Press hardening é um termo utilizado para denominar um tipo de tecnologia e/ou processo usado na fabricação de peças a partir de chapas, como para-choque e peças de impacto lateral, que tem obtido destaque na indústria automobilística. Atualmente, mais de 450 milhões de componentes são produzidos por este processo, fator que confirma o aumento deles, em 30 vezes, nas duas últimas décadas (1). Há previsão de aumento do número de peças assim fabricadas, tendo em vista as que possivelmente serão utilizadas em veículos comerciais, em produtos de linha branca e máquinas agrícolas. Assim, essa

Fig. 1 – Processo direto de press hardening

tecnologia se confirma como promissora na Alemanha e no Brasil.

O processo comum de press hardening (fig. 1) inicia com o corte de uma geratriz metálica de aço manganês-boro tratável termicamente (22MnB5), que é austenitizada a 950°C num forno de rolos. O aquecimento é seguido do processo de prensagem, que combina conformação e tratamento térmico (por exemplo, têmpera) em uma matriz arrefecida com água. O material se torna dúctil e maleável quando submetido a temperaturas elevadas, permitindo a obtenção de geometrias complexas. A peça é arrefecida por transferência de calor a partir do contato com a matriz resfriada. A têmpera leva à formação de microestrutura martensítica, desde que a velocidade de resfriamento da chapa seja suficientemente elevada (pelo menos 27 K /s). Portanto, o tratamento térmico durante todo o processo,

Fig. 2 – Propriedades mecânicas da liga de aço 22MnB5 para diferentes condições

 

bem como as solicitações mecânicas necessárias para o press hardening, devem ser bem definidos.

O uso dessa tecnologia se consolidou nos setores científico e industrial da Europa, para a produção de componentes de alta resistência estrutural, que podem apresentar resistência à tração de aproximadamente 1.600 MPa, ou superior, dependendo do material utilizado. Além disso, estas e outras propriedades mecânicas podem ser obtidas por um único componente, utilizando uma taxa de arrefecimento seletiva. Com o aprimoramento das propriedades dos aços, a espessura da parede e o peso do componente podem ser reduzidos, possibilitando a construção de estruturas leves e de alto nível de segurança.

Atualmente, componentes fabricados por press hardening contribuem para a redução de 25% do peso de um automóvel, sem prejudicar a segurança do veículo. Eles têm sido utilizados para a confecção de conjuntos estruturais com resistência a colisões como, por exemplo, reforço da coluna B, teto ou túnel. Tais fatores fomentam o interesse por este tipo de recurso.

Atuais desenvolvimentos em press hardening

No Instituto de Máquinas Ferramenta e Processos Produtivos (IWP), da Universidade Técnica de Chemnitz, e no Instituto Fraunhofer de Máquinas Ferramenta e Tecnologia de Conformação (UIL), ambos na Alemanha, foram realizados trabalhos na área de pesquisa, desenvolvimento e inovação no âmbito do programa “Energy- efficient Produc t and Process Innovations in Production Technology” (eni PROD), do cluster de excelência, cujo objetivo é a utilização de princípios de funcionamento, métodos construtivos e tecnologia para reduzir o consumo de energia primária na produção e aumentar a eficiência energética.

Fig. 3 – (a) croqui do ferramental utilizado e (b) representação esquemática dos tratamentos de austenitização.

 

Têmpera seletiva – processo e configuração da ferramenta

Recentemente têm sido desenvolvidas estratégias para o aquecimento e resfriamento da geratriz durante o press hardening ⁽²⁾. No que diz respeito à refrigeração, por exemplo, uma têmpera da geratriz com tempos de ciclo curtos e aumento da força de estampagem foi realizada com sucesso em uma peça produzida por fusão de feixe de laser, com arrefecimento dos canais muito próximos à cavidade. Já o aquecimento foi realizado por um sistema de placas adaptadas às geratrizes. Com o auxílio deste procedimento poderia ser obtido tratamento térmico seletivo na geratriz, como austenitização local durante o aquecimento, ou um tratamento térmico intermediário ⁽³⁾. A possibilidade de integrar o tratamento térmico seletivo ao processo de press hardening é motivo para investigar os aspectos metalúrgicos envolvidos durante a conformação a quente de chapas metálicas, em particular as mudanças de fase e seus efeitos sobre o comportamento mecânico resultante. O alumínio – silício (AlSi) – é o revestimento usado para ligas de aço 22MnB5, bem como o estabelecido para o processo. Esta liga oferece, além de alta resistência,

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por formação de fase martensítica, uma gama de combinações de fase ajustável que pode melhorar outras propriedades mecânicas relevantes: a ductilidade da chapa sob altas temperaturas ou a resistência à temperatura ambiente, tal como é ilustrado na figura 2 (pág. 19).

