SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR PARA DEPOSIÇÃO DE REVESTIMENTOS DUROS À BASE DE DIFERENTES CARBONETOS

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1 XV Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 29/09 a 03/10/ Curitiba PR Paper CRE08-CM09 SIMULAÇÃO DO PROCESSO DE SOLDAGEM COM ARAME TUBULAR PARA DEPOSIÇÃO DE REVESTIMENTOS DUROS À BASE DE DIFERENTES CARBONETOS Bruno Pereira Navarro Macedo e Juno Gallego UNESP Ilha Solteira, Grupo de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais e Processos Tecnológicos Curso de Engenharia Mecânica - Avenida Brasil Centro, 56 - CEP Ilha Solteira, SP bruno71075@aluno.feis.unesp.br; maprotec@dem.feis.unesp.br RESUMO O setor sucroalcooleiro demanda significativos recursos financeiros para a compra de material usado na recuperação de seus equipamentos. Dentre os vários mecanismos de desgaste que ocorrem em facas, martelos desfibradores e moendas destaca-se o desgaste abrasivo, causado pelo resíduo mineral agregado à cana de açúcar e que é responsável por paradas normalmente não programadas para a manutenção. O presente trabalho visa investigar recobrimentos duros depositado por soldagem e que foram obtidos pela fusão de misturas de ferro-ligas nos quais há elementos formadores de carbonetos, como o titânio, o nióbio e o cromo. Para tanto foram utilizados tubos de aço inoxidável preenchidos com misturas de Fe-Cr, Fe-Nb, Fe- Mn e Fe-Ti em pó, usados para simular a soldagem com proteção gasosa de um arame tubular. A energia de soldagem foi provida por uma tocha TIG (Tungsten Inert Gas). O metal de solda obtido nos ensaios mostrou elevada dureza. A observação da microestrutura permitiu verificar que houve a formação de carbonetos e que a sua morfologia, bem como a sua quantidade mostrou variar dependendo do ferro-liga que foi empregado na soldagem. Palavras chaves: ferro-liga, carbonetos, microestrutura, desgaste abrasivo. INTRODUÇÃO O desgaste abrasivo é considerado o principal mecanismo de perda de massa observado nos equipamentos do setor sucroalcooleiro (Ribeiro, 2004). Por mais que sejam aplicados os devidos cuidados durante o manejo da cana-de-açúcar, grande quantidade de material inorgânico abrasivo como a terra e a areia fica retida e é levada ao sistema de máquinas de processamento como facas, martelos desfibradores, moendas e bagaceiras. O movimento relativo entre o resíduo mineral e as superfícies das peças causa uma significativa perda de material, incrementando os gastos com a manutenção. Para contornar este problema, uma técnica normalmente empregada nas usinas de açúcar e álcool é a aplicação do recobrimento duro. O processo consiste em produzir por soldagem, na superfície da peça sujeita ao desgaste, uma camada dura e resistente ao desgaste. O processo tem a vantagem de poder ser aplicado em áreas localizadas da peça que sejam mais sujeitas ao desgaste. Os materiais para recobrimento mais utilizados são ligas que durante o resfriamento da poça de fusão, haja a precipitação de carbonetos, que tem por características serem partículas duras e resistentes ao desgaste abrasivo. Nos carbonetos, as ligações químicas são preponderantemente covalentes, o que torna estes compostos muito resistentes mecanicamente. Eles podem ser encontrados em diversas estequiometrias e estruturas, como M 3 C, M 7 C 3 e M 23 C 6 de acordo com o metal de adição e da quantidade de carbono presente na poça de fusão. Os elementos formadores de carbonetos nos aços são metais, cuja estabilidade química é crescente na seguinte ordem: ferro, cromo, molibdênio, tungstênio, vanádio, nióbio e titânio (He et al, 1997). O manganês normalmente participa na composição química dos carbonetos na forma de elemento substitucional, especialmente na cementita (Mn,Fe) 3 C; todos os outros elementos citados possuem uma afinidade química maior pelo carbono do que o ferro, tornando possível a formação de carbonetos complexos a partir de determinados teores, abaixo dos quais se dissolvem na cementita. No entanto, a aplicação de ligas formadoras de carbonetos à base de cromo são as mais utilizadas para esta finalidade devido à disponibilidade, menor custo e melhoria na resistência à corrosão.

