1. Introdução 1.1.
Laminação
Laminação é um processo que reduz a espessura ou que altera a seção de uma peça (geralmente com comprimento maior que as outras medidas) através de forças compressivas aplicadas a partir de um conjunto de rolos. O processo é muito importante, pois cerca de 90% dos metais fabricados passam por pelo menos um processo de laminação. Processos de fabricação modernos geralmente envolvem o processo de fundição contínua em conjunto com a laminação, o que aumenta a produtividade e reduz o custo de produção relativo. Alguns materiais não metálicos também passam por laminação, como plástico, cerâmicas e vidros. Nas indústrias pesadas, a laminação é primeiramente realizada a altas temperaturas (laminação a quente). Durante esta fase, a matriz com granulometria grosseira (dendrítica), frágil e porosa proveniente do lingote é transformada em uma estrutura mais organizada, com granulometria refinada dúctil e propriedades melhoradas, como maiores durezas e resistência mecânica. Subsequentemente, a laminação é realizada a temperatura ambiente, chamada laminação a frio, na qual o produto laminado apresenta uma maior resistência mecânica, maior dureza, tolerâncias e acabamento superficial mais refinado. Entretanto, a laminação a frio requer uma maior energia (devido à maior resistência mecânica do material a temperatura ambiente) e resulta um produto com propriedades anisotrópicas, devido a orientação preferencial e ao encruamento. Na laminação a quente, o fenômeno predominante é a recristalização dinâmica. A frio, observa-se o encruamento. Estes dois tópicos serão explicados mais a frente. No processo de laminação, os rolos puxam as placas para o laminador através da força de atrito entre a peça e os rolos. O atrito é essencial para o processo de laminação, entretanto, ocorre considerável dissipação de energia. Quanto maior o atrito, maior são as forças e a potência requerida pelas máquinas. Altos coeficientes de atrito também podem causar danos as superfícies da peça e dos rolos. Um coeficiente de atrito controlado é obtido através do uso de lubrificantes. As forças de laminação podem causar grandes deformações e achatamento dos rolos, que afetam o funcionamento do sistema. Essas forças podem ser reduzidas através dos seguintes métodos:
Reduzir o atrito da interface rolo-peça Usar rolos com diâmetros menores Usar reduções de espessuras menores, a fim de reduzir a área de contato Laminar a quente, de forma a reduzir a resistência mecânica do material Aplicar tração no sentido longitudinal da placa
Os defeitos mais comuns nos processos de laminação são:
Aspecto ondulado: ocorre devido a flexão dos rolos ou um desalinhamento da mesa com os rolos. Trincas: as trincas são causadas devido a baixa ductilidade de alguns materiais a temperatura de laminação. No processo, pode haver alguma etapa para remover as bordas. Boca de jacaré: devido a altas tensões trativas na região central da chapa, ocorre o fenômeno no qual a chapa se divide em 2 no sentido longitudinal, e apresenta um aspecto semelhante a boca de um jacaré.
Tensões residuais: geralmente na laminação a frio, há a formação de tensões residuais. Nos laminadores com raios menores, há compressão residual na superfície e tração no interior. Em laminadores com raios grandes, o perfil de tensões é o oposto, devido ao atrito entre a peça e o rolo. Este aspecto é importante para o fenômeno da fadiga, no qual as trincas nucleiam nas superfícies com carregamento trativo. Portanto, o primeiro perfil é favorável a vida útil das peças.
Há diferentes tipos de laminadores, que produzem diversos tipos de peças, como chapas, placas, roscas, folhas de aluminio, tubos, perfis estruturais, trilhos de trem, etc.
Recozimento O termo recozimento se refere ao tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura alta por um determinado tempo e depois resfriado. É utilizado para aliviar tensões, aumentar a ductilidade e a tenacidade ou para produzir uma determinada microestrutura. O tempo é um parâmetro importante. Deve haver tempo suficiente para que as transformações ocorram. Uma temperatura mais alta pode acelerar o processo, já que ocorrem fenômenos de difusão atômica. O recozimento pode ser utilizado para anular os efeitos causados pela deformação a frio, isto é, amolecer o metal, aumentando sua ductilidade e tenacidade. É utilizado durante processos de fabricação para permitir que o material possa continuar a ser deformado, sem fraturar ou consumir muita energia. Os processos de recuperação e recristalização podem ocorrem. Geralmente, deseja-se uma granulometria refinada, então interrompe-se o tratamento antes que haja um excessivo crescimento de grão.
Recuperação dinâmica Os processos de recuperação e recristalização quando ocorrem durante a deformação são denominados recuperação dinâmica e recristalização dinâmica. Durante a recuperação, algumas tensões internas são aliviadas devido a movimentação das discordâncias causada pela maior mobilidade atômica a altas temperaturas. Ocorre a diminuição do número de discordâncias e estas obtêm menor energia de deformação. Mesmo após a recuperação, os grãos ainda estão em um estado de alta energia de deformação. Então, ocorre a recristalização, que é a formação de um novo conjunto de grãos equiaxiais livres de deformações com baixas densidades de discordâncias, características do material pré-laminado a frio. A força motriz para produzir essa estrutura é a diferença entre as energias internas dos grãos deformados e não deformados. Os novos grãos apresentam núcleos pequenos e crescem até ocupar a toda a matriz do material. Durante a recristalização, algumas propriedades são restauradas aos valores pré-trabalho a frio. O metal se torna mais dúctil. É um processo que depende do tempo e da temperatura. A temperatura de recristalização geralmente está entre 1/3 e 1/2 da temperatura de fusão do material.
