Desgastes, avarias e falhas em moldes e matrizes

JHAVAR et al. (2013) consideram que o primeiro critério de seleção de um aço ferramenta deve ser a análise das propriedades mecânicas necessárias à peça fabricada. Como

segundo critério de seleção, os autores recomendam a análise da manufatura do material, como usinabilidade, dureza, polibilidade e estabilidade dimensional. Consideram que materiais sujeitos a diferentes condições de serviço resultam em diferentes tipos de falha de moldes e matrizes, considerando falha como deterioração do desempenho devido à alterações na forma, dimensões e propriedades mecânicas. Os autores reportam as causas de falha de moldes e matrizes da seguinte maneira:

 Contribuem para falhas catastróficas:

o Falhas devido a projeto incorreto como raios, chanfros, entalhes inadequados e mudanças drásticas em seção transversal da peça, que podem resultar em pressão de contato além da capacidade do material e influenciar negativamente o comportamento em fadiga;

o Atuação com condições inadequadas, como tensão e força superiores à capacidade do molde ou da matriz, problemas durante o processo (falta de eletricidade, problemas com refrigerante ou lubrificante, etc.);

o Armazenamento impróprio, que pode resultar em reações físico-químicas inadequadas, alteração da microestrutura e corrosão da matriz, e;

o Falhas por manuseio incorreto do molde ou matriz e transporte inadequado, com a ocorrência de choques mecânicos e/ou térmicos.

 Falhas de manufatura: ocorrem por não conformidades durante o processo ou por problemas dos materiais. Envolvem também ocorrências de defeitos na produção da matéria-prima, manufatura (usinagem) do molde ou matriz e problemas com tratamento térmico do molde ou da matriz. O tratamento térmico inadequado pode resultar em diminuição de resistência à fadiga, diminuição de tenacidade e fragilização do material. Acabamento inadequado, como, por exemplo, usinagem em direção errada gerando perfil inadequado de rugosidade ou retificação incorreta, pode resultar em lubrificação deficiente, propiciando pequenas trincas que se propagam e resultam em falha do molde ou matriz.

 Falhas operacionais: são as principais causas de falhas de moldes e matrizes. São relacionadas às aplicações da matriz. Matrizes de trabalho a quente falham por trincas a quente, fadiga térmica, oxidação e corrosão, devido ao ciclo de aquecimento e resfriamento adicionado à carga mecânica. Já matrizes de trabalho a frio falham pelo impacto e por trincas de fadiga iniciadas em regiões de concentração de tensão.

EBARA et al (2009) analisaram a diferença entre falhas catastróficas de alguns aços para matrizes de forjamento a frio. As falhas foram diferenciadas como falhas por impacto e falhas por fadiga. Os autores constataram, utilizando ensaios Charpy, que os aços ferramenta de forjamento a frio são sensíveis à perda de tenacidade com o aumento de dureza, com a superfície de fratura apresentando características de fratura frágil ao invés de características de fratura dúctil. Constataram semelhantes características nas superfícies submetidas à fratura por fadiga em ensaios de três pontos, em que os corpos de prova são apoiados nas extremidades (que aplicam a rotação no eixo dos corpos de prova) e a carga aplicada no meio de seu comprimento. Concluíram ainda que há correlação entre a tenacidade dos aços para fabricação de matrizes de forjamento a frio em situação de impacto com a tenacidade em situação de fadiga para valores semelhantes de dureza.

A falha não é o único fenômeno que ocorre em matrizes. O desgaste é fator relevante por ser também um fator de final de vida dessas ferramentas. JHAVAR et al. (2013) estimaram, por elementos finitos, os mecanismos de evolução do desgaste da matriz em processos de conformação plástica. O desgaste apresenta-se como o fenômeno mais comum que ocorre devido à interação de duas ou mais superfícies em contato. Causa a deformação e eliminação de elementos superficiais, como resultado de ação mecânica e é influenciado por diversos fatores, como geometria da matriz, condições ambientais em que a matriz trabalha, impurezas superficiais ou pressão e temperatura de trabalho. Na conformação de materiais dúcteis, o desgaste inicia-se com uma erosão causada por deformação plástica da superfície da matriz, com movimentação e criação de discordâncias. Em trabalho a quente, o tempo de contato, a temperatura, a formação de óxidos e a pressão de trabalho facilitam a deformação plástica. Já as trincas a quente se formam também por fadiga térmica, com formação de gradiente de tensões residuais de origem térmica e podem alcançar longos comprimentos (em comparação a outros tipos de trincas). Em trabalho a frio, especialmente devido à alta dureza e baixa ductilidade, há pouca deformação plástica do material e o desgaste inicia-se com arrancamento de material via quebra, lascamento de pequenas porções do material, com as trincas originando-se destas quebras e lascamentos.

