UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS HUGO SUSIN INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA MARTENSITICA PRÉVIA NO TRATAMENTO DE ESFEROIDIZAÇÃO DO AÇO 4137 Florianópolis - SC 009

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS HUGO SUSIN INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA MARTENSITICA PRÉVIA NO TRATAMENTO DE ESFEROIDIZAÇÃO DO AÇO 4137 Trabalho de graduação apresentado ao curso de engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Materiais. Orientador: Prof. Dr.Eng.Mec Carlos Enrique Niño Bohórquez, Florianópolis - SC 009

3 Universidade Federal de Santa Catarina Curso de Graduação em Engenharia de Materiais Hugo Susin Influência da microestrutura martensítica prévia no tratamento de esferoidização do aço 4137 Este Trabalho de Graduação foi julgado e adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Professor Fernando Cabral Coordenador do Curso Dylton do Vale Pereira Filho Professor disciplina Comissão Examinadora: Carlos Enrique Niño Bohórquez,Dr.Eng.Mec. Dylton do Vale Pereira Filho,M.Sc. Rafael Sottili, Eng.

4 Ficha Catalográfica SUSIN, Hugo Influência da microestrutura martensítica prévia no tratamento de esferoidização do aço AISI Florianópolis, UFSC, Curso de Graduação em Engenharia de Materiais, 009. Trabalho de Graduação: Engenharia de Materiais Orientador: Carlos Enrique Niño Bohórquez,Dr.Eng.Mec. 1. Tratamento Térmico.Esferoidização I. Universidade Federal de Santa Catarina II. Título: Influência da microestrutura martensítica prévia no tratamento de esferoidização do aço AISI 4137.

5 AGRADECIMENTOS Agradeço, em primeiro lugar, ao meu pai e minha mãe por todo apoio que recebi, não apenas durante este trabalho, mas em todos os momentos de minha vida. Agradeço o meu orientador Carlos Niño que me auxiliou e me encorajou a me aprofundar mais neste trabalho. Agradeço também a todos os professores e servidores da Universidade Federal de Santa Catarina, que colaboraram em algum momento na conclusão do meu curso de graduação.

6 RESUMO Foi realizado um estudo sobre a possibilidade de acelerar o tratamento de esferoidização do aço AISI 4137, utilizado na indústria de fixadores na fabricação de porcas e arruelas conformadas a quente, de modo a obter uma microestrutura de carbonetos globulizados e dureza de aproximadamente 85 HRB, adequada para a usinagem e conformação. Normalmente o tratamento de esferoidização é realizado no material apresentando microestrutura ferrítico-perlítico. Neste caso, para acelerar o tratamento, foi verificada a possibilidade de utilizar o material apresentando estrutura martensítica, obtida pela têmpera direta após a conformação a quente. Após a têmpera os corpos de prova foram submetidos ao tratamento de esferoidização subcrítico, comparando as diferenças entre tratamentos a 650 C e a 700 C utilizando intervalos de tempo de 4, 8 e 16 h. Os resultados apontam pouca diferença entre as temperaturas e tempos de tratamento utilizados, devido principalmente as condições dos ensaios. Palavra chave: Tratamento térmico, esferoidização

7 ABSTRACT A study was conducted on the possibility of acceleration of spheroidizing AISI 4137 steel, used in the fastener industry for the manufacture of nuts and washers shaped hot in order to obtain a carbide spheroidized microstructure and hardness of about 85 HRB, appropriate for machining and forming. Usually the treatment is carried out spheroidization material microstructure showing ferritic-perlite. In this case, to accelerate the treatment, there was the possibility of using the material showing martensitic structure obtained by direct quenching after hot forming. After hardening the specimens were submitted to treatment spheroidization subcritical, comparing the differences between treatments at 650 C and 700 C using time intervals of 4, 8 and 16 h. The results show little difference between the temperatures and treatment times used, mainly because the conditions of the tests. Key words: Heat treatment, spheroidizing

