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Materiais de extrusão a frio: Um guia abrangente

Última atualização:
19 de abril de 2024
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Índice

Os materiais utilizados para a extrusão a frio devem possuir uma boa plasticidade, baixa resistência à deformação e sensibilidade ao endurecimento por trabalho. A seleção de materiais para extrusão a frio é uma das considerações cruciais na produção de extrusão. Afecta não só a qualidade e o desempenho do produto, mas também tem um impacto direto na vida útil do molde, influenciando assim, em certa medida, a complexidade do processo de extrusão a frio.

Com o avanço da indústria moderna e o aparecimento de prensas de extrusão especializadas de grande tonelagem e de novos materiais de molde, a gama de materiais disponíveis para extrusão a frio alargou-se e a variedade de materiais expandiu-se gradualmente.

Muitos materiais de baixa plasticidade e alta resistência podem agora ser submetidos ao processamento de extrusão a frio dentro de um certo grau de deformação. Atualmente, os materiais metálicos utilizados para a extrusão a frio, tanto a nível nacional como internacional, estão listados na Tabela 2-3.

Tabela 2-3: Metais utilizados para extrusão a frio

Nome do materialGrau do material
Chumbo, estanho, prata e respectivas ligas
Ligas de zinco e de zinco-cádmio
Alumínio e ligas de alumínioAlumínio puro1070A,1060,1050A,1035,1200
Ligas de alumínio resistentes à ferrugem5A01,5A02,5A03,5A05,3A21
Ligas de alumínio duro2A01,2A02, 2A04. 22A06,22B11, 2B12, 2A10, 2A11,22A12, 2A13
Ligas de alumínio forjado2A50,2A14
Ligas de alumínio super-duras7A09
Cobre e ligas de cobreCobre puroT1,T2,T3,T4
Cobre isento de oxigénioTU1,TU2
LatãoH62,H68,H70,H80,H85,H90,H96
Bronze fosforoso de estanhoQSn6. 5-0. 15
Ligas de magnésioMg99.50, Mg99.00, AZ41M, AZ61M
Níquel e ligas de níquelNíquel puroN2,N3,N4.N5,N6
Ligas de níquel-cobreNiCu70-30
açoFerro puro elétricoDT1,DT2
Aço carbono comumQ195,Q215,Q235,Q275
Aço estrutural de carbono de alta qualidade08F,15F,08,10,15,20,25,30,35,40,45,50,15Mn,16Mn,20Mn
Aço de estiramento profundoS10A,S15A,S20A
Liga de aço estrutural20MnV, 20MnB, 15Cr, 20Cr, 30Cr, 40Cr, 45Cr, 15CrMo, 20CrMo,30CrMo,35CrMo, 42CrMo, 12CrNi2,12CrNi3A, 12CrNiTi, 30Mn2,30CrMnSi,35CrMnSi,30CrMnSiA, 40CrMnMo, 40CrNiMo, 18CrMnTi
Aço inoxidávelSistema ferrítico10Cr17
Sistema martensítico06Cr13, 12Cr13, 20Crl3, 30Cr13, 14Cr17Ni2
Sistema austenítico06Cr19Ni10,12Cr18Ni9
Aço para rolamentosGCr9, GCr15
Aço-carbono para ferramentasT8, T9
Aço rápidoW18Cr4V

Além disso, a extrusão a frio pode ser efectuada em titânio e certas ligas de titânio, tântalo, zircónio, bem como em ligas de precisão e ligas de pedra-pomes.

Os materiais normalmente utilizados para a extrusão a frio são principalmente os metais não ferrosos e as suas ligas, o aço de baixo carbono com uma fração mássica de carbono inferior a 0,2% e os aços de baixa liga.

