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Faculdade de Engenharias e Ciências Tecnológicas Departamento de Engenharias e Ciências Tecnológicas
Curso de Licenciatura em Engenharia Mecânica
Disciplina: PTP de Fundição e Forja 4º Ano 1º Semestre - 2023 Introdução A conformação foi o primeiro método para a obtenção de formas úteis. Figura 1: Fabrição artesanal de espadas por martelamento (forjamento). Observava-se que as lâminas despadas exaustivamente deformadas ficavam mais fortes que as pouco deformadas. Hoje sabemos que este resultado é alcançado devido ao refino de grão e ao próprio direccionamento estrutural, além da redução das impurezas e encruamento.
Forjamento
O forjamento de um metal consiste em deformá-lo por martelamento ou prensagem. É, possivelmente, a mais antiga operação de conformação mecânica praticada pelos ferreiros com martelos e bigornas (CETLIN E HELMAN, 2005). O desenvolvimento de maquinárias para substituir os braços do ferreiro ocorreu primeiro durante a revolução industrial. Hoje em dia existe uma variedade muito grande de máquinas de forja, capazes de fazer peças que variam em tamanho desde um parafuso de um rotor de turbina até uma asa inteira de avião (DIETER, 1981). A Figura 2 mostra um exemplo de peça forjada. Trata-se de uma biela (peça que transforma o movimento retilíneo em circular no motor 1
dos automóveis) forjada em prensa. Figura 2: Conformação mecânica praticada pela prensa e pelo ferreiro. Figura 3: Produtos de conformação mecânica praticada pela prensa e pelo ferreiro. De modo geral, todos os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para produção de peças forjadas são os aços comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta, ligas de alumínio, ligas de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, etc) (KALPAKJIAN, 2001). A matéria-prima para o processo de forjamento pode ser fundida ou laminada (condição preferível por apresentar microestrutura mais homogênea). As peças forjadas em matriz com peso não superior a 2 ou 3kg, são normalmente produzidas a partir de barras laminadas, as de maior peso são forjadas a partir de lingotes, tarugos ou palanquilhas, quase sempre também laminados e cortados previamente em tamanho adequado. (BRAGA, 2
finas além de peças com seu formato final. Figura 5: Forjamentos mais precisos em que se obtém peças com as propriedades desejadas e com dimensões próximas ao seu uso. O processo de forjamento envolve aplicação de um estado de compressão directa, com deformação ocorrendo basicamente por recalque, alargamento e ascensão, conforme figura abaixo. (BRAGA, 2005) Figura 6: Formas de escoamento no forjamento (BRAGA, 2005). 4
O processo de forjamento pode ser classificado: Quanto à temperatura de trabalho: forjamento a quente, morno ou frio; Quanto à geometria das matrizes: forjamento em matriz aberta ou fechada; Quanto ao equipamento de forja: forjamento em prensa ou em martelo. Classificação dos Processos de Forjamento Quanto à Temperatura As operações de forjamento podem ser realizadas a quente, a morno e a frio. A diferenciação destas operações pode ser feita em função da temperatura de recristalização. (BRAGA, 2005). (^) Frio: Ttrabalho < Trecristalização; (^) Morno: Ttrabalho ≈ Trecristalização; (^) Quente: Ttrabalho > Trecristalização. A T (^) recristalização tem posicionamento normalmente aceito entre 0,3 e 0,6 da temperatura absoluta, K, de fusão, isto é, de 0,3 a 0,6 Tfusão (Van Vlack, 1994). Figura 7: Conformação a frio e a quente (BRAGA, 2005). Forjamento à Frio O forjamento a frio permite a fabricação de peças de componentes com grande precisão dimensional, geometrias complexas e com acabamento próximo ao uso da peça ( near net shape ). A Figura 8 mostra alguns exemplos de componentes forjados a frio. São exemplos típicos para a indústria automobilística que é a grande beneficiária de peças forjadas a frio (SCHAEFFER, 2001). 5
caldeamento destas cavidades, grãos grosseiros são quebrados e refinados, heterogeneidades químicas (tais como segregação) são eliminadas em função das rápidas taxas de difusão presentes à temperatura de trabalho a quente. Figura 9: Forjamento à quente Entretanto, peças forjadas a quente podem apresentar estrutura e propriedade não uniforme através da secção. Já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais, podem ocorrer peças com grãos finos na superfície e núcleo com grãos grosseiros. Além disto, as reacções entre a superfície do metal e atmosfera do forno levam a ocorrência de descarbonetação e oxidação podendo levar a considerável perda de material (perda por carepa que pode chegar a 3%). No forjamento a quente, em função da dilatação e contração das peças (decorrentes do aquecimento e resfriamento), as tolerâncias dimensionais são superiores às praticadas no forjamento a frio. O limite inferior de temperatura para o trabalho a quente é aquela em que a taxa de recristalização é rápida o bastante para eliminar o encruamento e depende de factores tais como quantidade de deformação e tempo em que o metal estará submetido à temperatura em questão. O limite superior do trabalho a quente é limitado pela temperatura de fusão do metal ou excesso de oxidação. Segundo DIETER (1981), a temperatura mais elevada é limitada ≈ 40°C abaixo do ponto de fusão para levar em conta a possibilidade de existência de regiões de segregação de material de ponto de fusão inferior. Uma quantidade muito pequena de filmes de constituintes de pontos de fusão mais baixos ao longo dos contornos de grão já é suficiente para proporcionar o esboroamento do material durante a deformação. Esta condição é conhecida como fragilidade a quente. O intervalo de temperatura no qual uma liga pode ser trabalhada é visualizado através da figura
- Para dada pressão e temperatura de trabalho há uma quantidade máxima de deformação que pode ser imposta ao metal. Admite-se que esta limitação é baseada na resistência do metal ao escoamento. À medida que a temperatura de preaquecimento do tarugo aumenta, a tensão de escoamento diminui e a quantidade de deformação possível cresce, o que fornece a série de curvas à esquerda da figura 10 que aumentam para a direita. O limite óbvio na escala de temperaturas é a temperatura solidus do material. A fragilização a quente também será uma limitação a temperaturas bem inferiores. À medida que a taxa de deformação aumentar, mais calor será retido no material e sua temperatura deverá ser diminuída para que não se atinja no final a temperatura de fragilidade a quente (DIETER, 1981) 7
Figura 10 - Efeito esquemático da temperatura, pressão e taxa de deformação no intervalo de trabalho permissível (DIETER, 1981). Forjamento à Morno O forjamento à morno utiliza vantagens tanto do forjamento a frio como do forjamento a quente. Com o forjamento a morno objectiva-se a produção de peças com geometrias complexas, obtendo-se excelentes propriedades mecânicas, redução de custos, grande precisão de medidas e qualidade dimensional quando comparado com o forjamento à quente. Assim como no forjamento à frio, com o forjamento de precisão a morno é possivel produzir componentes com acabamento final o mais próximo possível de sua forma de uso. No forjamento à morno a fixação da temperatura é variável, dependendo do tipo de aço que se deseja forjar. Seus limites estão fixados pelo aumento excessivo de força quando a temperatura é muito baixa (limite inferior) e pela oxidação em temperaturas mais altas (limite superior). Para aços em geral, esta faixa está entre 400 e 900o^ C. Entretanto é necessário um conhecimento detalhado do comportamento do material com o qual se está trabalhando,(SCHAEFFER,2001). 8