2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL A confecção de arames tubulares empregou quatro tubos de aço inoxidável AISI 304, com 4,0mm de diâmetro externo, 0,3mm de espessura de parede e 200mm de comprimento total. A composição química nominal do tubo é apresentada na Tab. 1. Para o preenchimento desses tubos foram utilizados ferro-ligas à base de titânio, manganês, nióbio e cromo. Estes materiais estavam na forma de pó, cuja granulação foi classificada em 325 mesh. A composição química dos pós utilizados está na Tab. 1. O ferro-manganês e o ferro-cromo foram fornecidos com alto teor de carbono, enquanto que o carbono (na forma de grafite puro em pó fino) teve que ser adicionado ao ferro-titânio e ao ferro-nióbio. A adição do carbono no Fe-Ti e Fe-Nb foi feita considerando a razão estequiométrica mais comum para os carbonetos desses elementos: o TiC e NbC. Considerando a quantidade de metal contido no Fe-Ti e Fe-Nb determinou-se a quantidade de carbono adicionado à mistura, sendo usada a proporção de 1g de grafite para 10g de ferro-titânio e o dobro para o ferro-nióbio. Uma quantidade de 1,5g de grafite foi adicionada nos demais tipos de ferros-liga para minimizar as perdas durante a fusão e garantir assim a precipitação de carbonetos. Em um recipiente plástico adequado os ferros-ligas passaram por um processo de mistura com um giro de 210 rpm durante 15 minutos. Após a mistura os pós foram compactados da melhor forma possível no interior dos tubos de aço, com o auxílio de arames sólidos que tinham diâmetro ligeiramente menor. A fusão do material contido nos tubos ocorreu por meio do processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas) realizado manualmente sobre peças de aço-carbono com 8mm espessura e 25mm largura, sendo empregados os seguintes parâmetros de soldagem: corrente contínua 80A, polaridade direta, eletrodo negativo. Argônio puro foi usado na proteção da poça de fusão, com uma vazão média de 10 litros por minuto. Tabela 1 Composição nominal dos tubos e ferro-ligas utilizados para recobrimento duro (% massa). Material Ti Mn Nb Cr C Si P Al S AISI 304-2,0-18,0 0,08 1,00 0,04-0,030 Fe-Ti 28, ,02 1,35 0,02 7,9 0,020 Fe-Mn - 75, ,50 0,50 0,20-0,007 Fe-Nb ,7-0,09 2,70 0,20 1,3 0,006 Fe-Cr ,2 7,70 3,50 0,03-0,030 Para a análise metalográfica foram cortadas quatro pequenas amostras com disco abrasivo sob refrigeração, que posteriormente seriam embutidas em resina de cura a frio (poliéster) com auxílio de moldes feitos com borracha e silicone. As superfícies para a análise macrográfica das amostras foram preparadas com um cuidadoso lixamento, nas quais foram utilizadas lixas com granas 120, 220, 320, 400 e 600 sob constante refrigeração à água. Para a análise microestrutural, as superfícies foram retrabalhadas com lixas de grana 1000 e 1500, seguindo-se o acabamento com polimento mecânico em alumina 1μm. O ataque químico, nas quatro amostras, foi efetuado com o reagente de mistura de ácidos utilizadas para ferro fundido de alto cromo (50g CuCl 2, 100ml HCl, 100ml Álcool etílico e 100ml de H 2 O destilada). Nesta análise foi empregada microscopia ótica em uma bancada metalográfica NEOPHOT 21, equipado com uma câmara digital para documentar a microestrutura. RESULTADOS E DISCUSSÃO A técnica usada para a deposição dos ferro-ligas formadores de carbonetos mostrou ser bastante eficiente. Os testes iniciais foram realizados com a aspersão do pó sobre a poça de fusão, que não mostrou bons resultados devido ao arraste de partículas (principalmente grafite, quando se tratava dos recobrimentos feitos com os pós de nióbio e titânio) provocado pelo fluxo do gás de proteção. Apesar do fluxo de argônio ser relativamente baixo, era o suficiente para espalhar uma grande quantidade de mistura para fora do arco tornando a taxa de deposição significativamente baixa. A compactação do pó no interior do tubo de aço inoxidável colaborou para que o material fosse introduzido com mais facilidade na poça