Metais não ferrosos

A extrusão a frio começou com metais não ferrosos, uma vez que a extrusão a frio destes metais é menos complexa do que a do aço e a força de extrusão unitária também é menor. No entanto, à medida que o teor de elementos de liga aumenta, o desempenho da extrusão a frio deteriora-se. Por conseguinte, a capacidade de processamento de extrusão a frio do material deve ser determinada com base nos diferentes teores de elementos de liga.

1. Alumínio puro

O alumínio puro industrial, como o 1070A, 1060, 1050A, 1035, 1200, 8A06, etc., com um elevado teor de alumínio (w(Al)) superior a 99%, é um metal puro cúbico de face centrada com sistemas de deslizamento 4×3=12, o que o torna um material ideal para a extrusão a frio.

Não só tem baixa resistência à deformação e boa plasticidade, como também dificilmente endurece durante a deformação, prolongando assim a vida útil do molde. É um material com bom desempenho de extrusão a frio. A composição química principal e as propriedades mecânicas do alumínio puro industrial normalmente utilizado para extrusão a frio são apresentadas na Tabela 2-4.

2. Ligas de alumínio deformadas

As ligas de alumínio deformadas utilizadas para extrusão a frio incluem principalmente alumínio resistente à ferrugem, alumínio duro e alumínio forjado.

Tabela 2-4: Composição química primária e propriedades mecânicas do alumínio puro industrial habitualmente utilizado na extrusão a frio

Composição química primária
(Fração de massa, %)
Propriedades mecânicas
IAImpurezasEstadoResistência à tração Rm/MPaResistência ao escoamento RcL/MPaAlongamento A (%)Taxa de redução de área Z (%)Dureza Brinell HBW
99. 70. 3Recozido70~11050 ~ 80358015~25
99. 60. 4
99. 50. 5
99. 30. 7Trabalho endurecido15010066032
991. 0
98. 81. 2 

(1) Alumínio resistente à ferrugem

5A02, 5A05 e 3A21 pertencem às séries Al-Mn e Al-Mg de ligas de alumínio resistentes à ferrugem e são materiais ideais para extrusão a frio devido à sua baixa resistência, elevada plasticidade e excelente desempenho de extrusão a frio.

No entanto, têm uma elevada tendência para endurecer e não podem ser submetidas a tratamento térmico, baseando-se principalmente no endurecimento por trabalho a frio para melhorar a resistência. As ligas de alumínio resistentes à ferrugem normalmente utilizadas na extrusão a frio são a 5A02 e a 3A21. A sua composição química e propriedades mecânicas são apresentadas no Quadro 2-5.

Tabela 2-5: Composição química e propriedades mecânicas de 5A02 e 3A21

GrauCom. Química Primária
posição
(Fração de massa, %)
EstadoPropriedades mecânicas
MgMnAlResistência à tração Rm/MPaResistência ao escoamento RcL/MPaAlongamento A (%)Taxa de redução de área Z (%)Dureza Brinell HBW
5A022~2.80.15~0.497.85~96.8Recozido19080236445
Meio duro2502106/60
3A210.051~1.699~98.4Recozido13050237030
Endurecido22018055055

(2) Alumínio duro

As ligas como 2A01 a 2A11 e 2A12 pertencem à série Al-Cu-Mg de alumínio duro, sendo 2A11 o alumínio duro padrão e 2A12 o alumínio duro de alta resistência. Estes dois tipos de alumínio duro são atualmente os mais utilizados. Em comparação com o alumínio puro e o aço com baixo teor de carbono, o alumínio duro tem uma plasticidade inferior, efeitos de reforço de extrusão menos pronunciados e é altamente propenso a fissuras.

Por conseguinte, é necessário melhorar os tratamentos de amolecimento e lubrificação, e estabelecer as condições de deformação mais razoáveis e planos de processo que não produzam tensão de tração. O alumínio duro 2A12 contém Cu e Mg, formando um grande número de compostos frágeis Al2CuMg (fase s) e CuAl2 (fase 0). Por conseguinte, o 2A12 é mais difícil de extrudir a frio do que o 3A21.

