Trefilação da conformaçao

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Trefilação
Jefferson José Vilela
Doutor em Transformação Mecânica 
dos Metais, UFMG, 1999
• Processo consiste em estirar um corpo aplicando 
uma força de tração na saída de uma matriz em 
forma de canal convergente (FIEIRA ou 
TREFILA)
• O escoamento plástico é produzido 
principalmente pelas forças compressivas 
provenientes da reação da matriz sobre o material
• Normalmente o processo é a frio
• Forma resultante
– Simetria circular é mais usada
– Existem outras
Processo
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• Produtos redondos maciços
– Barras
• φ > 25 mm
– Arames
• Comuns
– Grossos 25 > φ > 5 mm
– Médios 5 > φ > 1,6 mm
– Finos 1,6 > φ > 0,7 mm
• Especiais
– 0,07 > φ > 0,02 mm
• Tubos
Produtos
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• Vantagens
– Material pode ser estirado e reduzido em secção 
transversal mais do que com qualquer outro processo 
a frio
– Precisão dimensional é maior do que em qualquer 
outro processo exceto a laminação a frio
• Laminação a frio não é aplicável às bitolas comuns de 
arames
– Superfície produzida é uniformemente limpa e polida
– Um gama variada de produtos é produzida 
combinando o processo de trefilação e o tratamento 
térmico 
Produtos
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• Global 2017_2sem Engenharia Mecânica – noite (QUESTÃO 23):
A Trefilação é um processo de conformação mecânica utilizada na 
fabricação de arames, tubos, vergalhões e fios. Este processo 
consiste em puxar o metal através de uma matriz denominada fieira 
e por meio de uma força de tração a ele aplicada na saída da 
matriz. Considerando as vantagens que este processo adquire, 
avalie quais afirmações abaixo são verdadeiras e quais são falsas e 
justifique:
i. O material pode ser estirado e reduzido em secção longitudinal mais 
do que com qualquer outro processo;
ii. A precisão dimensional obtida no produto final é maior do que em 
qualquer outro processo;
iii. A superfície produzida é uniformemente limpa e polida;
iv. O processo influi nas propriedades mecânicas do material, permitindo, 
em combinação com um tratamento térmico adequado, a obtenção de 
uma gama variada de propriedades com a mesma composição 
química.
Questão 1: Produtos
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• Geometria da fieira
– Dividida em quatro zonas
• Redução
– α = ângulo de trefilação 
• Calibração (guia)
– Zona cilíndrica (acabamento é crítico)
Fieira
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• Desenho da fieira
Fieira
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• Material da fieira
– Carbonetos sinterizados
• Wídia (WC) são mais duráveis 
– Metal duro
– Aços de alto C revestidos de Cr (cromagem dura) 
– Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.) 
– Ferro fundido branco 
– Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados) 
– Diamante
• Fios finos ou de ligas duras
Fieira
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3
• Bancadas de trefilação
– Produção de componentes não bobináveis como 
barras e tubos
– Velocidade 100m/min., distância de 30m e 
capacidade de 100 toneladas
Equipamentos
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• Trefiladoras de tambor
– Produção de componentes bobináveis
• Arames 
– Simples (1 só tambor)
• Arames grossos
Equipamentos
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• Trefiladoras de Tambor
– Duplas
• Arames médios
Equipamentos
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• Trefiladoras de Tambor
– Duplas
• Arames médios
Equipamentos
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4
• Trefiladoras de Tambor
– Múltiplas (contínuas)
• Arames médios a finos
– Máquinas de estiramento de arame do Sistema 
Acumulativo
Equipamentos
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• Trefiladoras de Tambor
Equipamentos
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• Componentes básicos de uma trefiladora de 
tambor
– Carretel alimentador 
– Porta-fieira 
– Garra ou mordaça para puxar a primeira porção do 
arame 
– Tambor para enrolar o arame trefilado 
– Sistema de acionamento do tambor
Equipamentos
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• Arame ou fio
