Na indústria transformadora, o produto é muitas vezes moldado e montado com ferramentas de aço. Essas ferramentas variam desde as familiares e não especializadas, como furadeiras e chaves de fenda, até equipamentos mais especializados, como matrizes para fundição de metal fundido ou para conformação de peças como painéis de automóveis (na engenharia, conformação significa forjamento ou estampagem). Existem muitos tipos de aço para ferramentas. O aço ferramenta para corte de metal é normalmente escolhido em uma família chamada de aços rápidos (HSS), que leva esse nome porque permanecem duros e resistentes ao desgaste até 600 graus Celsius (C). O HSS pode cortar metais em altas velocidades em comparação com ferramentas de aço mais comuns, que começariam a amolecer acima de 200 graus C, aproximadamente. Existe uma distinção semelhante entre os tipos de aços usados para fundir ou formar metal. Nessas operações, os engenheiros falam em aço para ferramentas para trabalho a quente e aço para ferramentas para trabalho a frio. O aço para ferramentas para trabalho a quente é usado para matrizes que mantêm metais fundidos, como alumínio e zinco, no lugar até que o líquido solidifique, ou para formar metal acima de 200 graus C (aproximadamente), enquanto o aço para ferramentas para trabalho a frio é usado para formar metal abaixo do mesmo temperatura.
Introdução
Na indústria transformadora, os termos «ferramenta» e «aço ferramenta» têm um significado técnico especial. Eles são usados para descrever uma parte do maquinário de fabricação que entra em contato com o produto e o aço de que essa peça é feita, se for feita de aço (como normalmente é).
As ferramentas, assim definidas, podem ser utilizadas para fins de corte, fundição ou conformação.
Corte é a ação executada por uma furadeira ou ferramenta de ponta única em um torno. É também a ação realizada pelo ferramental multiponto de uma fresadora ou lâmina de serra.
Formação do elenco é a ação de manter o metal fundido, ou qualquer outro material fundido, no lugar até que solidifique.
Formando é a ação de forjar, dobrar ou estampar uma peça sólida, de modo que sua forma seja alterada sem perda de material.
Às vezes, essas ações são combinadas, por exemplo, quando uma prensa corta um círculo em uma folha de metal e simultaneamente o transforma na base de uma panela.
Neste uso técnico, a máquina que segura a ferramenta e os materiais de que é feita a máquina que segura a ferramenta são geralmente referidos separadamente da própria ferramenta.
A história dos aços para ferramentas
Os primeiros aços para ferramentas foram provavelmente aqueles usados para fazer instrumentos tradicionais como martelos, bigornas, facas e machados. A princípio, este era dificilmente distinguível do ferro comum feito pelas técnicas mais primitivas.
Mas com o passar do tempo, os ferreiros tradicionais aprenderam a alterar as propriedades do ferro para torná-lo mais duro para alguns usos e mais resistente para outros. Essas formas modificadas de ferro tornaram-se as primeiras formas verdadeiras de aço.
Nos primórdios da produção de aço, há mais de três mil anos, os ferreiros descobriram que, aquecendo o ferro de uma determinada composição e depois mergulhando-o em óleo ou água, este poderia tornar-se mais duro do que se simplesmente arrefecesse naturalmente. Por “uma certa composição”, quero dizer ferro que continha cerca de um por cento em peso, ou mais, de carbono dissolvido quando estava quente. A têmpera repentina impediria que o carbono saísse da solução para formar partículas comparativamente grandes de carboneto de ferro em uma matriz de ferro relativamente puro e macio. Em vez disso, o processo de têmpera prendeu os átomos de carbono no que era agora uma matriz tensa de ferro e carbono chamada martensita, que é mais difícil de deformar.
É claro que toda essa química não era conhecida na época. Em vez disso, os ferreiros de antigamente trabalhavam de acordo com várias regras práticas. Na língua inglesa, isso dá origem à expressão “arte negra”. O trabalho dos ferreiros era mais uma arte do que uma ciência, era sujo e negro em termos físicos e, além disso, ninguém sabia realmente o que os ferreiros estavam fazendo. Eles estavam aliados a demônios do poço de fogo do Inferno? Por todas estas razões, o trabalho do ferreiro era conhecido como “arte negra”, um termo que hoje é aplicado a qualquer outro processo igualmente misterioso.