8 Lista de Figuras Figura 1: Diagramas de fase de Ferro-Carbono indicando as faixas de temperatura para o recozimento de esferoidização...8 Figura : Ciclos de esferoidização (A) um típico recozimento intercrítico. (B) um possível recozimento subcrítico...9 Figura 3: Ciclos de recozimentos utilizados nos processos de esferoidização.(a) recozimento subcrítico. (B) recozimento pendular. (C ) resfriamento controlado...10 Figura 4: Representação esquemática da transformação da lamela de cementita em esferóides durante um recozimento de esferoidização...10 Figura 5: Micrografias do aço AISI 4140, a 500%.: Estrutura previa normalizada esferoidizada a 700 C (A) por 4 horas. (B) por 1 horas; estrutura previa martensitica esferoidizada a 700 C por 4 horas. Estrutura prévia martensitica esferoidizada a 700 C (C ) por 4 horas e (D) por 1 horas...11 Figura 6: Efeito da microestrutura previa sobre a esferoidização de um aço SAE 1040 a 700 C por 1 horas. (a) partindo de uma microestrutura martensitica. (b) partindo de uma microestrutura ferrítico-perlítica...1 Figura 7: Influência do aumento de temperatura de revenido na redução da dureza de aços para tempos de tratamento de 1 hora...1 Figura 8: Liga de ferro carbono com 0,% de Carbono na condição (a) temperada em água seguido de revenido a 690 C por (b) 1,5 x 10³ s (5 min), (c ) 1,03x104 s ( h e 51 min) e (d) 6,05x105 s (168 h)...13 Figura 9: Liga de ferro carbono com 1,% de Carbono na condição (a) temperada em água seguido de revenido a 690 C por (b) 1,5 x 103 s (5 min), (c ) 1,03x104 s ( h e 51 min) e (d) 6,05x105 s (168 h)...14 figura 10: Em detalhe conjunto montado consistindo de uma porca e arruela móvel acoplados a um parafuso...15 Figura 11: Desenho esquemático do blank da arruela...16 Figura 1: Histograma dos valores de dureza obtidos em tratamento de esferoidização de arruelas na industria de fixadores...16 Figura 13: Amostra temperada 1, austenitizadas entre 871 e 97 C, resfriada em líquido refrigerante a uma temperatura entre 73 e 78 C. Aumento 500X...19 Figura 14: Amostra temperada, austenitizada entre 816 e 871 C, resfriada por 10 s ao ar e depois em líquido refrigerante a uma temperatura entre 55 e 58 C. Aumento 500X...19 Figura 15: Amostra temperada 3, austenitizada entre 871 e 97 C, resfriada em óleo de têmpera a uma temperatura entre 50 e 61 C. Aumento 500X...19 Figura 16: Amostra temperada 4, austenitizada entre 816 e 871 C, resfriada por 10 s ao ar e depois em líquido refrigerante a uma temperatura entre 73 e 78 C. Aumento 500X...0 Figura 17: Amostra temperada 5, austenitizada entre 816 e 871 C, resfriada ao ar por 10 s e depois em óleo de têmpera a uma temperatura entre 55 e 58 C. Aumento 500X...0 Figura 18: Amostra temperada 6, austenitizada entre 871 e 97 C, resfriada em líquido refrigerante a uma temperatura entre 50 e 53 C. Aumento 500X...0 Figura 19: Amostra 1 aumento 500x...1 Figura 0: Amostra aumento 500x... Figura 1: Amostra 3 aumento 500x... Figura : Amostra 4 aumento 500x... Figura 3: Amostra 5 aumento 500x...3 Figura 4: Amostra 6 aumento 500x...3 Figura 5: Amostra 1 aumento 500x...4 Figura 6: Amostra aumento 500x...4

9 Figura 7: Amostra 3 aumento 500x...4 Figura 8: Amostra 4 aumento 500x...5 Figura 9: Amostra 5 aumento 500x...5 Figura 30: Amostra 6 aumento 500x...5 Figura 31: Amostra 1 aumento 500x...6 Figura 3: Amostra aumento 500x...7 Figura 33: Amostra 3 aumento 500x...7 Figura 34: Amostra 4 aumento 500x...7 Figura 35: Amostra 5 aumento 500x...8 Figura 36: Amostra 6 aumento 500x...8 Figura 37: Amostra 1 aumento 500x...9 Figura 38: Amostra aumento 500x...9 Figura 39: Amostra 3 aumento 500x...30 Figura 40: Amostra 4 aumento 500x...30 Figura 41: Amostra 5 aumento 500x...30 Figura 4: Amostra 6 aumento 500x...31 Figura 43: Amostra 1 aumento 500x...3 Figura 44: Amostra aumento 500x...3 Figura 45: Amostra 3 aumento 500x...3 Figura 46: Amostra 4 aumento 500x...33 Figura 47: Amostra 5 aumento 500x...33 Figura 48: Amostra 6 aumento 500x...33 Figura 49: Amostra 1 aumento 500x...34 Figura 50: Amostra 3 aumento 500x...35 Figura 51: Amostra 5 aumento 500x...35 Figura 5: Amostra 6 aumento 500x...35 Figura 53: Amostra controle (microestrutura prévia normalizada) aumento 500x...36 Figura 54: Amostra sem tratamento térmico, aumento 500x...37

10 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO OBJETIVO Objetivo Geral Objetivos Específicos...7.FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Recozimento de Esferoidização...8..Ciclos de Esferoidização Influência da Microestrutura Prévia na Esferoidização Decomposição da Martensita METODOLOGIA RESULTADOS E ANÁLISES Amostras Temperadas Amostras Recozidas em 650 C por 4 h Amostras Recozidas em 650 C por 8 h Amostras Recozidas em 650 C por 16 h Amostras Recozidas em 700 C por 4 h Amostras Recozidas em 700 C por 8 h Amostras Recozidas em 700 C por 16 h Amostra Normalizada COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES SUGESTÕES...39 REFERÊNCIAS...40 ANEXO A...41