Estado de Tensão
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Métodos Matemáticos
• Vantagens
– Conhecer os estados de tensão e de 
deformação
• Induzir mudanças microestruturais
• Melhorar as propriedades mecânicas do produto 
conformado
• Aumentar a produtividade
• Dimensionar ou otimizar uma instalação de 
processamento
• Evitar defeitos e fraturas nos produtos 
conformados
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Deformação Homogênea
• Tração simples
– Deformação uniforme ocorre sem restrição 
alguma
– Um dos processos que gasta menor energia
• Aplicação
– Trefilação
– Extrusão
– Forjamento
– Laminação
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Deformação Homogênea
• Curva σ x e ou ε
– Não considera o atrito
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( ) �� ==
ff
dSVdSVU
ε
εεε
ε
00
( ) εε
ε
ε
dSS
f
f
�=
0
1
• Deformação logarítmica
• Tensão de trefilação
• Tensão de escoamento média
– Equivalência com a deformação homogênea
Deformação homogênea
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Questão 2: Deformação Homogênea
• Deformação homogênea para trefilação de 
arame
– Uma barra de alumínio com 6,4 mm de 
diâmetro é trefilada até um arame com 5,7 mm 
de diâmetro. O semiângulo vale 10°6’. Calcular 
a tensão de trefilação por deformação 
homogênea para o seguinte caso: S = 87ε0,246
MPa, µ = 0.
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Deformação Homogênea
• Tensão de trefilação
• Critério de von Mises para estado plano de 
deformação
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( ) �=•=
f
dSVlAU fff
ε
εσ
0
�
�
�
�
�
�
�
�
=��
�
�
��
�
�
=
f
i
i
f
f A
AS
l
l
S lnlnσ
YS
3
2
=
Questão 3: Deformação Homogênea
• Deformação homogênea para trefilação de 
tira
– Uma tira de aço livre de intersticial precisa ser 
reduzida para espessura 3 mm. A espessura 
inicial é 6 mm e largura 40 mm e o processo de 
trefilação será realizado a 650°C. Usando o 
método da deformação homogênea, verifique 
se é possível utilizar uma trefiladora com 
capacidade máxima de 1,20 toneladas. 
Considere a tensão de escoamento média de 
130 MPa.
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Método dos Blocos
• Equações de equilíbrio de um bloco
– xi é a direção principal de deformação
– σxi e σxj são as direções principais de tensão
– Considera que o efeito do atrito se restringe 
as interfaces
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( ) 0,1 =+ xjxi
ii
xi F
xdx
d
σσ
σ
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Método dos Blocos
• Trefilação plana
– Somatória das forças na direção x
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( )( ) ( ) ( ) 0cos2 =+−++ αασσσ sen
dxpwhwwdhhd xxx
Método dos Blocos
• Trefilação plana
– Desprezando os produtos infinitesimais
– Sendo
– Logo
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( ) 02 =•++ dxtgphddh xx ασσ
( )αtg
h
x
2
=
( )αtg
dhdx
2
=
Método dos Blocos
• Trefilação plana
– Obtém-se
– Rearranjando
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0=++ pdhxddh xx σσ
( ) 01 =++ p
hdh
d
x
x σ
σ
Método dos Blocos
• Trefilação plana
– Considerando
– A equação diferencial pode ser rescrita
– Solução genérica
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Spx =+σ
0=+
h
S
dh
d xσ
( ) ChSx += lnσ
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Método dos Blocos
• Trefilação plana
– Condição de contorno
• σi=0 se h=hi
– Solução sem o efeito do atrito
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�
�
�
�
�
�
�
�
=
f
i
x h
hS lnσ
Método dos Blocos
• Trefilação plana
– Critério de von Mises para estado plano de 
deformação
– Tensão da trefilação
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YS
3
2
=
�
�
�
�
�
�
�
�
=
�
�
�
�
�
�
�
�
=
f
i
f
i
f A
AS
h
hS ln
3
2ln
3
2
σ
Questão 4: Método dos Blocos
• Método dos blocos para trefilação de tira sem 
atrito
– Uma tira de aço livre de intersticial precisa ser 
reduzida para espessura 3 mm. A espessura 
inicial é 6 mm e largura 40 mm e o processo de 
conformação será realizado a 650 °C. Usando o 
método dos blocos, verifique se é possível 
utilizar uma trefiladora com capacidade máxima 
de 1,20 toneladas. Considere a tensão de 
escoamento média de 130 MPa.
