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Sistema avanado para projeto de ligas aplicadas em ferramentas de conformao a quente


Coordenador: Mrio Boccalini Jnior


Introdução

Nos últimos 15 anos, o IPT e a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - EPUSP desenvolveram atividades sistemáticas na área de Materiais Metálicos Resistentes a Desgaste. Grande parte delas é caracterizada por forte envolvimento com o meio externo, principalmente empresas do setor metalomecânico e universidades nos níveis nacional e internacional, com destaque para a Gerdau na área de cilindros de laminação.

O envolvimento com a Gerdau/Cilindros ocorreu após um período de amadurecimento dos grupos do IPT e da EPUSP no tema desgaste de materiais fundidos, do que resultou acúmulo de conhecimento, sólida formação de pessoal e expressiva produção científico-tecnológica materializada em projetos de P&D, teses e dissertações, artigos em periódicos e congressos internacionais e seminários nacionais e internacionais.

A partir de 2000, a Gerdau/Cilindros adotou a estratégia de desenvolvimento próprio de tecnologia, em estreita colaboração com IPT e EPUSP. Criou-se, então, o Centro de Desenvolvimento de Cilindros - CDC, um centro de excelência que tinha como instituições-âncora o IPT e a EPUSP.

O projeto Sistema avançado para projeto de ligas aplicadas em ferramentas de conformação, que somente pôde ser concebido após o longo período de trabalho conjunto das três instituições, representa um salto de qualidade no desenvolvimento de materiais para ferramentas de conformação a quente.


Objetivo do projeto:

Desenvolver sistema para projetar ligas metálicas de alto desempenho destinadas a ferramentas de conformação a quente, tendo como base a simulação computacional do dano progressivo das ferramentas durante o serviço e da relação desse dano com a microestrutura da liga, substituindo o tradicional procedimento de “tentativa e erro” com ganhos de custo, desempenho e reprodutibilidade para fabricantes e usuários destas ferramentas na indústria metalúrgica de transformação.


Estado da arte:

A vida útil das ferramentas de conformação é determinada fundamentalmente pela velocidade de progressão dos inevitáveis danos impostos pelo uso. Esta velocidade, por sua vez, é determinada pelas características metalúrgicas do material que constitui a ferramenta (morfologia e propriedades dos seus microconstituintes). Identificam-se três vertentes clássicas no desenvolvimento de materiais para estas ferramentas:

  • seleção e adaptação de ligas empregadas em processos de transformação a frio intensivos em desgaste;
  • melhorias incrementais de ligas amplamente utilizadas há mais de 50 anos, como os aços da série H;
  • aplicação de processos de condicionamento da superfície das ferramentas (engenharia de superfície).

Em qualquer uma delas, o desenvolvimento tem sido conduzido por meio de métodos empíricos – assistidos ou não por modelos estatísticos e ensaios laboratoriais simplificados – do que decorrem soluções conservadoras, além de tempo e custo cada vez mais proibitivos.

O sistema a ser desenvolvido será baseado na simulação do comportamento do material da ferramenta frente às solicitações termomecânicas e tribológicas impostas a ela pelo processo de conformação, tendo como dados de entrada as características dos microconstituintes do material (propriedades físicas e mecânicas fundamentais, morfologia, distribuição). Uma vez validado, ele poderá ser empregado no sentido inverso da relação entre microestrutura e comportamento da ferramenta; isto é, dadas as solicitações termomecânicas e tribológicas sobre a ferramenta, simula-se o comportamento de materiais com diferentes combinações de características dos seus microconstituintes, selecionando as melhores para uma etapa final de validação experimental (alloy design). Desta forma, trabalha-se com largo espectro de alternativas de materiais, contemplando soluções inovadoras a um custo competitivo.

A monitoração da literatura técnica e o contato contínuo com pesquisadores atuantes neste campo indicam ser inédita a aplicação da rota proposta na obtenção de modelo computacional de dano de ferramenta de conformação a quente visando desenvolver projetos de liga para esta aplicação. No entanto, são conhecidas iniciativas relacionadas com o tema que apresentam maior ou menor intersecção com o objetivo do projeto.

A mais estruturada delas refere-se a um programa de pesquisa liderado pelo Centro de Materiais da Universidade de Leoben (Materials Center Leoben), na Áustria, e financiado por um conjunto de agências de fomento do governo austríaco e por empresas européias. A estratégia para a condução do programa baseia-se no tratamento integrado material/processo/engenharia de produto, objetivando aumentar a competitividade da cadeia produtiva de componentes metálicos estruturais e funcionais de alto desempenho.

Na Ecole des Mines Albi-Carmaux, na França, há um centro de pesquisas voltado, desde 1992, à otimização de ferramentas e moldes de conformação (CROMeP- Centre de Recherche Outillages, Materiaux et Procedes). O centro mantém uma equipe permanente de professores-doutores que orientam dissertações e teses cujos temas estão voltados às demandas sistemáticas de diversos setores industriais manufatureiros que financiam os trabalhos, como o aeronáutico, o automobilístico e o siderúrgico, entre outros.

Nos EUA, as associações patronais das áreas de forjamento (FIA-Forging Industry Association) e de fundição sob pressão (NADCA- North American Die Casting Association) mantêm um portifólio de projetos de pesquisa contratados junto a universidade e institutos e conduzidos, em alguns casos, com a participação de empresas das respectivas áreas. No caso da NADCA, há um comitê dedicado exclusivamente a materiais para moldes cuja missão é aumentar a vida útil dos moldes com o objetivo de aumentar a qualidade e diminuir o custo dos fundidos, bem como aumentar a produtividade do processo de fundição sob pressão. Os roadmaps tecnológicos publicados por essas associações mais recentemente (2008 da FIA e 2011 da NADCA) trazem o tema “Materiais para matrizes e moldes” como prioritário.