Encruamento. Encruamento é o fenômeno no qual um material se torna mais duro e mais resistente conforme é plasticamente deformado a temperatura fria (abaixo da temperatura de recuperação). O preço para o aumento da resistência mecânica é a diminuição da ductilidade. O encruamento é explicado a partir da relação entre as discordâncias. A densidade de discordâncias aumenta conforme o trabalho a frio (deformação) devido a multiplicação e formação de discordâncias. Consequentemente, a distância média entre as discordâncias diminui. Como na média a relação entre as discordâncias é repulsiva, o resultado é que a movimentação das discordâncias é bloqueada devido a presença de outras discordâncias. Se a deformação continua, a densidade de discordâncias aumenta, provocando maior impedimento na movimentação das discordâncias. Assim, é necessária uma maior força para deformar um material encruado.
Objetivo Laminar e recozer uma chapa de latão observando os efeitos do encruamento e da recristalização.
Materiais utilizados 1- 1 corpo de prova de Latão C361000 recozido com espessura inicial de 9,60 mm. Esta liga apresenta a seguinte composição química: Cu Composição 60 - 63%
Fe
Pb
<= 0,35% 3,1 - 3,7 %
Zn 35,10%
2- Paquímetro Mitotoyo 3- Laminador de chapas com 2 rolos, acionado por um motor elétrico e ajuste manual da espessura de laminação. Cada volta é aproximadamente 0,25 mm de abertura/fechamento. 4- Durômetro com penetrador de esfera Leco RT-240 Hardness Tester 5- Forno elétrico a 600°C 6- cronômetro
Procedimento experimental 1- Mediu-se a espessura inicial da chapa recozida utilizando o paquímetro Mitotoyo. 2- Com o durômetro mediu-se a dureza da chapa em 2 pontos. Anotou-se o resultado em uma planilha. 3- Utilizou-se o laminador para obter uma deformação de 5% na chapa, ou seja, espessura final de 9,12 mm. Para isso, foram realizadas passadas no laminador seguidas da medição do paquímetro. A altura em cada passagem foi reduzida de meia volta no volante do laminador, de modo a evitar o travamento do mesmo. 4- Ao chegar-se a espessura desejada, ou próxima desta, foi anotado o valor da espessura e então realizada a medição da dureza da chapa em 2 pontos. 5- Os passos acima foram repetidos para as reduções de 10%, 20%, 30% e 50% 6- Após a formação da tabela de dureza vs deformação, a peça foi colocada no forno a 650°C por 2 minutos. Após este tempo, resfriou-se a peça na água e mediu-se a dureza em dois pontos. 7- O procedimento acima foi repetido para os tempos de 5, 10 e 20 minutos. 8- Construiu-se os gráficos de dureza vs deformaçao e de dureza vs tempo de recozimento
Resultados A peça final apresentou um comprimento maior que o comprimento inicial, isso se deve ao fato de que o volume se mantém constante. Após as passagens no laminador, observou-se o aspecto ondulado na peça laminada. Tal fato pode ser explicado pelo desalinhamento entre a mesa e os rolos e pela flexão dos rolos. A tabela de dureza vs deformação encontrada foi a seguinte:
Dureza (HRB)
Média
e
Deformação
1
2
(HRB)
9,6
0,0%
30,9
29,7
30,3
9,05
5,7%
57,9
56,4
57,15
8,65
9,9%
68,7
70,6
69,65
7,7
19,8%
73,8
74,9
74,35
6,7
30,2%
80,7
82,2
81,45
4,85
49,5%
85,8
84,5
85,15
A tabela de dureza vs tempo de recozimento foi definida: Tempo
Dureza (HRB)
Média
(minutos)
1
2
(HRB)
0
85,8
84,5
85,15
2
87,5
87,8
87,65
5
79,5
78,6
79,05
10
55,9
56
55,95
20
39
38,2
38,6
Com os dados, foi possível construir os gráficos de Dureza vs Deformação e de Dureza vs Tempo de recozimento. Assim, foram analisados os efeitos de encruamento e de recristalização.
No gráfico dureza vs deformação observou-se um grande aumento na dureza até a deformação de 10% e então um crescimento mais linear, menos inclinado que o anterior. De acordo com a teoria, o gráfico fez sentido, pois nos primeiros 10% de deformação, as discordâncias estavam livres para se movimentar. Com o aumento da deformação, a densidade de discordâncias aumentou dificultando cada vez mais as próprias discordâncias de se movimentaram e do material se deformar, e o material se apresentou cada vez menos dúctil. No gráfico dureza vs tempo de recozimento, vemos que a dureza aumentou 2,8% com o tempo de 2 minutos. Isto se deve ao fato de que neste momento é o estado inicial da recristalização, ou seja, houve a criação de novos grãos com raio minúsculo, mas não deu tempo de crescer. Isso causa um aumento na dureza. Podemos concluir que os resultados foram como esperado. Endurecimento conforme a deformação plástica devido ao encruamento e amolecimento conforme a peça foi levada ao forno, no recozimento, devido a recristalização. É importante destacar que o aspecto ondulado da peça poderia ser resolvido com a calibração do laminador ou utilizando outro laminador.
Bibliografia [1] Callister, William D.. Materials science and engineering: an introduction. 5th ed. New York: Wiley, 2000. Print. [2] Kalpakjian, Serope, and Steven R. Schmid. Manufacturing processes for engineering materials. 4th ed. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 2003. Print.