de fusão, tornando as perdas mínimas. A análise macrográfica mostrou que a diluição do metal de solda nas condições adotadas foi bastante reduzida, implicando em um possível comprometimento da aderência do revestimento sobre o substrato. Este detalhe será reavaliado nos estudos subseqüentes. A observação de amostras polidas no microscópio ótico permitiu identificar a presença de microvazios e microtrincas. No aspecto qualitativo a presença destes defeitos foi considerada pequena, como pode ser visualizado nas micrografias da Fig. 1. A presença de partículas duras sobre a superfície polida causou um efeito de relevo, pois a matriz aparentemente possuía uma dureza menor. As microtrincas foram provocadas pelo ciclo térmico de soldagem, permitindo a redução das tensões mecânicas em um material que apresenta características frágeis. Os microporos podem ter sidos provenientes de minúsculas partículas de grafite

3 remanescentes que podem ter sido removidas durante preparação metalográfica, principalmente durante o polimento mecânico feito com alumina. Figura 1 Microestruturas dos revestimentos observados por microscopia ótica; (a) ferro-cromo, (b) ferro-manganês (c) ferro-nióbio (d) ferro-titânio. Superfície polida, sem ataque químico. Ampliação padronizada em 287 vezes. O ataque metalográfico permitiu revelar a microestrutura do metal de solda das amostras analisadas, compostas por partículas envoltas em uma matriz. No aspecto morfológico percebe-se semelhança entre os carbonetos formados com o uso de Fe-Cr e Fe-Mn, como pode ser observado nas Fig.2(a) e Fig.2(b). Tais partículas são facilmente identificados pela sua forma prismática, onde normalmente a seção poligonal apresentou largura entre 20 a 70µm e comprimentos de até 500µm (Polido et al, 2008). Estas partículas encontravam-se normalmente agrupadas em feixes paralelos e apresentavam um aspecto metálico de coloração clara, estando envoltos por uma matriz de coloração escura, conforme o ataque químico revelou na Fig.3(a). Microestrutura semelhante foi relatada por Buchanan e colaboradores (2007) investigando revestimentos duros a base de cromo. Apesar da semelhança com as partículas ricas em cromo, os carbonetos formados no metal de solda produzido com o uso de ferro-manganês devem ser de cementita. As Fig.2(b) e Fig.3(b) mostram partículas com características similares aos carbonetos de cromo mas foram observados em menor quantidade. A presença de cromo nestas partículas é uma possibilidade, pois havia cromo na composição do tubo metálico. Segundo a composição nominal do tubo, o cromo corresponde a aproximadamente 18% da massa do tubo metálico, tornando possível uma pequena precipitação de carbonetos de cromo. O manganês presente no ferro-liga deve ter participado como (Mn, Fe) 3 C, pois este elemento não é um forte formador de carboneto. Pontos escuros e circulares também foram observados e sugere-se que os mesmo são inclusões de grafite que não se conseguiram se dissolver na poça de fusão e outros pontos menores foram identificados como microporos. Partículas de segunda fase com morfologia globular, bastante diferente das relatadas anteriormente, foram encontradas em grande número no metal de solda das amostras com ferro-nióbio e ferro-titânio como mostram as Fig.2(c) e Fig.2(d). Medidas de dureza indicam que as mesmas apresentem elevada resistência

4 mecânica, sendo provável que essas partículas sejam carbonetos de nióbio e carbonetos de titânio. Segundo Yaer e equipe (2008) quando carbonetos precipitam no formato esférico não há uma grande concentração de tensões na região da interface com a matriz, ao contrário do que normalmente ocorre com os carbonetos com morfologia prismática, resultando no aumento da resistência ao desgaste abrasivo. Os carbonetos de cromo formados têm grande tendência à concentração de tensões devido a sua morfologia prismática poligonal, que muitas vezes acha-se em hexágonos, o que limita sua resistência ao desgaste por ter