Como mencionado anteriormente, as propriedades mecânicas resultantes podem ser controladas pela integração do tratamento térmico ao processo de press hardening, isto é, por têmpera localizada (3-4). Para a otimização de propriedades, há quatro estratégias de produção: 1) austenitização parcial; 2) arrefecimento intermediário (antes da estampagem) (3 -5) ; 3) engenharia da ferramenta (integração de sistemas de aquecimento e arrefecimento) (5-6); e 4) pós-recozimento (por exemplo, processo de têmpera dividido) (7). Para esta pesquisa, o efeito de austenitização parcial e da temperatura da ferramenta sobre as propriedades mecânicas da liga de aço 22MnB5 resultante foi investigado. Para analisar este efeito, três tratamentos térmicos sob diferentes temperaturas de austenitização (900, 860 e 800oC), com subsequente arrefecimento controlado, foram realizados em uma ferramenta plana integrada a uma prensa (fig. 3 (a e b), pág. 19). As temperaturas da ferramenta utilizada nos experimentos variaram de 25 a 550oC. No entanto, o equipamento é capaz de aumentar a temperatura da ferramenta em até 600oC. A refrigeração com fluxo de água foi utilizada nos experimentos.

Foi selecionado um projeto específico de matriz para impedir a influência da conformação sobre os resultados experimentais. O arrefecimento da chapa foi controlado primariamente pela transferência de calor entre os componentes. Sendo as dimensões das geratrizes do ensaio de 58 x 42 x 1,5 mm, foi aplicada força de prensagem de 75 kN e pressão de contato de 40 N/mm2 em todos experimentos. As amostras submetidas ao teste de tração, que apresentavam comprimento de 58 mm (comprimento útil = 9,5 milímetros; raio = 3,5 mm), foram tratadas termicamente, usinadas e avaliadas em uma máquina universal de ensaios Zwick. Em todos os casos, no mínimo, duas amostras foram testadas sob tensão uniaxial. A taxa de deformação para todos os testes, em torno de 10 -3 s -1, foi constante. O tratamento térmico começa com a austenitização da chapa no forno e tempo de retenção de 10 min, como é mostrado esquematicamente na figura 3 (b) (pág. 19). Em seguida, a chapa austenitizada foi inserida diretamente na matriz. O tempo de fechamento da matriz foi de 3 s, sendo mantida uma pressão de contato por 10 s. Em seguida, a matriz foi aberta e a peça removida, sendo submetida ao resfriamento ao ar até que obtivesse a temperatura ambiente.

Os resultados da resistência máxima (Rm), a tensão de escoamento (Rp0,2) e o alongamento (A) são mostrados na figura 4 (pág. 22). Na amostra austenitizada a 900oC, a Rm e Rp0,2 diminuíram com o aumento da temperatura da ferramenta (fig. 4 (a)). O alongamento teve ligeiro aumento quando a temperatura da ferramenta foi maior que 400°C.

Após a austenitização a 860°C (fig. 4 (b)), a Rp0,2 e Rm também diminuíram com o aumento da temperatura da ferramenta. No entanto, os valores de Rm foram superiores aos obtidos no tratamento a 900°C, e os alongamentos das amostras nestas condições foram menores que aqueles para a condição anterior. Apenas a amostra arrefecida em uma ferramenta aquecida a 550°C desenvolveu um alongamento de 14%.

No caso da austenitização a 800°C (fig. 4 (c), pág. 22), a Rp0,2 e Rm também diminuíram com o aumento da temperatura da ferramenta. No entanto, estes valores foram os mais baixos de todos os resultados. Oposto a este, o alongamento das amostras aumentou progressivamente com o aumento da temperatura da ferramenta até obter um máximo de, aproximadamente, 24% a 550°C. Estes resultados, obtidos com base em parâmetros viáveis para o processo tecnológico, demonstraram que os tratamentos de austenitização parciais, juntamente com o controle da temperatura da ferramenta, poderão ser usados para influenciar significativamente as propriedades mecânicas do componente, além de permitir a utilização, adaptação e otimização delas.