Imagem de domínio público de um ferreiro tradicional (1606 dC) via Wikimedia Commons
Com o tempo, a arte dos ferreiros tornou-se mais elaborada e habilidosa, embora ainda seja uma arte. Pedaços do aço mais duro seriam colocados onde estaria o fio da lâmina e combinados com pedaços de aço mais macio, porém mais resistente, para formar o volume da lâmina. Outro método de preparação inicial envolveu a precipitação de dendritos de carboneto em um único bloco de aço. No entanto, surgiu inicialmente, o compósito seria então batido, aquecido e dobrado muitas vezes para romper impurezas potencialmente fragilizantes e bolhas de gás, e para formar lâminas com corpos resistentes e bordas duras. Essas técnicas, que pelo nome incluíam os japoneses mokume-gane método e o Oriente Médio Damasco método, produziu aço com padrões rodopiantes que revelaram a estrutura subjacente, especialmente quando gravado. Ainda assim, havia pouca compreensão científica do que realmente estava acontecendo, em oposição a uma compreensão mais intuitiva e artística.
Uma espada japonesa feita pela técnica mokume-gane sobre um fundo de cota de malha. Fotografia de 'Dafannin', 12 de maio de 1986, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.
As coisas se tornaram mais científicas no final do século XVIII e início do século XIX. O surgimento da química moderna deixou claro que o aço da época era uma liga, na verdade um composto, de ferro e outros elementos; que o principal aditivo era o carbono; e que o carbono assumia diferentes formas em aço macio, aço duro e ferro fundido (onde a concentração de carbono era de cerca de quatro por cento em peso).
Ao aumentar a proporção de carbono no aço de maneira controlada, tornou-se possível produzir aços extraduros, embora um tanto frágeis, que eram bons para cortar outras formas de aço. Nasceram assim os primeiros aços-ferramenta de tipo moderno.
Esses primeiros aços para ferramentas combinavam uma matriz predominantemente de martensita (endurecida por têmpera) com inclusões adicionais de carboneto de ferro.
No entanto, eles sofriam a desvantagem de tenderem a amolecer acima de 200 graus Celsius, e isso limitava a taxa na qual poderiam ser usados para cortar outros aços.
Em 1868, o engenheiro escocês Robert Mushet, ele próprio filho de um dos primeiros mestres do ferro a reconhecer a importância do carbono, criou uma forma de aço que permanecia dura a temperaturas mais elevadas.
Conhecida como aço Mushet, a nova liga continha não apenas as quantidades usuais de carbono, mas quantidades ainda maiores de manganês e tungstênio. O aço Mushet também tinha a propriedade incomum de não precisar ser temperado em líquido. Foi o primeiro aço “endurecido ao ar”: um aço que endureceu a níveis semelhantes aos da martensita simplesmente pelo resfriamento do calor vermelho em um jato de ar.
No início de 1900, as propriedades do aço Mushet foram melhoradas ainda mais pelo engenheiro americano Frederick Winslow Taylor e seus colegas. O resultado ficou conhecido como aço rápido (HSS). O HSS permanece utilmente duro até 500 ou mesmo 600 graus Celsius: daí o seu nome, pois pode ser usado para cortar outros aços em velocidades ainda mais altas do que o aço Mushet. Juntamente com o ferro e o carbono que são comuns a todos os tipos de aço, a maioria das ligas HSS continua a incluir grandes quantidades de tungstênio, além de cromo, que substituiu o manganês da formulação inicial do Mushet.
Hoje em dia, as pontas de metal duro são frequentemente usadas para as aplicações mais exigentes de corte de metal, embora os aços rápidos continuem sendo o material preferido para a fabricação de lâminas de serra e brocas helicoidais, para as quais a inserção de pontas de metal duro normalmente seria impraticável, especialmente nos diâmetros menores e nos graus de tamanho de dente mais fino.
Mas e quanto à fundição e conformação?
Até agora, descrevi melhorias nos aços-ferramenta usados para cortar coisas, desde as primeiras lâminas até as modernas ferramentas industriais de HSS. No entanto, a distinção moderna entre aço para ferramentas para trabalho a frio e aço para ferramentas para trabalho a quente realmente se aplica aos aços usados para fundição e conformação.
Os aços para trabalho a quente são usados para processos onde a temperatura da ferramenta excede 200 graus Celsius (392 graus Fahrenheit).
Os aços para ferramentas para trabalho a frio são usados para processos onde a temperatura da ferramenta permanece abaixo de 200 graus Celsius.
