APLICAÇÃO DA DESCARBONETAÇÃO VISANDO A OTIMIZAÇÃO DE PROCESSOS PARA A FABRICAÇÃO DE FACAS MOLDÁVEIS RESUMO

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1 APLICAÇÃO DA DESCARBONETAÇÃO VISANDO A OTIMIZAÇÃO DE PROCESSOS PARA A FABRICAÇÃO DE FACAS MOLDÁVEIS Thiene Jorge Galutti (1), Carlos Roberto Gianini Junior (2) e Jorge Kolososki (3) (1) thiene.galutti@gmail.com - Engenheira de Materiais; (2) Engenheiro Metalurgista da Mangels Industrial S.A; (3) Professor do Departamento de Engenharia de Materiais da FEI - Fundação Educacional Inaciana. RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre o efeito da descarbonetação nas propriedades de um aço ABNT 1050 utilizado na fabricação de facas moldáveis. Os resultados obtidos revelaram a boa influência do fenômeno de descarbonetação em processos de conformação do material, reproduzindo as características de facas importadas de alta qualidade, as quais ao serem dobradas a 180 não apresentaram fraturas ou trincas. Para a realização da descarbonetação verificou-se a importância do controle da atmosfera do forno, constituída de 5 % de hidrogênio e 95% de nitrogênio, a qual evita a oxidação do material, sendo a água o principal agente descarbonetante. Amostras foram descarbonetadas á 700 ºC durante quatro horas, e resfriadas dentro do forno. Através do tratamento térmico de austêmpera com temperatura de austenitização de 840 C por 10 minutos e resfriamento em banho de sal a 380 C por 25 minutos, obteve-se um material com estrutura bainítica e dureza 302 HV, proporcionando resistência para o corte do couro e, ao mesmo tempo, a ductilidade necessária para conformação da faca. Palavras-chave: Descarbonetação; Facas moldáveis; Dobramento. 133

2 ABSTRACT This work presents a study about the effect of decarburization on the properties of an AISI 1050 steel used in the manufacture of moldable knives. The results revealed the good influence of the decarburization in sheet-metal forming manufacturing processes, reproducing the characteristics of imported high quality knives, which are bent to 180 showing no fractures or cracks. To perform the decarburization verified the importance of controlling the furnace atmosphere consisting of 5% hydrogen and 95% nitrogen, which prevents oxidation of the material being the water the primary agent of decarburization. Samples were decarburizated at 700 C for four hours, and cooled inside the oven. By the heat treatment of austempering with austenitizing temperature of 840 C for 10 minutes and cooling in a salt bath at 380 C for 25 minutes gave a material with bainitic structure and hardness HV 302, providing resistance to cut the leather and at the same time, the ductility necessary to forming the knife. Key words: Decarburization; Moldable knives, Bending. I. INTRODUÇÃO Nos dias atuais o fenômeno de descarbonetação de aço é controlado e está sendo cada vez mais estudado e utilizado em determinadas aplicações, como no caso de facas moldáveis, utilizada no corte de couro de sapatos. Neste conjunto as facas devem possuir uma estrutura com altas resistências mecânica e ao desgaste para possibilitar o corte do couro através de forças de impacto, porém precisa possuir certa ductilidade para que formato da ferramenta de corte desejado seja adquirido, conforme mostrado na figura 1. Suporte Faca Faca Pinos-guia Figura 1 Facas moldáveis utilizadas para corte de couro. Fonte: autor 134

