xito nestas operaes. Um exemplo de forjamento em matriz aberta a transformao de grandes lingotes fundidos de ao com seo quadrada ou hexagonal em barras de seo transversal circular. Operaes de forjamento em matriz aberta produzem formas grosseiras e so necessrias operaes subseqentes de beneficia-mento das peas para obteno da geometria e dimenses finais. Uma importante contribuio do forjamento livre a quente a obteno de uma estrutura metalrgica favorvel no metal, devida no s aos fenmenos de recuperao e recristalizao, mas, tambm diminuio da porosidade interna nas peas forjadas.


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OPERAES TPICAS: desbaste utilizando matrizes com superfcies convexas, cncavas e planas, este ltimo caso conhecido como estiramento. corte e fendilhamento, como operao intermediria. recalque de cilindros, para a produo de discos e rodas forjamento de anis, empregando combinaes de matrizes

Figura 2.5 Forjamento livre em matriz aberta


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ANLISE DO FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA DEFORMAO DO METAL NO ESTIRAMENTO POR FORJAMENTO

Figura 2.6 Anlise da deformao no estiramento por forjamento

2.3.4 - FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZES FECHADAS Processos bsicos: recalque, espalhamento e ascenso

Seqncia de processamento corte, aquecimento limpeza, etapas de forjamento rebarbao tratamento trmico acabamento superficial


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Etapas de forjamento: esboadora, formadora, calibradora Comparao do forjamento a quente convencional com o de preciso controle da temperatura do aquecimento controle do corte e das dimenses do tarugo preciso dimensional e geomtrica de matrizes e insertos

Figura 2.7 Seqncia de forjamento de um processo bsico

Rebarbao: A rebarba a regio do forjado que sofre deformao mais intensa A formao de rebarba visa: garantir preenchimento correto das matrizes


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escoar excesso de material do tarugo acomodar defeitos de forjamento

Figura 2.8Oerao de rebarbao

Figura 2.9 Etapas do forjamento


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Figura 2.10 Etapas do forjamento de um virabrequim

Figura 2.11 Esquema e foto de um forjamento de cilindros

2.3.5 - FORJAMENTO A FRIO Processos bsicos: recalque e extruso


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Seqncia de processamento corte lubrificao etapas de forjamento recozimentos intermedirios

FORJAMENTO DE PRECISO a quente, a frio, morno ou isotrmico menores sobremetais, sem rebarbas, sem ngulos de extrao e raios de arredondamento menores

Figura 2.12 Peas forjadas a frio

2.3.6 - EQUIPAMENTOS PARA FORJAMENTO Podem ser classificados com respeito ao princpio de operao em:Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 51

Martelos Prensas de forjamento recalcadoras Essas mquinas so energeticamente limitadas.

TIPOS DE MARTELOS DE FORJAMENTO: Martelos de queda livre Martelo de dupla ao Martelo de contra golpe Normalmente uma pea forjada com vrias pancadas repetidas 60 a 150 pancadas por minuto

MARTELO EM QUEDA LIVRE Este equipamento consiste de uma base que suporta colunas, nas quais so inseridas as guias do suporte da ferramenta, e um sistema para a elevao da massa cadente at a altura desejada.

SISTEMAS DE ELEVAO: Presso exercida por ar comprimido; Cintas de couro; Correntes metlicas; Tbua de madeira especial;


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Cilndrico hidrulico. MARTELO DE DUPLA AO Neste equipamento, a massa cadente conectada a um pisto contido em cilindro no topo do martelo.

Figura 2.13 Martelo de queda livre

Figura 2.14 Martelo de dupla ao

MARTELO DE CONTRAGOLPE Vantagens em relao aos outros tipos de martelos: maior rendimento; maior velocidade de acionamento.