A figura 2.16 apresenta uma compilação de danos a superfícies de moldes e matrizes. A figura 2.17 apresenta o início da ocorrência do desgaste em matrizes feitas de material dúctil e em matrizes feitas de material endurecido, frágil, por JHAVAR et al. (2013).

Figura 2.16: Mecanismos de danos a superfícies de moldes e matrizes, por JHAVAR et

al. (2013).

b) Início de desgaste em material frágil.

Figura 2.17: Início de desgaste em superfícies de moldes e matrizes, por JHAVAR et al. (2013).

HUSSEIN e EL-AWADY (2016) analisaram a influência de carregamentos cíclicos sobre a rugosidade de um cubo de dimensões nanométricas (tipo nanocristal), para analisar possíveis fenômenos que ocorrem em maior escala em matrizes de conformação. Os autores simularam carregamentos mecânicos cíclicos para estudarem o deslocamento de discordâncias utilizando dados do metal níquel, Ni, com diversos valores de carregamento em um nanocristal cúbico de superfície inicialmente lisa. Os autores utilizaram cristais de diferentes tamanhos de grão e diferentes valores de densidade de discordâncias. Concluíram que cristais de maior tamanho apresentaram maior homogeneidade de concentração de discordâncias e, consequentemente, de deformação plástica. Já os cristais de menor tamanho apresentam maior heterogeneidade da concentração de discordâncias e de deformação plástica, o que afetou a rugosidade do nanocristal. Concluíram também que o número de ciclos influencia o fluxo das discordâncias e a concentração elevada das discordâncias pode auxiliar a formação da trinca inicial da fadiga.

GRONOSTAJSKI et al. (2016) analisaram a evolução de desgaste de uma matriz de trabalho a quente produzida de aço H13, endurecido entre 1.100 HV e 1.200 HV. Esta matriz conformou uma peça de aço 1.7147. Os autores mediram o desgaste na matriz após o forjamento de 500, 1850, 4300 e 6900 peças. Inicialmente, a temperatura estava em aproximadamente 1150°C e, com a lubrificação por suspensão de grafite, as temperaturas de trabalho chegaram a 500°C (primeira etapa), 250°C (segunda etapa) e 250°C (terceira etapa).

O valor máximo de tensão encontrado nos experimentos foi de 1.000 MPa. Os autores concluíram que a rede de trincas na matriz foi o fator mais adverso na deterioração da superfície e fragilização do material. A evolução do desgaste apresentou três fases: a primeira fase com crescimento acentuado, a segunda fase com crescimento aproximadamente constante e a terceira fase, com crescimento acelerado até o final da medição. Os autores concluíram que diversos mecanismos de falha ocorreram simultaneamente, em diversas regiões da ferramenta, sendo os mecanismos as trincas termomecânicas, desgaste por abrasão e adesão de material e deformação plástica da matriz. A figura 2.18 apresenta imagens da região de maior desgaste. A figura 2.19 apresenta a distribuição do desgaste e a figura 2.20 apresenta a evolução do desgaste na região de maior concentração de desgaste, em uma simulação, na área transversal do perfil da matriz.

Figura 2.18: Imagens da região de maior incidência do desgaste obtidas por GRONOSTAJSKI et al. (2016) após o forjamento de a) 550 peças, b) 1850 peças, c) 4300

Figura 2.19: Distribuição, na área transversal da matriz, do desgaste estimado por GRONOSTAJSKI et al. (2016) após o forjamento de a) 550 peças, b) 1850 peças, c) 4300

peças e d) 6900 peças.

Figura 2.20: Evolução do desgaste da matriz de GRONOSTAJSKI et al. (2016).