11 7 1.INTRODUÇÃO Antes de aplicar a uma peça processos tais como a usinagem e a conformação mecânica, a mesma frequentemente é submetida a tratamentos térmicos que visam diminuir sua resistência mecânica e dureza ou aumentar sua ductilidade. Na indústria de fixadores diversas são as peças submetidas a tratamentos de esferoidização, dentre elas porcas, arruelas, para então serem conformadas a frio, afim de garantir sua dimensão final. Tal tratamento representa um gargalo na indústria, pois, devido a sua baixa cinética de reação, requer tempos prolongados para que a peça atinja a dureza necessária para ser calibrada sem que haja desgaste do ferramental de conformação. Em função disso, nesse trabalho pretende-se estudar a possibilidade de diminuir o tempo do tratamento de esferoidização, mediante a mudança do estado original do aço, aproveitando o calor utilizado para forjar as peças para temperá-las. Com isso pode-se iniciar o tratamento de esferoidização com uma microestrutura martensítica ao invés de recozida. 1.1OBJETIVO Objetivo geral Reduzir o tempo do tratamento de esferoidização necessário para atingir uma microestrutura de carbonetos esferoidizados e dureza de aproximadamente 85 HRB Objetivos específicos Verificar a influência da temperatura e do tempo nos resultados do tratamento de esferoidização. Verificar a influência tratamento de esferoidização. da microestrutura inicial do aço martensítica no resultado do

12 8.FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.1.RECOZIMENTO DE ESFEROIDIZAÇÃO O recozimento de esferoidização é geralmente utilizado em aços de médio e alto carbono com o objetivo de formar uma microestrutura composta por partículas de cementita de formatos próximos ao esférico em uma matriz ferrítica [1-5]. Essa forma de microestrutura ajuda a melhorar a usinabilidade, aumenta a ductilidade e, conseqüentemente, a conformabilidade. A faixa de temperatura utilizadas para o recozimento de esferoidização são mostradas na figura 01, considerando tempos prolongados. Figura 01: Diagrama de fases Ferro Carbono indicando as faixas de temperaturas para o recozimento de esferoidização.[4] Em função do ciclo térmico de esferoidização, poderão ocorrer variações no tamanho dos carbonetos bem como na sua distribuição e no tamanho de grão da ferrita, as quais podem alterar a ductilidade e conseqüentemente a sua conformabilidade. [4] Aços com elevado teor de carbono, apresentam elevada dureza no estado normalizado, ou a

13 9 possibilidade de apresentarem carbonetos nos contornos de grão após o recozimento, fragilizando sua estrutura, o qual prejudica sua usinabilidade e conformabilidade. Aços de médio carbono quando necessitam elevada ductilidade para trabalhos que exigem muito esforço da ferramenta ou mesmo do material, também devem ser esferoidizados. Esses tratamentos de esferoidização são geralmente longos (1 a 0 h) e consomem grandes quantidades de energia. Um tratamento de esferoidização típico consiste em aquecer o aço a temperaturas superiores à temperatura de transformação A1 (740 a 760 C) mantendo por h e então resfriar vagarosamente até abaixo de A1 (700 a 715 C) mantendo por 8 a 0 h antes de resfriar até a temperatura ambiente (figura A). [6] Uma alternativa é o recozimento a temperaturas subcríticas, que consiste em aquecer o aço a temperaturas abaixo de A1 (700 a 715 C), ao invés de primeiro aquecer a temperaturas acima de A1 (figura B). Com isso, uma esferoidização mais rápida seria esperada, pois a perlita seria mais fina que aquela formada durante o resfriamento através de A1 [6]. Figura : Ciclos de esferoidização (A) um tipico recozimento intercrítico. (B) Um possível recozimento subcrítico...ciclos DE ESFEROIDIZAÇÃO Para a esferoidização dos aços, geral mente, pode ser usado um dos modos descritos as seguir: [1,,7,8]. Recozimento Subcrítico: aquecimento por tempo prolongado a uma temperatura logo abaixo da temperatura de transformação A1 (figura 3a). Recozimento Pendular (ou cíclico) aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas que estão logo acima e logo abaixo da temperatura A1 (figura 3b). Resfriamento controlado: aquecimento prolongado a uma temperatura logo acima (10 C a 30 C) da temperatura A1, seguido de resfriamento lento (figura 3c).