3 É importante ressaltar que a ferramenta de corte é constituída de várias partes, fabricadas utilizando diversos tipos de aços, o que impede a realização do tratamento térmico após montagem final. Assim, é importante que cada parte utilizada na montagem desta ferramenta esteja tratada e já possua a estrutura necessária para suportar os esforços a que será submetida durante as operações de corte. Através da caracterização de facas importadas será possível aprimorar o processo de fabricação e, consequentemente, as propriedades do produto nacional, obtendo-se, assim, facas de alta qualidade e funcionalidade que sejam iguais ou superiores aos produtos importados, desenvolvendo o mercado nacional. Os resultados deste trabalho poderão auxiliar pequenas empresas nacionais na adequação de seus processos para obtenção de tiras de aço que são utilizadas na fabricação de facas moldáveis, com redução de custos e melhoria na qualidade, tornando-as competitivas frente aos fornecedores externos. Este trabalho tem por objetivo caracterizar amostras de alta qualidade de faca moldável importada e reproduzir, através de descarbonetação e austêmpera tais propriedades no material nacional, visando a otimização dos processos nacionais de fabricação e o aumento da qualidade. II. MATERIAIS E MÉTODOS Análise Química Visando a identificação do aço utilizado na fabricação das facas importadas realizou-se uma análise química, utilizando o método de espectrometria de emissão atômica. Análise Metalográfica e Medidas de Dureza Para a realização da análise metalográfica as amostras foram cortadas transversalmente e embutidas em baquelite utilizando uma prensa automática marca Techpress 2. A seguir foram lixadas utilizando a seguinte sequência de lixas: #220, #320, #400 e #600. O polimento foi realizado em politrizes mecânicas usando como abrasivo pasta de diamante com #6 microns e #2 microns. Para evidenciar a estrutura do material as amostras foram atacadas com Nital 2%. Para determinação 135

4 da dureza utilizou-se um durômetro marca Shimadzu e escala micro-vickers com carga de 200g. Descarbonetação A descarbonetação foi realizada em parceria com a empresa Mangels Industrial S/A. Para isto utilizou-se um forno industrial elétrico, com atmosfera controlada constituída por 5% de hidrogênio (H 2 ) e 95% de nitrogênio (N 2 ), a uma vazão de 10 m³/h, visando três vezes a troca de toda atmosfera contida no forno em uma hora de tratamento. É importante ressaltar que durante o tratamento houve gotejamento de água, proporcionando vapor em abundância misturado com a atmosfera. Treze amostras de aço ABNT 1050 nacional, com dimensões de 19 mm por 150 mm e 2 mm de espessura (padrão para as facas) foram colocadas no forno à temperatura ambiente. Iniciou o aquecimento e, em 5 horas atingiu a temperatura pretendida de tratamento de 700 C. As amostras permaneceram na temperatura de tratamento por 4 horas e foram resfriadas dentro do forno. Tratamento Térmico - Austêmpera O tratamento térmico foi realizado na empresa Austemp Tratamento Térmico de Metais Ltda. As amostras descarbonetadas foram austenitizadas à 840 ºC por 10 minutos e resfriadas em banho de sal à 380 ºC onde permaneceram por 25 minutos, seguido de resfriamento ao ar calmo até a temperatura ambiente. Ensaios de Dobramento Os ensaios de dobramento foram realizados utilizando-se um dispositivo próprio de dobramento conforme norma ASTM E , objetivando-se uma dobra de 180 no material, com posterior avaliação visual para detectar a presença de trincas e fissuras. 136

5 III. RESULTADOS E DISCUSSÕES Análise química O resultado da análise química indicou que os materiais importado e nacional são semelhantes: segundo norma da ABNT NBR NM 87:2000 o aço nacional é o ABNT 1050 e o aço importado é o ABNT 1045, ambos apropriados para esta aplicação. Metalografia e Microdureza para Caracterização das Amostras Corpos de prova dos materiais nacional e importado foram preparados e analisados microscopicamente. Inicialmente, sem ataque, nenhum deles apresentou quantidade significante de inclusões que pudessem ser prejudiciais às propriedades dos mesmos. Após ataque com Nital 2% foram novamente examinados, objetivando a identificação da estrutura. Os resultados obtidos estão mostrados nas figuras 2 e 3. Figura 2 Micrografia com ataque mostrando a ponta de corte temperada. Seção transversal. Materiais Nacional e Importado. Fonte: autor Nas figuras 2 e observa-se que a região de corte de ambas as amostras são, após usinadas (afiadas), temperadas localmente visando elevada dureza e resistência ao desgaste, permitindo assim o corte do couro. A faca importada, diferentemente da nacional, possui uma camada superficial descarbonetada (região clara, mostrada na foto 3), a qual possui uma quantidade de carbono praticamente nula, proporcionando maior facilidade de conformação. Esta camada descarbonetada é um dos principais fatores responsáveis pela alta qualidade das facas moldáveis importadas. Nota-se que na região de corte, durante 137