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Figura 2.15 Martelo de contra golpe

Desvantagens: Maior desalinhamento entre as partes superior ou inferior da matriz; Necessidade da fora de forjamento estar localizada no meio da matriz para evitar grandes atritos entre massas e as guias; Impossibilidade de manipulao da pea durante o movimento; Maiores despesas de manuteno. Capacidade 500 15.000 kgm

TIPOS DE PRENSAS USADAS EM FORJAMENTO: Prensas hidrulicas Prensas mecnicas (excntricas e de frico) prensas recalcadoras.


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Tipos de prensas para forjamento: Prensas hidrulicas verticais com cilndrico na sua parte superior. Este equipamento de fora restrita. Prensas mecnicas excntricas. Conhecida como de curso limitado. Prensas de frico possuem dois pratos de frico unidos axialmente a uma rvore. O sentido de rotao da rvore pode ser invertido de modo que a rosca sem-fim possa subir e descer.

Figura 2.16 Mquinas forjadoras do tipo prensas horizontais (recalcadoras)


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3 - EXTRUSO A extruso, como um processo industrial, foi criada por volta de 1800, na Inglaterra, durante a Revoluo Industrial, quando aquele pas era o principal inovador tecnolgico do mundo. A inveno, pioneira, era uma prensa hidrulica para extruso de tubos de chumbo. Uma importante revoluo no processo ocorreu na Alemanha, por volta de 1890, quando a primeira prensa de extruso horizontal foi construda para extrudar metais com ponto de fuso mais alto do que o do chumbo. A caracterstica que possibilitou essa inovao foi o uso de um disco na ponta do mbolo de extruso (dummy block, ou falso pisto), que o separava do tarugo, resguardando-o do calor excessivo. Comumente, entre esse falso pisto e o metal a ser extrudado, se interpe um pedao de material suplementar (geralmente grafite) para forar a passagem de todo o material atravs da matriz e evitar resduo de metal no extrudado.

Figura 3.1 Extruso a quente de peas simples

A extruso , ento, um processo de compresso indireta, que pode ser realizado a quente ou a frio, no qual um metal forado a fluir atravs de uma matriz aberta, de modo a produzir barras, tubos ou os mais variados perfis, ou seja, produtos com seo transversal idntica em todo o seu comprimento.


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3.1 - GENERALIDADES Embora existam vrias maneiras de realizar o processo, ele pode ser comparado ao efeito de se apertar um tubo de creme dental. O esforo de compresso exercido por meio de um mbolo que empurra o metal contra uma matriz que possui um orifcio com a forma do perfil que se deseja fabricar. A tenso aplicada, portanto, tem que superar em muito a tenso de escoamento do metal, para permitir um fluxo regular e contnuo de produto atravs da matriz. O comprimento do produto extrudado limitado, no entanto, pela diferena entre os volumes do tarugo e do refugo que sobra no container. Geralmente so extrudadas ligas noferrosas (Al, Mg, Cu), por causa das baixas resistncias ao escoamento e das baixas temperaturas de extruso, embora tambm possam ser extrudados alguns aos comuns e inoxidveis. Deve-se ter cuidado com estes materiais de maior resistncia e pontos de fuso mais elevados, porque eles podem se soldar parede do container, inconveniente que somente pode ser evitado com a preveno do contato direto metal-metal. Novos tipos de lubrificantes, ativos em temperaturas e presses elevadas, tm permitido extrudar tais materiais.

3.2 - CLASSIFICAO 3.2.1 QUANTO A TEMPERATURA DE TRABALHO A) EXTRUSO A QUENTE grandes redues de seo numa s etapa engloba a maioria dos processos para obter produtos longos semi-acabados (barras) e acabados (perfis e tubos) B) EXTRUSO A FRIO pequenas redues de seo em vrios estgios obteno de peas de preciso


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A

B

Figura 3.2 Perfis do alumnio (A) e cobre e suas ligas (B) obtidos por Extruso a quente

Figura 3.3 Perfis do cobre e suas ligas (B) obtidas por Extruso a quente


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Figura 3.4 Exemplos de peas obtidas por extruso a frio