14 10 Figura 03: Ciclos de recozimento utilizados nos processos de esferoidização. (A) Recozimento Subcrítico. (B) Recozimento Pendular. (C ) Resfriamento Controlado [8]. Os processos de esferoidização geram uma redução da energia livre, e também estão baseados na difusão de átomos de carbono na matriz de ferro [3-7]. A condição esferoidizada é uma forma mais estável termodinamicamente, porém, sem ativação térmica o processo pode ser muito lento. É por esse motivo que a perlita permanece como perlita na temperatura ambiente, em vez de mudar para uma condição esferoidizada [7]. Quando um aço com estrutura perlítica é recozido as lamelas de cementita após um curto período de tempo assumem uma forma de osso knucklebone. Continuando o recozimento as lamelas formarão glóbulos nas suas pontas e então se separam em esferóides, figura 04, por isso o nome esferoidização [1]. Figura 04: Representação esquemática da transformação da lamela de cementita em esferóides durante um recozimento de esferoidização..3. INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA PRÉVIA NA ESFEROIDIZAÇÃO A taxa de esferoidização depende fortemente da microestrutura original do aço, sendo maior para estruturas martensíticas devido a maior dispersão dos carbonetos de tamanho reduzido. Karadeniz [5] estudou a influência da microestrutura prévia no recozimento do aço AISI

15 O mesmo estudou a diferença entre uma microestrutura recozida e uma endurecida (temperada), em recozimentos de esferoidização subcríticos. Nesse estudo foi observado que estruturas previamente temperadas e expostas a tratamentos subcríticos a 700 C por 1 h apresentaram maiores valores de ductilidade que as estruturas recozidas e esferoidizadas pelo mesmo período de tempo. Também observou que os corpos de prova submetidos a esse tratamento eram mais capazes de sofrerem deformação a frio sem sofrerem ruptura. A figura 05 mostra 4 microestruturas obtidas por Karadeniz. As microestruturas A e B, foram obtidas através do tratamento de esferoidização de estruturas normalizadas, onde o material mostrado em A foi tratada a 700 ºC por 4 h, resultando em uma dureza de 00 HB e o material mostrado em B foi tratado à mesma temperatura porém com um período de 1 h, resultando num valor de dureza de 180 HB. As micrografias C e D foram obtidas através da esferoidização de estruturas martensíticas, C foi esferoidizada a 700 C por 4 h, resultando em uma dureza de 50 HB e D na mesma temperatura por 1 h com dureza de 10 HB. Figura 5: Micrografias do aço AISI 4140, a 500%.: Estrutura previa normalizada esferoidizada a 700 C (A) por 4 horas. (B) por 1 horas; estrutura previa martensítica esferoidizada a 700 C por 4 horas. Estrutura prévia martensítica esferoidizada a 700 C (C ) por 4 horas e (D) por 1 horas. A figura 06 [4] mostra a diferença da microestrutura prévia na esferoidização de um aço médio carbono durante um recozimento subcrítico a 700 C por 1 h. Percebe-se que a

16 1 microestrutura prévia martensítica apresentou maior grau de esferoidização quando comparada com a microestrutura ferrítico-perlítica. Figura 06: Efeito da microestrutura prévia sobre a esferoidização de um aço SAE 1040 a 700 C por 1 h. (a) Partindo de uma microestrutura martensítica. (b) Partindo de uma microestrutura ferrítico-perlítica [4]..4.DECOMPOSIÇÃO DA MARTENSITA A estrutura martensítica formada através de resfriamento rápido da estrutura austenítica é frágil devido às elevadas tensões no retículo cristalino supersaturado de átomos de carbono, segregação de átomos de impureza para os contornos de grão e tensões residuais devidas à têmpera. A fragilidade implica em elevada dureza, porém resulta em baixa ductilidade e tenacidade. Para recuperar a ductilidade, a martensita pode ser revenida, o que envolve aquecimento a temperaturas abaixo de A1 e manutenção por certo tempo. O revenido torna o aço mais dúctil, porém reduz sua resistência e dureza, conforme mostra a figura 07 [7]. Figura 07: Influência do aumento de temperatura de revenido na redução da dureza de aços, para tempos de tratamento de 1h [7].

17 13 A estrutura temperada de ligas de ferro-carbono é extremamente instável. Fatores que contribuem para esta instabilidade incluem a supersaturação do reticulado cristalino com átomos de carbono, energia de deformação provenientes da estrutura fina (maclas ou discordâncias), grande quantidade de energia interfacial das ripas ou placas de martensita e a presença de austenita retida. Através do reaquecimento do aço temperado, a martensita irá se transformar de uma estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC) para uma estrutura mista de ferrita cúbica de corpo centrado (CCC) e carbonetos (Fe3C) precipitados. Diferentes morfologias da martensita revenida se formarão dependendo do tratamento térmico aplicado e da morfologia da microestrutura martensítica inicial. A figura 08 mostra ripas de martensita transformando em grandes grãos aciculares. A figura 09 mostra discos de martensita transformando-se em grãos equiaxiais através do revenimento. Essas figuras mostram como os carbonetos se formam nos contornos de grão, e também como os grãos de ferrita e os carbonetos coalescem. Com o aumento do tempo, nas microestruturas martensíticas, após passar pelos estágios descritos anteriormente os precipitados de Fe3C coalescem e formam estruturas esferoidizadas, conforme mostrado na figura 08-d e 09-d. Ambos irão coalescer com o aumento do tempo e da temperatura. A força motriz é a redução da energia interfacial entre os precipitados e a matriz ferrítica [7]. Figura 08: Liga de ferro carbono com 0,% de Carbono na condição (a) temperada em água seguido de revenido a 690 C por (b) 1,5 x 10³ s (5 min), (c ) 1,03x104 s ( h e 51 min) e (d) 6,05x105 s (168 h) [7].

