Efeitos tribológicos da superfície de ferramentas para estampagem de chapas de magnésio AZ31B

Abstract

O atendimento a requisitos de redução de peso é uma das grandes metas de muitos setores industriais. Este é o caso da indústria automotiva, que busca incessantemente a redução de peso dos veículos produzidos, tendo como fator impulsionador o atendimento a regulamentações governamentais que limitam as emissões de gases estufa. Estudos mostram que a redução no peso dos automóveis implica em um menor consumo de combustível, o que acarreta diretamente em menor emissão de gases estufa, como o dióxido de carbono (CO2). Nesse contexto, as ligas de magnésio têm se mostrado um material com grande potencial para redução de peso, devido à sua baixa densidade. As carrocerias automotivas oferecem muitas possibilidades para aplicação de componentes de chapas de magnésio, visto que são completamente constituídas por componentes estampados. Entretanto, a conformação de chapas de ligas de magnésio é comprometida pela reduzida conformabilidade desse material à temperatura ambiente e por limitações quanto ao uso de lubrificantes. Nesse sentido, com o objetivo de reduzir os níveis de atrito no processo e obter condições mais favoráveis para a conformação, foram realizadas investigações tribológicas entre nove ferramentas de testes com diferentes estruturas superficiais em contato com chapas de liga de magnésio AZ31B de 2 mm de espessura. As ferramentas de testes foram projetadas variando-se parâmetros como geometria e dimensões das estruturas superficiais e foram produzidas posteriormente por técnicas de estruturação a laser. Os testes de atrito foram executados utilizando um equipamento de dobramento sob tensão de tiras e a análise dos resultados foi realizada considerando o valor médio do coeficiente de atrito entre as tiras ensaiadas em cada ferramenta e o desvio padrão associado. A força resultante em cada ferramenta e a força de dobramento foram analisadas e mostradas graficamente, juntamente com a força de atrito calculada. A caracterização complementar do material como recebido e ensaiado foi realizada através das seguintes técnicas: microscopia óptica, para avaliação da microestrutura do material e da formação de maclas devido às deformações introduzidas pelo processo; difração de raios-X, com o objetivo de analisar variações na textura cristalográfica do material e os mecanismos de deformação envolvidos; ensaios de microdureza, a fim de mapear o gradiente de dureza do material ao longo da seção transversal. A avaliação da rugosidade superficial da ferramenta padrão antes e após os ensaios foi realizada utilizando perfilômetro mecânico. Os resultados dos ensaios de atrito indicam que as ferramentas com estrutura superficial apresentam potencial para otimização das condições atrito na conformação de chapas de magnésio, visto que uma redução de aproximadamente 8,9% no coeficiente de atrito foi alcançada. Os eventos de alto e baixo atrito visualizados nas curvas de força de atrito plotadas indicam associação direta com a adesão de material da tira ocorrida em todas as ferramentas, o que também está condizente com o aumento da rugosidade superficial na ferramenta após ensaio. As análises com microscópio óptico revelaram uma microestrutura da chapa ensaiada muito similar à do material como recebido, exceto pela presença de um maior volume de maclas na região da chapa que esteve em contato com a superfície da ferramenta. A análise de textura cristalográfica revelou o mesmo comportamento para todas as tiras ensaiadas. A medição de dureza mostrou um leve aumento da dureza das amostras conformadas, em relação ao material como recebido. Por fim, o estudo da viabilidade econômica da utilização de ferramentas com estrutura superficial e da consequente ampliação do uso das ligas de magnésio foi realizado e o resultado se mostrou favorável à utilização dessa tecnologia, principalmente devido ao menor consumo energético no processo e aos ganhos econômicos associados à redução do consumo de combustível e das emissões de gases estufa.

ABSTRACT: Meeting weight reduction requirements is one of the great goals of many industrial sectors. This is the case of the automotive industry, which incessantly seeks to reduce the weight of vehicles produced, having as a driving factor the compliance with government regulations that limit greenhouse gas emissions. Studies show that reducing the weight of automobiles implies lower fuel consumption, which directly leads to lower emission of greenhouse gases, such as carbon dioxide (CO2). In this context, magnesium alloys have been shown to be a material with great potential for weight reduction, due to their low density. Automotive bodies offer many possibilities for the application of magnesium sheet components, as they are completely made up of stamped components. However, the forming of magnesium alloy sheets is compromised by the reduced formability of this material at room temperature and by limitations on the use of lubricants. In this sense, in order to reduce friction levels in the process and obtain more favorable conditions for forming, tribological investigations were carried out among nine test tools with different surface structures in contact with 2 mm thick AZ31B magnesium alloy sheets. . The test tools were designed by varying parameters such as geometry and dimensions of surface structures and were subsequently produced by laser structuring techniques. The friction tests were performed using a strip bending equipment under tension and the analysis of the results was performed considering the average value of the friction coefficient between the strips tested in each tool and the associated standard deviation. The resulting force on each tool and the bending force were analyzed and shown graphically, along with the calculated friction force. The complementary characterization of the material as received and tested was performed using the following techniques: optical microscopy, to evaluate the material's microstructure and the formation of twins due to the deformations introduced by the process; X-ray diffraction, with the objective of analyzing variations in the crystallographic texture of the material and the deformation mechanisms involved; microhardness tests in order to map the hardness gradient of the material along the cross section. The evaluation of the surface roughness of the standard tool before and after the tests was carried out using a mechanical profilometer. The results of the friction tests indicate that the tools with surface structure have potential for optimizing the friction conditions in the forming of magnesium sheets, since a reduction of approximately 8.9% in the friction coefficient was achieved. The high and low friction events visualized in the plotted friction force curves indicate a direct association with the adhesion of material to the strip that occurred in all tools, which is also consistent with the increase in surface roughness on the tool after testing. Analyzes with an optical microscope revealed a microstructure of the tested sheet very similar to that of the material as received, except for the presence of a greater volume of twins in the region of the sheet that was in contact with the surface of the tool. The crystallographic texture analysis revealed the same behavior for all tested strips. The hardness measurement showed a slight increase in the hardness of the formed samples, in relation to the material as received. Finally, the study of the economic feasibility of using tools with surface structure and the consequent expansion of the use of magnesium alloys was carried out and the result was favorable to the use of this technology, mainly due to the lower energy consumption in the process and the economic gains. associated with reduced fuel consumption and greenhouse gas emissions