Conformação a frio de ligas de níquel

As ligas de níquel no estado recozido são suscetíveis a todos os métodos de conformação plástica a frio. Algumas delas são altamente conformáveis, outras exatamente o oposto. Neste artigo abordaremos as questões relacionadas com a conformação a frio das ligas de níquel.

O que afeta a conformabilidade das ligas de níquel?

A conformabilidade, ou seja, a facilidade de conformação plástica a frio, depende dos seguintes fatores:

• Encruamento – qualquer conformação a frio das ligas de níquel causa um aumento na sua dureza e uma diminuição na sua ductilidade. O impacto da conformação no encruamento depende da composição química da liga. Ligas de níquel-crómio, níquel-crómio-cobalto e níquel-ferro-crómio apresentam uma taxa de encruamento mais elevada do que o níquel puro e as ligas de níquel-cobre. As peças encruadas são mais difíceis de submeter a processamentos posteriores.
• Recuperação elástica (efeito mola) – as ligas de níquel têm um elevado módulo de elasticidade, semelhante ao do aço, e por isso, após a deformação, podem voltar parcialmente à sua forma original.
• Estado de tratamento térmico – a maioria das operações de conformação a frio requer a utilização do material no estado recozido, que se caracteriza por uma maior plasticidade. No entanto, algumas ligas de níquel mais macias são conformadas no estado parcialmente encruado, o que melhora as propriedades durante o corte, puncionamento e conformação de elementos de fixação.
• Tendência para gripagem e soldadura a frio – as ligas de níquel podem facilmente criar ligações adesivas com as ferramentas e outros metais. Isso provoca um elevado coeficiente de atrito e dificulta o processo de conformação. Afeta principalmente as ligas com baixo teor de crómio, uma vez que o crómio forma uma camada protetora de óxidos.

Que lubrificantes utilizar?

Os óleos minerais ligeiros e os lubrificantes à base de água têm propriedades lubrificantes limitadas. Só podem ser utilizados em operações de conformação ligeiras.

Os fosfatos não formam compostos superficiais úteis nas ligas à base de níquel. Não devem ser utilizados.

Os lubrificantes comuns à base de derivados de petróleo raramente são utilizados.

Os revestimentos de cobre são utilizados com muito bons resultados, mas devido aos elevados custos de aplicação e remoção, os revestimentos metálicos são utilizados como lubrificantes apenas em operações severas de conformação a frio e apenas quando puderem ser devidamente removidos posteriormente.

Lubrificantes contendo carbonato de chumbo, óxido de zinco ou compostos metálicos semelhantes com baixas temperaturas de fusão não devem ser utilizados se a liga de níquel for operar a altas temperaturas, pois podem permanecer na superfície da liga de níquel e reduzir a sua resistência. Podem ser utilizados enchimentos inertes, como o talco.

Lubrificantes com adição de enxofre ou cloro, como o dissulfureto de molibdénio, podem ser utilizados desde que seja possível limpar cuidadosamente a peça maquinada. Os compostos de enxofre e cloro que fiquem retidos, mesmo em quantidades residuais, são causa de corrosão por picadas (pitting).

Materiais para ferramentas

De um modo geral, para a conformação a frio de ligas de níquel podem ser utilizadas as mesmas ferramentas que para a conformação de aços inoxidáveis austeníticos. As propriedades mecânicas das ligas de níquel exigem que as ferramentas de conformação tenham 30-50% mais potência do que a necessária para a conformação de peças semelhantes em aço de baixo carbono macio. Isto tem impacto no desgaste das ferramentas.

Os elementos formados com recurso a matrizes de ligas de zinco devem ser submetidos a uma decapagem curta em ácido nítrico diluído de forma a remover quaisquer vestígios de zinco transferidos das matrizes para a superfície da peça durante a conformação. O zinco pode causar fragilidade nas ligas de níquel durante o tratamento térmico ou operação a temperaturas elevadas. Por motivos semelhantes, os elementos formados com matrizes de latão ou bronze também devem ser decapados se as matrizes conferirem à peça trabalhada uma coloração acobreada.