18 14 Figura 09: Liga de ferro carbono com 1,% de Carbono na condição (a) temperada em água seguido de revenido a 690 C por (b) 1,5 x 103 s (5 min), (c ) 1,03x104 s ( h e 51 min) e (d) 6,05x105 s (168 h) [7].

19 15 3.METODOLOGIA O material utilizado nos estudos foi o aço AISI 4137, fornecido em forma de barras redondas de 7,5 mm de diâmetro. Esse é o material utilizado na indústria de fixadores para produzir porcas e arruelas conformadas a quente, como as mostradas na figura 10, mediante o seguinte procedimento: Aquecimento por indução (com quatro bobinas) a temperatura próxima a 130 C. Forjamento a quente em quatro estágios Tratamento de esferoidização a 740 C (na faixa intercrítica) durante 16 h, desconsiderando o tempo de aquecimento. Forjamento a frio, para calibração das dimensões. Tratamento de têmpera e revenimento, para adequar as propriedades mecânicas ao exigido pelo cliente. Figura 10: Em detalhe conjunto montado consistindo de uma porca com arruela móvel acoplados a um parafuso. Para a realização dos ensaios foi utilizado como corpo de prova o blank da arruela M (destinada a parafusos do tipo M), obtido no último estágio da conformação a quente, conforme mostrado na figura 11.

20 16 Figura 11: Desenho esquemático do blank da arruela. A figura 1 mostra o histograma dos valores de dureza obtidos em arruelas após o tratamento de esferoidização. Nessas condições, não ocorrem excessivos desgaste nem perigo de quebra do ferramental da prensa de calibração. Portanto foi estipulado para este estudo que a dureza máxima aceitável é de 85 HRB. Figura 1: Histograma dos valores de dureza obtidos em tratamento de esferoidização de arruelas na indústria de fixadores. A rota alternativa de processo proposta consiste no tratamento de esferoidização a temperatura subcrítica, partindo de uma microestrutura martensítica obtida através do resfriamento do blank logo após a conformação a quente. Os meios refrigerantes utilizados foram o óleo para têmpera e a solução de água com adição de 3% de óleo solúvel, utilizada como líquido refrigerante das matrizes de conformação a quente. Foi utilizado um balde de 0 litros para realizar a têmpera. Tais meios refrigerantes foram escolhidos por já serem utilizados de alguma maneira na indústria de fixadores, evitando assim a necessidade de compra de um novo meio refrigerante. Antes de mergulhar o blank no meio refrigerante foi estipulado um tempo de 10 s de resfriamento ao ar, para evitar possíveis trincas devido à severidade da têmpera e também para simular um eventual acréscimo no comprimento da esteira transportadora, pois o tanque de têmpera

21 17 futuramente ficará afastado da máquina, afim de evitar o seu aquecimento pelo calor da conformadora. Outro lote de amostras foi temperado imediatamente após saírem da esteira transportadora da máquina. As amostras foram identificadas de acordo com a forma em que foram temperadas. Cada situação teve no mínimo sete amostras temperadas, descritas na tabela 01. Devido à falta de um equipamento mais preciso, o controlo de temperatura na saída da máquina de conformação foi feito com base em uma tabela de equivalência entre a temperatura e a cor emitida pelo material aquecido (Anexo A). A temperatura estimada desta forma ficou entre 871 a 97 C para as peças retiradas no final da esteira e 816 a 871 C para as peças que tiveram um intervalo 10 s de resfriamento ao ar antes da têmpera. As temperaturas inicial e final dos banhos foram medidas com um termômetro digital e registradas manualmente. Tabela 01: Descrição das condições de têmpera e códigos das amostras. Código Descrição da condição da têmpera Temperatura de austenitização 1 Resfriamento em líquido refrigerante a uma temperatura entre 871 a 97 C 73 e 78 C Resfriamento por 10 s ao ar seguido de resfriamento em 816 a 871 C líquido refrigerante a uma temperatura entre 55 e 58 C 3 Resfriamento em óleo de têmpera, temperatura entre 50 e 61 C 871 a 97 C 4 Resfriamento por 10 s ao ar seguido de resfriamento em 816 a 871 C líquido refrigerante a uma temperatura entre 73 e 78 C 5 Resfriamento ao ar por 10 s seguido de resfriamento em óleo 816 a 871 C de têmpera, temperatura entre 55 e 58 C 6 Resfriamento em líquido refrigerante a uma temperatura entre 871 a 97 C 50 e 53 C As amostras foram temperadas com um mínimo de agitação possível a fim reduzir a severidade da têmpera e assim evitar possíveis trincas. Os tratamentos de esferoidização foram realizados em um forno tipo mufla, seguindo a seguinte sequência: 1) Ligar o forno e ajustar na temperatura de tratamento; ) Aguardar 1 h para estabilizar a temperatura; 3) Colocar as amostras; 4) Fazer o tratamento pelo tempo determinado; 5) Desligar o forno; 6) Retirar as amostras após 4 h.

