ESTAMPAGEM DE CHAPAS DE ALTA RESISTÊNCIA
PARA USO AUTOMOTIVO – UMA REVISÃO
Vitor Hugo Machado da Silveira¹ e Lírio Schaeffer²
RESUMO
Os aços de alta resistência têm avançado rapidamente na indústria automobilística em resposta ao uso de materiais mais leves e menos resistentes, como as ligas de alumínio. Tal circunstância é reforça por dois projetos, o ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) e NGV (Next Generation Vehicle), que visam reduzir o peso e aumentar a resistência dos modelos atuais sem comprometer a segurança e adequando às questões ambientais. Devido à baixa conformabilidade e alto retorno elástico em processos convencionais de estampagem, essas chapas devem ser estampadas a quente. Este artigo compara os processos de estampagem a quente, direto e indireto, atualmente empregados na indústria automobilística. Por fim apresenta um método de estampagem a quente alternativo, através de aquecimento resistivo. Como resultado, são feitas recomendações a fim de evitar a oxidação das chapas em operações de estampagem a quente.
Palavras Chave: 1. Aços de alta resistência, 2. Estampagem a quente
___________________________________________________________________________ 1- Engenheiro Mecânico, mestrando pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais – PPGEM - da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS.
SHEET METAL FORMING OF HIGH STRENGTH
SHEETS FOR AUTOMOTIVE APLICATION – A
REVIEW
Vitor Hugo Machado da Silveira¹ e Lírio Schaeffer ²
ABSTRACT
The high-strength steels have advanced rapidly in the automotive industry in response to the use of lighter materials and less resistant, like the aluminum alloys. This fact is reinforced by two projects, the ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) and NGV (Next Generation Vehicle), which aim to reduce the weight and increase the strength of the current models without compromising security and adapting to environmental issues. Due to the low formability and high springback in conventional sheet metal forming processes, these sheets should be hot formed. This article compares the processes of hot sheet metal forming, direct and indirect, currently employed in the automotive industry. Finally it presents a alternative method of hot sheet metal forming through resistive heating. As a result, recommendations are made to prevent the oxidation of the sheets in the hot sheet metal forming operations.
1. INTRODUÇÃO
Motivado pela constante desenvolvimento tecnológico e a necessidade de adequar a infra-estrutura à necessidade humana, o desenvolvimento de materiais que atendessem aos mais diversos requisitos – mecânico, físico, químico, ambiental e de custo – se fez necessário. Partindo desse pressuposto os produtos planos de aço possuem uma diversidade de aplicações devido à possibilidade de assumirem diversos perfis de acordo com a aplicação, exemplo disso são as chapas para uso automotivo.
É justamente a indústria automotiva que vem promovendo os maiores avanços em termos de materiais, buscando maior resistência, mas também com menor peso e adequação às exigências de diminuição do consumo de combustível e aumento na segurança em caso de acidentes.
Esse conjunto de exigências levou a criação de duas tendências: a primeira é o projeto ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) [1], que visa desenvolver aços de altíssima resistência com novos processos de fabricação; e a segunda é o projeto NGV (Next Generation Vehicle), cujo objetivo é tornar a fabricação de automóveis dentro de um conceito de sustentabilidade através de redução de peso e de emissões nocivas [2].
2. PROJETO ULSAB
Este projeto é financiado por um consórcio de 25 empresas siderúrgicas mundiais, entre elas USIMINAS e CSN, cuja meta é enfrentar as exigências da indústria automotiva, tais como, redução de peso sem custo adicional, aumento de segurança, melhorar o desempenho dos veículos [1]. Para tal situação, o consórcio ULSAB contratou a Porsche Engineering Services, Inc. (PES) para gerenciar a engenharia e fabricação do modelo, abordando o projeto em dois estágios: fase de concepção e fase de validação.
Uma estrutura ULSAB foi montada, pesada e testada, a fim de validar os conceitos da fase de concepção, sendo constituída de 94 peças conferindo integridade estrutural ao modelo, além de reforços adicionais. Essa mesma estrutura pesa 25% menos que os similares, além de apresentar aumento de 80% no ensaio de torção estrutural e 52% no ensaio de flexão. No quesito segurança, apresentou valores
satisfatórios quanto aos testes de colisão, até mesmo em velocidades acima das estabelecidas.
O projeto utiliza em torno de 90% da estrutura, aços de alta e ultra-alta resistência, dentro dos diversos graus de aços existentes, como mostra a figura 1. Observa-se na mesma, o uso massivo de aços bifásicos (ou Dual Phase), bem como o uso específico de aços TRIP (Transformation-Induced Plasticity), aços Martensíticos, aços complexos (Complex Phase), aços livres de interstícios (Interstitial-Free) e aços Microligados. Há também a utilização de aços Bake Hardening em boa porcentagem.