pontas que facilitam a concentração de tensão. Sugere-se que as partículas visíveis em grande quantidade na microestrutura das amostras do ferro-nióbio sejam carbonetos de nióbio e de titânio do tipo MC, devido à grande semelhança aos carbonetos de vanádio que foram identificados (Yaer et al, 2008). Análises mais específicas estão sendo realizadas com o intuito de confirmar esta hipótese. Figura 2 Microestruturas dos revestimentos observados por microscopia ótica; (a) ferro-cromo, (b) ferro-manganês (c) ferro-nióbio (d) ferro-titânio. Superfície polida. Ataque químico: vide texto. Ampliação padronizada em 287 vezes. Conforme mostra a Tabela 2 os revestimentos à base de Fe-Nb, Fe-Mn e Fe-Ti têm grande chance de ser uma alternativa ao eletrodo à base de cromo, pois se obtiveram durezas próximas às do eletrodo mais utilizado. A exemplo, a microestrutura e dureza obtidos do revestimento à base de Fe-Nb possibilitam o mesmo a ser uma alternativa viável, uma vez que aproximadamente 90% das reservas mundiais de nióbio se encontram no Brasil. A utilização de revestimentos à base de Fe-Mn também se mostra viável, uma vez que por deformação mecânica a microestrutura do revestimento duro obtido pode passar a ser martensítica, o que faz elevar a sua dureza. Como pôde ser avaliada através das microestruturas, a técnica de preenchimento e compactação dos ferro-ligas em pó no tubo metálico foi realizada com sucesso do ponto de vista que se obtiveram partículas que têm características de serem resistentes ao desgaste abrasivo, e isso pode tornar o processo viável comercialmente como uma alternativa a soldagem tradicionalmente utilizada no setor sucroalcooleiro.

5 Tabela 2: Valores médios e os respectivos desvios-padrão da Dureza Rockwell medida nos revestimentos duros. Revestimento Dureza HRC Fe-Cr 50,6 ± 1,3 Fe-Mn 45,9 ± 2,4 Fe-Nb 49,5 ± 1,9 Fe-Ti 43,4 ± 5,0 Figura 3 Microestruturas dos revestimentos observados por microscopia ótica; (a) ferro-cromo, (b) ferro-manganês (c) ferro-nióbio (d) ferro-titânio Superfície polida. Ataque químico: vide texto. Ampliação padronizada em 950 vezes. CONCLUSÕES Os estudos realizados permitiram concluir que a introdução de elementos formadores de carbonetos através de ferros ligas possibilitou obter microestruturas com características de elevada dureza, potencialmente interessantes para o uso em revestimentos resistentes ao desgaste. A obtenção de carbonetos de cromo, nióbio e titânio através da fusão de tubos de aço inoxidável contendo ferro-ligas com o auxílio de uma tocha TIG foi bem sucedida. A análise microestrutural mostrou que a morfologia dos carbonetos mudou significativamente entre os diferentes ferro-ligas, podendo influir decisivamente na resistência ao desgaste abrasivo a ser apresentado pelos respectivos revestimentos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) e à COFEL FERRO LIGAS pelo fornecimento dos materiais usados neste estudo e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão de uma bolsa de estudos PIBITI/UNESP (BPNM).

6 REFERÊNCIAIS BIBLIOGRÁFICAS Buchanan, V. E. et al. Microstructure and abrasive wear behaviour of shielded metal arc welding hardfacings used in the sugarcane industry. Wear, v. 263, pp , He, Y. et al. Standard free energy change of formation per unit volume: a new parameter for evaluating nucleation and growth of oxides, sulphides, carbides and nitrides. Materials Research Innovation, v. 1, pp , Polido, R. et al. Microestrutura de revestimentos duros resistentes ao desgaste abrasivo empregados na indústria sucroalcooleira. In: CONSOLDA 2008, São Paulo. Anais do Second Latin American Welding Congress / XXXIV CONSOLDA - Congresso Nacional de Soldagem, CD-ROM. p Ribeiro, R. Avaliação da resistência ao desgaste abrasivo de revestimentos soldados do tipo Fe-C-Cr utilizados na indústria sucroalcooleira, Dissertação de Mestrado, UNESP, Yaer, X. et al. Erosive wear characteristics of spheroidal carbides cast iron. Wear, v. 264, pp , 2008.