22 18 Todas as amostras foram distribuídas da forma mais uniforme possível dentro do forno, afim de reduzir as diferenças de temperatura. Cada uma das amostras das 6 condições de têmpera (mostradas na tabela 01) foi submetida a seis diferentes condições de tratamento de esferoidização. Uma amostra utilizada para confirmar a formação da martensita nas condições ensaiadas duas amostras comparativas, uma não temperada esferoidizada na temperatura de 700 C por 16 h e uma amostra sem nenhum tratamento térmico subsequente a conformação, como descrito na tabela 0. Tabela 0: Condições do tratamento de esferoidização e número de amostras tratadas. Situação de esferoidização Amostra comparativa 700 C 4h peças peças peças peças peças peças Sem amostra 700 C 8h Sem amostra 700 C 16h Sem Sem amostra amostra 650 C 4h Sem amostra 650 C 8h Sem amostra 650 C 16h Sem amostra Sem esferoidizar A fim de verificar a sanidade das peças, que podem desenvolver trincas até dias após sua fabricação, todas foram inspecionadas mediante ensaio de partículas magnéticas (com equipamento da marca MAGNA-FLUX). O ensaio foi realizado em duas etapas, a primeira feita três dias após as peças terem sido temperadas e a segunda amostragem, com seis peças, foi ensaiada 11 dias após a têmpera. Em nenhuma das peças foram detectadas trincas. Para a análise metalográfica, as amostras foram seccionadas e embutidas em resina acrílica, lixadas, polidas e atacadas com o reagente Nital em concentração de %. Após a análise foram realizadas em cada amostra três medidas de dureza pelo método Rockwell B, com carga de 100 N.

23 19 4.RESULTADOS E ANÁLISES 4.1. Amostras Temperadas As figuras de número 13 a 18 mostram estruturas, confirmando que as amostras foram resfriadas a partir de temperaturas superiores à da linha inferior da zona critica A1 (730 ºC). As médias aritméticas das três medidas de dureza de cada amostra são mostradas na tabela 03. Figura 13: Amostra temperada 1, austenitizadas entre 871 e 97 C, resfriada em líquido refrigerante a uma temperatura entre 73 e 78 C. Aumento 500X. Figura 14: Amostra temperada, austenitizada entre 816 e 871 C, resfriada por 10 s ao ar e depois em líquido refrigerante a uma temperatura entre 55 e 58 C. Aumento 500X.

24 0 Figura 15: Amostra temperada 3, austenitzada entre 871 e 97 C, resfriada em óleo de têmpera a uma temperatura entre 50 e 61 C. Aumento 500X. Figura 16: Amostra temperada 4, austenitazada entre 816 e 871 C, resfriada por 10 s ao ar e depois em líquido refrigerante a uma temperatura entre 73 e 78 C. Aumento 500X. Figura 17: Amostra temperada 5, austenitizada entre 816 e 871 C, resfriada ao ar por 10 s e depois em óleo de têmpera a uma temperatura entre 55 e 58 C. Aumento 500X.

25 1 Figura 18: Amostra temperada 6, austenitizada entre 871 e 97 C, resfriada em líquido refrigerante a uma temperatura entre 50 e 53 C. Aumento 500X. Tabela 03: Média aritmética das durezas encontradas nas amostras temperadas, em HRC amostra média aritmética em HRC (150 N) Desvio (+-) Analisando as microestruturas e os valores de durezas encontradas percebe-se pouca diferença entre as condições de processo utilizadas, pois apresentam resultados similares. De modo que foram pouco sensíveis as variáveis de processo. 4.. Amostras Recozidas em 650 C por 4 h As figuras 19, 0, 1,, 3 e 4 apresentam estruturas de carbonetos esferoidizados distribuídos numa matriz ferrítica. Todas as micrografias foram feitas com aumento de 500X e o reagente utilizado foi nital a %. A tabela 04 mostra a média aritmética das três medidas de dureza de cada corpo de prova em HRB (100 N).