6 o processo de afiação, esta camada é removida, não influenciando, portanto na performance do produto. As figuras 4 e apresentam as estruturas das amostras nacional e importada e ao compará-las, verifica-se que a amostra nacional apresenta uma estrutura um pouco heterogênea, constituída por bainita e martensita revenida. Já a amostra importada apresenta uma estrutura mais homogênea, totalmente bainítica. Figura 3 Micrografia com ataque com diferentes ampliações do material importado. Ampliação original de 50x e Ampliação original de 500x. Fonte: autor Porém, a maior diferença entre estas amostras é a granulação, a qual é mais refinada e homogênea no produto importado. Este fato influencia as propriedades da faca, favorecendo a conformação/dobramento da mesma. Figura 4 Micrografia com ataque do núcleo do material. Seção transversal. Nacional e Importado. Fonte: autor Através do software AxioCam integrado ao microscópio óptico realizou-se a medição da camada descarbonetada da amostra importada, o qual indicou uma média de profundidade de 0,054 mm. Para finalizar a caracterização dos materiais utilizados atualmente na fabricação de facas moldáveis, realizou-se testes de microdureza nas amostras. Os 138

7 resultados obtidos no ensaio da medição do núcleo de cada amostra, indicados na tabela I, mostram que as amostras apresentam durezas muito próximas, o que indica que o refino dos grãos e a camada superficial descarbonetada são os fatores determinantes da alta qualidade do material importado. Além disso, com a análise do desvio padrão das medidas realizadas, também demostrado na tabela I, pode-se comprovar a maior heterogeneidade da amostra nacional. Tabela I Resultado do ensaio de microdureza (10 pontos de medição). Fonte: autor. Amostra Nacional (HV0,2) Importada (HV0,2) Média 265,20 276,10 Desvio Padrão 15,80 9,40 Descarbonetação As amostras do aço ABNT 1050 foram descarbonetadas e os resultados obtidos estão indicados na figura 5. Figura 5 - Micrografias com ataque das amostras descarbonetadas com ampliação original de 50x e 1000x (núcleo). Seção transversal. Fonte: autor É possível observar que, como a temperatura utilizada neste processo (700 C) foi inferior à temperatura do patamar eutetóide (727 C), o material descarbonetado sofreu esferoidização, o que pode ser visto na figura 5. Novamente, através do software integrado ao microscópio óptico, realizou-se a medição da camada descarbonetada das amostras de aço ABNT 1050 e a média obtida foi de 0,295 mm de profundidade. 139

8 Reações do Processo de Descarbonetação Sabe-se que no processo de descarbonetação tem-se uma atmosfera de nitrogênio com hidrogênio e vapor de água. Com isto, é possível estimar as possíveis reações que ocorrem entre a atmosfera do forno e o material a ser descarbonetado. Primeiramente tem-se a decomposição da água em hidrogênio e oxigênio, mostrada na reação 1. Com esta decomposição, o ferro reage com o oxigênio transformando-se FeO (reação 2), porém este óxido não prejudica o processo de descarbonetação, uma vez que o FeO reage com o hidrogênio da atmosfera, conforme mostrado na reação 3, a qual é responsável por parte do reabastecimento da água no forno. Além disso, neste processo tem-se a reação 4, a principal responsável pela descarbonetação, onde o oxigênio se combina com o carbono do aço e se transforma em CO, liberado para a atmosfera. Reação (1) Reação (2) Reação (3) Reação (4) Tratamento Térmico e Caracterização das Amostras Descarbonetadas Como citado anteriormente, as amostras descarbonetadas foram austenitizadas, resfriadas em banho de sal fundido à 380ºC e ai mantidas durante 25 minutos. Os resultados do exame micrográfico são mostrados nas figuras 6 e

9 Figura 6 - Micrografia com ataque das amostras austemperadas. Seção transversal. Aumento de 50x. Fonte: autor Na figura 6 observa-se a camada descarbonetada, a qual possuí uma profundidade média de 0,179 mm, com aproximadamente 40% menos do que a profundidade das amostras antes do tratamento térmico. Este fenômeno está relacionado com a difusão do carbono do núcleo da amostra para a região descarbonetada durante a austenitização para a austêmpera. A figura 7 apresenta a estrutura bainítica das amostras após o tratamento térmico no banho de sal fundido. Figura 7 - Micrografias com ataque das amostras austemperadas a 380 C. Seção transversal. Ampliação original de 200x e 500x. Fonte: autor. O resultado obtido no ensaio de dureza do núcleo das amostras austemperadas está indicado na tabela II. Este resultado já era esperado, ligeiramente acima da dureza da amostra importada, devido ao teor de carbono ser ligeiramente superior. Tabela II Resultado do ensaio de microdureza (média de 10 medidas). Fonte: autor Amostras Amostras austemperadas em banho de sal (HV0,2) Média 302,00 Desvio Padrão 11,90 141