A composição química e as propriedades mecânicas de 2A11 e 2A12 são apresentadas no Quadro 2-6.

Tabela 2: Composição química e propriedades mecânicas de 2A11 e 2A12

GrauCom. Química Primária
posição
(Fração de massa, %)
EstadoPropriedades mecânicas
CuMgMnImpurezas totaisIAResistência à tração Rm/MPaAlongamento A (%)Dureza Brinell HBW
2A113.8~4.80.4~0.80.4~0.81.8Montante residualRecozimento<2401255 ~ 65
Resfriamento380 ~ 4208 ~1295 ~ 110
2A123.8~4.91.2~1.60.3~0.91.5Montante residualRecozimento<24012 ~ 1455 ~ 65
Resfriamento440 ~ 4708 ~ 12110 ~ 120

(3) Alumínio forjado

O 2A14 pertence ao sistema Al-Cu-Mg-Si de ligas de alumínio forjadas e é uma liga de alumínio de alta resistência. Em comparação com o alumínio duro, contém um teor de silício mais elevado, com uma fração de massa de 0,6% a 1,2%. O silício pode aumentar a resistência da liga 2A14 no estado tratado termicamente. Após a têmpera e o envelhecimento artificial, a resistência pode atingir 470MPa, mais de 50MPa superior à da liga 2A11.

No entanto, a sua plasticidade não é tão boa como a do 2A11, particularmente no estado frio, o que o torna propenso a fissuras. Por conseguinte, deve ser dada especial atenção ao efeito de amolecimento e às condições de deformação do processo aquando do processamento de ligas de alumínio forjadas. A composição química e as propriedades mecânicas do 2A14 são apresentadas na Tabela 2-7.

Tabela 2-7: Composição química e propriedades mecânicas do 2A14

GrauCom. Química Primária
posição
(Fração de massa, %)
EstadoPropriedades mecânicas
CuMgMnSiIAResistência à tração Rm/MPaAlongamento A (%)Taxa de retração da secção Z (%)Dureza Brinell HBW
2A143.9~4.80.4~0.80.4~1.00.6~1.2Montante residualRecozimento190 ~ 21510 ~1543. 562 ~ 65
Têmpera e envelhecimento≥460≥1025≥130

3. Cobre puro e cobre isento de oxigénio

O cobre puro e o cobre isento de oxigénio são metais puros com redes cúbicas de face centrada, semelhantes ao alumínio puro, e são excelentes materiais para o processamento de extrusão a frio. A resistência do seu estado amolecido é apenas de cerca de 210MPa.

4. Liga de cobre

O facto de a resistência do cobre industrial puro não ser elevada limita a sua utilização como material estrutural. Para conferir ao cobre uma certa resistência, tenacidade, resistência ao desgaste, condutividade eléctrica, condutividade térmica e resistência à corrosão, são adicionados vários elementos de liga, como o zinco, o estanho, o manganês, o alumínio e o silício. As ligas de cobre com zinco como principal elemento de liga são designadas por latão e as ligas com estanho como principal elemento de liga são designadas por bronze.

(1) Latão

O latão pode ser dividido em latão comum e latão especial.

O latão comum é uma liga binária de cobre e zinco. A adição de Zn ao Cu tem um impacto significativo nas propriedades mecânicas do Cu, como se mostra na Figura 2-4. A figura mostra que quando o teor de zinco w(Zn) no latão é inferior a 39%, o Zn dissolve-se no Cu para formar uma solução sólida α de substituição da estrutura cúbica centrada na face, que é muito macia e altamente plástica.

