Serrametal | Referência em Distribuição de Aços Especiais e Aço Ferramenta | Melhor prazo de corteOs mistérios do trabalho a quente
Tipos de metais, aços utilizados e processos de fabricação.
Trabalho a quente na indústria metalúrgica envolve, em geral, a conformação de um material para a produção de um produto final, almejando propriedades e geometrias bem definidas. O calor gerado nas peças, normalmente, as tornam mais maleáveis, e por consequência, mais facilmente moldadas. Isso implica na força aplicada para conformação, ou no processo de produção.
Existem vários limites para que separe o trabalho a quente, a frio e a morno (mais alguns detalhes são apresentados no texto "Forja do Início ao Fim". Vamos definir aqui como trabalho a quente aquele que é realizado em uma temperatura acima de 0.5*TF (TF = temperatura de fusão do material a ser trabalhado) [1].
O trabalho a quente tem como característica ser feito numa temperatura na qual o material que está sendo conformado sofre a recuperação ou recristalização. Assim, o produto final passa a apresentar características como dureza, tenacidade, e outras propriedades mecânicas e até mesmo térmicas, por conta de diversos fatores, um deles é o próprio grão obtido na recristalização [2].
O trabalho a quente exige muito estudo e avaliações, desde o tipo de material a ser conformado, até o processo que será utilizado. Um ponto muito relevante no trabalho a quente é a ferramenta que será utilizada para conformar o material a quente. Aqui, vamos focar apenas no aço ferramenta.
Publicado em outubro de 2020, relatório de pesquisa de mercado intitulado "Global Hot Working Tool Steel Market 2020" por Fabricantes, Regiões, Tipo e Aplicação, Previsões para 2025, revela a visão geral da indústria global, englobando os dados mais recentes da indústria e tendências futuras da indústria, permitindo que você identifique os produtos e usuários finais responsáveis ​​pelo crescimento da receita do mercado [3].
O relatório inclui uma análise extensa de cada segmento de mercado, revelando como os segmentos têm se desempenhado nos últimos anos e como eles apoiarão o desenvolvimento do mercado nos próximos anos. O relatório estuda a dinâmica do mercado, segmentos-chave e diferentes mercados regionais. O relatório estuda a dinâmica do mercado global de aço ferramenta para trabalho a quente, mudando o cenário da concorrência e o fluxo do fornecimento e consumo globais [3].
Segmentação de mercado por produto: Aços para ferramentas de trabalho a quente de cromo, Aços para ferramentas de trabalho a quente de tungstênio, Aços para ferramentas de trabalho a quente de tungstênio de molibdênio, e segmentação de mercado por aplicação: Automotivo, Construção Naval, Maquinário, Outros [3].
O relatório de mercado oferece uma análise geográfica abrangente com as principais regiões, como: América do Norte (Estados Unidos, Canadá e México), Europa (Alemanha, França, Reino Unido, Rússia e Itália), Ásia-Pacífico (China, Japão, Coréia, Índia e Sudeste Asiático), América do Sul (Brasil, Argentina, etc.), Oriente Médio e África (Arábia Saudita, Egito, Nigéria e África do Sul) [3].
O relatório apresenta o mercado global de aço para ferramentas de trabalho a quente por regiões, participação de mercado e receita e vendas para o período projetado de 2020 a 2025. Na análise regional, o relatório destaca a região em potencial, que estima gerar oportunidades no mundo Mercado de aço ferramenta para trabalho a quente. O relatório fornece uma previsão de receita e, em seguida, continua com as previsões de vendas, taxa de crescimento de vendas e taxa de crescimento de receita do mercado global. As previsões também são fornecidas levando em consideração produtos, aplicações e segmentos regionais do mercado global [3].
Trabalhos e pesquisas como essas apresentam que o cenário da indústria do trabalho a quente está se intensificando, mesmo que seja um dos processos mais antigos, levando em conta que a forja é um tipo de conformação muito antigo, tem obtido vários investimentos, e pessoal cada dia mais especializado.
Outra definição para trabalho a quente, é voltada para operações de construção de peças. Tais operações podem ser qualquer trabalho que envolva queima, soldagem, corte, brasagem, solda, esmerilhamento, uso de ferramentas que produzam fogo ou faíscas ou outro trabalho que produza uma fonte de ignição. As operações de soldagem e corte são comuns às operações de perfuração e manutenção. Com isso, corte por plasma ou oxicorte podem ser definidas como operações de trabalho a quente [4].
