Taxas de Resfriamento Otimizadas de Aços Microligados (Parte I

• Química microligada consistente

• Alta limpeza

Aço Aquecimento

• Indução otimizada ou aquecimento de forno a gás • Projeto de ferramental otimizado para operações de enchimento da cavidade e forjamento

Forjamento Resfriamento

• Projeto de ferramental otimizado para operações de enchimento da cavidade e forjamento

Fig. 2

lorado School of Mines (CSM) propôs experimentos de laboratório para identificar taxas de resfriamento ideais para aços microligados. Ao revisar a proposta, representantes da Jernberg Industries e da SFTC - Scientific Forming Technologies Corporation discutiram como os mesmos dados poderiam aprimorar a prática industrial atual. Além disso, os mesmos dados podem aprimorar simulações para reduzir futuros ciclos de desenvolvimento de processos. As empresas colaboraram na integração total desse conteúdo para modelagem aprimorada e precisa (Fig. 2).

A modelagem mecanicista é apropriada quando um processo é bem compreendido e pode ser quantificado com equações. Um exemplo simples é o de um objeto caindo através do ar a partir de uma altura conhecida perto da superfície da Terra. Se o arrasto aerodinâmico é negligenciado, a velocidade de queda é uma função da altura com certeza e precisão. Da mesma forma, no forjamento, a transferência de calor é diretamente simulada com precisão excepcional, assumindo que os modelos incorporem dados físicos válidos.

Ao simular processos complexos, as equações exatas geralmente não estão disponíveis. Nesses casos, o analista freqüentemente recorre à modelagem empírica. Essa técnica inverte o comportamento de processos conhecidos. Um bom exemplo na indústria de forja é o modelo Archard, que é um excelente indicador de desgaste. Embora imperfeitos, os modelos empíricos são excelentes ferramentas de engenharia. Os modelos empíricos geralmente exigem algum ajuste fino para corresponder a uma variedade de processos.

Colorado School of Mines

Experimentos de laboratório conduzidos para identificar taxas de resfriamento ideais, financiados pela Forging Industry Educational Research Foundation (FIERF).

SFTC & Jernberg Industries

Produção simulada e verificada por meio de testes de peças físicas. Dados integrados de todas as fontes para validar, complementar e combinar os dados com os respectivos modelos.

A modelagem probabilística é usada quando defeitos significativos ocorrem em um processo com baixa frequência. Por exemplo, certas técnicas de modelagem prevêem fraturas ocasionais ou grãos grandes que podem levar à falha em serviço de um componente forjado.

Taxas críticas de Resfriamento e Microestrutura

Para aços microligados com vanádio com uma microestrutura ferrita- -perlita, a maior resistência ocorre quando o carbonitreto de vanádio finamente disperso precipita a forma como precipita a interfase. Em outras palavras, os precipitados se formam ao mesmo tempo em que a austenita se decompõe em ferrita e perlita (Fig. 3).

Para aços microligados, a taxa de resfriamento é crítica para produzir precipitação entre fases e maximizar a correspondente resistência e dureza. Como se deseja que a formação do precipitado ocorra simultaneamente com a decomposição da austenita, há também uma região crítica de temperatura sobre a qual a taxa de resfriamento precisa ser mantida.

Para um forjamento de tamanho razoável, verificou-se que as taxas de resfriamento dentro de uma bandeja após o forjamento variam de 0,06 a 0,2°C / segundo, dependendo da localização - inferior, média ou superior. Essas taxas de resfriamento costumam ser muito lentas para a formação de precipitados interfásicos em aços microligados com vanádio. É necessária uma taxa mais rápida, geralmente realizada por ventiladores de ar e uma esteira transportadora ou acelerada com um spray de névoa de água, para garantir uma microestrutura ideal

Tabela 1

Tabela 2

com as propriedades correspondentes.

O grande desafio no desenvolvimento do processo de resfriamento pós-forjamento é projetar e implementar a melhor taxa de resfriamento para obter propriedades máximas para um determinado aço de forjamento microligado. Voltando à Metalurgia 101 (Metallurgy 101): o processo determina a microestrutura determina as propriedades!

Químicas e Microestrutura

Para determinar a taxa de resfriamento crítico, três aços microligados de vanádio para forjados foram investigados nos laboratórios da CSM como parte de um projeto patrocinado pela FIERF. A tabela I lista a composição nominal desses aços.

As amostras foram usinadas a partir do raio médio das barras de aço. Cada amostra foi tratada termicamente em uma Gleeble 3500 (nota do editor: Gleeble 3500 é um equipamento de teste térmico e mecânico). As amostras foram aquecidas a 1200°C a uma taxa de 10°C / segundo, mantidas por 60 segundos e depois resfriadas a várias taxas. A faixa de temperatura de transformação para formação de ferrita e perlita foi determinada por análise dilatométrica dos dados da Gleeble. A microestrutura e a dureza foram determinadas após o tratamento

400

150V30M

Dureza (HV) 350

300

Taxa de resfriamento crítica

250

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Taxa de Resfriamento (°C/s)

térmico e o resfriamento.