Figura 2-4: O impacto do zinco nas propriedades mecânicas do latão

Quando a quantidade de zinco adicionado w(Zn) no latão excede 39%, aparece uma fase β dura e quebradiça com uma rede cúbica centrada no corpo, que é uma solução sólida de rede cúbica centrada no corpo baseada no composto CuZn, fazendo com que a taxa de alongamento A caia drasticamente, mas a resistência à tração R ainda aumenta. Quando o teor de zinco w(Zn) é de cerca de 45%, Rm atinge o seu valor máximo.

Se o teor de zinco for aumentado, surge uma fase γ mais dura e mais frágil no latão. Trata-se de uma solução sólida com uma estrutura cúbica complexa baseada no composto Cu5Zn8. Nesta altura, o Rm do latão cai drasticamente, pelo que as ligas de cobre-zinco com um teor de zinco w(Zn) superior a 45% não têm valor prático.

Da análise anterior, sabe-se que os latões como H62, H68, H70, etc., com um teor de zinco w(Zn) não superior a 39%, são adequados para o processamento por extrusão a frio. A composição química e as propriedades mecânicas do cobre e das suas ligas utilizadas para a extrusão a frio são apresentadas no Quadro 2-8.

(2) Bronze

Existem muitos tipos de bronze, geralmente designados de acordo com os tipos de elementos de liga contidos no cobre. Por exemplo, o bronze que contém Al é chamado bronze de alumínio e o bronze que contém Sn é chamado bronze de estanho.

Nas condições técnicas actuais, a extrusão a frio do bronze é bastante difícil. No entanto, o bronze de estanho-fósforo QSn6.5-0.15 conseguiu ser processado com sucesso por extrusão a frio.

Isto deve-se ao facto de o fósforo neste bronze de estanho-fósforo poder desoxidar, eliminando os efeitos nocivos do composto extremamente duro e quebradiço SnO2O bronze de estanho-fósforo é um bronze de alta qualidade, o que melhora as propriedades mecânicas e o desempenho do processo deste bronze de estanho-fósforo, tornando-o assim adequado para o processamento de extrusão a frio.

Quadro 2-8: Composição química e propriedades mecânicas do cobre e das suas ligas para extrusão a frio

NomeGrauComposição química primária (Fração de massa, %)EstadoPropriedades mecânicas
CuZnImpurezas totaisResistência à tração Rm/MPaTaxa de contração transversal Z (%)Dureza Brinell HBW
Cobre puroT199.95Recozido210 ~ 23047. 5 ~ 5040 ~ 50
Cobre puroT299. 9Recozido210 ~ 23047.5 ~ 5040 ~ 50
Cobre puroT399.7Recozido210 ~ 23047. 5 ~ 5040 ~ 50
LatãoH6260. 5 ~ 63. 539 ~ 360. 5Recozido300 ~ 35030 ~ 4050 ~ 60
LatãoH6867 ~ 7030 ~ 320.3Recozido300 ~ 32030 ~ 4545 ~ 55

5. Outros metais não ferrosos

O níquel puro pode ser extrudido a frio, mas tem tendência a aderir à matriz. Por conseguinte, é preferível revestir a superfície do níquel com cobre antes da extrusão a frio, com uma espessura de revestimento de cerca de 0,02 mm, e utilizar parafina clorada como lubrificante. Para a extrusão a frio em várias etapas, o recozimento intermédio deve ser efectuado num forno elétrico com um gás de proteção. Após cada recozimento, o revestimento de cobre deve ser reaplicado.

A liga de níquel-cobre NiCu70-30 também pode ser extrudida a frio.

O titânio puro pode ser extrudido a frio, mas a força de extrusão unitária necessária é elevada. Antes da extrusão a frio, a peça em bruto tem de ser submetida a um tratamento de superfície com flúor-fosfato e, em seguida, lubrificada com grafite, dissulfureto de molibdénio ou resina sintética.

As ligas de zinco, tais como as ligas de cádmio-zinco, são amplamente utilizadas no fabrico de pilhas secas. No entanto, não são adequadas para extrusão a frio à temperatura ambiente. É mais adequado aquecer a liga de cádmio-zinco a cerca de 100C e mantê-la durante 30-60 minutos antes da extrusão. A lanolina ou o estearato de zinco são frequentemente utilizados como lubrificantes durante a extrusão.

