Estudo da aplicabilidade e desempenho de chapas metálicas de 22MnB5 como máscaras de proteção em matrizes de forjamento a quente

Abstract

A proposta deste trabalho é estudar a aplicabilidade e o desempenho de chapas do aço boro 22MnB5 como máscara de proteção sobre matrizes de forjamento a quente. Dois métodos para a obtenção das máscaras metálicas são estudados: chapas planas de 22MnB5 são tratadas termicamente, em condições de resfriamento semelhantes ao do processo de estampagem a quente; e, chapas planas de 22MnB5 são estampadas a quente na geometria axial de um copo cilíndrico. Nas duas condições as chapas são aquecidas a 1100 ºC por 7 minutos. No tratamento térmico elas são resfriadas no interior de matrizes planas e na estampagem a quente são conformadas com a utilização de um punção, matriz e prensa chapas, ambos a temperatura ambiente. Após a obtenção das máscaras, elas são posicionadas sobre a superfície inferior de matrizes de forjamento a quente. São realizados ciclos de 25, 50, 75 e 100 forjamentos para cada geometria, plana e axial, a cada ciclo as máscaras são substituídas e caracterizadas. As máscaras planas apresentaram reduções de espessura, aumento nos valores de rugosidade, Ra e Rz, e reduções significativas nos perfis microdureza na região de contato permanente entre o billet e a máscara. A máscara axial utilizada no ciclo de 25 forjamentos apresentou uma pequena trinca no raio do canto da matriz, próxima a saída da rebarba, e na máscara submetida a 50 ciclos de forjamentos o surgimento de uma trinca que se propaga da região da flange até o raio do canto da matriz inviabilizaria a continuação do seu uso. Os ciclos de 75 e 100 forjamentos não causaram trincas macroscópicas na superfície das máscaras ou danos que inviabilizassem sua utilização. As reduções de espessura mais significativas nas máscaras axiais ocorreram no centro das máscaras e no raio do canto da matriz, próximo a saída da rebarba. Os valores máximos de rugosidade foram observados no lado externo, em contato com a matriz, das máscaras utilizadas em todos os ciclos de forjamento. A redução dos valores de microdureza nas máscaras axiais ocorreu em todas as regiões que estiveram em contato com a peça forjada, sendo mais expressivo na região central. Mecanismos de desgaste foram observados nas máscaras planas e axiais submetidas a todos os ciclos de forjamento, sendo mais expressivos nas máscaras axiais; os desgastes por abrasão e deformação plástica foram os mais atuantes. A degradação superficial progressiva observada nas superfícies não inviabilizou a utilização das máscaras metálicas planas e axiais até os ciclos de 100 forjamentos estudados. Os resultados mostraram que a utilização de máscaras do aço 22MnB5 para proteção e aumento da vida útil de matrizes de forjamento a quente é tecnicamente viável.

The purpose of this research is to study the applicability and performance of steel sheets of 22MnB5 as protective masks on hot forging dies. Two methods to obtain metallic masks are studied: 22MnB5 flat samples are heat treated, in cooling conditions that are similar to the hot stamping process and 22MnB5 flat samples are hot stamped on the cylindrical geometry. In both conditions, the samples are austenitized at 1100ºC for 7 minutes. In the heat treatment, samples are cooled inside flat dies and in hot stamping process they are stamped using punch, die and holder at room temperature. The manufactured masks were positioned on the bottom surface of hot forging dies. Cycles of 25, 50, 75 and 100 forgings are effectuated out for each condition; flat and axial geometry, after these cycles the masks were removed and characterized. Flat masks have shown reduction in thickness, increased roughness, Ra and Rz, and significant reduction in microhardness profiles in the region of permanent contact between billet and the mask. The axial masks showed a small crack on the radius of the die mask after 25 forging cycles and for the mask of 50 cycles larger crack was appeared which made it infeasible to use as a mask. On the other hand, the masks with 75 and 100 forging cycles did not present macroscopic cracks on the surface or any other damage. A significant reduction in thickness occurred in the bottom center of the mask and the outer radius next to the flash land. The maximum values of roughness were observed on the external surface of the mask, and softening was observed in all regions of the mask that had contact with the forged part, being more expressive in the central region. Wear mechanisms (mainly abrasion and plastic deformation) were observed in all flat and axial masks subjected to forging cycles, however for axial masks these effects were pronounced. The observed progressive surface degradation did not make the flat and axial masks useless until 100 forging cycles studied in the current work. The results showed that the use of 22MnB5 steel masks to protect and increase the tool life of hot forging process is technically feasible.