TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico 17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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1 INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PRELIMINAR A FRIO NO TAMANHO DE GRÃO AUSTENÍTICO DE UM AÇO ALTO CARBONO SUBMETIDO A TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA E REVENIMENTO. I. A. Martins a), O. Balancin b) Al. Avanhandava, 60 apto 121, Sorocaba SP, CEP martins.ivan@hotmail.com a) Schaeffler Brasil, Sorocaba-SP b) Departamento de Engenharia de Materiais, UFSCar São Carlos SP RESUMO Partindo da condição de microestrutura esferoidizada, amostras de aço alto carbono C80 U Modificado, tipicamente aplicado na indústria de rolamento, foram previamente laminadas a frio com diferentes graus de deformação, os quais foram determinados em uma simulação numérica da deformação real de uma peça estampada. Essas amostras foram submetidas a tratamento térmico de têmpera e em seguida avaliado e comparado o tamanho de grão austenítico entre as diferentes condições de deformação preliminar a frio. Através da técnica de difração de raios-x foi também medida a quantidade de austenita residual para cada condição de amostras pré-deformadas. PALAVRAS-CHAVES Aço rolamento, deformação a frio, têmpera, refino de grão austenítico, austenita retida. INTRODUÇÃO O tratamento térmico de têmpera e revenimento é largamente empregado na confecção de componentes automotivos de aço alto carbono, especialmente naqueles de maior requisito em termos de resistência e durabilidade. Entretanto, no processo anterior de conformação, a despeito das previsões de deformação e variação dimensional que as peças devem sofrer durante o tratamento térmico, raramente são considerados os efeitos das deformações preliminares na microestrutura e propriedade final do material. Porém, o conhecimento dos 48

2 fenômenos metalúrgicos que ocorrem durante o processamento termomecânico do material é de fundamental importância para que se projete um processo com o objetivo de obter uma microestrutura apropriada com ganhos de propriedades na liga tratada termicamente. O processo de produção por conformação a frio em materiais metálicos, como a que ocorre na estampagem de peças automotivas a partir de tiras de aço, introduz no material significativa energia de deformação a frio. As deformações plásticas que o aço sofre durante o processo de conformação têm forte influência na microestrutura final do produto e conseqüentemente nas suas propriedades mecânicas, uma vez que as deformações modificam o caráter da distribuição e aumentam a densidade de defeitos na estrutura cristalina: discordâncias, lacunas, falhas de empilhamento, contornos de pequeno e alto ângulo. Estes defeitos cristalinos irão influenciar na formação da microestrutura durante as transformações de fases (ferrita => austenita; austenita => martensita, etc.) em função de nucleações heterogêneas que ocorrem na interface entre a microestrutura inicial e a superfície de outra fase, como carbonetos (1). Conforme Brooks (2), pela teoria de nucleação e crescimento, o número de grãos por unidade de área, Ni, em uma seção plana, é dada pela expressão (A): N i = 1,01 (N/C) 1/2 (A) onde, N i : número de grãos por unidade de área N: taxa de nucleação C: taxa de crescimento Em estudos feitos com aço alto carbono Beswick (3) mostrou uma significativa influência da deformação a frio no refino do grão austenítico durante tratamento térmico de têmpera. A estrutura celular de baixo ângulo gerada com a deformação plástica sofre recuperação durante o aquecimento para a temperatura de austenitização e subgrãos de ferrita são formados. Para um aço previamente esferoidizado, a nucleação dos primeiros cristais de austenita irá ocorrer preferencialmente na intersecção da superfície dos carbonetos com os contornos dos subgrãos de ferrita, por ser uma região de maior energia superficial. Como existe uma maior densidade de regiões de alta energia de superfície, comparado a 49