Ferramental para propriedades seletivas

Outra estratégia de produção para a adaptação das propriedades pode ser embasada na engenharia da ferramenta. Para esta finalidade outros experimentos foram realizados considerando as mesmas configurações da ferramenta mostrada na figura 3 (pág. 19). Neste caso, foram estudados os efeitos do aquecimento da ferramenta até a temperatura de 400°C sobre diferentes materiais, sendo determinada a dureza dos componentes sobre os revestimentos aplicados. Para a confecção das ferramentas foram selecionados materiais com diferentes propriedades térmicas, aplicados em uma placa de contato superior e inferior (fig. 3, pág. 19). Em geral, os parâmetros que podem ser diretamente controlados nesse processo são os seguintes: temperatura da ferramenta, pressão de contato, tempo

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de transferência e tempo de têmpera. Além disso, a condutividade térmica (8) influencia diretamente as propriedades mecânicas resultantes. No entanto, este parâmetro não pode ser regulado durante o processo e é específico para cada material. Para esta investigação, a temperatura da ferramenta e a condutividade térmica foram os principais parâmetros variados. Por esta razão a pressão de contato e o tempo de têmpera foram mantidos constantes para todos os experimentos.

O procedimento experimental é o mesmo apresentado em outro trabalho (9). As geratrizes foram aquecidas a uma temperatura de 1.100°C durante seis minutos. Após a transferência

Fig. 4 – Tensão máxima (Rm), tensão de escoamento (Rp0,2) e alongamento (A) das amostras após os tratamentos térmicos a 900°C (a), 860°C (b) e 800°C (c).

manual para a ferramenta aquecida (25°C a 400°C), a matriz foi fechada. O tempo de têmpera, com pressão de contato de 40 N/ mm2, foi de 10 s antes de a ferramenta ser aberta, e a amostra foi removida e arrefecida até obter a temperatura ambiente. Também foi utilizada uma chapa de aço 22MnB5. A tabela 1 mostra todos os materiais e revestimentos usados nas ferramentas.

Para todos os revestimentos do mesmo material de substrato, ou seja, o aço-ferramenta Böhler Isobloc W360, foi definida uma dureza de 56,5 RC, que também representa a dureza do material não revestido. Trata-se de uma dureza maior em relação às adotadas no processamento de aço a quente, apresentando uma maior resistência à fadiga térmica e à fratura de sobrecarga devido à consistente aplicação de força a elevadas temperaturas (11). A camada cerâmica ZrO2 /Y 2O3 de isolamento térmico foi aplicada por plasma atmosférico de pulverização (atmospheric plasma spraying – APS). O sistema de camadas proporciona condutividade térmica de cerca de 2 W/ mK (12) e é usado na construção de turbinas, devido às propriedades de estabilidade térmica superiores a 1.000°C. O revestimento pulverizado foi investigado no estado “áspero como pulverizado”, em que era esperada uma menor transferência de calor. A rugosidade dos materiais investigados

é mostrada na tabela 2. Foram escolhidos materiais adicionais de elevada e de baixa condutividade térmica (HTCs-130, GTCS-550 e de óxido de cerâmica ZrO2 / MgO, respectivamente), cuja finalidade era abranger o potencial mínimo e má ximo de dureza da peça disponível, de acordo com os parâmetros experimentais, ao passo que os mesmos atuaram como os materiais de referência utilizados atualmente na fabricação de ferramentas de press hardening.

O aço HTCs-130 foi tratado termicamente até obter dureza de 42 RC, apresentando condutividade térmica de 62 W/mK (13). Além disso, um par de placas de cerâmica de óxido feitas de ZrO2/MgO foi preparado para os testes. A estrutura da peça de cerâmica pode ser vista na figura 5, que consiste em uma placa de base feita de Böhler W360 Isobloc, na qual foi soldada uma placa sólida com espessura de 9,15 mm. A brasagem foi realizada pelo Instituto de Ciência dos Materiais e Engenharia da T. U., na Alemanha.

