INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DA TÊMPERA SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA DUREZA DO AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO VF 800AT

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1 Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais II MOPP 21 II Mostra de Pesquisa e Pós-Graduação da UTFPR 3 de agosto a 3 de Setembro de 21 Curitiba Paraná - Brasil INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DA TÊMPERA SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA DUREZA DO AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO VF 8AT Viviane Writzl, viviwritzl@gmail.com Paulo Cesar Borges, pborges@utfpr.edu.br Giuseppe Pintaúde, pintaude@utfpr.edu.br Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Avenida Sete de Setembro 3165, CEP: 82391, Curitiba, Paraná. Resumo: A engenharia de superfícies tem como objetivo melhorar o desempenho dos materiais por meio de modificações superficiais. As modificações superficiais podem ser realizadas por meio de aplicação de revestimentos ou modificação da superfície (termoquímico ou alteração microestrutural). Neste trabalho a modificação da superfície é obtida pela têmpera superficial a laser por diodo, que consiste na aplicação de um feixe com alta potência sobre a superfície do material, para alcançar em segundos a temperatura de austenitização selecionada em uma fina camada. Na seqüência, com a remoção do feixe de laser, o elevado gradiente térmico gerado entre a camada e o núcleo da peça produz a auto-têmpera, ou seja, há uma elevada taxa de resfriamento que implica na alteração da microestrutura do material de austenita para martensita. As matrizes para a estampagem de componentes automotivos apresentam grandes dimensões e necessitam de elevada dureza para resistirem às forças de conformação, desta forma são componentes especialmente indicados a serem submetidos a um tratamento térmico superficial, e neste caso a têmpera a laser é especialmente indicada. Como vantagens da utilização dos HPDLs (Lasers de diodo de alta potência) na têmpera superficial têm-se: maior percentual de absorção da radiação emitida pelo feixe do laser nos materiais ferrosos; melhor controle da temperatura com conseqüente melhor controle da dureza superficial; maior facilidade de automação e controle CNC facilitando a têmpera em regiões localizadas e de difícil acesso. Este trabalho propõe analisar o efeito da temperatura e da velocidade de processamento da têmpera superficial a laser de diodo, na dureza e tensão residual da camada obtida em aços ferramenta para trabalho a frio (VF8AT) no estado recozido. Para as condições estudadas obtiveram-se durezas superficiais entre 65 a 79 HV, profundidades de endurecimento de 1,4 a 2, mm e tensões residuais superficiais compressivas variando de -828 à MPa. Palavras-chave: HPDLs, têmpera superficial, aços ferramenta. 1. INTRODUÇÃO A corrosão, a oxidação, o desgaste e a fadiga são exemplos de falhas que se iniciam na superfície pela exposição do material e por uma maior propensão a degradação pelo meio, além da intensidade de carga aplicada na superfície (MAJUMDAR e MANNA, 23). Neste contexto, a engenharia de superfícies surgiu como uma solução para minimizar ou eliminar estas falhas superficiais, através da modificação somente microestrutural na região da superfície, ou também através de modificações na composição química do material adicionada as modificações microestruturais. Processos convencionais como: cementação, a nitretação e a têmpera a chama são amplamente utilizados na engenharia de superfícies, entretanto possuem certas limitações, as quais são: alto consumo de energia e tempo, baixa precisão dimensional e pouca flexibilidade (MAJUMDAR e MANNA, 23). Ainda na têmpera a chama é difícil o controle da temperatura podendo ocorrer superaquecimento do material quando um ciclo de aquecimento lento é empregado ou pode não se atingir a dureza e a uniforme desejada na superfície quando um ciclo de aquecimento muito rápido é empregado (ASM HANDBOOK HEAT TREATING, 1991). Outros processos superficiais por feixe eletrônico apresentam um alto custo inicial (custo de equipamento) e baixa produtividade (PASHBY, BARNES e BRYDEN, 23). A utilização de lasers na engenharia de superfícies possui inúmeras vantagens em relação aos métodos citados acima, pois com o laser têm-se um melhor controle do processo, a possibilidade do tratamento ser localizado e a formação de uma mínima distorção (controle dimensional). Ainda no laser por diodo não ocorre o superaquecimento do material, pois o equipamento possui um pirômetro acoplado no cabeçote para controlar a temperatura adequada do processo.