O magnésio e as suas ligas não são adequados para extrusão à temperatura ambiente. A peça em bruto deve ser aquecida a 230-370C antes de poder ser extrudida.

Aço

Na atual produção por extrusão a frio, os tipos de aço utilizados podem ser divididos, grosso modo, nas três categorias seguintes:

(1) Aço moldável

O principal requisito para este tipo de aço é a sua conformabilidade, não sendo exigidos excelentes efeitos de reforço por extrusão. Esta categoria refere-se principalmente ao aço-carbono comum com um teor de carbono (w(C)) inferior a 0,1%.

(2) Aço que requer melhorias das propriedades mecânicas através de processos de enformação

Quase todos os aços estruturais de alta qualidade com baixo teor de carbono e médio teor de carbono e os aços estruturais ligados com um teor de carbono (w(C)) superior a 0,2% podem atingir este objetivo através do endurecimento por trabalho.

(3) Aço que requer melhorias das propriedades mecânicas através de tratamento térmico

Quando os requisitos de resistência das peças do produto excedem a resistência alcançável por extrusão a frio, ou quando são impostos requisitos rigorosos de resistência em toda a secção transversal, é necessário um tratamento térmico.

Por exemplo, peças como casquilhos estriados em eixos de mudanças de bicicletas e motores de motociclos, que utilizam frequentemente aços estruturais de baixa liga como o 20Cr e o 40Cr, continuam a necessitar de tratamento térmico adicional após a extrusão para cumprirem os requisitos de desempenho. Para esses materiais, devem ter uma elevada temperabilidade durante o tratamento térmico, mas devem poder ser adequadamente amolecidos para reduzir as forças de extrusão.

Quase todos os aços que podem ser forjados a quente podem também ser extrudidos a frio. No entanto, devido às limitações das matrizes e do equipamento, os tipos de aço que podem ser utilizados para a extrusão a frio estão geralmente limitados aos aços de médio e baixo carbono com um teor de carbono (w(C)) inferior a 0,5%, bem como aos aços de baixa liga com um teor de carbono (w(C)) inferior a 0,5%.

Na produção atual, os aços de baixo carbono e os aços de baixa liga com um teor de carbono (w(C)) inferior a 0,2% são amplamente utilizados. A Tabela 2-9 lista as classes, composições químicas e propriedades mecânicas de alguns aços atualmente disponíveis para o processamento por extrusão a frio.

NomeGrauPrincipais componentes químicos (Fração de massa, %)Propriedades mecânicasNota
CMnSiPSCrResistência à tração Rm/MPaAlongamento A (%)Redução de área Z (%)Dureza Brinell HBW
Aço estrutural de carbono de alta qualidade100.07~0.140.35~0.650.17~0.37≤0.035≤0.04/340~36043~4060107~110Estado amaciado
150.12~0.190.35~0.650.17~0.37≤0.04≤0.04/360~38038~4055~60109~121
200.17~0.240.35~0.650.17~0.37≤0.04≤0.04/390~42028~3255121~131
Liga de aço estrutural15Cr0.12~0.180.4~0.70.17~0.37//0.7~1.04502040128
20Cr0.17~0.240.5~0.80.17~0.37//0.7~1.08501040133~138
40Cr0.37~0.440.5~0.80.17~0.37//0.8~1.1≥1000≥9≥45156
Aço de estiramento profundoS10A0.06~0.120.25~0.5≤0.1≤0.03≤0.035/300~40046~5055137
S15A0.12~0.180.25~0.5≤0.1≤0.03≤0.035/340~45044~4855143
S20A0.16~0.220.25~0.5≤0.1≤0.03≤0.035/380~500≥2655156
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