Conformação

Breve Histórico

Os processos de conformação mecânica tem sua origem na pré-história. Antes de 4000 A.C. os homens das cavernas empregavam ouro e cobre nativos e meteoritos ricos em ferro, sem fundi-los, para a confecção de pequenos artefatos metálicos. Este metais eram martelados para adquirirem a forma desejada e endurecerem (encruarem). Deste Tempo até a atualidade os processos de conformação mecânica evoluíram muito e estão presentes em praticamente tudo que utilizamos. Atualmente, são fabricados desde pequenas peças como agulhas e pregos até navios, onde as chapas utilizadas são feitas por conformação mecânica.

Características

Os processo de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Cada um destes trabalhos fornecera características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão função da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (Natureza, Tamanho, forma e distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado.

Conformação é o processo mecânico onde se obtém peças através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades dos moldes.

O processo pode ou não ser executado com o aquecimento da matéria-prima, para facilitar o processo ou para modificar das características mecânicas da peça final.

Com conformação a quente pode-se conformar peças com menos gasto de energia ( mais produtividade ) e não tornando necessário um tratamento térmico, pois a conformação a quente á feita com temperaturas acima do ponto critico do diagrama ferro-carbono, logo a essa temperatura a estrutura se recristaliza simultaneamente com deformação sofrida.

Na conformação a frio temos a vantagem de ter um melhor acabamento final na peça, e o material da peça fica encruado, isso ajuda a aumentar a resistência mecânica, mas diminui a ductilidade.

PRINCIPAIS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO

O número dos diferentes processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação. Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em:

• Forjamento: conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo.

• Laminação: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos.

• Trefilação: redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira ou trefila) com forma de canal convergente.

• Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (contêiner); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo.

• Conformação de chapas: Compreende as operações de:

• Embutimento;
• Estiramento;
• Corte;
• Dobramento.

TEMPERATURA NA CONFORMAÇÃO

Os processo de conformação são comumente classificados em operações de trabalho quente, a morno e a frio. O trabalho a quente é definido como a deformação sob condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. De outra forma, o trabalho a frio é a deformação realizada sob condições em que os processo de recuperação e recristalização não são efetivos. No trabalho a morno ocorre recuperação, mas não se formam novos grãos (não há recristalização). No trabalho a quente, devido a intensa vibração térmica – que facilita muito a difusão de átomos e a mobilidade e aniquilamento das discordâncias – o encruamento e a estrutura distorcida dos grãos produzida pela deformação, são rapidamente eliminados pela formação de novos grãos livres de deformação, uma vez que os processos de recuperação e recristalização acompanham a deformação. Ela ocorre a uma tensão constante. E como a tensão de escoamento plástico decresce com o aumento da temperatura, a energia necessária para a deformação é geralmente muito menor para o trabalho a quente do que para o trabalho a frio ou a morno.

No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e a tenso de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a firo e a quente. Costuma-se definir, para fins práticos, as faixas de temperaturas do trabalho a quente, a morno e a frio baseadas na temperatura homologam, que permite a normalização do comportamento do metal. Em um metal puro, que não sofre transformação de fase no estado sólido, os pontos de referencia em termos de temperatura são: o zero absoluto e o ponto de fusão. Estes pontos, traduzidos em graus Kelvin, estabelecem os extremos da escala homóloga de temperaturas.

Em termos de conformação mecânica, chama-se de trabalho a quente (TQ) aquele que é executado em temperaturas acima de 0,5Tf; trabalho a morno (TM), executado na faixa compreendida (grosseiramente) entre 0,3 e 0,5 Tf e trabalho a frio (TF) aquele que é executado entre 0 e 0,3Tf. É importante compreender que a distinção básica entre TQ e TF é portanto, função da temperatura em que se dá a recristalização efetiva do material. Assim, embora para muitas ligas comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em relação à ambiente, para metais como Pb e Sn, que se recristalizam rapidamente à temperatura ambiente após grandes deformações, a conformação à temperatura ambiente é TQ. Por outro lado, a conformação a 1100°C é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior a esta, embora seja TQ para o aço.