2 O feixe do laser utilizado nos processos da engenharia de superfícies tem capacidade de modificar a camada dos materiais em uma profundidade de,1 a 5 mm, dependendo dos parâmetros do processo, embora profundidades de,5 mm a 1 mm sejam as mais comuns. A têmpera superficial a laser é extremamente utilizada para endurecer áreas localizadas e o calor gerado através da absorção do laser é controlado para prevenir a fusão do material e a austenitização para posterior transformação desta camada em martensita através de um rápido resfriamento provocado pela dissipação do calor em toda a peça (ASM HANDBOOK, SURFACE ENGINEERING, 1994). No estudo realizado por Lusquinos et al (27) variando os parâmetros da têmpera superficial a laser por diodo, temperatura, velocidade de processamento e potência, foram atingidos microdurezas máximas de 65 HV com uma profundidade de endurecimento de,4mm no aço AISI 145. No presente trabalho, utilizou-se a técnica de têmpera superficial a laser por diodo com o objetivo de analisar o efeito dos parâmetros do processo, temperatura e velocidade na microdureza superficial, profundidade de endurecimento e nas tensões residuais do aço ferramenta VF 8AT. 2. MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia utilizada neste trabalho é apresentada no fluxograma esquemático da Figura 1. O material estudado nesta pesquisa, o aço ferramenta para trabalho a frio VF8AT foi fornecido pela Villares Metals na forma de barra, forjada e recozida, com dureza de aproximadamente 25 HB. A Tabela 1 apresenta a composição química nominal destes aços e a composição química medida por espectrometria de emissão ótica. Material de Estudo: Aço ferramenta para trabalho a frio VF8AT (Villares) Preparação das amostras Caracterizaçào do material de partida - Corte - Usinagem - Retificação - Caracterização Microestrutural - Medição de Dureza Têmpera Superficial a Laser por Diodo Parâmetros estudados: - Temperatura - Velocidade Perfil de Microdureza Caracterização microestrutural Análise de tensões residuais por Difração de Raios X Análise dos Resultados Figura 1. Fluxograma da metodologia utilizada na pesquisa. Tabela 1. Composição química dos aços ferramenta. VF 8AT Nominal (%em peso) Medido (%em peso) Elemento(s) Químico C Mn Si Cr Ni Mo W V,85,4,9 8, - 2, -,5,87,375,882 8,146,167 2,183,1,444

3 2.1 Preparação das Amostras A barra de aço forjada foi primeiramente cortada, usinada e retificada até atingir blocos com as dimensões de aproximadamente 1 x 1 x 1 mm, pois a têmpera superficial a laser é ideal para ser aplicada em ferramentas já acabadas. Posteriormente os blocos retificados foram submetidos ao tratamento de têmpera superficial a laser por diodo, como mostra a Figura 2, variando os parâmetros de temperatura e velocidade de processamento. (a) (b) A Área temperada Diâmetro do feixe do laser de Ø 15mm 1 B 1 1 1mm Distância entre os feixes de laser Figura 2. (a) Dimensão dos corpos de prova utilizados nesta pesquisa; (b) Corte transversal mostrando a camada superficialmente temperada a laser variando os parâmetros de temperatura e velocidade (Corte A-B) O equipamento Kuka - KR 1 HA utilizado neste trabalho é de propriedade da empresa COMP. O funcionamento do laser por diodo se dá por meio de semicondutores integrados a um robô CNC, como mostra a Figura 3. A potência do equipamento é ajustada automaticamente em função dos parâmetros definidos, ou seja, da temperatura e da velocidade de processamento. Ventilação Pirômetro Sensor de impacto Cabeçote do Laser / semicondutores Ópticas Esteira Figura 3. Principais componentes de um equipamento de têmpera superficial a laser por diodo.