Mas, a definição mais comum dentro da indústria metalúrgica, é onde existe uma ferramenta, uma peça confeccionada com aço, que é submetida a uma fonte de calor, e essa mesma peça de aço conforma ou forma o produto final. Isto contrasta com o trabalho a frio, muitos tipos de trabalho, incluindo laminação, forjamento, extrusão e trefilação, podem ser feitos com metal quente [5].
Como já dito acima, o trabalho a quente aqui abordado será baseado na temperatura de fusão do material a ser conformado ou fundido. A temperatura mínima deve ser de 05*TF, podendo também, apresentar temperaturas muito elevadas em operações que são fabricadas peças fundidas.
Um ponto importante a ser avaliado, principalmente para a escolha do aço ferramenta para trabalho a quente, são as solicitações aplicadas ao material, ou seja, qual tipo de esforço o material irá sofrer e qual temperatura a ferramenta será submetida. Vamos avaliar um aço inox, utilizado para a fabricação de rolos laminadores.
Existe a grande necessidade de estimar as forças durante a laminação a quente, gerando uma necessidade de utilizar modelos para prever o comportamento de cada aço como ferramenta ou mesmo o produto final. Materiais cujos deslocamentos são capazes de deslizar e subir, reorganizando-se em estruturas poligonais de subgrãos, tendem a mostrar um alto grau de recuperação dinâmica, enquanto materiais com baixa energia de falha de empilhamento exibem um nível muito mais baixo de recuperação dinâmica. Nesse caso, a densidade de deslocamento aumenta até atingir uma condição crítica, momento em que novos grãos nucleados crescem durante a deformação. Como consequência, a forma da curva de fluxo depende da variação entre endurecimento, recuperação e recristalização [6 ,7].
Com isso, existem muitos estudos que visam modelar curvas de tensão de fluxo em altas temperaturas com base em relações empíricas e fundamentos teóricos [8-10]. Muitos desses estudos fazem a modelagem do comportamento do escoamento plástico de aços inoxidáveis austeníticos para determinar o valor real da deformação crítica para o início da recristalização dinâmica [11].
Por outro lado, devido ao atrito e necessidade de resistência superficial dos materiais quando ao desgaste, alguns tratamentos podem ser realizados, tais como PVD (Deposição Física de Vapor – de vários tipos) e nitretação (por vários meios. Para mais detalhes acessar o conteúdo em "Processos superficiais: Nitretação"
Por exemplo, o aço AISI H13, é amplamente utilizado para ferramentas de trabalho a quente, devido à sua alta tenacidade, resistência e dureza em torno de 52 HRC. No entanto, esse aço possui uma resistência ao desgaste relativamente baixa, o que reduz sua vida útil em condições de com grandes solicitações.
O aumento da resistência ao desgaste do aço H13 pode fazer uso de tratamentos de superfície:
austenitização + têmpera + revenimento e nitretação em banho, revenido e revestido com nitreto de cromo (CrN),
revenido + banho de nitretação + revestido com CrN (ou Duplex, um dos tipos utilizados. Os outros tipos podem ser aplicados em diferentes situações, mas em geral, o duplex é o processo onde primeiro se faz a têmpera e o revenimento do material, seguido de nitretação, e por fim o PVD. Em alguns casos é possível realizar o polimento, sendo indicado em alguns casos, mas em forjaria e fundição, alto polimento não é indicado).
O polimento em moldes de aço para fundição ou ferramentas para forjaria podem nem sempre ser uma boa escolha. No caso, o polimento gera uma superfície no material menos rugosa possível, com elevada energia superficial, assim, suscetível a oxidação, "agarramento" (desgaste adesivo), entre outros problemas. A rugosidade favorece a adesão do PVD ao material.
Propriedades físicas e mecânicas para trabalho a quente
A resistência à fadiga do aço para trabalho a quente depende de vários fatores, incluindo as propriedades mecânicas, propriedades e comportamento durante o trabalho a quente, a variação do volume e a superfície do material onde pode ocorrer atrito, as características microestruturais, bem como os tratamentos térmicos. A influência de uma série de tratamentos térmicos na resistência à fadiga do aço H13, pode ser analisada a fim de se obter propriedades desejadas. Entretanto, a falha de processo durante o tratamento térmico pode resultar em falhas catastróficas. Trabalhar com empresas que realizam tratamentos térmicos com equipamentos adequados, aferidos, e com procedimentos compatíveis são altamente recomendados, caso não sejam desejadas falhas na ferramenta [12].
Diferentes tratamentos de pré-aquecimento, têmpera e revenimento podem ser aplicados às peças para que o material apresente resistência à fadiga para diferentes tipos de processos [12].