Corte e puncionamento de ligas de níquel

O estado de tratamento térmico das peças destinadas a corte, puncionamento ou perfuração depende da liga e da espessura da peça. Tiras finas de ligas macias (ex.: níquel 200) devem estar no estado encruado, por exemplo, por laminação. Ligas mais resistentes (ex.: liga 600) são geralmente melhor puncionadas num estado ligeiramente encruado. Por outro lado, as ligas endurecíveis por precipitação (ex.: liga X-750) devem ser puncionadas no estado recozido.

Não são necessários lubrificantes durante o corte, mas devem ser utilizados durante o puncionamento e a perfuração. Para materiais com espessura inferior a 3 mm, pode utilizar-se um óleo mineral ligeiro. Para materiais com espessura superior a 3 mm, deve utilizar-se um óleo sulfurado mais espesso.

A folga entre o punção e a matriz deve ser:

• de 3 a 5% da espessura do material para chapas finas (até 3 mm)
• de 5 a 10% da espessura do material para materiais com espessura superior a 3 mm

A distância entre o punção e a placa de pressão deve ser a menor possível.

Corte - as guilhotinas devem ter capacidade para cortar aço de baixo carbono com uma espessura 50% superior à espessura do material de liga de níquel a cortar. Por exemplo, para cortar uma placa de liga 400 (UNS N04400) com 6 mm de espessura, devem ser utilizadas guilhotinas concebidas para cortar aço de baixo carbono com 9 mm de espessura.

Puncionamento - o diâmetro mínimo do furo deve ser igual ou superior à espessura da peça. A proporção exata depende da espessura, do tratamento térmico e do grau do material. Para a liga 200, monel 400 e liga 600, o diâmetro mínimo do furo é:

• para elementos com espessura de 0,5 – 0,9 mm: 1,5 vezes a espessura;
• para elementos com espessura de 0,9 – 1,8 mm: 1,3 vezes a espessura;
• para elementos com espessura de 1,8 – 3,6 mm: 1,1 vezes a espessura;
• para elementos com espessura superior a 3,6 mm: igual à espessura da peça.

A resistência ao corte é de cerca de 65% da resistência à tração. A carga da guilhotina no corte de ligas de níquel é aproximadamente 113-131% da carga no corte de peças comparáveis de aço de baixo carbono.

Estampagem profunda de ligas de níquel

Para a estampagem da maioria das formas simples podem utilizar-se as matrizes e ferramentas concebidas para a estampagem de aços ou ligas de cobre. No caso de peças complexas com elevada precisão dimensional, podem ser necessárias ligeiras modificações nas ferramentas, consistindo no aumento das folgas de trabalho e no aumento do raio de curvatura da matriz.

Folgas de trabalho maiores evitam a formação de rugas e resultam da maior resistência à tração das ligas de níquel em comparação com o aço para estampagem a frio. Na estampagem de peças cilíndricas profundas, a folga entre o punção e a matriz é tipicamente de 120–125% da espessura da chapa.

O raio de curvatura da matriz deve permitir o escoamento livre do metal. Um raio demasiado pequeno provoca a gripagem do metal entre o punção e a matriz. Por esse motivo, adota-se o raio mínimo do punção:

• para aço inoxidável ferrítico: 6x a espessura da chapa estampada,
• para aço inoxidável austenítico: 4x a espessura da chapa estampada,
• para chapas finas de ligas de níquel: 5–12x a espessura da chapa estampada.

Repuxamento de ligas de níquel

O repuxamento manual geralmente não é recomendado, exceto para ligas particularmente macias (níquel 200, monel 400). A dureza máxima e a espessura máxima da chapa no repuxamento manual são:

• para a liga níquel 200: 64 HRB e 1,57 mm;
• para níquel 201: 55 HRB e 1,98 mm;
• para monel 400: 68 HRB e 1,27 mm;
• para a liga 600: 80 HRB e 0,94 mm;
• para a liga 722: 94 HRB e 0,94 mm;
• para a liga X-750: 94 HRB e 0,94 mm;
• para a liga 801: 88 HRB e 0,94 mm.

Os lubrificantes recomendados são espessos, como a cera de abelha e o sebo.

A escolha do material adequado para a ferramenta é crucial para o sucesso do processo. O melhor material para a ferramenta de repuxar é o bronze de liga duro altamente polido. Para os roletes de repuxamento recomendam-se aços para ferramentas temperados, especialmente com revestimento de crómio, pois reduzem a adesão do metal trabalhado à ferramenta. Ferramentas e roletes de repuxar feitos de latão comum ou aço carbono, utilizados com materiais mais macios, não são adequados para o processamento de ligas à base de níquel.