Figura 1. Estrutura veicular ULSAB. [3]
3. PROJETO NEXT GENERATION VEHICLE (NGV)
Este projeto foi lançado em 2004, com intuito de melhorar a sustentabilidade na indústria automotiva, através de estudos que mostrem como o aço inoxidável pode ser empregado em sistemas automotivos. Seguindo uma linha de raciocínio semelhante ao projeto ULSAB, este projeto visa conferir redução de custo e de peso, bem como segurança e sustentabilidade [2].
O NGV foi dividido em três fases: fase I, desenvolvimento de tecnologias para os materiais novos e os já existentes; fase II, realização de ensaios simulações criando um extensivo banco de dados; e fase III, preparação da indústria automotiva para aplicação destes resultados.
O campo de investigação deste projeto se encontra na idéia de uso do aço inoxidável em aplicações automotivas, haja vista que o mesmo é extremamente resistente e reciclável, além de ser mais facilmente processado e possuir excelentes
propriedades ao impacto. Além disso, pode ser conformado em formas complexas e atender as exigências ambientais, com redução de peso, como mostra a figura 2.
Figura 2. Objetivos do projeto NGV: Design, Dirigibilidade, Segurança e Peso. [2]
4. LIMITAÇÕES DA ESTAMPAGEM DE AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA Hoje, um dos principais motivos para a redução de peso é a diminuição do consumo de combustível. Em décadas passadas, o foco dessa demanda era o uso de materiais de baixo peso como o alumínio, devido à baixa densidade e menores espessuras, entretanto menos resistente que o aço, assim favoreceu-se o desenvolvimento dos aços de alta resistência. Estes têm relativamente altos valores de resistência à tração em valores relativamente baixos de alongamento bem como valores baixos de anisotropia, devido às diferentes microestruturas que podem existir em um dado grupo de aços de alta resistência, algo que pode ser facilmente visto quando comparado com um aço de baixo carbono (figura 3). [4]
Figura 3. Curvas tensão-deformação para diferentes tipos de aço. Figura adaptada da referência. [4]
Estas propriedades mecânicas significam que as chapas destes aços não são facilmente conformadas, além de terem tendência a formar rugas, possuírem um limite de conformação mais baixo (figura 4) e um retorno elástico extremo (figura 5), além da possibilidade de fratura. Assim, estes aços necessitam de altas forças para conformá-los, o que torna inviável as técnicas de estampagem tradicionais.
Figura 4. Curvas limite de conformação para um aço ao carbono (em azul), um aço bifásico (em preto) e um aço microligado (em vermelho), todos com espessura de
1,2mm. [4]
Figura 5. Peça estampada de aço de alta resistência à temperatura ambiente (a) e em alta temperatura (b) [6].
A solução para estes problemas é a estampagem em altas temperaturas, seguindo de redução nas forças de estampagem e melhor precisão dos componentes estampados. Comparado com o processo convencional, a estampagem a quente exige
um conhecimento aprofundado do comportamento do material nestas temperaturas, a fim de serem obtidas as propriedades desejadas, em termos de resistência e microestrutura [5-7].
5. ESTAMPAGEM A QUENTE
O processo de estampagem a quente é a combinação de conformação e de endurecimento em uma única operação, sendo assim dois métodos são possíveis: o direto e o indireto [8].
MÉTODO DIRETO. Este método inicia com o aquecimento da chapa (figura 6) em forno durante um tempo que varia de 5 a 10 minutos [8,9] até que se atinja uma temperatura de 900°C a fim de desenvolver uma estrutura austenítica. Logo após, o material inicial aquecido é transferido para a prensa, etapa essa que deve acontecer em torno de 3 segundos. Com essa transferência, o material apresentará temperatura na faixa de 650 a 850°C, o que resulta em boa conformabilidade favorecendo a conformação, mesmo que em formas complexas, em apenas um golpe.
Figura 6. Processo de estampagem a quente direta [8].
O resfriamento da peça acontece simultaneamente ou logo após a estampagem, em alguns casos, utilizam-se matrizes refrigeradas a água [10]. Esse resfriamento transforma a estrutura anteriormente austenítico em uma estrutura martensítica devido às altas taxas de resfriamento, na ordem de 50 a 70°C/s (figura 7), resultando em resistências na casa de 1200 MPa e minimização do retorno elástico.
Figura 7. Resistência máxima e mudanças na microestrutura durante a estampagem a quente [8].
MÉTODO INDIRETO. Ao contrário do processo direto, este necessita de uma parte a ser estampada a frio, em matriz convencional, com forma muito próxima da final – em torno de 90% - seguido ajuste de acordo com a tolerância, como pode ser visto na figura 8. Então, a pré-forma é aquecida até a temperatura de austenitização e endurecida na própria matriz. O motivo para que se tenha mais um passo é estender os limites de conformação para o caso de peças muito complexas.