Alguns testes para avaliar propriedades como a resistência à fadiga das ferramentas podem ser conduzidos em temperatura ambiente, um dos principais equipamentos utilizados é a máquina de teste de dobra rotativa [12].
No AISI H13, a maior resistência à fadiga pode ser obtida utilizando tratamento térmico de duplo revenimento (primeiro revenido a 550 ° C por duas horas e segundo revenido a 610 ° C por duas horas) após o pré-aquecimento e têmpera a 1020°C [12].
No caso da resistência ao desgaste, microestruturas martensíticas com carbonetos precipitados em escala nanométrica formados durante o revenimento são fundamentais no desenvolvimento, por exemplo, de aços resistentes ao desgaste em temperaturas ambientes. Já na resistência ao desgaste durante o trabalho a quente, a dureza secundária, por exemplo, é um fator relevante também. A resistência ao desgaste em temperatura ambiente por ser um parâmetro inicial para avaliar como será o comportamento do material aquecido [13].
Aços frequentemente apresentam diferentes carbonetos precipitados com composições em evolução e onde as fases metaestáveis ​​fazem a transição para fases de carbonetos mais estáveis. O entendimento incompleto da complexa evolução da microestrutura dos aços Cr-Mo-V (Por exemplo aços como o Toolox, H11, H13, entre outros) de baixa liga durante o revenimento pode causar complicações durante o uso [13].
Alguns estudos avaliando a quantidade de elementos de liga nos aços para trabalho a quente mostram, por exemplo, que menor teor Cr e Mo, mas maior teor de V, poderia ajudar a prolongar a vida útil desses aços [13].
As propriedades dos aços são geralmente controladas por processos termomecânicos, transformações de fases alotrópicas e precipitação. Uma importante transformação alotrópica em aços é a transformação martensítica, um processo sem difusão, que leva a uma microestrutura hierárquica com supersaturação de solutos que podem precipitar durante o revenimento [14, 15].
A combinação de uma microestrutura martensítica e precipitados em nanoescala geralmente leva a excelentes propriedades do aço com ultra-alta resistência / dureza, alta tenacidade e boa soldabilidade. A natureza dos precipitados, sua fração volumétrica e a distribuição dos tamanhos de partículas são fatores-chave para resistência, tenacidade, fluência, corrosão, etc. de materiais metálicos e devem ser controlados no desenvolvimento de ligas metálicas de alto desempenho. Voltando aos aços martensíticos, a precipitação durante o revenimento é importante para atingir um equilíbrio adequado entre resistência / dureza e tenacidade do produto final [13].
A formação de carbonetos precipitados depende da composição da liga e do tratamento térmico, seu controle é crítico para o desempenho mecânico ideal, uma vez que os precipitados podem atuar como obstruções para o movimento de deslocamento e aniquilação de discordâncias e contribuir para a resistência do material. O fortalecimento por precipitação é inversamente proporcional ao espaçamento dos precipitados [13, 16] e, portanto, numerosos carbonetos finos, frequentemente MC e M2C, são favoráveis ​​em comparação com os geralmente maiores M3C, M6C e M23C6 [13].
Para controlar a precipitação é essencial ter um conhecimento profundo da precipitação de carbonetos nos aços multicomponentes, incluindo a termodinâmica e a cinética governantes. Até agora, existem alguns trabalhos investigando a precipitação de carbonetos durante o revenimento de aços Cr-Mo-V de baixa liga. Alguns estudos apontam as seguintes informações:
O crescimento dos múltiplos carbonetos em um aço martensítico com liga Cr-Mo-V durante o revenido a 550 ° C apresentam M3C e M6C relativamente grosseiros, M7C3 em nanoescala e MC podem precipitar durante o revenido até 100 h [13].
Na matriz de aço para trabalho a quente, o teor de Si deve ser estritamente controlado. O desenvolvimento da matriz de aço para trabalho a quente está reduzindo o teor de Si [17].
A ausência de precipitação M2C resulta da força motriz termodinâmica negativa. Os cálculos termodinâmicos indicam que ao aumentar o teor de Mo acima de 2,0% em peso pode facilitar a precipitação M2C, mas a força motriz para a precipitação M2C é constantemente menor do que a de M6C, o que indica que é impossível precipitar apenas M2C em nanoescala sem M6C grosseiro por ajuste apenas o conteúdo de Mo [13].
O carboneto M7C3 em nanoescala seria preferido em relação aos M23C6 grosseiros. Os cálculos termodinâmicos indicam que o M7C3 seria o carboneto dominante em Cr se o teor de Cr fosse mantido abaixo de 2,0% em peso [13].