Curvamento de tubos de ligas de níquel

Os tubos de ligas de níquel podem ser curvados e enrolados através de métodos convencionais. Tubos no estado aliviado de tensões exigem raios de curvatura cerca de 25–50% maiores do que os tubos recozidos com as mesmas dimensões.

Raio e ângulo de curvatura de ligas de níquel consoante o tipo de tubo e o método de curvamento:

• curvamento em prensa de tubo sem enchimento: raio mínimo de curvatura 6D, ângulo máx. de curvatura 120°
• curvamento em rolos de tubo com enchimento: raio mínimo de curvatura 4D, ângulo máx. de curvatura 360°
• curvamento com mandril: raio mínimo de curvatura 2D, ângulo máx. de curvatura 180°
• curvamento por tração rotativa de tubo sem enchimento: raio mínimo de curvatura 3D, ângulo máx. de curvatura 180°
• curvamento por tração rotativa de tubo com enchimento: raio mínimo de curvatura 2D, ângulo máx. de curvatura 180°

(onde D é o diâmetro exterior do tubo).

O curvamento de tubos sem enchimento limita o raio de curvatura e é adequado apenas para tubos com uma espessura de parede superior a 7% do diâmetro exterior.

O curvamento com mandril ou com enchimento reduz o raio de curvatura possível. Os melhores resultados são obtidos com mandris de bronze duro (reduz o risco de gripagem) e com o uso de lubrificantes. Para as operações de curvamento mais severas, vale a pena escolher lubrificantes com compostos de cloro. A areia é um bom material de enchimento.

O curvamento em prensa nem sempre produz os melhores resultados em tubos no estado totalmente recozido. Ligas de baixa dureza (níquel 200, cuproníquel 400) dobram melhor na prensa no estado aliviado de tensões. Por outro lado, as ligas de níquel-crómio devem ser curvadas no estado recozido.

O curvamento a quente geralmente não é recomendado, sendo o curvamento a frio o que traz melhores resultados. O curvamento a quente deve ser realizado exclusivamente em tubos com enchimento. A areia deve ser limpa, isenta de compostos de enxofre que possam causar fissuras durante o curvamento. A purificação da areia de compostos de enxofre exige a sua calcinação a uma temperatura de 1150 °C num ambiente oxidante.

Curvamento de placas, tiras e chapas de ligas de níquel

As placas, tiras e chapas de ligas de níquel podem ser curvadas através de métodos normais. O raio de curvatura depende do grau do material e da espessura. Para um ângulo de curvatura de 180°, o raio de curvatura mínimo é:

• liga 200:
  • chapa, tira 0,3-6,4 mm: 1t
  • placa 4,5-6,4 mm: 2t
• liga 400:
  • chapa, tira 0,3-2,8 mm: 1t
  • chapa, tira 2,8-6,4 mm: 2t
• liga 600:
  • chapa, tira 0,3-6,4 mm: 1t
  • placa 4,7-6,4 mm: 2t
• liga 625:
  • chapa, tira 0,3-6,4 mm: 2t
  • placa 4,7-6,4 mm: 2t
• liga 718:
  • chapa, tira 0,3-1,24 mm: 1t
  • chapa, tira 1,24-6,35: 2t
• liga X-750:
  • chapa, tira 0,3-1,24 mm: 1t
  • chapa, tira 1,24-6,35: 2t
• liga 800:
  • chapa, tira 0,3-6,4 mm: 1t
  • placa 4,7-6,4 mm: 2t
• liga 825:
  • chapa, tira 0,3-6,4 mm: 2t
  • placa 4,7-6,4 mm: 2t

(onde t é a espessura da peça).

Expansão de tubos

Os tubos de ligas de níquel podem ser expandidos em espelhos de permutadores de calor de feixe tubular (shell-and-tube) usando métodos convencionais.

Os furos no espelho devem ser ligeiramente maiores do que os tubos que neles serão inseridos:

• para tubos com diâmetro externo inferior a 38 mm o diâmetro do furo deve ser superior em 0,10-0,20 mm;
• para tubos com diâmetro externo superior a 38 mm o diâmetro do furo deve ser superior em 0,20-0,25 mm.

