Por Eren Billur. Orientação de Taylan Altan*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de fevereiro de 2011.

 

Os aços avançados de alta resistência mecânica (AHSS, de advanced high strength steels) são usados extensivamente na indústria automotiva para ajudar a melhorar a segurança em caso de colisões e reduzir o peso do veículo. Contudo, a maior resistência mecânica desse tipo de aço leva a um aumento dramático do chamado efeito mola (springback) e da carga de conformação (e, consequentemente, da pressão de contato) em comparação com aços que apresentam menor resistência.

 

Em muitos casos as pressões de conformação são propositadamente aumentadas para reduzir o efeito mola, mas isso pode contribuir para aumentar o desgaste do ferramental e sua descamação. Portanto, é necessário explorar o uso de novos materiais para ferramentas e modificações de superfície ⁽¹⁾.

 

Fig. 1 – Os cinco principais mecanismos de falha em ferramentas de conformação e as alterações recomendadas para evitá-los ⁽²⁾.

 

 

Tipos de falhas em ferramentas e suas causas

 

A figura 1 resume os principais modos de falhas que ocorrem em ferramentas relacionadas com o desgaste da matriz e as etapas necessárias para se evitar essas falhas ⁽²⁾.

 

• Desgaste – É o dano a uma superfície sólida envolvendo perda ou deslocamento de material. O desgaste é causado pelo contato por deslizamento entre a peça sob processamento e o ferramental. Os dois principais tipos de desgaste são: abrasivo, causado por partículas duras em movimento forçadas contra uma superfície sólida; e adesivo, causado por uniões localizadas entre superfícies sólidas em contato, levando à transferência de material entre essas superfícies.

 

• Deformação plástica – É causada pela pressão de contato que excede o limite de escoamento sob compressão do material do ferramental.

 

• Lascamento – É o resultado de tensões que excedem a resistência à fadiga do material que constitui o ferramental.

 

• Descamação – É uma forma de dano causada pelo deslizamento entre dois sólidos. Ela frequentemente inclui escoamento plástico, transferência de material ou ambos.

 

 

Quatro fatores principais afetam essas falhas:

 

1 – Pressão de contato: a pressão local de contato entre a chapa e o ferramental afeta todos os tipos de falha. Como a estampagem de aços AHSS requer pressões de contato elevadas, a probabilidade de se observarem falhas no ferramental aumenta significativamente em comparação com a estampagem de aços com menor resistência mecânica. Para um dado material de chapa, a pressão de contato pode ser reduzida via projeto da matriz – por exemplo, com o uso de maiores raios, ou reduzindo-se a espessura da chapa;

 

2 – Qualidade superficial: embora a superfície do ferramental seja muito mais lisa do que a da chapa, a qualidade da superfície do ferramental afeta a descamação. O polimento das superfícies do ferramental antes e depois da aplicação do revestimento ajuda a evitar sua descamação. A rugosidade da chapa possui pouca influência sobre a falha do ferramental;

 

3 – Revestimento do ferramental: um revestimento adequado, com baixo coeficiente de fricção, é crucial para reduzir a descamação e o desgaste do ferramental;

 

4 – Lubrificação: a conformação dos aços AHSS requer lubrificantes com melhor desempenho, possivelmente envolvendo o uso de aditivos de pressão extrema, em função dos altos valores de pressão e temperatura observados durante o processo.

 

Fig. 2 – O revestimento depositado a partir do vapor por via química requer temperaturas mais altas do que as do depositado a partir do vapor por via física, e similares às dos depositados por difusão térmica ⁽³⁾.

 

 

Tratamentos e revestimentos superficiais

 

Tratamentos e revestimentos superficiais ajudam a prolongar a vida do ferramental e a reduzir o índice de fricção. Tratamentos térmicos, nitretação e revestimento com cromo duro encontram-se entre as técnicas mais comumente utilizadas. Contudo, elas podem falhar sob os altos níveis de pressão de contato presentes na estampagem dos aços AHSS.

 

Três revestimentos são tipicamente usados para as matrizes de estampagem de aços AHSS: deposição física de vapor (PVD, physical vapor deposition), deposição química de vapor (CVD, chemical vapor deposition) e difusão térmica (TD, thermal diffusion).

 

A deposição química de vapor requer temperaturas mais elevadas do que as observadas na deposição física (figura 2) e com valores similares aos vigentes na difusão térmica. As altas temperaturas podem provocar o amaciamento da matriz, a qual precisará então de um processo de “retêmpera”.

 

Esse processo também pode causar distorção dimensional ^(3,4). Os materiais para revestimento mais comumente usados nos processos de deposição física e química de vapor são nitretos (tais como TiN e CrN), carbetos (tais como TiC e WC/C), filmes de lubrificantes sólidos (tais como DLC – revestimento do tipo diamante e MoS2) ou uma combinação deles. 

 

Fig. 3 – Matriz para conformação industrial projetada para a estampagem de colunas B ⁽⁷⁾.

 

 

Uma vez que muitos revestimentos à base de vapor depositado por via física ou química são frágeis, eles são aplicados para aumentar a rigidez de substratos, de forma que geralmente o aço rápido é submetido ao endurecimento superficial antes da aplicação do revestimento.

 

O revestimento duplex, que consiste na nitretação e aplicação de revestimento depositado fisicamente a partir de vapor, é muito comum ^(3,6). Em razão do alto custo dos aços-ferramenta revestidos, as grandes ferramentas de conformação são feitas com materiais macios e relativamente baratos, tais como ferro fundido ou aços-ferramenta de baixo grau. Nos locais sujeitos a desgaste severo, eles são substituídos por insertos de aços-ferramenta de alto grau revestidos (figura 3).

 

Esta é a primeira parte de uma série de três artigos que abordam os materiais usados na fabricação de matrizes para conformação de aços avançados de alta resistência mecânica (AHSS, advanced high strength steels), e os tratamentos usados para inibir a ocorrência de falhas em sua superfície. A segunda e a terceira parte trarão conteúdo sobre como avaliar e selecionar materiais para a construção de matrizes usadas em aplicações específicas.

 

Referências

 

1) Bergström, J.; Krakhmalev, P.; Gåård, A.; Lindvall, F.: Galling in Sheet Metal Forming; Proceedings IDDRG 2008.

 

2) Uddeholm & Ssab: Tooling Solutions for Advanced High Strength Steels, Selection Guidelines, 2008.

 

3) Hogmark, S.; Jacobson, S.; Larsson, M.: Design and Evaluation of Tribological Coatings, Wear, 246, p. 20- 33, 2000.

 

4) Janoss, B.: Selecting, using tool coatings to stamp AHSS. The Fabricator, July 2008.

 

5) Hogmark et al.

 

6) Janoss, B.

 

7) Liljengren, M.; Kjellsson, K.; Johansson, T.; Asnafi, N.: Die Materials, Hardening Methods and Surface Coatings for Forming of High, Extra High & Ultra High Strength Steel Sheets (HSS/EHSS/ UHSS), proceedings IDDRG 2008.

*Este estudo foi preparado por Eren Billur, pesquisador do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF – www.cpforming.org) da Ohio State University (Columbus, EUA), sob a orientação de Taylan Altan (www.ercnsm.org), 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 fevereiro de 2011 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

Tecnologia em conformação

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