A linha divisória de 200 graus Celsius não é absolutamente rígida e rápida, visto que existem muitas ligas diferentes com propriedades diferentes, mas é uma linha divisória convencional amplamente referida na literatura.
Com todas as formas de aço para ferramentas, as principais causas de falha são quebra, deformação (especialmente deformação permanente ou “plástica”), desgaste superficial e desenvolvimento de trincas por fadiga superficial causadas por tensões cíclicas. As tensões cíclicas são de origem mecânica e térmica; tensões térmicas são um problema especialmente sério para aços para ferramentas para trabalho a quente.
Aços para ferramentas para trabalho a frio
Os aços para ferramentas para trabalho a frio são geralmente aços com alto teor de carbono, normalmente contendo cerca de um a um e meio por cento de carbono em peso. Os tipos mais comuns são graus de baixa liga para endurecimento em óleo, graus de liga média para endurecimento ao ar e graus de alto carbono e alto cromo.
Os graus de baixa liga para endurecimento em óleo são os mais baratos. Exceto pelo fato de conterem menos impurezas, eles são praticamente iguais às formas antigas de aço para ferramentas usadas antes do aço Mushet.
As ligas médias endurecidas ao ar endurecem com menos distorção do que os aços que precisam ser temperados. Eles também podem ser endurecidos em seções mais espessas do que o aço temperado em óleo, até 100 milímetros ou mais.
Classes com alto teor de carbono e alto cromo, que são endurecidas por têmpera em óleo ou ao ar, dependendo de sua composição exata, são as mais resistentes ao desgaste.
Os aços para ferramentas para trabalho a frio são normalmente usados para uma infinidade de usos industriais diários, incluindo:
- Fundição sob pressão de plásticos
- Matrizes para moldar painéis metálicos finos, como painéis curvos de carroceria de automóveis
- Mandris e centros de torno
- rolos
- Matrizes formadoras de rolos para roscas de parafusos e recartilhamento
- Brochas, alargadores, machos e mandris
- Rodas e suportes trabalhando de arame e tubos frios
- Tesouras, lâminas e outras ferramentas de corte, para aplicações onde o corte é breve e pouco calor será gerado
- Gauges
- Matrizes para moldagem, desenho e perfuração
Aços para ferramentas de trabalho a quente
Assim como o aço Mushet e os primeiros aços rápidos, os aços para ferramentas para trabalho a quente tradicionalmente incluíam grandes quantidades de tungstênio como elemento de liga. No entanto, também existem aços para ferramentas para trabalho a quente que possuem o cromo como principal elemento de liga e outras classes que possuem o molibdênio como principal elemento de liga.
Junto com corte e perfuração de metal em alta velocidade, os aços para ferramentas de trabalho a quente são normalmente usados para:
- Fundição sob pressão de metais
- Extrusão
- Forjar
- Fabricação de produtos de vidro
Seleção de Materiais para Fundição
Os processos de fundição para os quais o aço ferramenta é usado são chamados de fundição sob pressão, nos quais a ferramenta serve como uma matriz, conferindo uma forma detalhada ou comparativamente precisa ao artigo final de maneira mais fiel e repetível do que é possível com a fundição em moldes de areia.
A fundição sob pressão provavelmente se originou com a fundição de letras para tipos móveis em 1400 dC, em matrizes abertas no formato de cada letra. No sentido moderno, o metal é injetado sob pressão em um molde feito de duas ferramentas opostas, que ele preenche com precisão.
As ferramentas de matriz para plásticos são comumente feitas de tipos especiais de aço para trabalho a frio, conhecidos como aços P, de alumínio ou de ligas de berílio-cobre. As vantagens do cobre e do alumínio, para este uso, incluem uma condutividade térmica muito maior e, consequentemente, um resfriamento mais rápido e uniforme do que o aço.
Por outro lado, os moldes de aço duram mais (até milhões de ciclos) e podem resistir melhor à erosão por jatos de plástico em movimento rápido, especialmente se contiverem reforços compósitos abrasivos, como fibra de vidro. Alguns acabamentos de superfície também só podem ser obtidos de forma confiável com aço.
Seleção de Materiais para Processos de Conformação
Os processos de conformação de metal para os quais são utilizados aços para ferramentas para trabalho a frio geralmente não envolvem um grau muito alto de deformação em massa do metal. A transmissão de roscas de parafuso à superfície de uma haste por laminação, ou a prensagem de uma folha plana de metal nas curvas complexas de um painel de carroceria de automóvel, são típicos de processos de conformação a frio nesse sentido.