3.2.2 QUANTO AS DIMENSES DO PRODUTO A) PROCESSO SEMI-CONTNUO produtos longos, cujo comprimento limitado pelo volume do tarugo que cabe no container. em quase todos os casos, o longo perfil extrudado cortado em pequenos comprimentos

B) PROCESSO DISCRETO uma pea simples produzida em cada ciclo de extruso (a extruso por impacto um exemplo de processo discreto)


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Figura 3.5 Extruso de processos semi-contnuos (produtos longo)

Figura 3.6 Fotos de extruso de processos semi-contnuos (produtos longo)

3.2.3 QUANTO AO SENTIDO DE DESLOCAMENTO DO PISTO A) EXTRUSO DIRETA Um tarugo colocado no interior de um recipiente de extruso e um pisto comprime esse material, forando-o a fluir atravs de uma ou mais aberturas em uma matriz situada na extremidade oposta do recipiente. Um problema na extruso direta o significativo atrito existente entre a superfcie do tarugo e as paredes do recipiente quando o material forado a deslizar em direo abertura da matriz. Na extruso direta, esse atrito causa um substancial aumento na fora de extruso. Na extruso a quente, o problema do atrito Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 60

agravado pela presena de uma camada de xidos na superfcie do tarugo, a qual pode, tambm, causar defeitos no produto extrudado.

Figura 3.7 Extruso direta

B) EXTRUSO INVERSA Caso 1: A matriz, ao invs de ser fixada na extremidade do recipiente, montada num pisto oco (ou constitudo por hastes). Quando o pisto avana no interior do recipiente, o metal forado a fluir atravs do orifcio da matriz, em sentido oposto ao movimento do pisto. No h atrito entre o tarugo e a parede interna do recipiente e, ento, a fora de extruso menor que na extruso direta. Caso 2: Usada tambm na produo de sees tubulares, a extruso inversa, neste caso, emprega um pisto com dimetro menor que o do recipiente, de modo que o metal flui ao redor da matriz, gerando um produto em forma de copo.

Figura 3.8 Extruso Inversa (caso 1)


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Figura 3.9 Extruso Inversa (caso 2)

3.2.4 - OUTROS PROCESSOS DE EXTRUSO A) EXTRUSO POR IMPACTO Realizado em alta velocidade e em passes curtos, este processo utilizado para fabricao de componentes individuais. Como o nome sugere, o puno se choca contra o metal, ao invs de simplesmente pression-lo. O impacto pode promover uma extruso direta, uma extruso inversa, ou uma combinao desses modos. A extruso por impacto usualmente realizada a frio numa variedade de metais. Os produtos apresentam, em geral, paredes muito finas (p. ex., capas de pilhas).

B) EXTRUSO HIDROSTTICA O problema do atrito pode ser superado envolvendo-se o tarugo por um fluido no interior do recipiente e pressurizando este fluido por meio do movimento do pisto. Deste modo, no h atrito com a parede do recipiente e o atrito no orifcio da matriz reduzido. A fora no mbolo muito menor que na extruso direta convencional. O processo pode ser realizado temperatura ambiente ou


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em temperaturas elevadas e, neste caso, devem ser empregados procedimentos especiais e fluidos resistentes ao calor. A presso hidrosttica em uma pea aumenta sua ductilidade. Portanto, esse processo pode ser usado em metais frgeis. Metais dcteis tambm podem ser extrudados hidrostaticamente, possibilitando altas relaes de reduo. Uma desvantagem do processo que ele requer a preparao do tarugo inicial, que deve possuir em uma das extremidades uma geometria que se adapte ao ngulo da matriz. Isso evita que o fluido escoe pela abertura da matriz quando o recipiente inicialmente pressurizado.