O espelho deve ser mais duro do que os tubos a expandir. Por este motivo, é habitualmente fornecido no estado laminado ou forjado, enquanto os tubos são fornecidos no estado recozido.

Conformação a frio de varões

Os varões de ligas de níquel são habitualmente conformados a frio no estado recozido.

O curvamento de varões processa-se segundo princípios semelhantes aos do curvamento de tubos com enchimento.

O enrolamento de varões de liga de níquel para a produção de molas é habitualmente realizado a quente, utilizando ligas endurecíveis por precipitação. Contudo, para algumas aplicações, é necessário enrolar varões no estado encruado. Isto aumenta significativamente o raio de enrolamento mínimo.

Recalcamento e extrusão a frio de ligas de níquel

As ligas de níquel podem ser extrudidas e recalcadas a frio. O recalcamento ocorre normalmente em combinação com a extrusão. A elevada resistência e a propensão à gripagem exigem a utilização de velocidades mais baixas (a velocidade de recalcamento deve ser de cerca de 10-15 m/min) e de ferramentas mais robustas (por exemplo, em aço SW18).

Endireitamento a frio de ligas de níquel

As ligas de níquel podem ser endireitadas através de métodos normais. Exigem cerca de 50% mais de potência do que o aço de baixo carbono - por exemplo, uma máquina com capacidade para endireitar varões de aço de baixo carbono com 20 mm de diâmetro pode processar ligas de níquel e cuproníquel até um diâmetro de cerca de 10 mm.

Um problema comum são os riscos em espiral. Podem ser combatidos utilizando lubrificantes e as ligas no estado recozido. As matrizes podem ser feitas de bronze e ferro fundido. O ferro fundido deve ser utilizado quando não se realiza decapagem após o endireitamento e a contaminação do produto pelo bronze é inaceitável.

Peças para aplicações a altas temperaturas

Um encruamento excessivo pode diminuir a resistência à fluência (creep) das ligas de níquel-crómio, frequentemente concebidas para trabalhar a altas temperaturas. Se o grau de encruamento for superior a 10% e a peça se destinar a trabalhar a uma temperatura superior a 650 °C, deve-se realizar um tratamento térmico após a conformação a frio.

Conformação a frio de ligas refratárias e endurecíveis por precipitação

A maioria das ligas refratárias são conformadas a frio, uma vez que a janela de processamento a quente é muito estreita. Por vezes, são necessárias várias operações intercaladas com recozimento.

Controlo do crescimento de grão - no caso de algumas ligas refratárias, para obter o tamanho de grão ideal, é necessária uma conformação com um grau significativo de encruamento. Por exemplo, o grão na liga X, após 5% de encruamento e tratamento térmico, cresce excessivamente, o que pode originar o efeito "casca de laranja". Este efeito não ocorre com 10% de encruamento.

Elementos de liga nas ligas refratárias que afetam a conformação a frio:

• boro (ex.: liga 41) acima de 0,03% aumenta o risco de fissuração, mas abaixo desse limite protege contra a precipitação de carbonetos nos limites de grão,
• silício acima de 0,3%, e especialmente acima de 0,6%, aumenta o risco de fissuração durante a trefilagem a frio,
• carbono acima de 0,15% reduz a ductilidade, aumentando o risco de fissuração,
• molibdénio e tungsténio (ex.: liga 230) aumentam a resistência mecânica, razão pela qual a sua conformação exige mais potência,
• alumínio e titânio que formam a fase γ′ (ex.: liga 80A) também endurecem a liga.

As ligas endurecíveis por precipitação podem fissurar quando, após a conformação plástica, são submetidas a endurecimento por precipitação (envelhecimento). Para contrariar este efeito, o componente deve ser recozido antes do envelhecimento. Algumas ligas endurecíveis por precipitação (ex.: liga 41) têm duas faixas de temperatura de recozimento. O recozimento à temperatura mais alta (1175 °C no caso da liga 41) aumenta a ductilidade e a conformabilidade, mas tem um efeito negativo na soldabilidade; o recozimento à temperatura mais baixa (1070 °C para a liga 41) reduz a conformabilidade em 10-20%, mas permite a soldadura sem risco de fissuras.