Para determinar a dureza do componente submetido às temperaturas e ao contato do material da ferramenta, foram realizados ensaios específicos. A figura 6 mostra a dureza resultante após o procedimento de press hardening. Os valores da dureza do material 22MnB5 apresentam um desvio padrão de 25 HV1. A exceção foi o ZrO2 / MgO (9,15 mm), que tinha uma dureza de 35 HV1, menor em comparação com o não revestido Böhler W360 Isobloc a 200°C e 300oC. Isto poderia ser atribuído à transferência de calor mais lenta a partir da chapa para a ferramenta, com base na menor condutividade de calor de todos os materiais. Mas esta parece sofrer maior influência das temperaturas inferiores da ferramenta. Entretanto, pode ser estabelecido que os revestimentos finos de ferramenta como o ZrO 2 / Y 2O3, sob gradientes de temperatura de 20 a 400°C, não têm influência significativa sobre a dureza da chapa, mesmo se houver uma camada de baixa condutividade térmica. Se o efeito da rugosidade das áreas de contato do ZrO2/Y2O3 sobre os resultados de medição for considerado, nenhuma tendência poderá ser derivada a partir dos valores de dureza. Quando são postuladas propriedades seletivas, pode-se dizer que não é possível haver qualquer relação além de um efeito de suporte com o auxílio da condutividade térmica dos materiais para ferramentas. No entanto, este efeito somente ocorreu a partir de uma espessura específica da camada de baixa condutividade, cuja magnitude variou de 6 a 35 HV1, numa comparação entre

Fig. 5 – Placa cerâmica de ZrO2 /MgO (14)

Böhler W360 Isobloc e ZrO2 /MgO (9,15 mm). A temperatura da ferramenta teve a maior influência nos experimentos realizados, como Oldenburg (8) também mostrou em suas simulações. Em particular, as características estabelecidas por Ertürk et al. (15) e Banik (16) até uma temperatura da ferramenta de 400°C correspondem às características da dureza do aço mostradas por Böhler.

 

Press hardening na indústria brasileira

O uso da tecnologia de press hardening em linhas de produção no setor automobilístico no Brasil já é uma realidade. Atualmente, todas as montadoras no País utilizam aços de alta resistência na fabricação de seus veículos, ou pretendem usá-los. A percentagem de componentes desta classe produzidos no Brasil, no que diz respeito a carrocerias de automóveis, varia entre 8% e 10%, podendo chegar a 25% nos anos de 2018 e 2020 (17), tendo em vista as exigências acerca da redução de peso

Fig. 6 – Dureza final da chapa metálica em relação à temperatura da ferramenta ⁽¹⁴⁾

 

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de veículos, bem como melhorias no seu desempenho e segurança.

As exigências referentes ao processamento de aços de alta resistência têm obtido notoriedade no setor siderúrgico brasileiro, resultando no desenvolvimento de peças para automóveis com excelente conformabilidade e qualidade superficial. Neste sentido, destaca-se o desenvolvimento de aços de alta resistência avançados e aços galvanizados PHS (“Press Hardening Steel”). Vale ressaltar que os mais diversos segmentos da indústria metalmecânica brasileira podem se beneficiar da redução de custos e da melhoria dos seus produtos ao optar pelo press hardening, que, apesar de algumas restrições, tem um grande potencial para a produção de diversos componentes metálicos de alto desempenho ⁽¹⁸⁾.

Linhas de pesquisa e desenvolvimento

As tecnologias de press hardening já estão bem estabelecidas nos EUA e na Europa, apesar de haver pendências a serem resolvidas. No Brasil, onde a implementação desse recurso ocorreu em um segundo momento, as pendências vão além dos aspectos técnicos e estão relacionadas à necessidade de uma maior disseminação desta tecnologia, além de suporte para a sua implementação no setor metalmecânico. Uma alternativa para resolver tais impasses é o desenvolvimento de projetos a partir da cooperação de instituições estrangeiras de pesquisa.

Atualmente, a Alemanha tem destaque em parcerias com o Brasil para o desenvolvimento de tecnologias para a conformação de metais. Um dos desenvolvimentos recentes de cooperação consiste em aumentar a vida útil de matrizes para press hardening, que sofrem desgaste excessivo devido às condições complexas de trabalho. Avanços nesta área podem proporcionar a redução da manutenção de ferramentas e dos respectivos custos, aumentando a produtividade, reduzindo a quantidade de componentes sem especificação, entre outros fatores. Neste sentido, investigações térmicas e tribológicas de novos materiais para as ferramentas de press hardening (por exemplo, cerâmica técnica) poderão aumentar a eficiência energética do processo e otimizar o projeto da ferramenta. Portanto, a cooperação entre Brasil e Alemanha, visando aprimorar o processo de press hardening, pode resultar em avanços relevantes para a consolidação desta tecnologia.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pelo projeto eniPRO D : The Cluster of Excellence, “Energy-Efficient Product and Process Innovation in Produc tion Engineering”, e financiado pela União Europeia (European Regional Development Fund) e pelo Free State of Saxony (Estado Livre da Saxônia).

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