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• Tensão de trefilação
Método dos blocos
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• Equilíbrio das forças longitudinais
• Força gerada pela pressão aplicada pela matriz
Método dos blocos
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• Força gerada pela pelas tensões de atrito
• Condição de equilíbrio
Método dos blocos
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• Considerando:
• Rearranjando os termos
• Critério de Tresca
Método dos blocos
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• Substituindo na equação de equilíbrio
• Rearranjando a equação diferencial
• Solução da equação diferencial
– Condições de contorno: quando D=Di então σx= 0
Método dos blocos
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• Redução
• Substituindo na solução da equação diferencial
• Considerando
Método dos blocos
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• Reescrevendo a equação diferencial
• Rearranjando a equação diferencial
• Lembrando que
• e 
Método dos blocos
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• Substituindo na equação da tensão de 
trefilação
• Considerando que material obedece o modelo 
de Ludwick
Método dos blocos
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Questão 5: Método dos Blocos
• Método dos blocos para trefilação de arame
– Uma barra de alumínio com 6,4 mm de 
diâmetro é trefilada até um arame com 5,7 mm 
de diâmetro. O semiângulo vale 10°6’. Calcular 
a tensão de trefilação pelo método dos blocos 
para o seguinte caso: S = 87ε0,246 MPa, µ = 
0,04.
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• Tensão a ré
• Existe uma pequena tração à ré a partir da segunda fieira 
em trefiladoras múltiplas 
• Aumenta tensão de trefilação σt
• Reduz a pressão na interface da matriz com o metal
• Diminui o desgaste da fieira
– Tensão de trefilação considerando a tensão a ré
• Condições de contorno: quando D=Di então σx= σré
Método dos blocos
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• Tensão a ré
• Ou
Método dos blocos
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Tensão a ré
Um arame de aço com 3,6 mm de diâmetro é reduzido em 
um trefiladora de tambor para 3,3 mm de diâmetro. Uma 
tensão a ré de 375 MPa surge durante o processamento 
do material. A curva de fluxo obedece à equação abaixo:
S = 650ε0,20 MPa.
O semi-ângulo da fieira é 6°, o coeficiente de atrito na 
interface da matriz com o metal é 0,06 e o limite de 
resistência do aço é 470 MPa. Calcular a tensão de 
trefilação usando o método dos blocos. Quando a tensão 
de trefilação atinge 95 % da tensão de resistência aumenta 
muito a probabilidade do fio romper durante o 
processamento. Alguma providência tem que ser tomada?
Questão 6: Método dos Blocos
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• Tensão de trefilação
Método do Limite Superior
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Outros Métodos
• Limite superior
• Linhas de escorregamento
• Visioplasticidade
• Resíduos ponderados
• Elementos finitos
– http://www.deform.com/applications/disk-
microstructure/
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• Distorção que não provoca mudanças 
dimensionais
Trabalho Redundante
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• Fator proposto por Rowe
– As: área de uma superfície esférica centrada no 
ápice do cone e limitada por ele, cujo raio é a 
média dos raios correspondentes dos pontos de 
entrada e saída do material
– M: área de contato entre a fieira e o fio.