MC possui a maior força motriz termodinâmica e a menor energia interfacial com matriz entre todos os carbonetos potenciais neste sistema de liga. Isso reduz significativamente as barreiras de nucleação e o tamanho dos núcleos e facilita sua precipitação [13].
A modelagem da cinética de precipitação por um método de campo médio com base nos bancos de dados termodinâmicos e cinéticos CALPHAD pode prever os resultados experimentais de precipitação e transição de carbonetos múltiplos no sistema de ligas multicomponentes muito bem [13].
Os cálculos termodinâmicos e cinéticos de precipitação de carboneto são consistentes com os resultados experimentais e podem ser usados ​​para guiar ligas melhoradas e tratamento térmico para estimular alta densidade numérica de precipitados finos de carboneto [13].
Um tipo de processamento de materiais é a conformação a quente. Um dos mais modernos processos é o Hot stamping, onde ocorre a conformação da chapa a temperaturas altas.
Outros processos como a forjaria, já muito consolidada na indústria brasileira, também apresenta características modernas, onde a melhoria do processo é algo muito procurado. Novos aços como o Toolox podem contribuir muito para melhorar os processos já estabelecidos na indústria, ou mesmo fazer parte de novos projetos e processos.
A seguir foram listados alguns dos principais processos da indústria.
Existem diferentes materiais que podem passar pelo processo de extrusão. Por exemplo, o aço AISI D6 é um aço que pode ser utilizado para matrizes de extrusão de materiais cerâmicos, pois não há calor envolvido na operação, apenas o calor gerado pelo atrito, que é muito baixo [18].
Já para extrusão de materiais metálicos, é necessário calor para que o processo ocorra. Cada material apresenta uma temperatura adequada para o processo. Por exemplo, para o alumínio, normalmente se pré aquece o tarugo a ser extrusado e o processo de extrusão ocorre a aproximadamente 600°C ou menos [18].
A extrusão de alumínio é um processo de conformação utilizado para a produção de perfis, forçando um tarugo aquecido através da abertura de uma matriz que se possui o formato do perfil exigido, uma grande variedade de perfis pode ser feita de forma eficiente. Uma característica de extrema importância na extrusão do alumínio é a qualidade da superfície dos produtos extrudados [18].
Durante o processo, deve-se compreender os mecanismos de formação de defeitos superficiais tanto do Alumínio como da matriz, que pode apresentar defeitos ao longo do trabalho. Logo, para análise de falhas, devemos pensar [18]:
Quais são os defeitos de superfície relevantes?
Para entender como são formados, é comum realizar uma análise microestrutural e uma análise composicional. O tipo de tratamento térmico, a liga de Al que será extrudada, os parâmetros utilizados implicam diretamente nesses defeitos, assim como o tipo de aço selecionado para a matriz [18].
Também devem ser avaliados os desgastes abrasivos, que diminuem o tempo de vida útil da matriz, assim como o desgaste adesivo, que gera produtos imperfeitos.
Os principais aços utilizados nessa operação são: AISI H13, Toolox 44, Wnr. .2714, ESK 2344.
Caso seja desejada maior resistência ao atrito, que gera falhas no material, é comum aplicar tratamentos de nitretação nas matrizes. Aços para trabalho a quente normalmente apresentam ligas que permitem este tipo de tratamento.
O forjamento é um processo que envolve a modelagem de um material metálico por meio de martelamento, prensagem ou laminação. Essas forças compressivas são aplicadas por meio de martelo ou matriz. O forjamento é frequentemente classificado de acordo com a temperatura em que é executado – forjamento frio, morno ou quente. Mais detalhes podem ser encontrados em "Forja do Início ao Fim"
Uma ampla variedade de metais pode ser forjada. Metais típicos usados no forjamento incluem aço carbono, aço de liga e aço inoxidável. Metais muito maleáveis como alumínio, latão e cobre também podem ser forjados.
O processo de forjamento pode produzir peças com excelentes propriedades mecânicas com desperdício mínimo. O conceito básico é que o metal original é plasticamente deformado até atingir a forma geométrica desejada – dando a ele maior resistência à fadiga e resistência. O processo é economicamente sólido com a capacidade de produzir peças em massa e atingir propriedades mecânicas específicas no produto acabado.
Algumas falhas podem ocorrer durante a operação de forja, principalmente por falha de tratamento térmico, dureza muito alta no material (sendo que é indicado uma dureza entre 46-48 HRC), e produtos colocados na matriz para evitar desgaste e atrito. Normalmente é possível utilizar grafite, mas existem muitos outros produtos que podem aumentar a vida útil da matriz e que substituem o grafite.
