Estampagem a quente de chapas metálicas: Melhorias de desempenho e redução de custos na indústria automotiva

Os mais diversos ramos da indústria metalmecânica nacional podem se beneficiar da redução de custos e melhoria de desempenho dos seus produtos pelo uso da estampagem a quente que ainda é restrita às empresas do setor automotivo, mas que apresenta grande potencial para a produção dos mais diversos componentes metálicos de alto desempenho. Nos últimos anos, a busca na indústria automobilística por maior competitividade de mercado tem promovido o desenvolvimento de novos materiais (como novas ligas de alumínio, de magnésio e polímeros) que sejam adequados aos requisitos cada vez mais exigentes quanto à redução de peso de veículos, sem perda de desempenho. Como resposta, a indústria de aços também tem desenvolvido novas ligas especiais, que além de promover a desejada redução de peso responsável pela maior economia de combustível e redução dos impactos ambientais, também são capazes de garantir a segurança do usuário, sem que se pressione o custo de produção da matéria-prima. Os aços de ultra-alta resistência mecânica Foi neste contexto que surgiu (quadro 01), em 1998, o programa ULSAB (do inglês Ultra Light Steel Auto Body), financiado por um consórcio de 25 siderúrgicas mundiais, entre elas empresas brasileiras, tendo como objetivo desenvolver e empregar novos aços de ultra-alta resistência como os aços bifásicos (DP do inglês Dual Phase), os aços com fase complexa (CP do inglês Complex Phase) e os martensíticos que pudessem ser empregados para a fabricação de componentes das carrocerias. A partir desse consórcio, também se concebeu um veículo energeticamente eficiente que deveria apresentar cerca de 90% de sua estrutura fabricada com esses novos aços. A segunda fase do programa foi iniciada em 2004, quando foram projetados novos aços inoxidáveis com elevada conformabilidade, alta resistência mecânica e recicláveis com o objetivo de melhorar a sustentabilidade da indústria automobilística. Mais recentemente, foram apresentados os aços com três fases (ferrita, bainita e austenita retida) endurecidos por nano- -precipitados e que se inserem entre os aços CP e os DP em termos de resistência mecânica e ductilidade. A aplicação desses novos aços, classificados em função de sua elevada resistência mecânica, tem possibilitado uma considerável redução de espessura dos componentes mecânicos produzidos a partir de chapas metálicas. Os aços avançados ou de ultra-alta resistência (AHSS) são classificados em grupos de acordo com a cronologia de desenvolvimento: primeira geração (aços multifásicos); segunda geração (teor médio de manganês); terceira geração (alto teor de manganês); e os aços inoxidáveis austeníticos (4), que combinam boas propriedades mecânicas com elevada resistência à corrosão (ver quadro 02). A escolha dos materiais que farão parte da estrutura do veículo tem grande impacto no seu custo e desempenho, pois a carroceria equivale a 25-30% do peso total de um veículo de médio porte, de modo que uma redução de 10% do peso pode causar uma redução de 8% no consumo de combustível. Os aços UHSS (ultra-alta resistência mecânica) da família Mn-B, ou aços endurecíveis ao boro, são os mais adequados para a estampagem a quente por apresentarem microestrutura predominantemente martensítica após a deformação seguida pelo resfriamento no interior das matrizes. A estampagem a quente A estampagem convencional realizada com a chapa metálica na temperatura ambiente apresenta grande aplicação industrial por se adaptar facilmente à produção seriada, permitir alta produção, com baixo índice de refugos e boa precisão dimensional. No Brasil, algumas montadoras e fornecedoras de autopeças já utilizam a estampagem a quente para produzir componentes estruturais da carroceria. Na indústria automobilística, os requisitos mais severos relacionados ao desempenho de um veículo em situação de colisão podem ser satisfeitos pela estampagem a frio de chapas de aço de maior espessura, o que acaba Na indústria automobilística, os requisitos mais severos relacionados ao desempenho de um veículo em situação de colisão podem ser satisfeitos pela estampagem a frio de chapas de aço de maior espessura, o que acaba por aumentar o peso total do veículo e limitar a produção a peças de formato simples e com resistência mecânica de, no máximo, 1200 MPa como, por exemplo, as barras de impacto lateral. Por outro lado, a estampagem a frio de componentes com aços de ultra- -alta resistência mecânica apresenta um grande desafio devido à limitada conformabilidade e acentuado efeito- -mola (do inglês springback) característicos desses aços. Assim, para a produção de peças mais complexas (como a coluna “B”, por exemplo), são necessários processos, como a estampagem a quente, que permitam aumentar a capacidade de conformação do material, produzir peças de maior complexidade geométrica e minimizar defeitos geométricos causados pelo efeito-mola (ver figura 01). O uso industrial de aços endurecíveis ao boro na estampagem a quente com têmpera na matriz se deu a partir do início da década de 90 para a produção de alguns componentes automotivos (como para-choques e barras para portas) por superar algumas dificuldades relacionadas à estampagem a frio e melhorar algumas características de segurança veicular em colisões – como