Estudo do efeito do shot peening antes da nitretação na vida útil de matrizes de H13 aplicadas no forjamento a quente

Abstract

A tecnologia de forjamento a quente do aço tem evoluído constantemente devido aos estudos motivados pela melhoria da qualidade e pela eterna necessidade de redução dos custos de produção. A tendência dos maiores consumidores de produtos em aço forjado reside sistematicamente na exigência de elevados níveis de qualidade dimensional e acabamento superficial, em parte devido a necessidade da redução do sobremetal e outra pela busca em se obter superfícies brutas de forjamento, prontas para a aplicação final. Uma das características intrínsecas do forjamento a quente é o processo constante de degradação dos ferramentais. Em parte, isso se deve a exposição a temperaturas, pressões e velocidades de escoamento extremamente elevadas. Neste cenário, pesquisar técnicas para a elevação da vida útil das ferramentas torna-se fundamental para manutenção da competitividade, uma vez que o valor do ferramental tem um impacto muito relevante no custo final de fabricação do produto. Durante o forjamento os sucessivos ciclos de aquecimento e resfriamento geram tensões térmicas na superfície da ferramenta, e estas por sua vez dão origem a nucleação de trincas de fadiga térmica. Estas trincas, associadas ao escoamento severo do material aquecido, resultam na remoção progressiva e arrancamento parcial de material da superfície exposta. Buscando uma forma eficiente e economicamente viável de combater o desgaste em ferramentas de forjamento, o estudo realizado nesta dissertação verificou os efeitos no aumento da vida útil do aço para trabalho a quente AISI H13 quando submetido a técnica de shot peening antes da aplicação do processo de nitretação gasosa, combinação que será denominada de tratamento híbrido. A metodologia utilizada foi estruturada em dois testes, no primeiro, corpos padronizados, com e sem aplicação de shot peening foram submetidos a uma determinada ciclagem térmica seguido de carregamentos cíclicos por flexão rotativa. No segundo teste, em uma mesma matriz, foram aplicadas as mesmas receitas dos corpos de prova padronizados, a ferramenta foi então submetida a uma campanha real de forjamento. Durante o forjamento, através de uma técnica indireta de avaliação dimensional, foi possível avaliar o desgaste da região sem tratamento de shot peening em comparação com a região tratada. Para o primeiro teste, os resultados encontrados foram bastante satisfatórios, no teste de fadiga por flexão rotativa o processo de shot peening ampliou a vida média dos corpos de prova em 89%, mesmo não sendo validado estatisticamente, sugere uma possível melhora no comportamento quanto ao bloqueio dos danos acumulados pela fadiga térmica. Com relação ao teste prático de forjamento de 1600 peças, foi possível observar que o lado da ferramenta somente nitretado sofreu um desgate total de 0,802mm contra 0,473mm no lado com aplicação do shot peening mais nitretação, demonstrando que a aplicação do processo híbrido permitiu uma redução de 41,02% no desgaste total da ferramenta. Com relação ao desempenho do ferramental de forjamento, concluiu-se que o mesmo foi favoercido pela alteração da superfície provocada pelo processo de shot peening através da formação das pequenas depressões que atuaram como sítios para coleta das partículas endurecidas assim como reservatórios para manutenção do desmoldante. Outro efeito significativo gerado pela alteração da superfície foi a alteração do perfil de escoamento do material forjado através da alteração das velocidades junto a superfície. Desta forma concluí-se que a autilização do processo híbrido, apresenta-se como uma alternativa alternativa apropriada para suprir a necessidade das forjarias que buscam um processo técnico e economicamente viável para prolongar a vida útil de seus ferramentais de forja.

The trend of most metallurgical products consumers is based on improving surface and dimensional quality levels. Therefore, the tooling maintenance reduction and its life cycle enhancement with no relevant additional costs are required to keep competitive in the market. Hot forging dies are usually exposed to high temperatures and thermal shock which matched to severe cycle loads are responsible for the tooling life cycle abbreviation. The association between thermal fatigue and surface wearing are the most common failure causes on degradation process on this kind of tool. On hot forging process, dies are submitted to heating and cooling cycles, resulting on severe thermal stress. Thus, stress will generate surface strains, gradually, leading thermal fatigue cracking which associated with severe flow of heated material results partial surface pullout. This study will show the effects of shot peening plus gas nitriding process on life cycle of hot forging AISI H13 tooling, which will be named as hybrid process. Shot peening is known as an affordable operation process, capable of modifying the surface topography, through hammering caused by usually spherical particles, with no sharp corners. This surface texturing promoted by the particle collision reduce the surface roughness, directly affecting the fatigue life feature, as wearing and friction properties as well. On the other hand the gas nitriding process is applied to increase wearing, thermal and mechanical fatigue resistance through the surface layer hardening. The methodology was structured in two different tests, in the first, standardized bodies, with and without shot peening application, were subjected to a certain thermal cycling followed by rotating bending cyclic loads. In the second test, a forging tool, with and without shot peening application, was submitted to a real forging campaign. During forging campaign, using an indirect dimensional assessment technique, it was possible to measure the total wear in the die. The final results were quite satisfactory, in the rotational fatigue test, the shot peening process extended the average life of the specimens by 89%, even though it was not statistically validated, it suggests a possible improvement in behavior regarding the blocking of the accumulated damages by thermal fatigue. Regarding the practical forging test of 1600 pieces, it was possible to observe that the side of the tool only nitrided suffered a total wear of 0.802mm against 0.473mm on the side with the application of shot peening plus nitriding, showing that the application of the hybrid process allowed a 41.02% reduction in total tool wear.