Uma das principais peças fabricadas no setor automobilístico são os virabrequins.
É comum pensar em estamparia como um processo a frio, onde uma chapa é conformada a temperatura ambiente. Entretanto, existe o processo de hot stamping. Este é um processo semelhante à conformação a quente, no sentido de que pode usar a deformabilidade maior do aço em alta temperatura para fornecer uma conformabilidade excepcional. Porém, antes da etapa final, o aço está acima de sua temperatura de austenitização e as matrizes estão frias. Isso causa a formação de martensita muito dura e forte no processo combinado de têmpera e conformação. Ligas especialmente projetadas são usadas neste processo que desenvolvem níveis de resistência excepcionais. Isso permite a produção de estruturas de cabine extremamente fortes e seguras [19].
O Hot stamping é um processo onde ocorre a perda da resistência mecânica da chapa a ser conformada, facilitando o processo de conformação, e após conformada, a chapa é resfriada rapidamente para assim ser temperada, ou seja, aumentar a sua dureza. O Aço Toolox 44 é um material que pode ser utilizado para esse tipo de processo nas matrizes e punções.
Chapas de aço podem passar pelo processo de laminação, com o objetivo de modificar sua microestrutura e diminuir sua espessura. A laminação pode ser a frio ou a quente. A laminação a quente é um processo de conformação no qual o metal é aquecido acima da temperatura de recristalização para deformá-lo plasticamente na operação.
Este processo é usado para criar formas com as dimensões geométricas e propriedades do material desejadas, mantendo o mesmo volume de metal. O metal quente é passado entre dois rolos, alongando o material, reduzindo a área da seção transversal e obtendo uma espessura uniforme. O aço laminado a quente é o produto mais comum do mercado e é amplamente utilizado na indústria de metal, seja como produto final ou como matéria-prima para operações subsequentes.
Os materiais dos rolos laminadores podem variar desde AISI H13 até Toolox 44. Para mais detalhes leia o texto "Processos de Laminação"
Fundição de alumínio, como o nome sugere, é o processo onde o alumínio fundido é colocado em um molde para assumir uma forma desejada, com geometria desejada. O processo pode ser sob pressão, em que o alumínio fundido é pressionado no molde sob alta pressão. Com este processo, mesmo moldes complexos podem ser fabricados com segurança.
Para moldes mais simples, existe também a fundição por baixa pressão ou gravidade, em que apenas a gravidade distribui o fundido no molde. Algumas peças são muito conhecidas por serem fabricadas por fundição, como bloco de motores.
Vantagens do alumínio fundido
Com alumínio fundido, diferentes espessuras de parede podem ser facilmente alcançadas por exemplo, em utensílios de cozinha, ou seja, uma base grossa que distribui e armazena bem o calor, uma parede lateral fina que economiza peso e não absorve muito calor desnecessariamente e, finalmente, uma borda forte que dá estabilidade ao utensílio.
Outra vantagem do alumínio fundido é que ele é praticamente isento de tensões no material. O alumínio é despejado na forma líquida e resfriado. A remodelação não é necessária. Uma vez que durante o aquecimento ocorre uma significativa expansão do alumínio, é vantajoso por não apresentar tensões no material.
O tempo de fabricação de peças de alumínio pode ser bem menor do que se for usinado, além da perda de material ser mínima.
Desvantagens do alumínio fundido
O processo de fabricação geralmente é mais caro e, portanto, também o produto final.
Os aços que podem ser utilizados para esse processo são: AISI H13, VMO, Dievar, Toolox44 (e em alguns casos Toolox 33), etc.
Além da fundição de alumínio, existem outros materiais que podem ser fundidos. Se o tempo de resfriamento é uma variável influente, onde é desejado um resfriamento mais rápido, é possível utilizar materiais com coeficiente de condutividade térmica favorável e maior. O projeto deve conter meios de resfriamento mais rápidos. Então, para evitar trincas por choque térmico e expansão térmica, pode-se utilizar o Toolox 44.
[1] A. Tomiz and R. Kaspar: Steel Res., 71 (2000), 497
[2] Callister Jr., W. D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais. Rio de
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[3] Global Hot Working Tool Steel Market 2020 by Manufacturers, Regions, Type and Application, Forecast to 2025
https://www.marketsandresearch.biz/report/120306/global-hot-working-tool-steel-market-2020-by-manufacturers-regions-type-and-application-forecast-to-2025
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