Trabalho a Frio Explicado: Técnicas, Diferenças do Trabalho a Quente e Principais Benefícios

Neste artigo, vamos aprender sobre processos de trabalho a frio, métodos, diferença entre trabalho a quente e a frio, vantagens e desvantagens.

O que é Trabalho a Frio?

Trabalho a frio é o processo de conformação de metal no qual a deformação ocorre abaixo de sua temperatura de recristalização.

Conformação a frio, também conhecida como trabalho a frio, é qualquer processo de metalurgia no qual o metal é moldado abaixo de sua temperatura de recristalização, geralmente à temperatura ambiente. Processos de trabalho a quente como laminação a quente, forjagem, soldagem, etc., contrastam com tais processos.

Esta técnica é comumente usada em metais não frágeis com pontos de fusão extremamente altos. Pode ser usada para fortalecer diversos polímeros. Áreas trabalhadas a frio, por outro lado, são mais propensas à corrosão devido à concentração aumentada de discordâncias.

O que é Temperatura de Recristalização?

A temperatura na qual novos grãos livres de tensão são formados em um metal é conhecida como temperatura de recristalização.

Efeito do Trabalho a Frio

O trabalho a frio é empregado principalmente como operação de acabamento, após a conformação do metal por trabalho a quente. Também controla em grande medida as propriedades mecânicas do aço. Aumenta a resistência à tração, limite de escoamento e dureza do aço, mas reduz sua ductilidade. O aumento de dureza resultante do trabalho a frio é descrito como encruamento (work hardening).

Em geral, o trabalho a frio produz os seguintes efeitos:

1. Tensões internas são estabelecidas e permanecem no metal a menos que removidas por tratamento térmico adequado
2. Uma distorção da estrutura de grãos é criada
3. Resistência e dureza do metal aumentam, mas ductilidade diminui
4. Acabamento superficial liso é produzido
5. Dimensões precisas das peças podem ser mantidas

Processos de Trabalho a Frio

Trabalho a frio é o processo de trabalhar a temperaturas inferiores à de recristalização ou à temperatura ambiente.

O estoque de metal é colocado atrás de um par de dois rolos durante este processo. O estoque está à temperatura ambiente ou ligeiramente acima, mas abaixo da temperatura de recristalização quando passa pelos rolos.

Como o estoque passa à temperatura ambiente, este método geralmente necessita de alta força de compressão. A estrutura de grãos do metal muda e forma nova forma como resultado da alta força de compressão. Metal frágil é trabalhado a frio.

Métodos de Processos de Trabalho a Frio

Os principais métodos de trabalho a frio são:

1. Laminação a frio (Cold rolling)
2. Forjagem a frio (Cold forging)
3. Trefilação a frio (Cold drawing)
4. Dobramento a frio (Cold bending)
5. Fiação a frio (Cold spinning)
6. Extrusão a frio (Cold extruding)
7. Espremer a frio (Cold squeezing)
8. Peenagem a frio (Cold peening)
9. Calibragem, cunhagem, mandrilamento (Sizing, coining, hobbing)

1. Laminação a Frio (Cold Rolling)

Barras de todas as formas, vergalhões, chapas e tiras são comumente acabadas por laminação a frio. Folha (foil) é feita de metais mais moles desta forma. Duas razões principais para laminar metais a frio são obter acabamento superficial liso e brilhante e propriedades físicas melhoradas. Se o objetivo é apenas dar acabamento limpo e liso, apenas uma quantidade superficial de laminação será necessária.

Por outro lado, quando se deseja que resistência à tração, rigidez e dureza aumentem substancialmente e a espessura da seção seja apreciavelmente reduzida, então pressões de laminação maiores e amassamento mais profundo são necessários. Laminação a frio também melhora a usinabilidade conferindo propriedade de fragilidade, condição propícia a acabamentos de ferramenta lisos e cavacos bem quebrados.

Como passo preliminar à laminação a frio, chapas, tiras, etc. de aço laminado a quente são imersas em solução ácida para remover carepa e lavadas em água e secas. O aço limpo é passado repetidamente através de conjunto de rolos, produzindo leve redução em cada passe até obter a espessura requerida.

2. Forjagem a Frio (Cold Forging)

Forjagem a frio é o processo de deformar material metálico à temperatura ambiente usando pressão extremamente alta. O tarugo (slug) é colocado em uma matriz e comprimido por uma prensa até se ajustar à forma desejada. Dependendo da complexidade geométrica, várias operações podem ser necessárias para deformar gradualmente o metal.

3. Trefilação a Frio (Cold Drawing)

Operações de trefilação a frio envolvem forçar o metal através de uma matriz por meio de força de tração aplicada no lado de saída. A maior parte da deformação é causada pela força compressiva que surge da reação com a matriz. Geralmente o metal tem simetria circular, requisito absoluto.