4 O equipamento possui um conjunto de três lentes com dimensões diferenciadas, as quais são utilizadas de acordo com os raios a serem temperados, sendo: 4 x 9 mm, 15 x 15 mm e 6 x 6 mm. Para este trabalho foi utilizada a lente de 15 x 15 mm. Os experimentos foram realizados variando os parâmetros da velocidade de processamento e da temperatura da têmpera superficial a laser por diodo, como mostra a Figura 4. VF 8AT Aço Ferramenta Villares Temperatura 12ºC Temperatura 18ºC Temperatura 114ºC Velocidade 1 mm/s 2 mm/s Velocidade 1 mm/s 2 mm/s Velocidade 2 mm/s 3 mm/s Figura 4. Experimentos realizados nos aços ferramenta. 2.2 Caracterização Análise Microestrutural Foram realizadas análises metalográficas antes e após da têmpera superficial a laser por diodo, através de um microscópio óptico (M.O.) com analisador de imagens da UTFPr Microdureza superficial e Perfil de microdureza A propriedade mecânica de microdureza foi avaliada por meio do ensaio Vickers (MDV) através do equipamento de propriedade da UTFPr, modelo SHIMADZU HVM-2. As análises foram realizadas em topo para a microdureza superficial e em perfil no corte transversal para a profundidade de endurecimento. A carga aplicada foi de 1Kg, o espaçamento utilizado para as identações foi de 15 µm e o tempo de aplicação de 1 s Tensão Residual Para a análise de tensão residual superficial foi utilizada a técnica de Difração de Raios-X (DRX), com o equipamento Difratômetro de Raio X RIGAKU da empresa Bosch. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os efeitos dos diferentes parâmetros de processamento estão apresentados nas Figuras 5, 6, 7 e 8, onde se observa a influência da variação da temperatura e da velocidade de processamento na dureza superficial, no perfil de microdureza Vickers (HV1) e na tensão residual. Como se pode observar na Figura 5 os maiores valores de dureza superficial se concentram no centro do feixe do laser, sendo na condição com a temperatura de 18ºC e velocidade de processamento de 1mm/s é que obteve-se a maior dureza superficial de 714 HV1. Com a temperatura de 12ºC a dureza superficial máxima atingida foi de 636 HV1 e com a temperatura de 114ºC foi de 691 HV1, desta forma, sendo a dureza superficial dependente da temperatura de processamento definida. Uma provável explicação para os valores sistematicamente mais baixos de dureza com a temperatura de austenitização de 12 C é a menor dissolução de carbono na austenita.

5 8 Microdureza (HV1) Temp: 12 C Temp: 18 C Temp: 114 C Distancia Longitudinal (mm) Figura 5. Influência da temperatura da têmpera a laser por diodo na microdureza superficial de topo do aço ferramenta VF 8AT, com velocidade de processamento de 1 mm/s. A influência da temperatura da austenitização na profundidade de endurecimento está demonstrada na Figura 6. A microdureza máxima atingida de 738HV1 a,2mm de profundidade foi com a condição de 14ºC e velocidade de processamente de 2 mm/s. Com a condição de 114ºC e 1 mm/s de velocidade obteve-se a maior profundidade de endurecimento de 1,7 mm com microdureza de 493HV1, embora a máxima microdureza superficial tenha sido de 544 HV 1. Desta forma, temperaturas mais elevadas resultam em microdureza superficiais menores e profundidade de endurecimento maior. 8 6 Dureza (HV) Profundidade (mm) Temp: 14 C Temp: 18 C Temp: 114 C Figura 6. Influência da temperatura da têmpera no perfil de microdureza do aço ferramenta VF 8AT, com velocidade de processamento de 2mm/s. Os efeitos resultantes da variação da velocidade de processamento na microdureza superficial estão representados na Figuras 7. Para a mais alta velocidade de 2 mm/s obteve-se maiores microdurezas superficiais (aprox. 71 HV1) do que com a menor velocidade de 1mm/s (aprox. 636 HV1). Isto se deve pela aplicação de uma temperatura adequada ao material e com uma velocidade apropriada para a completa austenitização da microestrutura. Além disso, deve-se considerar que para a velocidade maior o equipamento ajustou uma potência maior, resultando em melhores resultados.