Figura 8. Processo de estampagem a quente indireta [8].
Um fator que deve ser levado em conta nessa prática de estampagem é o fato de a chapa deve ser revestida, porque o contato da chapa aquecida com o oxigênio atmosférico favorece a oxidação e descarbonetação superficial, o que é indesejável do ponto de vista das propriedades finais da peça, sem falar que a camada de óxido formada tem extrema dureza e pode acarretar em maior desgaste da matriz. Adicional a essa situação, a presença de oxidação da chapa emprega mais um
processo produtivo, a limpeza com jato de areia, o que implica em custo e problemas de acabamento.
Alternativamente a essa prática, existe a estampagem a quente com aquecimento resistivo da chapa. Este processo consiste em aquecer a chapa através eletrodos, aplicando o efeito Joule. Primeiro, a chapa sofre uma pressão que estabelece contato da mesma com os eletrodos, iniciando o aquecimento, conferindo a temperatura desejada. Salienta-se que nesta etapa, não há contato da chapa com o ferramental (Figura 9a). O tempo para se obter uma determinada temperatura, depende apenas de parâmetros geométricos (largura e espessura) e propriedades físicas (densidade, calor especifico e resistividade) da chapa, além da corrente. Isso porque o aquecimento é muito rápido, aproximando-se de uma transformação adiabática. Após a primeira etapa, realiza-se estampagem da peça (Figura 9b), algo que se realiza em torno de 0,2 segundos após o fim do aquecimento, o que garante a não formação de camada de óxidos [11].
Figura 9. Etapas da estampagem a quente através do aquecimento resistivo, (a) Aquecimento e (b) Estampagem. [11]
6. CONCLUSÃO
No anseio de reduzir o peso dos veículos sem perda de resistência, a indústria automobilística lançou mão dos aços de alta resistência.
Entretanto, estes aços a temperatura ambiente possuem baixa conformabilidade e alto retorno elástico. Para implementar melhores resultados na conformação desse material é empregada a estampagem a quente, com aquecimento em forno da chapas, contudo se deve ter especial atenção ao fato da formação de camada de óxido devido transferência da peça do forno para matriz. Alternativa a essa maneira, existe a estampagem a quente com aquecimento resistivo da chapa que tem como ponto forte o fato de impedir a formação dessa camada de óxido, uma vez que o aquecimento ocorre na própria matriz, não havendo transferência.
Por fim, os valores de retorno elástico são reduzidos a praticamente zero em ambas as práticas, possibilitando peças com excelente precisão.
REFERÊNCIAS
[1] ______. ULSAB Executive Summary. p.1-6. Disponível em: <http://www.worldautosteel.org/projects/ULSAB.aspx>. Acesso em 05 abr. 2009. [2] GUSTAFSSON, R. Next Generation Vehicle, Gotemburgo, Suécia. Disponível em: <http://www.ngvproject.org/>. Acesso em 05 abr. 2009.
[3] ______. ULSAB-AVC – PES Engineering Report. p.1-38. Disponível em:
<http://www.worldautosteel.org/projects/Projects/ULSAB-AVC/Programme-Detail.aspx>. Acesso em 20 jul. 2009.
[4] ______. Advanced High Strength Steels Applications Guidelines. p.19-92. Disponível em: <http://www.worldautosteel.org>. Acesso em 19 jun. 2009.
[5] LIEWALD, M. 2008. Application and Manufacturing of Modern High Strength Steel Alloys in Today´s Car Body Structures. Em: Anais do 28° SENAFOR. Porto Alegre, 8-10 Outubro 2008, Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), Porto Alegre. pp.107-108.
[6] XING, Z., BAO, J. e YANG, Y. (2009). Numerical simulation of hot stamping of quenchable boron steel. Materials Science and Engineering A 499: 28-31.
[7] TURETTA, A., BRUSCHI, S. e GHIOTTI, A. (2006).Investigation of 22MnB5 formability in hot stamping operations. Journal of Materials Processing Technology 177: 396-400.
[8] ALTAN, T. (2006). Hot-stamping boron-alloyed steels for automotive parts. Part I: Process methods and uses. Stamping Journal.
[9] MAAS, J. e STAUDINGER, W. (2008). Tailored blanks in hot stamping. ThyssenKrupp Techforum 1/2008: 29-32.
[10] NICOLAS, Y. (2005). Hot stamping – A new forming technology. ThyssenKrupp techforum Julho -2005: 41-48.
[11] MORI, K, MAKI, S e TANAKA, Y. (2005) Warm and Hot Stamping of Ultra High Tensile Strength Steel Sheets Using Resistance Heating. CIRP Annals – Manufacturing Technology 54: 209-212.