Vergalhões, tubos e extrusados frequentemente recebem operação de acabamento a frio para reduzir tamanho, aumentar resistência, melhorar acabamento e proporcionar melhor precisão.

4. Dobramento a Frio (Cold Bending)

Dobramento é o processo pelo qual um comprimento reto é transformado em comprimento curvo. É um dos processos de conformação mais usados para transformar chapas em tambores, canais curvos, etc. Barras, vergalhões, fios, tubos e perfis estruturais, bem como chapas, são dobrados em muitas formas a frio através de matrizes.

Em todo dobramento de metal, o metal tensionado além do limite elástico está em tração no lado externo e em compressão no interno da dobra. O estiramento do metal no exterior torna o estoque mais fino. Dobrar tira plana é comumente feito por conformação em rolo (roll forming).

5. Fiação a Frio (Cold Spinning)

Fiação a frio é a operação de moldar metal muito fino pressionando-o contra uma forma enquanto gira. O método é exatamente similar à fiação a quente, exceto pela condição do metal. Na fiação a frio, o metal é trabalhado à temperatura ambiente.

Equipamento requerido compreende torno, ferramentas de conformação, e forma de metal ou madeira para atender a forma requerida. Um disco circular é cortado e posicionado contra a forma por um seguidor. Ferramenta de nariz redondo é usada e enquanto o torno gira, o disco é forçado à forma da forma.

6. Extrusão a Frio (Cold Extrusion)

O princípio da extrusão a frio é exatamente similar ao de extrusão a quente. Dos vários processos, extrusão por impacto é essencialmente um método de extrusão a frio.

6. Extrusão por Impacto (Impact Extrusion)

Extrusão por impacto é limitada principalmente a fabricar peças pequenas dos metais mais dúcteis. O material é posicionado em uma matriz cega e um punção com folga é forçado na matriz, fazendo o metal fluir plasticamente ao redor do punção. O diâmetro externo do tubo é o mesmo da matriz, e a espessura é controlada pela folga entre punção e matriz. A força de extrusão é geralmente fornecida por prensa mecânica. Tubos colapsíveis de remédio e pasta de dente são feitos assim.

7. Espremer a Frio (Cold Squeezing)

Espremer a frio é uma operação de espremer realizada a temperaturas bem abaixo do ponto de fusão para acabamento de superfície de peça para melhor precisão dimensional e acabamento.

Espremer é forma rápida e amplamente usada de conformar metais dúcteis. Dos diferentes processos, cabeamento a frio (cold heading) e rosqueamento rotativo (rotary swaging) são muito comuns.

Cabeamento a frio: Processo de forjagem a frio, usado principalmente para fabricar parafusos, parafusos, rebites, pregos e itens similares.

Rosqueamento rotativo: Processo usado para reduzir área de seção transversal de vergalhões e tubos. Rosqueamento é frequentemente aceito como operação de forjagem a frio, pois a conformação ocorre sob golpes de martelamento de seções de matriz. A máquina consiste principalmente de fuso oco que carrega seções de matriz e rolos.

8. Peenagem a Frio (Cold Peening)

Peenagem a frio é empregada para estabelecer estado superficial de tensão compressiva, fazendo o interior assumir tensão de tração oposta. Como fadiga geralmente ocorre em superfícies ciclicamente carregadas em tração, a vida útil de tais membros é frequentemente estendida por peenagem com esferas (shot peening). Este método é às vezes empregado para efeito ornamental.

Peenagem com esferas é feita lançando chuva de pequenas esferas em alta velocidade contra peças para causar pequenas indentações.

9. Calibragem, Cunhagem e Mandrilamento (Sizing, Coining and Hobbing)

Peças de ferro maleável, aço forjado, metais pulverizados, alumínio e outros metais não ferrosos dúcteis são comumente acabados em espessura por espremer, operação chamada calibragem (sizing). Matriz especial é necessária para quase todo trabalho, mas cada peça pode ser calibrada em fração do tempo de usinagem. Assim, calibragem é econômica onde aplicável em indústrias de alta produção.

Operações como calibragem têm sido chamadas cunhagem (coining), mas cunhagem mais propriamente envolve impressão e elevação de imagens ou caracteres de punção e matriz no metal. O metal é feito fluir, e os desenhos em lados opostos de peça cunhada não são necessariamente relacionados como em repujado. Moeda forte é provavelmente o produto mais conhecido de cunhagem.

Mandrilamento (Hobbing) ou hubbing é método de fazer moldes para indústrias de plástico e fundição sob pressão. Um punção chamado hob ou hub, usinado de aço ferramenta na forma da cavidade, tratado termicamente para dureza e polido, é prensado em branco de aço mole para formar o molde. Vantagem principal é que um hob aplicado corretamente pode fazer várias cavidades em um molde ou série de moldes.