Justificativa e impactos esperados:

Grande parte dos processos metalúrgicos de transformação desenvolvem-se sob elevadas temperaturas, seja para conformar os materiais no estado líquido, ou para provocar a diminuição da sua resistência mecânica no estado sólido. Três desses processos são abordados neste projeto: laminação a quente de aços, forjamento a quente de aços e fundição sob pressão de ligas de alumínio. A vida útil das ferramentas empregadas nestes processos é fator de competitividade para seus fabricantes e usuários.

No caso dos produtos siderúrgicos laminados, o processo de laminação a quente é considerado vital por estar presente no fluxograma de produção de todos os tipos de produtos finais. Nesse processo, qualidade e produtividade estão intimamente ligadas ao desempenho em serviço dos cilindros de laminação, pois:

  • A qualidade dos produtos laminados é determinada principalmente pela precisão e repetitividade de sua forma, que são reflexos diretos da geometria e do estado da superfície dos cilindros;
  • A produtividade do laminador é parcialmente determinada pelo tempo de serviço ininterrupto que o cilindro de laminação pode suportar, mantendo a qualidade do produto laminado acima do nível mínimo estabelecido.

A minimização das paradas para troca de cilindros, possibilitada por cilindros mais resistentes à degradação, implica diretamente o aumento da produtividade da linha de produção. O mercado de cilindros de laminação, por sua vez, caracteriza-se por ampla globalização e extrema pulverização, criando a necessidade de os fabricantes produzirem produtos diferenciados para garantir a rentabilidade do negócio. O fator de diferenciação é a vida útil do cilindro.

No caso dos produtos siderúrgicos forjados, o custo da matriz de forjamento pode representar até 30% do custo final do produto e, portanto, a vida útil da matriz afeta diretamente a competitividade do produto produzido e a rentabilidade do negócio. Além disso, a atual tendência da indústria de forjamento é aumentar a precisão dimensional dos forjados e diminuir o sobremetal descartado no processo. Isto implica diretamente a necessidade de diminuição da velocidade do dano progressivo das matrizes, uma vez que o nível máximo de dano tolerado passa a ser menor.

No caso do processo de fundição sob pressão de ligas de alumínio, a vida útil do molde de injeção exerce influência decisiva sobre o custo e sobre a qualidade do produto fundido. O processo de fundição sob pressão notabiliza-se por permitir a obtenção de peças com elevados níveis de precisão dimensional e qualidade superficial (near net shape). Desta forma, qualquer tipo de dano presente na cavidade do molde será reproduzido na peça fundida como sobremetal, prejudicando a qualidade superficial e/ou a precisão dimensional e gerando, consequentemente, a necessidade de retrabalho da peça (com impacto adicional sobre o seu custo).

A expectativa é de que os resultados do projeto gerem impactos na competitividade da indústria de transformação do setor metal-mecânico e na formação de quadros para a inovação.

O sucesso do projeto colocará à disposição dos produtores de materiais metálicos destinados a ferramentas de conformação a quente – dentre eles especificamente a Gerdau – um sistema para projetar ligas de alto desempenho que contempla soluções inovadoras e custo baixo. Levando em conta que a vida útil dessas ferramentas é fator de competitividade tanto para estes produtores como para seus clientes (usuários de ferramentas de conformação), e que ambos estão invariavelmente expostos à competição global, é certo que o emprego deste sistema possibilitará tanto o estabelecimento de uma barreira tecnológica na competição pelo mercado interno (onde os produtores nacionais vêm enfrentando substantiva redução de participação), como a transposição de barreiras para o acesso a mercados globais.


Principais desafios tecnológicos:


O projeto caracteriza-se por possuir uma proposta metodológica desafiadora, na fronteira do conhecimento, e, ao mesmo tempo, por produzir resultado com aplicação direta em processos produtivos de setores industriais maduros. Tais características induzem a aplicação de abordagens inovadoras durante a condução do projeto, possibilitando o desenvolvimento e a consolidação deste conceito junto aos pesquisadores da equipe de trabalho.


Parceiros:

A Gerdau é líder no segmento de aços longos nas Américas e uma das principais fornecedoras de aços longos especiais do mundo. Com mais de 45 mil colaboradores, possui operações industriais em 14 países – nas Américas, na Europa e na Ásia –, as quais somam uma capacidade instalada superior a 25 milhões de toneladas por ano. No Brasil, possui operações em quase todos os Estados, produzindo aços longos comuns, aços especiais e cilindros de laminação. As unidades produtoras de cilindros de laminação (Pindamonhangaba-SP) e de semi-acabados de aço ferramenta (Charqueadas-RS) fazem parte de um grupo de negócios, denominado Aços Especiais Brasil, que foi responsável, em 2012, por 14% da operação do Grupo Gerdau.

O IPT e a EPUSP são os responsáveis pela execução do projeto.




Financiamento:


FUNTEC/BNDES (Fundo de Tecnologia do BNDES) e Gerdau serão os responsáveis pelo aporte total de aproximadamente R$ 13 milhões ao projeto, nas proporções de 88% e 12%, respectivamente, ao longo dos seus quatro anos de duração.


Etapas:


  • Aquisição e operacionalização dos equipamentos;
  • Seleção e treinamento de equipe para modelagem computacional;
  • Modelagem computacional de tensões e danos em corpos-de-prova;
  • Ensaios laboratoriais em corpos-de-prova;
  • Modelagem computacional de tensões e danos em ferramentas de conformação;
  • Operação de ferramentas em escala piloto.