6 8 Microdureza (HV1) Vel.: 1mm/s Vel.: 2mm/s Distancia Longitudinal (mm) Figura 7. Influência da velocidade de processamento na dureza superficial de topo do aço ferramenta VF 8AT, com temperatura de 12ºC. A influência da velocidade de processamento no perfil de microdureza do aço ferramenta VF 8AT pode ser observado na Figura 8. Nota-se que com a temperatura de têmpera de 18ºC os melhores resultados foram atingidos com a menor velocidade de 1 mm/s. Este comportamento é justificado com base no tempo de interação do feixe do laser com a superfície do material. Ou seja, menores velocidades promovem quantidade maior de energia transferida para o material, o que resulta em maiores áreas austenitizadas e conseqüentemente maiores profundidades de endurecimento. 8 6 Dureza (HV) Profundidade (mm) Temp: 18 C / Vel.: 1mm/s Temp: 18 C / Vel.: 2mm/s Figura 8. Influência da velocidade de processamento no perfil de microdureza do aço ferramenta VF 8AT, com temperatura de 18ºC. Os resultados de tensão residual das condições trabalhadas de temperatura e velocidade nas amostras temperadas superficialmente a laser por diodo são mostrados na Figura 9. As tensões residuais formadas são compressivas, variando de -828 à MPa, decorrentes do processo de resfriamento. Observa-se que a maior diferença entre os valores de tensão residual compressiva, para uma mesma temperatura em função da velocidade de processamento, foi para 12 C. Como nesta temperatura a dissolução de carbono é relativamente mais baixa, a possibilidade de formação de austenita retida torna-se menor, mas ao mesmo tempo mais sensível às variações de velocidade. Neste sentido, na continuidade deste trabalho pretende-se investigar melhor o papel das frações de microconstituintes nas propriedades mecânicas resultantes.

7 -2 12 C 18 C 114 C Tensão Residual (MPA) Vel.: 1mm/s Vel.: 2mm/s Vel.: 3mm/s -12 Temperatura ( C) Figura 9. Variação da tensão residual em função dos parâmetros da têmpera superficial a laser de diodo (Temperaturas de 12ºC, 18ºC e 114ºC e velocidades de 1, 2 e 3 mm/s). 2.3 Conclusões O processo de têmpera superficial a laser por diodo aplicado no aço ferramenta Villares VF 8AT concluiu-se que: - A integração entre os parâmetros Temperatura e Velocidade é que são os responsáveis pelos resultados de microdureza superficial e profundidade de endurecimento, pois nesta tecnologia a potência é ajustada automaticamente. - Temperaturas de têmpera maiores promovem durezas superficiais menores, entretanto profundidades de endurecimento maiores. - A profundidade de endurecimento do aço ferramenta VF 8AT varia de 1,4 a 2, mm, dependendo dos parâmetros utilizados. A profundidade diminui com o aumento da velocidade, entretanto atingem-se durezas superficiais maiores. - A têmpera superficial a laser por diodo promove tensões residuais compressivas, sendo os valores máximos apresentados nas condições aplicadas menores temperaturas. 3. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a empresa COMP, Brasimoldes, Bosch e a Villares Metals pela colaboração no trabalho realizado. 4. REFERÊNCIAS Asm International handbook: Heat Treating, Vol.4, Asm International handbook: Surface Engineering, Vol.5, 1994 Majundar, J. Dutta, 23, Laser Processing of Materials, Sadhana Vol, Parts 3 & 4, pp Lusquinõs, F., Conde, J.C., Bonss, S., et al., 27; Theoretical and experimental analysis of high power diode laser (HPDL) hardening of AISI 145 steel. Applied Surface Science, Elsevier Science. Pashby, I.R.; Barnes, S.; Bryden, B.G., 23, Surface hardening of steel using a high power diode laser. Journal of Materials Processing Technology, Elsevier Science. 5. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.