Figura 3.10 Extruso Hidrosttica

3.3 - EQUIPAMENTOS DE EXTRUSO prensas hidrulicas (horizontais para extruso a quente e verticais para extruso a frio) com capacidade de 1000 a 8000 T ao contnua, por acionamento hidro-pneumtico ou oleodinmico A prensa de extruso , essencialmente, um conjunto cilindro-pisto hidrulico, onde o cilindro necessita constante alimentao de lquido sob presso para movimentar o pisto. A alimentao do cilindro pode se dar com o auxlio de uma bomba hidrulica, que mantm a velocidade do pisto no nvel necessrio para a extruso, ou com o emprego de uma acumulador de presso. No primeiro caso, temos o chamado acionamento oleodinmico e, no segundo caso, o acionamento hidro-pneumtico.


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Figura 3.11 Prensa horizontal de extruso de barras e perfis

Equipamentos auxiliares: sistemas de corte de barras sistemas de retrocesso do pisto fornos para aquecimento de tarugos (indutivos para maior rapidez e uniformidade de aquecimento) controle da atmosfera de aquecimento


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Figura 3.12 Componentes de ferramental para extruso a quente

3.4 - PARMETROS FSICOS Fora de extruso: A fora requerida para o processo depende da resistncia do material, da relao de extruso, da frico na cmara e na matriz, e outras variveis como a temperatura e a velocidade de extruso. A fora pode ser estimada pela equao:

A F = A0 K ln 0 A f

onde: F = Fora; A0 = Area Inicial; K = Constante de Extruso e Af = Area Final.


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Figura 3.12 Alguns valores da constante de extruso K em MPa para diferentes materiais

Tabela 3.1 - Faixas de temperatura de extruso para vrios metais. METAL Chumbo Alumnio e suas ligas Cobre e suas ligas Aos Ligas Refratrias TEMPERATURA OC 200 - 250 375 - 475 650 - 950 875 1300 975 - 2200

3.5 - DEFEITOS DA EXTRUSO Dependendo das condies e do material extrudado podem ocorrer vrios tipos de defeitos, que afetam a resistncia e qualidade do produto final. Os principais so:


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Extruso a quente: Defeitos causados por modos de escoamento incorretos (intruso), por defeitos e impurezas na matria-prima ou pela escolha inadequada da temperatura e velocidade de extruso. Extruso a frio: Defeitos causados por geometria inadequada das matrizes ou pela lubrificao insuficiente (chevron), ou pela deformao excessiva na extruso (trincas). Trinca superficial: Ocorre quando a temperatura ou a velocidade muito alta, pois h aumento significativo da temperatura da superfcie, causando trincas e rasgos intergranulares. Ligas de alumnio, magnsio e zinco. Maneiras de evitar: reduzir a velocidade de extruso; diminuir a temperatura do tarugo. Trinca interna: O centro do tarugo pode desenvolver fissuras que so conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron. O defeito atribudo tenso hidrosttica de trao na linha central , similar situao da regio de estrico em um corpo em ensaio de trao.

Figura 3.13 Modos de Escoamento na Extruso


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Figura 3.14 Defeitos chevron causado pela extruso a frio

Figura 3.15 Defeitos chevron causado pela extruso a frio


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4 - TREFILAO A trefilao um dos processos mais antigos de conformao de metais. Os adornos de ouro em forma de arame trabalhado foram incorporados aos adornos pessoais dos faras egpcios, quase 3.000 anos antes de Cristo. No sculo XIV, Rudolph de Nuremberg trouxe para a indstria o primeiro equipa-mento mecnico de trefilao, que era movido a gua. De 1850 a 1870, devido difuso do telgrafo e conseqente demanda por fios condutores, a trefilao sofreu um grande avano. Nos ltimos 30 anos tem-se visto avanos nas tcnicas de trefilao e significativo aperfeioamento do tratamento trmico contnuo, com menor inter-ferncia humana, com o objetivo de melhorar a uniformidade e a qualidade, aumentar a produtividade e reduzir os custos de produo. O processo de trefilao ocorre pelo tracionamento de fio, barra ou tubo atravs de uma matriz, denominada fieira. Como a seo transversal do orifcio da fieira sempre menor que a da pea trabalhada, o processo ocasiona uma reduo em rea e um aumento no comprimento. Como a operao comumente realizada a frio, ocorre o encruamento com alterao das propriedades mecnicas do material do fio. Esta alterao se d no sentido da reduo da ductilidade e aumento da resistncia mecnica. Portanto, o processo de trefilao comumente um trabalho de conformao mecnica realizado a frio, isto , a uma temperatura de trabalho abaixo da temperatura de recristalizao. A finalidade do processo de trefilao a obteno de um produto com dimenses, acabamento superficial e propriedades mecnicas controladas. De uma maneira geral pode-se dizer que:


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A TREFILAO um processo em que se obtm produtos com sees de geometrias diversas pela trao desses produtos por uma matriz (denominada fieira) que define o perfil do trefilado; Comumente realizado a frio, o que produz encruamento na pea; Realiza pequenas redues de seo por passe; Excelente qualidade superficial e dimensional; Propriedades mecnicas controladas. Algumas vezes o Recozimento intermedirio necessrio quando a queda de dutilidade associada ao aumento da resistncia provoca a queda de conformabilidade. A matria prima so Barras e tubos extrudados (no-ferrosos) ou laminados (ferrosos e no-ferrosos), decapados e limpos, com qualidade superficial controlada e recozidos. Os produtos so Arames, fios finos, barras, perfis diversos e tubos.

Figura 4.1 Redues realizadas para obteno de peas por trefilao


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A matria-prima para o processo de trefilao um produto na forma de arame (ou barra ou tubo) obtido pelo processo de extruso (para metais no-ferrosos) ou pelo processo de laminao (para metais ferrosos e no-ferrosos).

Trabalho a frio

Tenso

Deformao

Figura 4.2 Redues realizadas para obteno de peas por trefilao

Figura 4.3 sees de perfiz obtidos por trefilao


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4.1 CLASSIFICAO DOS PRODUTOS TREFILADOS Funo do tipo de produto: barra, tubo e arame ou fio. As barras mais finas, em geral com dimetro menor do que 5 mm, passam a se denominar arames ou fios. Denomina-se o produto como arame quando o seu emprego para fins mecnicos e, como fio, no caso de fins eltricos

Figura 4.4 Tipos de trefilados com relao ao dimetro da seo transversal

4.2 - MECNICA DA TREFILAO A mecnica da trefilacao envolve: Esforos predominantes de compresso indireta Atrito entre a matriz e material a trefilar Lubrificantes/refrigerantes Velocidade de trefilao: ~ 600 a 1500 m/min para fios de ao ~ 1200 a 2500 m/min para fios de cobre ~ 10 a 100 m/min para barras A lubrificao pode ser por imerso ou por asperso, e os tipos de lubrificantes so:Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 72

Seca: sabes slidos em p mida: solues ou emulses de leos em gua Pastas e graxas

Figura 4.4 Tenses de trao (t) e de compresso (c) aplicadas na trefilacao

O conhecimento dos esforos necessrios e das demais variveis envolvidas no processo permite: reduzir os tempos de parada de mquina devidos a quebra de material; dimensionar eficientemente partes integrantes de uma mquina trefiladora, com o objetivo de reduzir o nvel de investimento; reduzir o desgaste das fieiras. Ento, a determinao dos esforos vital no processo de trefilao e diversos pesquisadores tm dedicado muito tempo a esse estudo, principalmente no sentido de estabelecer uma relao entre a fora necessria para a trefilao e as diversas variveis como: geometria de ferramenta, condies de atrito e lubrificao, temperatura e velocidade. 4.3 - FIEIRA


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Comumente a fieira tem o furo com perfil tpico afunilado. Nesses perfis, numa viso em corte, podem-se distinguir trs partes cnicas e uma parte cilndrica. A primeira parte cnica o denominado cone de entrada, que direciona o fio e a segunda chamada cone de trabalho onde o metal deformado. Na parte cilndrica ocorre o ajuste do dimetro do fio e a terceira parte cnica o cone de sada, cuja finalidade facilitar a sada do fio. O ngulo da fieira, que o ngulo do cone de trabalho, comumente tem valores compreendidos entre 5 e 25. O comprimento da parte cilndrica varia de zero a dois dimetros.