Diferença Entre Trabalho a Quente e Trabalho a Frio

TRABALHO A QUENTE	TRABALHO A FRIO
1. Técnica de deformar plasticamente metal acima de sua temperatura de recristalização	1. Técnica de reforçar metal por deformação plástica abaixo da temperatura de recristalização (encruamento)
2. Feito a temperaturas acima da recristalização do metal	2. Feito a temperaturas abaixo da recristalização do metal
3. Não há tensões internas ou residuais no metal quando trabalhado a quente	3. Tensões internas e residuais desenvolvem-se no metal durante trabalho a frio
4. Metal é deformado e recuperado simultaneamente	4. No trabalho a frio, não há recuperação significativa do metal
5. Pode eliminar trincas ou poros	5. Causa proliferação de trincas e surgimento de novas
6. Após trabalho a quente, homogeneidade do metal é muito alta	6. Após trabalho a frio, homogeneidade do metal é baixa

Vantagens do Trabalho a Frio

• Resulta em acabamento superficial liso
• Resulta em dimensões precisas das peças
• Melhora resistência e dureza do metal, diminuindo ductilidade
• Por ser sem calor, nenhum óxido forma na superfície, resultando em superfície lisa
• Principalmente usado para produção em massa
• Defeitos são facilmente detectáveis e reparáveis
• Como resistência à tração, limite de escoamento e ductilidade melhoram, resistência à ferrugem é reduzida (nota: o original diz "rust resistance is reduced" mas provavelmente quer dizer que a resistência à corrosão pode diminuir devido a tensões residuais)
• Previne perda de metal por corrosão
• Não há necessidade de aquecer o metal
• Economiza dinheiro por não requerer aquecimento
• Ocorre endurecimento por deformação (strain hardening)

Desvantagens do Trabalho a Frio

• Requer superfície limpa e lisa
• Metais frágeis não podem ser trabalhados a frio adequadamente
• Requer mais força para iniciar e terminar o trabalho
• Necessita máquinas mais potentes
• Deformação máxima é limitada pela capacidade da prensa e martelo devido a maior limite de escoamento e baixa ductilidade

Aplicações do Trabalho a Frio

1. Usado para fabricar variedade de produtos em indústrias: chapas planas grandes, tubos metálicos, cabeças de parafuso, juntas rebocadas, etc.
2. Usado em indústrias como aviação, ferro e aço, automóveis, etc.
3. Mais comumente usado com metais dúcteis
4. Também usado após trabalho a quente de metais pois proporciona acabamento liso e resistência
5. Múltiplos produtos produzidos através de vários métodos: cisalhamento, laminação a frio, extrusão a frio

Qual o Propósito do Trabalho a Frio?

Trabalho a frio refere-se ao processo de fortalecer metal alterando sua forma sem uso de calor. Submeter o metal a este estresse mecânico causa mudança permanente na estrutura cristalina, causando aumento de resistência.

Isso fortalece materiais através de processo chamado endurecimento por deformação (strain hardening ou work hardening). É quando metal dúctil torna-se mais duro e forte ao ser deformado plasticamente. O custo é redução na ductilidade.

Perguntas Frequentes

Trabalho a frio de metal aumenta

1. Limite de escoamento
2. Resistência à tração
3. Dureza
4. Todos os anteriores

Resposta Certa é 4. Todos os anteriores

Explicação: Encruamento ocorre em processos que intencionalmente induzem deformação plástica para efetuar mudança de forma. Estes são conhecidos como trabalho a frio ou conformação a frio. O trabalho a frio aumenta dureza, limite de escoamento e resistência à tração.

O que trabalho a frio aumenta

1. Ductilidade
2. Resistência a impacto
3. Porcentagem de alongamento
4. Resistência à fadiga

Resposta Certa é 4. Resistência à fadiga

Na maioria das vezes, conformação a frio é feita à temperatura ambiente e materiais usados são aços de baixo e médio carbono, aços de baixa liga, cobre e ligas leves, titânio e berílio.

Trabalho a frio de aço é definido como trabalhar

1. Em sua temperatura de recristalização
2. Acima de sua temperatura de recristalização
3. Abaixo de sua temperatura de recristalização
4. Em dois terços da temperatura de fusão do metal

Resposta: Opção 3

Qual dos seguintes NÃO é melhorado por trabalho a frio de metais?

1. Dureza
2. Tenacidade
3. Acabamento superficial
4. Resistência à corrosão

Resposta: 4. Resistência à corrosão

O trabalho a frio de metal é realizado a

1. Abaixo da temperatura de recristalização
2. Abaixo da temperatura de recristalização
3. Temperatura de recristalização
4. Qualquer uma das anteriores

Resposta: 1. Abaixo da temperatura de recristalização