Trabalho Redundante
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• Fator proposto por Rowe
• Tensão de trefilação considerando o trabalho 
redundante
• Ou
Trabalho Redundante
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Trabalho redundante
1 - Uma barra de alumínio com 6,0 mm de diâmetro é 
trefilada até um arame com 5,2 mm de diâmetro. O semi-
ângulo vale 10°6’. Considerar o trabalho redundante nos 
dois itens usando o coeficiente de Rowe. Calcular a tensão 
de trefilação para os seguintes casos:
a) S = 87e0,246 MPa, µ = 0, deformação homogênea;
b) S = 87e0,246 MPa, µ = 0,04, método dos blocos;
(Exercício 6.1, Cetlin)
Questão 7: Trabalho redundante
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Influência do ângulo no trabalho redundante
Por meio do método dos blocos, calcular as forças 
necessárias para trefilar uma barra de cobre, cujo smédio é 
500 MPa para uma redução de área de 45%. Considerar 
as matrizes de 12°e 30°, o coeficiente de atrito de 0,07. O 
trabalho redundante deve ser levado em conta. (Exercício 
6.4, Cetlin)
Questão 8: Trabalho redundante
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• Cada redução dada existe um ângulo ótimo de 
trefilação
– Minimiza a carga
– Minimiza o trabalho total de trefilação
– Wt = Wpl + Wa + Wr
• Wpl = trabalho de deformação plástica homogênea (independe de α)
• Wa = trabalho de atrito (diminui se α aumenta)
• Wr = trabalho redundante (cresce se α aumenta)
Ângulo ótimo
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• a* corresponde Wt mínimo
Ângulo ótimo
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• Usando a equação da tensão de trefilação do 
método do limite superior
• Obtém-se
Ângulo ótimo
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�
�
�
�
�
�
�
�
≅
f
i
R
Rln
2
3* µα
Ângulo ótimo
Qual o ângulo ótimo para trefilar arames com 40 % de 
redução? Considerar µ = 0,040. (Exercício 6.3, Cetlin)
Questão 9: Ângulo ótimo
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• Condições de fluxo em relação aos ângulos 
críticos
Ângulos críticos
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• Modos especiais de deformação na trefilação
– α > αcr1
• Cisalhamento interno no material
• Separa-se uma zona que adere fieira
• Forma uma falsa matriz (ZONA MORTA)
– α > αcr2 
• Zona morta formada não adere à fieira
• Ela desliza para trás e ocorre um descascamento
• Camada superficial da peça se destaca
• Núcleo da peça deixa de se deformar
• Velocidade de saída igual à de entrada
Ângulos críticos
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• Situação em ocorre o descascamento
Ângulos críticos
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• Trincas internas em ponta de flecha 
("chevrons“)
– Redução é pequena
– Ângulo de trefilação é relativamente grande 
(tipicamente, quando D/L > 2) 
Defeitos
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– Durante a trefilação as camadas mais internas da 
peça não recebem compressão radial
– Elas são arrastadas e forçadas a se estirar pelo 
material vizinho das camadas superficiais, que 
sofrem a ação direta da fieira
– Deformação heterogênea gera tensões secundárias 
trativas no núcleo da peça
– Pode vir a sofrer um trincamento característico, em 
ponta de flecha
Defeitos
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• Solução
– Diminuir a relação D/L
• Empregando uma fieira de menor ângulo (α)
• Aumentando a redução no passe (fieira com saída mais 
estreita)
• Outras fontes de defeitos
– Matéria-prima
• Fissuras
• Lascas
• Vazios
• Inclusões 
Defeitos
10/04/2018 60
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1. Diâmetro escalonado: causado por partículas duras retidas na fieira e que 
se são desprendidas após o processo�
2. Fratura irregular com estrangulamento: causada pelo esforço excessivo 
devido à lubrificação ineficiente, excesso de espiras no anel tirante, anel 
tirante com aspecto rugoso ou com diâmetro irregular, redução excessiva�
3. Fratura com risco lateral ao redor da marca de inclusão: causada por 
partícula dura no interior do fio inicial proveniente da laminação ou 
extrusão�
Defeitos
10/04/2018 61
1. Fratura com trinca: causada por trincas de laminação e geralmente aberta 
em duas partes�
2. Marcas em V ou fratura em ângulo: causadas pela redução grande e parte 
cilíndrica pequena com inclinação do fio na saída� ruptura de parte da fieira 
com inclusão de partículas no contato fiofieira� inclusão de partículas 
duras�
3. Ruptura em forma de taçacone: causada pela redução pequena e ângulo de 
fieira muito grande, com acentuada deformação da parte central.