I cone de entrada II cone de trabalho III zona cilndrica ou cilindro de calibrao IV cone de sada Figura 4.5 Perfil esquemtico de uma fieira para trefilao

I - O cone de entrada tem a finalidade de guiar o fio em direo ao cone de trabalho e permitir que o lubrificante acompanhe o fio. II - No cone de trabalho ocorre a reduo. III - No cilindro de calibrao ocorre o ajuste do dimetro do fio. IV - O cone de sada deve proporcionar uma sada livre do fio.


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Zona crtica Cilindro de calibrao

ngulo de entrada

ngulo da fieira (trefilao) ngulo de sada

Figura 4.6 ngulos e regies de uma fieira para trefilao

Para cada material h um perfil adequado de fieira, no que diz respeito ao ngulo de entrada, ao ngulo de trabalho, ao ngulo de sada e ao comprimento da zona cilndrica.

semi-ngulo do cone de trabalho (ou semi-ngulo da fieira) semi-ngulo de entrada semi-ngulo de sada Hc altura do cilindro de calibrao Hc Figura 4.7 ngulos e regies de uma fieira para trefilao

A diferena entre os ngulos de fieiras empregadas para diferentes materiais est associada com a caracterstica de cada material de transmitir, com mais ou menos facilidade por toda a seo, o efeito da resistncia aos esforos cisalhantes que produzem deformao a frio (trabalho redundante), ou seja, est relacionada com a ductilidade do material. Em geral, quanto mais dctil for o material, maior pode ser o ngulo da fieira. Por outro lado, o comprimento da zona cilndrica dependente das condies de atrito entre o metal e a fieira.


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As fieiras para trefilar fios grossos e mdios (at 1,4 mm de dimetro) so feitas de vdia (metal duro) com a composio tpica de 95% de carboneto de tungstnio e 5% de cobalto e, para fios finos, so feitas de diamante. Materiais da fieira mais utilizados so: Carbonetos sinterizados(sobretudo WC) vidia, Metal duro,etc. Aos de alto C revestidos de Cr (cromagemdura) Aos especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.) Ferro fundido branco Cermicos (ps de xidos metlicos sinterizados) Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras) Aps trefilar um grande comprimento de fio, as fieiras sofrem desgaste. Tanto as fieiras de metal duro quanto as de diamante podem ser recalibradas e repolidas para serem usadas na trefilao de fios de dimetros maiores. A vida de uma fieira, trabalhando com um determinado dimetro, determinada pelo comprimento de fio trefilado at que seja necessria uma recalibrao.


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Figura 4.8 Alguns tipos de fieiras

4.4 - CLCULO DE CARGA NA TREFILAO O clculo de carga na trefilao pode ser feito pela seguinte expresso:

A Pt = e ln 0 A 1__

(1 + . cot g ( ). . A1 )

e - tenso de escoamento mdia em trao uniaxial;A0 rea transversal inicial da pea (arame); A1 - rea transversal do arame aps a trefilao;

- coeficiente de atrito mdio na zona de reduo da fieira; - ngulo de abordagem (semi-ngulo da fieira); - fator de deformao redundante, que dado por Rowe da seguinte forma:

= 0.87 + ((1 r ) r ).senInstituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Esprito Santo - IFES 77

r reduo no passe dada por: r = (A0 A1)/A0

4.5 - TREFILAO DE VERGALHES E ARAMES Os princpios envolvidos na trefilao de barras, vergalhes e arames so basicamente os mesmos, embora os equipamentos utilizados variem para os diversos tamanhos de produtos. As barras e os vergalhes, que no podem ser bobinados, so produzidos sobre uma bancada de trefilao. O processo de trefilao de arames de ao tem incio com o fio-mquina, que o material laminado a quente que no se fabrica em dimetros menores que 5,5 mm. Como o fio-mquina um produto laminado a quente, apresenta microestrutura no-homognea e defeitos internos e superficiais, o que o torna inadequado para o trabalho a frio, sendo necessrio submet-lo previamente a um tratamento trmico de recozimento. Aps este tratamento, o fio-mquina decapado (qumica e/ou mecanicamente), a fim de eliminar qualquer carepa que possa resultar em defeitos superficiais no produto ou desgaste excessivo da fieira. A decapagem qumica convencional realizada pela submerso do pacote de fiomquina em cido sulfrico ou clordrico. O xido de ferro atacado pelo cido e os ons Fe+3 entram em soluo medida que o gs hidrognio formado na superfcie. O pacote de fio-mquina , ento, mergulhado num tanque de gua para enxge e, em seguida, num tanque de cal ou de brax. A gua de cristalizao aderida cal ou ao brax removida pelo aquecimento do pacote numa estufa. Esse revestimento servir como absorvedor e transportador do lubrificante (sabo em p ou graxa) durante a trefilao por via seca e tambm para neutralizar qualquer cido remanescente da decapagem. No caso da trefilao por via mida, a fieira fica imersa num lubrificante lquido. O fio-mquina est, ento, pronto para ser trefilado.


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Figura 4.9 Foto de decapagem qumica convencional pela submerso do pacote de fiomquina em cido sulfrico ou clordrico.

4.5.1 - Etapas do Processo utilizando como matria prima o fio-mquina (vergalho laminado a quente): Descarepao: - Mecnica (descascamento): dobramento e escovamento. - Qumica (decapagem): com HCl ou H2S04 diludos. Lavagem: em gua corrente Recobrimento: Comumente por imerso em leite de cal Ca(OH)2 a 100C a fim de neutralizar resduos de cido, proteger a superfcie do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilao. Secagem: (em estufa) Tambm remove H2 dissolvido na superfcie do material. Trefilao: - Primeiros passes a seco. Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilao a mido. A produo de arames ou de vergalhes finos de longo comprimento ( 0,25 %) Tipo: aquecimento acima da temperatura crtica (regio g) seguido de resfriamento controlado, ao ar ou em banho de chumbo mantido entre 450 e 550C. Objetivo: obter uma melhor combinao de resistncia e ductilidade que a estrutura resultante (perlita fina ou bainita) fornece.


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4.7 - MQUINAS DE TREFILAR INDUSTRIAIS Os elementos bsicos de uma mquina de trefilao so: Carretel alimentador Porta-fieira Garra ou mordaa para puxar a primeira poro do arame Tambor Sistema de acionamento do tambor Alm da bancada de trefilao e do sarilho simples, existem dois tipos bsicos de mquinas de trefilar industriais com mltiplas fieiras: 1) Com deslizamento Para fios de dimetros pequenos O deslizamento d-se no anel tirante Mquinas cnicas de trefilar com deslizamento 2) Sem deslizamento Para arames, em que o anel tirante faz tambm o papel de acumulador do produto trefilado Mquinas contnuas, com passes em linha

4.7.1 - Mquina de Trefilar em Srie ("Tandem"), com Deslizamento constituda de uma sucesso de fieiras intercaladas com anis tirantes. O sistema movido por um nico motor, funcionando da seguinte maneira: O fio parte de uma bobina, passa por uma roldana e se dirige primeira fieira;


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Na sada da fieira, puxado por um anel tirante no qual o fio d um certo nmero de voltas e gira numa determinada velocidade; As voltas so dadas na forma de uma hlice cilndrica, de passo igual a uma vez e meia o dimetro do f

apostila conformacao dos metais fund e aplicacao

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