Por Taylan Altan e equipe do Center for Precision Forming (CPF)*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de agosto de 2010.

 

Graças ao crescimento contínuo promovido pela indústria automobilística nos requisitos de segurança do veículo e sua resistência às colisões, o uso de aços com ultra-alta resistência mecânica em componentes automotivos estruturais e de segurança está crescendo rapidamente.

 

Os requisitos mais severos quanto ao desempenho do veículo em caso de colisão podem ser cumpridos pela estampagem a frio somente no caso de chapas de aço com maiores espessuras, o que resulta em aumento de peso.

 

Fig. 1 – Classificação dos aços em função de sua resistência mecânica e alongamento.

 

 

A estampagem a frio permite a produção de formatos simples com resistência mecânica muito alta, de até 1.200 MPa, tais como os encontrados em barras para impacto lateral. Contudo, os aços com resistência mecânica ultra-alta impõem um grande desafio em relação ao processamento, em razão de sua conformabilidade limitada e do acentuado efeito mola (springback) que sofrem sob temperatura ambiente.

 

Logo, quando a complexidade da peça aumenta, como no caso das colunas “B”, somente graus de aço com menor resistência mecânica podem ser processados por estampagem a frio. Componentes com resistência mecânica menor do que 1.000 MPa e formatos complexos podem ser fabricados em várias etapas com o uso de matrizes progressivas ou prensas transfer.

 

A figura 1 mostra uma classificação dos aços de acordo com suas características de resistência mecânica e alongamento. A estampagem a quente de aços ao boro com têmpera na matriz surgiu no final da década de 1990 para a produção de algumas peças automotivas muito simples, tais como barras para portas e para-choques. Esse processo pode superar algumas das dificuldades típicas associadas à estampagem a frio.

 

Fig. 2 – A conformação e a têmpera são combinadas em uma única operação no processo de estampagem a quente. São usados dois processos diferentes: a) indireto; e b) direto ⁽⁵⁾.

 

 

Por exemplo, a estampagem a quente do aço-liga ao boro temperável 22MnB5 pode produzir peças complexas e resistentes à colisão, tais como para-choques e colunas, com ultra-alta resistência mecânica, efeito mola mínimo e feitas a partir de chapas com menores espessuras (figura 2).

 

O limite de resistência dos aços ao boro atinge até 1.600 MPa, valor que está muito acima dos graus com resistência mecânica máxima dos aços convencionais para estampagem a frio.

 

 

Processo de estampagem a quente

 

Na estampagem a quente, a conformação e a têmpera são combinadas em uma única operação. São usados dois métodos diferentes: direto e indireto.

 

Método direto 

No método direto (figura 2b), os blanques são austenitizados sob temperaturas entre 900 e 950 °C, durante 4 a 10 minutos, dentro de um forno alimentado de forma contínua.

 

A seguir eles são deslocados, por um equipamento de transferência, para uma matriz com resfriamento interno. Sob altas temperaturas (650 a 850 °C), o material apresenta excelente conformabilidade, de maneira que formatos complexos podem ser conformados em um único ciclo.

 

Fig. 3 – A estampagem a quente tem mostrado desenvolvimento e crescimento excepcionais para diversas peças estruturais, incluindo barras destinadas à fabricação de para-choques frontais e traseiros, colunas “A” e “B”, trilhos para tetos, membros para trilhos laterais, túneis e barras para portas.

 

 

Os blanques são estampados e resfriados sob pressão durante um período específico de tempo, definido de acordo com a espessura da chapa, após a profundidade de embutimento ter sido alcançada. Durante esse período, a peça conformada é resfriada no ferramental fechado, o qual é resfriado internamente por circulação de água, sob velocidades de resfriamento entre 50 e 100 °C/s, completando o processo de têmpera (transformação martensítica) ⁽¹⁾.

 

O tempo total de ciclo para transferência, estampagem e resfriamento na matriz varia entre 15 e 25 segundos. Finalmente, a peça deixa a linha de estampagem a quente sob aproximadamente 150 °C e com altas propriedades mecânicas: limite de resistência de 1.400 a 1.600 MPa e limite de escoamento entre 1.000 e 1.200 MPa ⁽²⁾.

 

Método indireto

Ao contrário do processo direto, a estampagem a quente indireta inclui uma etapa em que a peça é estampada a frio, em uma matriz convencional sem aquecimento, até cerca de 90 a 95% de seu formato final. Segue-se uma operação de aparamento parcial, dependendo da tolerância das bordas (figura 2a).

 

A seguir as pré-formas são aquecidas até a temperatura de austenitização em um forno contínuo e temperadas na matriz. A razão para essa etapa adicional é a ampliação dos limites de conformação, que se faz necessária para a manufatura de peças com formato muito complexo ⁽³⁾.

 

Uso crescente

 

Atualmente, a maioria das montadoras automotivas norte-americanas e europeias está especificando peças estampadas a quente para seus novos veículos, com o objetivo de aproveitar as vantagens associadas aos níveis superiores de resistência mecânica alcançados pela conformação a quente seguida de têmpera.

 

A estampagem a quente tem mostrado desenvolvimento e crescimento excepcionais para diversas peças estruturais, incluindo barras destinadas à fabricação de para-choques frontais e traseiros, colunas “A” e “B”, trilhos para tetos, membros para trilhos laterais, túneis e barras para portas (figura 3).

 

Em 2004 o consumo total estimado de aços planos ao boro destinados para estampagem a quente e têmpera na matriz situou-se em torno de 60.000 a 80.000 toneladas somente na Europa. Em 2008 esse consumo já alcançava 300.000 toneladas.

 

Esta é a primeira parte de uma série de três artigos que abordam a estampagem a quente de aços ao boro. A parte dois tratará da microestrutura dos aços ao boro e os revestimentos aplicados sobre a superfície da chapa, enquanto a parte três abordará a aplicação da simulação por elementos finitos ao processo de estampagem a quente.

 

Referências

 

1) Hein, P. et al.: Hot Stamping of USIBOR 1500P: Part and Process Analysis Based on Numerical Simulation. In: International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Proceedings. Stuttgart, 2006; p. 163-175.

 

2) Ibid.

 

3) Tröster, T.; Rostek, W.: Advanced Hot Forming. In: International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Proceedings. Stuttgart, 2004; p. 49-63.

 

4) Kolleck, R. et al.: Hot Forming and Cold Forming – Two Complementary Processes for Lightweight Auto Bodies. In: International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Proceedings. Stuttgart, 2004; p. 235-244.

 

5) Engels, H.; Schalmin, O.; MüllerBollenhagen, C.: Controlling and Monitoring of the Hot-Stamping Process of Boron-Alloyed Heat-Treated Steels. In: International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Proceedings. Stuttgart, 2006; p. 135-150.

*Este estudo foi preparado pela equipe do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF), anteriormente denominado Centro de Pesquisa em Engenharia para Manufatura Próxima do Formato Final (Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing, ERC/NSM), associado à Ohio State University (Columbus, Estados Unidos). Taylan Altan (www.ercnsm.org) é professor e diretor do instituto. Este artigo foi publicado originalmente na seção “R&D Updates” do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de agosto de 2010 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

Tecnologia em conformação

---