Materiais de extrusão a frio: Um guia abrangente

Os materiais usados para extrusão a frio devem ter 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. Ela afeta não apenas a qualidade e o desempenho do produto, mas também afeta diretamente a vida útil do molde, influenciando, assim, a complexidade do processo de extrusão a frio até certo ponto.

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

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

Tabela 2-3: Metais Usado para extrusão a frio

Além disso, a extrusão a frio pode ser realizada em titânio e determinadas ligas de titânio, tântalo, zircônio, bem como em ligas de precisão e ligas de pedra-pomes.

Os materiais comumente usados para extrusão a frio são principalmente metais não ferrosos e suas ligas, aço de baixo carbono com uma fração de massa de carbono abaixo de 0,2% e aços de baixa liga.

Metais não ferrosos

A extrusão a frio começou com metais não ferrosos, pois a extrusão a frio desses metais é menos complexa do que a do aço, e a unidade força de extrusão também é menor. No entanto, à medida que o conteúdo dos elementos de liga aumenta, o desempenho da extrusão a frio se deteriora. Portanto, 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 1070A, 1060, 1050A, 1035, 1200, 8A06 etc., com alto teor de alumínio (w(Al)) acima de 99%, é um metal puro cúbico de face centrada com sistemas de deslizamento 4×3=12, o que o torna um material ideal para extrusão a frio.

Ele não só tem baixa resistência à deformação e boa plasticidade, mas 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 comumente usado para extrusão a frio são mostradas na Tabela 2-4.

2. Ligas de alumínio deformadas

As ligas de alumínio deformadas usadas 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 comumente usado em extrusão a frio

(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, alta plasticidade e excelente desempenho de extrusão a frio.

No entanto, elas têm uma alta tendência ao endurecimento e não podem ser submetidas a tratamento térmico, dependendo principalmente do endurecimento por trabalho a frio para aumentar a resistência. As ligas de alumínio resistentes à ferrugem comumente usadas na extrusão a frio são 5A02 e 3A21. Sua composição química e propriedades mecânicas são mostradas na Tabela 2-5.

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

(2) Alumínio rígido

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

Portanto, é necessário aprimorar os tratamentos de amolecimento e lubrificação e estabelecer as condições de deformação e os planos de processo mais razoáveis 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). Portanto, o 2A12 é mais difícil de extrudar a frio do que o 3A21.

A composição química e as propriedades mecânicas de 2A11 e 2A12 são mostradas na Tabela 2-6.

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

(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, ela contém um teor mais alto de silício, 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 chegar a 470 MPa, mais de 50 MPa acima da 2A11.

Entretanto, sua plasticidade não é tão boa quanto a do 2A11, principalmente no estado frio, o que o torna propenso a rachaduras. Portanto, deve-se dar atenção especial ao efeito de amolecimento e às condições de deformação do processo ao processar ligas de alumínio forjadas. A composição química e as propriedades mecânicas do 2A14 são mostradas na Tabela 2-7.

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

3. Cobre puro e cobre sem oxigênio

O cobre puro e o cobre livre de oxigênio 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 de seu estado amolecido é de apenas 210 MPa.

4. Liga de cobre

Como a resistência do cobre industrial puro não é alta, isso limita seu uso como material estrutural. Para conferir ao cobre certa resistência, tenacidade, resistência ao desgaste, condutividade elétrica, condutividade térmica e resistência à corrosão, são adicionados vários elementos de liga, como zinco, estanho, manganês, alumínio e silício. As ligas de cobre com zinco como principal elemento de liga são chamadas de latão, e as ligas com estanho como principal elemento de liga são chamadas de 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 cobre tem um impacto significativo nas propriedades mecânicas do cobre, conforme mostrado na Figura 2-4. A figura mostra que, quando o teor de zinco w(Zn) no latão é inferior a 39%, o Zn se dissolve no Cu para formar uma solução sólida de substituição de rede cúbica centrada na face α, que é muito macia e altamente plástica.

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 aproximadamente 45%, Rm atinge seu valor máximo.

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

Com base na análise acima, sabe-se que latões como H62, H68, H70 etc., com teor de zinco w(Zn) não superior a 39%, são adequados para o processamento de extrusão a frio. A composição química e as propriedades mecânicas do cobre e de suas ligas usadas para extrusão a frio são mostradas na Tabela 2-8.

(2) Bronze

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

Nas condições técnicas atuais, a extrusão a frio do bronze é bastante difícil. No entanto, o bronze de estanho-fósforo QSn6.5-0.15 obteve sucesso no processamento de extrusão a frio.

Isso ocorre porque o fósforo nesse bronze de estanho-fósforo pode se desoxidar, eliminando os efeitos prejudiciais 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 desse bronze de estanho-fósforo, tornando-o adequado para o processamento de extrusão a frio.

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

5. Outros metais não ferrosos

O níquel puro pode ser extrudado a frio, mas tende a aderir à matriz. Portanto, é melhor revestir a superfície do níquel com cobre antes da extrusão a frio, com uma espessura de revestimento de cerca de 0,02 mm, e usar parafina clorada como lubrificante. Para extrusão a frio em várias etapas, o recozimento intermediário deve ser realizado em um 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 extrudada a frio.

O titânio puro pode ser extrudado a frio, mas a força de extrusão unitária necessária é alta. Antes da extrusão a frio, a peça bruta precisa passar por um tratamento de superfície com flúor e fosfato e, em seguida, ser lubrificada com grafite, dissulfeto de molibdênio ou resina sintética.

As ligas de zinco, como as ligas de cádmio-zinco, são amplamente usadas na fabricação de baterias secas. Entretanto, elas não são adequadas para extrusão a frio em temperatura ambiente. É mais adequado aquecer a liga de cádmio-zinco a cerca de 100 ºC e mantê-la por 30 a 60 minutos antes da extrusão. A lanolina ou o estearato de zinco é frequentemente usado como lubrificante durante a extrusão.

O magnésio e suas ligas não são adequados para extrusão em temperatura ambiente. O blank deve ser aquecido a 230-370C antes de ser extrudado.

Aço

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

(1) Aço moldável

O principal requisito para esse tipo de aço é sua conformabilidade, sem a exigência de excelentes efeitos de reforço por extrusão. Essa categoria se refere principalmente ao aço carbono comum com teor de carbono (w(C)) abaixo de 0,1%.

(2) Aço que requer melhorias nas propriedades mecânicas por meio de processos de conformação

Quase todos os aços estruturais de alta qualidade com baixo e médio teor de carbono e aços estruturais de liga com teor de carbono (w(C)) acima de 0,2% podem atingir esse objetivo por meio do endurecimento por trabalho.

(3) Aço que requer melhorias nas propriedades mecânicas por meio de tratamento térmico

Quando os requisitos de resistência das peças do produto excedem a resistência alcançada pela extrusão a frio ou quando são impostos requisitos rigorosos de resistência em toda a seção transversal, é necessário o tratamento térmico.

Por exemplo, peças como luvas estriadas em eixos de câmbio de bicicletas e motores de motocicletas, que geralmente usam aços estruturais de baixa liga, como 20Cr e 40Cr, ainda exigem tratamento térmico adicional após a extrusão para atender aos requisitos de desempenho. Para esses materiais, eles devem ter alta 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 também podem ser extrudados a frio. Entretanto, devido às limitações das matrizes e dos equipamentos, os tipos de aço que podem ser usados para extrusão a frio geralmente se limitam a aços de médio e baixo carbono com teor de carbono (w(C)) abaixo de 0,5%, bem como a aços de baixa liga com teor de carbono (w(C)) abaixo de 0,5%.

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