Referência: http://www.ebah.com.br/content/ABAAABNaMAK/trefilacao, 
acessado em 20/04/17
Defeitos
10/04/2018 62
• Global 2017_2sem Engenharia Mecânica - 2a oportunidade (QUESTÃO 23):
Os produtos trefilados caracterizam-se por seu grande comprimento e pequena 
seção transversal. Dependendo de sua utilização, formato, seção transversal, 
eles recebem uma denominação de arames, tubos, vergalhões e fios.O arame é 
usado para a construção mecânica. O fio é usado em aplicações elétricas. 
Durante este processamento vários defeitos podem aparecer causando danos ao 
produto final e na integridade da peça. Os defeitos nos produtos trefilados podem 
resultar de defeitos na matéria-prima ou do processo de deformação. 
Considerando os tipos de defeitos existentes na trefilação, avalie quais 
afirmações abaixo são verdadeiras e quais são falsas e justifique:
i. Um defeito típico na trefilação é denominado de diâmetro escalonado que é causado 
por partículas duras retidas na fieira e que se desprendem depois.
ii. A fratura denominada como irregular e com estrangulamento é causada pelo esforço 
excessivo devido à lubrificação deficiente e o excesso de espiras no anel tirante com 
diâmetro incorreto.
iii. A fratura ocasionada com risco lateral ao redor da marca de inclusão é causada por 
partículas duras inclusa no fio final proveniente da laminação ou extrusão.
iv. A ruptura taça-cone e causada pela redução pequena e ângulo de fieira muito 
pequeno, com acentuada deformação da parte central.
Defeitos
10/04/2018 63
• Um dos principais produtos da trefilação
– Etapas do processo 
• Eliminar todas as impurezas superficiais
– Por meios físicos e químicos
• Trefilação
• Tratamentos térmicos
Arame de aço
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• Etapas do processo
Arame de aço
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• Matéria-prima
– Fio-máquina (vergalhão laminado a quente) 
• Descarepação
– Mecânica (descascamento)
• Dobramento e escovamento
– Química (decapagem)
• HCl ou H2S04 diluídos
• Lavagem
– Água corrente
Arame de aço
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• Recobrimento
– Imersão em leite de cal Ca(OH)2 a 100°C
• Neutralizar resíduos de ácido
• Proteger a superfície do arame
• Suporte para o lubrificante de trefilação
• Secagem (em estufa)
– Remove H2 dissolvido na superfície do material 
• Trefilação
– Primeiros passes a seco
– Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e 
trefilação a úmido
Arame de aço
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• Tratamentos térmicos dos arames
– Alívio de tensões
– Recozimento de arames de baixo carbono
• Subcrítico (abaixo da temperatura de austenitização)
– 550 a 650°C 
• Objetivo
– Remover efeitos do encruamento 
Arame de aço
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• Tratamentos térmicos dos arames
– Patenteamento
• Aços de médio a alto carbono (C > 0,25 %)
• Aquecimento acima da temperatura crítica
• Resfriamento controlado, ao ar ou em banho de chumbo 
mantido entre 450 e 550°C 
• Objetivo
– Obter a estrutura perlita fina ou bainita
– Combinar resistência e ductilidade
Arame de aço
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• Tubos
– Trefilados sem apoio interno (REBAIXAMENTO 
ou AFUNDAMENTO)
– Mandril passante
Tubos
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• Tubos
– Plug (bucha) fixo
– Bucha flutuante
Tubos
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Bibliografia
• Cetlin, P. R., Helman, H. Fundamentos 
da Conformação Mecânica dos Metais. 
Editora: ARTLIBER, 2a edição, 2005
• CIMM