a energia que deve ser absorvida no impacto e a intrusão no compartimento dos passageiros que deve ser minimizada (ver quadro 03). Atualmente, a maioria das montadoras automotivas norte-americanas e europeias utilizam peças estampadas a quente em seus novos projetos de veículos a fim de aproveitar as vantagens relacionadas ao maior nível de resistência mecânica obtida pela conformação a quente seguida de têmpera. A estampagem a quente vem apresentando um grande crescimento na confecção de diversas partes estruturais, como para- -choques frontais, traseiros, colunas “A” e ”B”, trilhos para tetos, componentes de trilhos laterais, túneis e barras para portas (ver quadro 04). Di ferentemente do proces so convencional – em que a chapa era estampada a frio e posteriormente aquecida para têmpera em óleo, com a consequente perda da qualidade geométrica e dimensional do componente produzido –, na estampagem a quente direta a chapa é aquecida até sua completa austenitização, estampada e finalmente temperada pelo resfriamento entre as matrizes. Já no processo indireto, a pré-forma obtida por estampagem a frio é austenitizada e, finalmente, calibrada e temperada na etapa final de estampagem. Outras variações da estampagem a quente também têm sido propostas e testadas para atender requisitos específicos dos produtos, destacando-se a estampagem de recortes soldados a laser (tailored blanks), a estampagem com aquecimento e resfriamento em locais específicos das matrizes (tailored stamping) e a estampagem a quente sequencial, em que etapas sucessivas de austenitização e conformação são empregadas para a obtenção de componentes com geometrias complexas empregando aços de elevada resistência mecânica (ver quadro 05). No Brasil, algumas montadoras e fornecedoras de autopeças já utilizam a estampagem a quente para produzir componentes estruturais da carroceria; siderúrgicas planejam instalar linhas de produção de aços desenvolvidos para a estampagem a quente e algumas instituições de pesquisa vêm estudando as diversas variantes do processo. O Laboratório de Conformação Mecânica da UNICAMP, em Campinas, tem desenvolvido projetos de pesquisa relacionados à estampagem a quente desde 2006, quando se iniciaram os estudos para melhoria das propriedades mecânicas do aço ao boro DIN 22MnB5 com chapas de 1,8mm de espessura. A partir da fabricação de um conjunto de matrizes resfriada por água gelada para a produção em uma prensa hidráulica de peças similares a um trecho do pilar “B”, foi possível a realização de uma série de pesquisas, entre as quais se destacam (ver figuras 02 a 04): - a estampagem de recortes soldados a laser (tailored blanks) com materiais dissimilares (aços ao boro DIN 22MnB5 e DIN 27MnCrB5) de diferentes espessuras; - a estampagem de peças com furos circulares e oblongos com o objetivo de projetar blanques com furos modificados para obter produtos funcionais e qualificados; - o projeto e fabricação de um ferramental para o ensaio Nakazima, para avaliar a estampabilidade a quente de chapas do aço 27MnCrB5 com 4,0mm de espessura e determinar a máxima redução de espessura possível durante a estampagem; - o estudo de variações da estampagem a quente, como a estampagem a morno e o que se denominou denominou “aus-stamping”, processo no qual a chapa é estampada com a estrutura austenítica metaestável com o objetivo de definir as condições ideais para o que se tem denominado tailored stamping, que tem por objetivo obter propriedades específicas para cada região do componente estampado. Considerações finais A estampagem a quente e suas variantes em função da temperatura de trabalho e dos materiais conformados têm se mostrado uma excelente alternativa para a produção de componentes estruturais com pesos menores e excelentes propriedades mecânicas. O fluxo de produção e os custos também podem tirar proveito desses processos não só para a fabricação de componentes produzidos com aços especiais, mas também para outras ligas metálicas, como as ligas de alumínio e as ligas de magnésio – que vêm sucessivamente substituindo alguns componentes usualmente fabricados em aço. As oportunidades para desenvolvimento de novos produtos nas diversas indústrias do setor metalmecânico são muitas e permitem prever que em um futuro próximo esse processo também será amplamente difundido em nosso país. Referências consultadas ULSAB-Advance Vehicle Concepts, Technical Transfer Dispatch, maio de 2001, in Structural Materials and Processes in Transportation, ISBN: 978-3-527-32787-4, Wiley-VCH, maio de 2013. Ramazani, A. et al. Structural materials and processes in transportation: steel and iron based alloys. 1 ed., 7-15. Alemanha: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2013. The fabricator, A new use for hydraulic presses: Hardening crash- -relevant body parts, maio de 2006. Jonsson, M., Products in hot stamped boron steel, Great Designs in Steel Seminar, 34 p., 2005. Hund, R. Continuous Improvement of Hot Forming Technology, Proc. 3rd International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel, Kassel, Germany, 13-17, 189-200, 2011. Karbasian, H.,Tekkaya, A. E.. A review on hot stamping. Journal of Materials Processing Technology, 2104-2118, 19, 2010. Aranda, L. G. et al. Experiments and simulation of hot stamping of quenchable steels. 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