10 O resultado visual obtido no ensaio de dobramento das amostras nacionais, descarbonetadas e austemperadas, é mostrado na figura 8. Figura 8 Resultado do ensaio de dobramento das amostras nacionais. Fonte: autor A figura 8 comprova o resultado esperado pela análise da estrutura e microdureza, onde as quatro amostras dobraram 180º sem apresentar trincas. Comparando com as facas importadas, as amostras deste segundo ensaio de tratamento térmico possuem uma camada descarbonetada três vezes maior, porém esta camada não é prejudicial à resistência ao desgaste das facas, uma vez que a superfície descarbonetada é removida na usinagem para afiação. As amostras dobradas foram embutidas e analisadas metalograficamente para uma melhor avaliação do comportamento da estrutura do material. Os resultados obtidos são mostrados nas figuras 9 e 10. Figura 9 Amostra dobrada e embutida para análise metalográfica. Fonte: autor. 142

11 Figura 10 Micrografias com ataque das amostras austemperadas a 380 C e dobradas 180, mostrando as regiões de compressão e tração. Seção longitudinal. Ampliação original de 50x. Fonte: autor Na figura 10 observa-se claramente os grãos deformados na região de compressão da amostra dobrada (parte inferior da imagem) e na figura 10 observa-se os grãos deformados na região de tração (parte superior da imagem) comprovando, assim, a eficiência da camada descarbonetada na superfície das facas moldáveis. Comparação final A figura 10 mostra uma foto do resultado da dobra do material nacional original, utilizado na fabricação das facas moldáveis e que frequentemente falham por ocasião da conformação. A figura 10 mostra uma foto da dobra realizada com o material objeto deste trabalho, explicitando a qualidade superior deste segundo. Figura 11 Comparação entre os resultados das dobras realizadas com material nacional original e material obtido neste trabalho. Fonte: autor 143

12 IV. CONCLUSÕES O aço nacional utilizado na fabricação das facas moldáveis é similar ao aço importado. A camada superficial descarbonetada influencia a qualidade das facas moldáveis, uma vez que a estrutura ferrítica confere alta ductilidade e possibilita uma conformação sem defeitos, tendo em vista as altas tensões de tração e compressão atuantes que surgem na região de dobramento. Não é possível realizar uma descarbonetação controlada sem a presença do hidrogênio na atmosfera, elemento responsável por evitar a oxidação do ferro. É importante também seu controle por questões de segurança. A transformação isotérmica da austenita a 380 C e permanência das peças neste banho por tempos maiores que 20 minutos leva a formação de uma estrutura bainítica. Com esta estrutura, uma tira de aço com camada superficial descarbonetada pode ser dobrada a 180 sem ruptura. Tiras de aço ABNT 1050 com camada superficial descarbonetada e núcleo bainítico com dureza da ordem de 300 HV pode substituir os aços importados utilizados na fabricação de facas moldáveis. REFERÊNCIAS ASM Handbook. Heat Treating. ASM International The Materials Information Company. Vol. 4 COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª Ed. São Paulo: Blucher, DOSSETT, Jon L.; BOYER, Howard E. Practical Heat Treating. 2ª Ed. Ohio: ASM International, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Difusão. 2º semestre de

13 JÚNIO, P.C.H.; FONSECA, J.E.F.; DICK, L.F.P. Desenvolvimento de Metodologia para Avaliação de Aços Esferoidizados. Parte I: Determinação do Grau de Descarbonetação. Tecnol. Metal. Mater. Miner. São Paulo, v. 6, n. 3, jan. mar SILVA, M.M. Modelagem Matemática do Comportamento Térmico do Processo de Descarbonetação de Tiras de Aços Siliciosos f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) Escola de Engenharia da UFMG, Belo Horizonte. SOFTWARE SteCal 3.0 ASM International. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as empresas Centro de Pesquisas Químicas do IPEI, Mangels Industrial S/A e Austemp Tratamento Térmico de Metais Ltda. pela valiosa colaboração, sem a qual não seria possível a realização deste trabalho. 145