Rolamento a frio de uma rosca de parafuso. Gráfico de 'Tosaka', 12 de outubro de 2009, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.
Os processos de trabalho a frio muitas vezes conferem algumas melhorias à qualidade do metal através da reorientação da estrutura cristalina do metal e encruamento, embora o efeito na estrutura cristalina seja geralmente confinado à superfície e menos dramático do que no caso do forjamento, que discutirei na próxima seção.
Todos os processos mais drásticos de conformação de metal envolvem trabalho a quente (acima de 200 graus Celsius). Conforme observado, estes incluem:
- Extrusão e
- Forjar
Como também mencionamos, a fabricação de artigos de vidro é outra aplicação importante do aço para ferramentas para trabalho a quente.
Extrusão é o processo pelo qual um material aquecido e amolecido é empurrado através de uma matriz para formar um artigo longo de perfil de seção transversal constante. Os exemplos mais familiares de artigos extrudados são perfis de plástico e alumínio, que podem ter formatos bastante complicados. As seções de plástico podem ser extrudadas através de matrizes de aço para ferramentas para trabalho a frio, mas as seções de alumínio devem ser extrudadas através de matrizes de aço para ferramentas para trabalho a quente.
Uma categoria especial de extrusão é a extrusão virada, usada para formar coisas como corpos de latas de alumínio e tubos de comprimidos. Com a extrusão virada, uma matriz é empurrada para baixo em uma peça bruta de metal que então flui para trás ao redor da matriz para formar a lata ou o tubo. É verdadeiramente notável que latas e tubos com paredes tão finas, mas uniformes, possam ser formados por este método.
Os tubos sem costura também são fabricados por extrusão. Um tarugo sólido é aquecido e depois perfurado no meio. Em seguida, é colocado sobre um mandril e determinado seu tamanho final e espessura de parede por extrusão.
Forjar é o processo pelo qual um pedaço de metal quente, muitas vezes em brasa, é moldado em sua forma final por um martelo industrial, com apenas pequenas operações de usinagem (corte) a seguir. Um bom exemplo de produto geralmente feito por forjamento é uma chave inglesa. O martelo pode ser acionado mecanicamente em ambas as direções ou pode ser levantado mecanicamente e largado pela gravidade ('forjamento por queda').
Forjamento de pneus de aço para rodas de trens ferroviários. foto por Rainer Halama, 19, junho de 2010, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
A forja é um descendente industrial direto de técnicas de forja mais antigas, como mokume-gane e Damasco. Tem um efeito semelhante, ou seja, o de fazer com que as impurezas vítreas e as bolhas de gás sejam dispersas e fechadas, e os grandes cristais ou 'grãos' que normalmente são encontrados dentro do metal fundido - semelhante às lantejoulas de uma cerca de ferro galvanizado , eles próprios uma espécie de cristal metálico – a serem rompidos e substituídos por outros menores e, em muitos casos também, a serem deformados na direção das curvas externas da forma final.
Como seria de esperar, uma estrutura de grão fino é superior a uma granulação grossa; e uma estrutura de grão fino em que os grãos também seguem a forma do produto melhora ainda mais as propriedades mecânicas do artigo final, tornando muito menos provável que o artigo rache num canto sob cargas pesadas do que de outra forma.
Há uma ilustração muito boa de cristais que seguem formas no site da dropforging.net. A semelhança essencial com os produtos dos ferreiros mais qualificados de épocas anteriores é evidente, exceto que neste caso o resultado é um artigo industrial e não uma espada.
Muitos dos artigos mecânicos mais “sérios”, itens que suportam cargas pesadas e que teriam consequências graves ou pelo menos altamente incômodas se quebrassem, são forjados. Juntamente com as chaves inglesas, que podem quebrar nos pontos de tensão máxima, perto da porca, se fossem feitas por qualquer outro método, os artigos forjados incluem os virabrequins dos motores e as bielas que unem os pistões ao virabrequim, embora os próprios pistões geralmente são lançados. (No entanto, pistões forjados são usados em motores de corrida e estão se tornando cada vez mais populares no uso geral).
Existem dois tipos principais de forjamento: forjamento aberto e forjamento em matriz fechada. O forjamento aberto transforma o metal em um formato áspero e melhora sua estrutura interna geral, mas não confere qualquer formato ou padrão de grão particularmente definido. O forjamento em matriz fechada produz formas e padrões de grãos mais definidos.
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