Análise térmica do processo de forjamento a quente com máscaras metálicas

Abstract

O presente trabalho descreve as pesquisas que tiveram como objetivo a análise térmica do processo de forjamento a quente com proteção de máscaras metálicas (die masks). Como material base, o aço AISI 1045 foi utilizado nas geratrizes, o aço AISI H13 nas matrizes e o aço DIN 22MnB5 nas máscaras metálicas. Além disso, diferentes materiais interfaciais também foram considerados durante os experimentos, isto é, tratamento de nitretação e lubrificante. Considerando uma geometria axissimétrica, foram realizados experimentos para comparar o perfil de temperatura e definir a influência térmica dos materiais e suas configurações. Além disso, com base nas características físicas e mecânicas dos materiais, foi proposto um modelo numérico de transferência de calor entre os materiais da geratriz e da matriz. O valor da resistência térmica do contato foi utilizado na simulação numérica do processo de forjamento e os resultados foram utilizados para determinar o impacto térmico do uso de máscaras metálicas como camada protetora no processo de forjamento a quente. Observou-se que em matrizes submetidas ao tratamento de nitretação de superfície, o perfil térmico apresenta ligeira diferença quando comparado a matrizes sem tratamento. Além disso, verificou-se que o uso de diferentes materiais interfaciais influencia diretamente a carga térmica nas matrizes. Nos experimentos, verificou-se que o uso de pó de grafite como lubrificante resulta em maior carregamento térmico na matriz. Por fim, com base nos resultados alcançados, é possível destacar que o uso de máscaras metálicas como proteção resulta em uma diminuição do carregamento térmico nas matrizes. Foi registrada uma redução de 51% na temperatura na matriz de forjamento, quando comparada aos conjuntos sem o uso de máscaras metálicas como método de proteção.

The present work describes the research that had as objective the thermal analysis of the hot forging process with protection of metallic masks (die masks). As a base material, AISI 1045 steel was used for the billets, AISI H13 steel for the dies and DIN 22MnB5 steel for the metallic masks. Furthermore, different interfacial materials were also considered during the experiments, i.e. nitriding treatment and lubricant. Considering an axisymmetric geometry, experiments were performed to compare the temperature profile and to define the thermal influence of the materials and their configurations. Additionally, based on the physical and mechanical characteristics of the materials a heat transfer numerical model between the materials of the billet and die was proposed. The contact thermal conductance value was used in the numerical simulation of the forging process and the results were used to determine the thermal impact of the use of metallic masks as protective layer in the hot forging process. It was observed that in dies subjected to surface nitriding treatment, the thermal profile presents slight difference when compared to dies without treatment. Furthermore, it was found that the use of different interfacial materials directly influences the thermal loading in the dies. In the experiments it was found that the use of graphite powder as lubricant results in higher thermal load in the die. Lastly, based on the achieved results, it is possible to point out that the use of metallic masks as a protection results in a thermal load decrease in the dies. A 51% reduction in temperature was recorded in the forging die when compared to sets without the use of metallic masks as protection method.