26 Figura 19: Amostra 1 aumento 500x Figura 0: Amostra aumento 500x Figura 1: Amostra 3 aumento 500x

27 3 Figura : Amostra 4 aumento 500x Figura 3: Amostra 5 aumento 500x Figura 4: Amostra 6 aumento 500x

28 4 Tabela 04: média aritmética dureza HRB amostra média aritmética em HRB (100 N) Desvio (+-) Verificou-se uma acentuada redução na dureza das amostras submetidas a tratamento térmico em relação ao estado inicial (temperado), o que pode estar associado à esferoidização dos carbonetos. Por outro lado, não houve significativa diferença entre os valores de dureza das amostras tratadas termicamente. Isso, em parte, pode ser devido à baixa resolução que apresenta a escala de dureza Rockwell.. Neste caso, a medição pelo método Vickers seria recomendável, pois apresenta uma resolução aproximadamente 10 vezes maior. 4.3.Amostras Recozidas em 650 C por 8 h As figuras 5, 6 e 8 mostram estruturas esferoidizadas com algumas ilhas de ferrita livre. As figuras 7, 9 e 30 mostram estruturas mais esferoidizadas. Todas as micrografias possuem aumento de 500x e o reagente utilizado foi nital a %. A tabela 05 mostra as médias aritméticas das três medidas de dureza de cada corpo de prova em HRB (100 N). Figura 5: Amostra 1, aumento 500X.

29 5 Figura 6: Amostra, aumento 500X. Figura 7: Amostra 3, aumento 500X Figura 8: Amostra 4, aumento 500X.

30 6 Figura 9: Amostra 5, aumento 500X. Figura 30: Amostra 6, aumento 500X. Tabela 05: média aritmética das dureza encontradas em HRB amostra média aritmética em HRB (100 N) Desvio (+-) Verificou-se uma acentuada redução na dureza das amostras submetidas a tratamento térmico em relação ao estado inicial (temperado), o que pode estar associado à esferoidização dos carbonetos, porém uma pequena redução se comparada as amostras tratadas a 650 C por 4h. Por outro lado, não houve significativa diferença entre os valores de dureza das amostras tratadas

31 7 termicamente. Isso, em parte, pode ser devido à baixa resolução que apresenta a escala de dureza Rockwell Amostras Recozidas em 650 C por 16 h As figuras 31, 3, 33, 34, 35 e 36 mostram estruturas esferoidizadas associadas a ilhas de ferrita. Todas as micrografias possuem aumento de 500x e o reagente utilizado foi nital a %. A tabela 06 mostra a média aritmética das três medidas de dureza de cada corpo de prova. Figura 31: Amostra 1 aumento 500x Figura 3: Amostra aumento 500x

32 8 Figura 33: Amostra 3 aumento 500x Figura 34: Amostra 4 aumento 500x Figura 35: Amostra 5 aumento 500x

33 9 Figura 36: Amostra 6 aumento 500x Tabela 06: Média aritmética das dureza encontradas em HRB amostra média aritmética em HRB (100 N) Desvio (+-) Verificou-se uma acentuada redução na dureza das amostras submetidas a tratamento térmico em relação ao estado inicial (temperado), o que pode estar associado à esferoidização dos carbonetos. Por outro lado, não houve significativa diferença entre os valores de dureza das amostras tratadas termicamente. Isso, em parte, pode ser devido à baixa resolução que apresenta a escala de dureza Rockwell. 4.5.Amostras Recozidas em 700 C por 4 h As figuras 37, 39, 40 e 41 mostram estruturas esferoidizadas. As figuras 38 e 4 indicam uma estrutura com a perlita coalescida e grandes grãos de ferrita. A tabela 07 mostra a média aritmética das três medidas de dureza de cada corpo de prova.

34 30 Figura 37. amostra 1 aumento 500x Figura 38. amostra aumento 500x Figura 39. amostra 3 aumento 500x

35 31 Figura 40. amostra 4 aumento 500x Figura 41. amostra 5 aumento 500x Figura 4. amostra 6 aumento 500x

36 3 Tabela 07: média aritmética em HRB amostra média aritmética em HRB (100 N) Desvio (+-) Analisando as microestruturas encontradas percebe-se que as amostras e 6 não foram devidamente temperadas, por isso apresentaram uma estrutura com a perlita coalescida. Verificou-se uma acentuada redução na dureza das amostras submetidas a tratamento térmico em relação ao estado inicial (temperado), o que pode estar associado à esferoidização dos carbonetos e ao coalescimento da perlita. Por outro lado, não houve significativa diferença entre os valores de dureza das amostras tratadas termicamente,. Isso, em parte, pode ser devido à baixa resolução que apresenta a escala de dureza Rockwell Amostras Recozidas em 700 C por 8 h As figuras 43, 44 e 48 apresentam estruturas esferoidizadas e ilhas de ferrita. As figuras 45, 46 e 47 apresentam estruturas com grandes colonias de ferrita associadas a perlita coalescida. A tabela 08 mostra a média aritmética das três medidas de dureza de cada corpo de prova. Figura 43 amostra 1 aumento 500x

37 33 Figura 44. amostra aumento 500x Figura 45. amostra 3 aumento 500x Figura 46. amostra 4 aumento 500x

