Desenvolvimento e aplicação de máscaras metálicas como revestimento protetivo para matrizes de forjamento

Abstract

Ferramentas de conformação mecânica utilizadas em operações de forjamento a quente estão sujeitas a altas cargas mecânicas e tribológicas devido ao carregamento cíclico do processo. O crescente desenvolvimento industrial aliado à necessidade de redução na perda de matéria-prima e energia, levam à busca de conhecimento e melhoria no controle dos parâmetros envolvidos no processo de forjamento, principalmente no que diz respeito ao aumento da durabilidade das matrizes de conformação. Portanto, o presente trabalho visa desenvolver um método de aplicação de máscaras metálicas e analisar o potencial de diferentes materiais de chapas aplicadas como revestimento protetivo de matrizes de forjamento, a fim de auxiliar na conservação, reduzir os carregamentos termomecânicos gerados a cada peça forjada ou ciclo de forjamento, evitando-se assim deformações excessivas e desgaste da ferramenta. Análises iniciais de dureza, microestrutura e resistência mecânica em temperatura foram realizados para a pré-seleção dos aços com potencial de aplicação como máscaras de revestimento. As chapas de aço DP600, DC04, M2, 22MnB5 e Hardox450 foram avaliadas inicialmente através de experimento de forjamento em matriz aberta e, posteriormente com geometrias axissimétricas simples de forjamento em matriz fechada. A estratégia de fabricação da máscara foi analisada através de simulações numéricas utilizando o software DeformTM 2D-3D, e de experimentos de estampagem profunda e incremental. O comportamento do conjunto e os requisitos de projeto foram observados, e com isso foi possível desenvolver um método de aplicação de máscaras metálicas sobre matrizes. O método foi então testado para o forjamento em matriz axissimétrica escalonada. Os aços DP600, M2 e 22MnB5 apresentaram aumento de dureza quando submetidas ao forjamento em matriz aberta. A máscara de aço DP600 com 1,0 mm de espessura apresentou aumento de 24% na dureza após 5 ciclos de forjamento. O comportamento dos aços 22MnB5 (revestido) e DP600 foi similar para as temperaturas analisadas no ensaio de tração, com redução em torno de 10% a 300°C e menor que 30% a 500°C e apresentaram a menor redução a 700°C, dentre os materiais analisados. O desenvolvimento de uma geometria axissimétrica escalonada possibilitou a análise da aplicação de máscara de revestimento na fabricação de blocos de engrenagens. A estampagem incremental com suporte foi escolhida como estratégia de fabricação das máscaras de 1,0 e 1,5 mm de espessura com geometria axissimétrica. O aço 22MnB5 apresentou melhores resultados quanto à resistência e deformações durante os experimentos de forjamento. A aplicação da máscara apresentou uma redução de até 87,6% na amplitude de temperatura da matriz. Como as variações de temperatura influenciam diretamente no desgaste da matriz por fadiga térmica, pode ser evidenciado que o método de aplicação de máscara metálica contribui significativamente para a conservação da matriz de forjamento. Portanto, através deste trabalho foi possível analisar diferentes geometrias, materiais e condições, além do desenvolvimento dos requisitos necessários para a aplicação de máscaras metálicas como revestimentos para matrizes de forjamento.

Tools used in metal forming, especially in hot forging operations, are subject to process-related high mechanical, tribological, chemical, and thermal-cyclic loads. Hot forging die works under the condition of high temperature, strong contact pressure, and intense friction, which contributes to the severe wear die. The growing industrial development allied to the necessity of reduction in raw material and energy loss leads to the search for knowledge and improvement in the control of the forging parameters, mainly concerning the increase of the tool durability. Therewith, this study aimed to develop a method of metallic masks (die covers) application and to analyze the potential of different sheet metal materials as a coating for forging dies in order to protect these tools against wear and deformations. Vickers hardness, tensile at elevated temperatures, and metallographic analysis were performed to characterize four metallic materials and pre-select the steels with the potential to be applied as die-forging coatings. The metallic sheets DP600, DC04, M2, 22MnB5 e Hardox450 were used initially as a coating in an open die forging. After that, the analysis was carried out with simple axisymmetric geometry to evaluate the possibility to use them as a coating in a close-die forging. The manufacturing strategy of the die cover was analyzed through numerical simulations using DeformTM 2D-3D software and experiments of deep drawing and incremental forming. Through the initial investigation and requisites of tool project, a new and more complex axisymmetric geometry for gear manufacturing was developed and the method of application of die covers was tested. The initial results have shown that the DP600, M2, and 22MnB5 materials presented hardness increase when subjected to the forging experiments with open die. The mask manufactured from steel DP600 with 1mm of thickness presented an increase of 24 % in the hardness after 5 forging cycles. The tensile test analysis in elevated temperature presented a similar behavior for the 22MnB5 and DP600 steels, with a 10% reduction in 300°C and less than 30% at 500°C. Considering a temperature of 700°C, all tested materials resulted in high resistance reduction, thus this temperature was critical. The development of a stepped axisymmetric geometry has made it possible to analyze the die cover application as coating in the manufacture of gear blocks. Incremental sheet forming was chosen as the die cover manufacturing strategy for both thicknesses (1.0 and 1.5 mm) and with the stepped axisymmetric geometry. The 22MnB5 steel showed better results in strength and deformation during forging experiments. The die cover application resulted in a reduction of up to 87.6% in the temperature range of the forging die. As temperature variations directly influence the wear of the die due to thermal fatigue, it can be evidenced that the method of metal mask application contributes significantly to the preservation of the forging die fatigue. Therefore, through this work, it was possible to analyze different geometries, materials, and conditions, besides the development of the requirements for the application of metallic masks as coatings for forging tools.