A faixa de temperatura crítica para todos os três aços, acima das taxas de resfriamento testadas, foi de 700 a 500°C. A Figura 4 mostra os dados de dureza versus taxa de resfriamento para a liga de aço 15V30M. A dureza atinge o pico quando a taxa de resfriamento é de cerca de 0,6°C / segundo. A faixa de taxas de resfriamento em que os valores máximos de dureza são obtidos está entre 0,4-0,9°C / segundo.

Dados semelhantes de dureza versus taxa de resfriamento foram obtidos para os aços 38MnVS6 e 15V41. A Tabela 2 mostra as taxas de resfriamento nas quais a dureza máxima é atingida para cada um dos aços. Note-se que a temperatura crítica em que essas taxas de resfriamento devem ser mantidas é de 700 a 500°C.

Reconhecimentos

Os autores agradecem à Jernberg Industries por suas contribuições nos experimentos, testes de produção e relatórios de projetos envolvidos nesses esforços. Markus Knoerr, vice-presidente de engenharia de Jernberg na época, é creditado com o conceito original do projeto FIERF. A equipe também agradece ao FIERF por apoiar os esforços da CSM e apoiar a transferência de tecnologia em todo o setor, pois fornece peças acessíveis e de alta qualidade para aplicações exigentes.

Continuação

Procure a Parte II deste artigo na próxima edição da FORGE, onde ilustraremos como os dados de taxa de resfriamento gerados na Colorado School of Mines foram aplicados para melhorar a modelagem de resfriamento. Usando esses e outros dados, a equipe desenvolveu um modelo para correlacionar a dureza à taxa de resfriamento, que é um conceito extremamente poderoso para o forjador em design de processos, previsão de propriedades de peças e garantia de qualidade.

James Miller é diretor de vendas e marketing e colaborador frequente da FORGE. John Walters é vice-presidente da Scientific Forming Technologies Corp. (SFTC), de Columbus, Ohio, EUA. Eles podem ser contatados em jmiller@deform.com e jwalters@deform.com, respectivamente ou em +1 614-451-8330. Co-autor e colaborador frequente da FORGE, Chet van Tyne é Professor Emérito, Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, EUA. Ele pode ser contatado em cvantyne@mines.edu.

Estudo de Caso Real Para Capacitação de Forjarias Brasileiras na Simulação Numérica

Alfredo Antonio Jacques Martinelli, Gabriel Gambirazio Grau de Oliveira, Lucas Gibrail, Lucas Scardelatto, Marcos Paulo Reis de Souza, Pedro Henrique Simões Bento Falcirolli, Rafaela Adriana Uribe Pinto, Renan Prado Ribeiro, Rodrigo Pires Caetano, Vinícius Roque Novo e Prof. Dr-Ing. Mauro Moraes de Souza - Centro Universitário FEI – São Bernardo do Campo, Brasil

Projeto de Parceria Entre Forjaria Brasileiras e o Departamento de Engenharia Mecânica Plena do Centro Universitário FEI.

A

utilização da simulação numérica está se tornando cada vez mais comum para aqueles que planejam estudar o comportamento dos materiais e das matrizes em forjamento, como o preenchimento das cavidades, ocorrência de defeitos, previsão de possíveis falhas em ferramentas e otimização de processo em um ambiente virtual [1] . Isso acontece, pois, a simulação é capaz de resolver equações diferenciais de geometrias complexas sob grandes deformações de maneira mais rápida que os cálculos manuais e com precisão superior aos mesmos. Esses métodos computacionais são possíveis pois discretizam peças complexas em

Fundido Usinado Forjado

Sem fluxo de grãos Não ótimo/ fluxo de grão interrompido

Ótimo/ fluxo de grãos interrompidos

2% do volume são poros e pequenas cavidades

Poros e pequenas cavidades são soldadados por processos de conformação como laminação ou forjamento

pontos (nós), que são ligados entre si e formam os “elementos”, que, por sua vez, juntos formam a chamada “malha”, a qual permite resolução dos cálculos de esforços através de formulações diretas ou não das matrizes que interligam os elementos [2] .

Essa importância pode ser observada, também, através da análise dos artigos e colunas do principal meio de publicação do forjamento – a edição brasileira da revista Forge – a qual mostra que, há mais de 8 anos, a simulação vem sendo palco de discussões sobre tecnologia, otimizações e sustentabilidade para as forjarias. Um terço dessas publicações, feitas nas edições de abril de 2015 e de outubro de 2018, discutiam assuntos relacionados à simulação. Sua importância é tanta que, em abril de 2013, a revista Forge publicou sua primeira capa dedicada a um