38 34 Figura 47. amostra 5 aumento 500x Figura 48. amostra 6 aumento 500x Tabela 08: média aritmética amostra ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ média aritmética em HRB (100 N) ٩٢ ٩٠ ٩٢ ٩١ ٩٢ ٩٢ Desvio (+-) ٣ ٢ ٢ ٣ ٢ ٣ Analisando as microestruturas percebe-se que as amostras 3, 4 e 5 não foram devidamente temperadas, pois apresentaram ferrita e grãos coalescidos de perlita. Verificou-se uma acentuada redução na dureza das amostras submetidas a tratamento térmico em relação ao estado inicial (temperado), o que pode estar associado à esferoidização dos

39 35 carbonetos. Por outro lado, não houve significativa diferença entre os valores de dureza das amostras tratadas termicamente,. Isso, em parte, pode ser devido à baixa resolução que apresenta a escala de dureza Rockwell Amostras Recozidas em 700 C por 16 h As figuras 49, 50, 51 e 5 mostram uma estrutura esferoidizada e ilhas de ferrita. A figura 5 mostra uma estrutura esferoidizada, porém com os carbonetos maiores se comparados as figuras 50 e 51. A figura 53 mostra uma estrutura perlítica coalescida. A tabela 09 mostra a média aritmética das três medidas de dureza de cada corpo de prova. Figura 49: Amostra 1 aumento 500x Figura 50: Amostra 3 aumento 500x

40 36 Figura 51. amostra 5 aumento 500x Figura 5. amostra 6 aumento 500x Figura 53: Amostra controle (microestrutura prévia normalizada) aumento 500x

41 37 Tabela 09. Média aritmética em HRB amostra controle média aritmética em HRB (100 N) sem amostra sem amostra Desvio (+-) Verificou-se uma acentuada redução na dureza das amostras submetidas a tratamento térmico em relação ao estado inicial (temperado), o que pode estar associado à esferoidização dos carbonetos. Por outro lado, não houve significativa diferença entre os valores de dureza das amostras tratadas termicamente,. Isso, em parte, pode ser devido à baixa resolução que apresenta a escala de dureza Rockwell. Percebe-se grande diferença entre as amostras que foram previamente temperadas e a amostra de controle, principalmente devido a estrutura dos carbonetos e a quantidade de ferrita livre. 4.8 Amostra Normalizada A figura 54 mostra uma estrutura ferrítica perlítica normalizada, utilizada como comparação somente. Sendo esta a estrutura inicial no tratamento de esferoidização utilizado na indústria de fixadores. Figura 54: Amostra sem tratamento térmico, aumento 500x

42 38 5. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES Pouco se pode concluir com base nos dados obtidos, pois apresentaram pouca diferença entre os valores de dureza, porém ficaram próximos aos valores obtidos por Karadeniz [5] em seu estudo. Nota-se que grande parte das amostras não foram devidamente temperadas devido a estrutura obtida após o tratamento de esferoidização e ao método utilizado para determinar a temperatura das amostras antes da imersão no líquido refrigerante. Foi constatada uma grande redução nos valores de dureza das amostras, quando comparado com sua dureza inicial (temperada). Também foi verificada, a evolução da queda de dureza com o aumento do tempo e da temperatura, porém esta tendência não é tão evidente devido ao baixo número de amostras tratadas e a escala de dureza utilizada no estudo. Devido à estrutura disponível para os ensaios, não foi possível testar uma rampa subcrítica em função da falta de controle do equipamento utilizado (forno mufla), por não apresentar suficiente homogeneidade e controle da temperatura de patamar, nem controle da taxa de aquecimento e resfriamento, dificultando em muito a análise do processo

43 39 6. SUGESTÕES Utilizar um meio mais preciso para determinar a temperatura das peças antes de tempera-las. Utilizar um forno que permita controlar as taxas de aquecimento e resfriamento. Verificar com um ensaio de tração, qual microestrutura possui a maior ductilidade, isto é, o maior grau de deformação antes da fratura. Procurar um teste prático que permita determinar se as amostras com as durezas apresentadas causariam algum dano ao ferramental de calibração.

44 40 REFERÊNCIAS [1] THELNING, K. E. Steels And Its Heat Treatment. ªed., Butherworths, Mackays of Great Britain: Chatham Ltd., [] CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 5ªed., São Paulo, ABM, 198 [3] CALLISTER, W. Ciência e Engenharia de Materiais, Uma Introdução. 5ª Ed. LTC, 00. [4] Metals Handbook, Heating Treating. v.4, ASM International, 1991 [5] KARADENIZ, E. Influence of Different Initial Microstructure on the Process of Spheroidization in Cold Forging. Materials & Design, nº 9, 008, p [6] O`BRIEN J.M., HOSFORD W.F., Shperoidization of Medium-Carbon Steels. Journal of Materials Engineering and Performance, v6. February 1997, p [7] Metals Handbook, Metallography and Microstructures. v.9, ASM International, 004. [8] FAGUNDES E. J., Análise da Influência do Ciclo de Recozimento de Esferoidização nas Propriedades Mecânicas do Aço SAE Belo Horizonte: UFMG, p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 006.

45 41 ANEXO A

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