Geração de calor na conformação mecânica. Nos processos de conformação, tanto a deformação plástica quanto o atrito contribuem para a geração de calor. Da energia empregada na deformação plástica de um metal, apenas 5 a 10% ficam acumulados na rede cristalina, sob a forma de energia interna, sendo os restantes 90 a 95% convertidos em calor, em algumas operações de conformação continua, como extrusão e trefilação, efetuadas em altas velocidades, a temperatura pode aumentar de centenas de graus. Uma parte do calor gerado é dissipada (transmitido às ferramentas ou perdido para a atmosfera), mas o restante permanece na peça. Elevando-lhe a temperatura.

Para uma deformação e = 1,0 tem-se DTmáx igual a 74°C para alumínio, 277°C para ferro e 571°C para titânio. Ser a velocidade de um dado processo é alta, a perda do calor gerado será pequena e o aumento efetivo da temperatura será próximo do valor teórico.

Faixas de Temperaturas permissíveis no trabalho a quente.

O limite inferior de temperatura para o trabalho a quente de um metal e a menor temperatura para a qual a taxa de recristalização é rápida o bastante para eliminar o encruamento quando o metal esta submetido aquela temperatura. Para um dado metal ou liga metálica a menor temperatura de trabalho a quente dependera de fatores tais como a quantidade de deformação e o tempo em que o material estará submetido a temperatura em questão. Uma vez que quanto maior o nível de deformação menor é a temperatura de recristalização, o limite inferior de temperatura para o trabalho a quente diminuirá para grandes deformações. Um metal trabalhado com elevada velocidade de deformação e resfriado rapidamente irá requerer uma temperatura de trabalho a quente maior do que se este for deformado e resfriado vagarosamente, para a obtenção de um mesmo nível final de deformação. O limite superior de trabalho a quente é determinado pela temperatura em que ocorre o inicio de fusão ou excesso de oxidação. Geralmente, a temperatura mais elevada de trabalho a quente é limitada bem abaixo do ponto de fusão devido a possibilidade de fragilização à quente (existência de compostos com menor ponto de fusão). Basta uma pequena quantidade de um filme de constituinte com baixo ponto de fusão nos contornos de grão para fazer um material desagregar-se quando deformado(fragilidade a quente). Geralmente emprega-se Tmax Tf – 55°C (ou Tf – 100°F) para evitar esta possibilidade.

Para uma dada condição de pressão e temperatura de trabalho haverá uma quantidade máxima de deformação que pode ser fornecida à peça(limitação esta baseada na resistência ao escoamento, e não na ductilidade), como mostrado na figura. Se a temperatura de Pré-Aquecimento do tarugo inicial aumenta, a resistência diminui e a deformação aumenta para uma dada pressão aplicada; assim, as curvas “Isobáricas” aumentam com a temperatura, que obviamente será sempre inferior a linha solidus. A fragilização a quente limita a temperatura de trabalho a valores inferiores á temperatura solidus. E visto que com taxas de deformação altas ficara retido mais calor na peça. A temperatura da peça devera ser menor para evitar que ela atinja a faixa de fragilidade a quente.

TRABALHO A FRIO

O trabalho a frio é acompanhado do encruamento (inglês “strain Hardening”) do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras – tais como contornos de grão – que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no numero de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna da rede cristalina. Um metal cristalino contem em média 106 a 108 cm de discordância por cm3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 1012 cm de discordância por cm3. A estrutura características do estado encruado examinada ao microscópio eletrônico, apresenta dentro de cada grão, regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordância nos planos de deslizamento.

Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo de ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento, Y, e do limite de resistência, Sr, bem como no decréscimo do alongamento (alongamento da fatura), Ef