3 um material pouco deformado, será também maior a densidade de sítios de nucleação de cristais de austenita e com isso, mais fino serão os grãos austeníticos. Chakraborty (4) mostrou existir um grau de deformação a frio ótimo que proporciona um significativo aumento na resistência ao impacto após tratamento térmico de têmpera e revenimento ou mesmo austêmpera. Este ganho de propriedades foi resultado do refinamento da microestrutura regido pelos processos de encruamento e recristalização. Ademais, poucos trabalhos têm sido feitos a respeito dos efeitos da deformação a frio na microestrutura final do aço temperado e revenido, talvez pelo fato dos processos tradicionais de fabricação de componentes com aços temperáveis envolverem etapas de processamento com menor grau de encruamento pós esferoidização e pré-tratamento térmico de têmpera e revenimento. No entanto, com os avanços tecnológicos na produção de aços e processos de conformação, níveis de deformação a frio mais severos veem sendo praticados na confecção de componentes em aços alto carbono e que sofrem posterior tratamento térmico de têmpera. Assim, este trabalho foi elaborado com o objetivo de avaliar a influência de deformações típicas em processos atuais de estampagem de componentes de aço alto carbono no tamanho de grão austenítico do produto temperado. MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado neste trabalho foi um aço alto carbono relaminado, C80U Modificado, tipicamente empregado na confecção de anéis de rolamento a partir de processo de estampagem. O aço C80U Modificado corresponde a uma variante do aço C80U conforme EN ISO 4957 (5), com adição de cromo em sua liga. A TABELA I apresenta a composição química das amostras estudadas. TABELA I Composição química (%Wt) do aço C80U Modificado utilizado no experimento C Si Mn P S Cr Al 0,75 0,13 0,36 0,012 0,002 0,43 0,042 Partindo de uma mesma tira de aço de espessura de 1,63 mm, na condição recozida com carbonetos esferoidizados, amostras foram laminadas a frio, 50

4 rebaixando a dimensão inicial para mais três diferentes espessuras, cada uma correspondente a um nível pré-determinado de deformação plástica real. A determinação dos níveis de deformação plástica foi feita a partir da simulação numérica da conformação por estampagem em uma peça exemplo. Em seguida, foi calculada a redução de espessura em uma chapa retangular uniforme correspondente a deformação plástica real equivalente prevista na simulação. A FIGURA 1 ilustra o resultado da simulação numérica que prevê a deformação plástica real no perfil de uma peça estampada e a TABELA II mostra as espessuras correspondentes em uma chapa laminada para um mesmo nível de deformação plástica real equivalente. TABELA II Espessuras das amostras laminadas correspondente às deformações equivalentes obtidas na simulação numérica. FIGURA 1 Simulação das deformações plásticas reais no perfil de um anel estampado. As amostras das quatro espessuras produzidas, 1,63 mm, 1,37 mm, 1,24 mm e 1,15 mm, correspondentes às deformações de 0, 36%, 54% e 71%, respectivamente, foram temperadas simultaneamente em óleo, com temperatura de austenitização de 840 C por 10 minutos. As amostras temperadas e com as superfícies polidas foram atacadas com reagente Vilella (6), com adição de algumas gotas de detergente neutro. A revelação dos contornos de grão foi alcançada mediante sequências de leves polimentos e ataques, intercalados. 51

5 A microestrutura de cada condição de corpo de prova foi avaliada por microscopia ótica, onde o tamanho médio dos grãos austeníticos foi determinado através do método de interceptos lineares (7). Mediante técnica de difração de raios-x, foi medido a porcentagem de austenita residual, conforme procedimento da ASTM E975 (8). Para o cálculo do teor de austenita residual, a intensidade de fundo determinada separadamente foi subtraída das respectivas intensidades brutas das posições dos picos Feα e Feγ. O valor em porcentagem de austenita retida é obtido segundo a equação (B) abaixo: (B) onde, RA: quantidade de austenita retida X: teor da fase de carbonetos Rα, hkl e Rγ, hkl: parâmetro de proporcionalidade dependente do espaçamento interplanar para as fases α e γ, respectivamente. Iα, hkl e Iγ, hkl: Intensidade difratada das fases α e γ, respectivamente. RESULTADOS E DISCUSSÃO A influência do grau de deformação preliminar a frio no tamanho médio dos grãos austeníticos do aço C80U Mod., após têmpera, pôde ser observada mediante a avaliação das micrografias nas quatro diferentes espessuras de amostra de tira, ilustradas nas FIGURAS 2 a 5. A progressão do tamanho médio de grão austenítico em função da deformação preliminar a frio é apresentada na FIGURA 6. 52

6 FIGURA 2: Micrografia da fita C80U Mod. temperada e revenida, na espessura inicial de recebimento (1,63 mm). Tamanho de grão austenítico médio: 9,0 μm conforme ASTM E método de interceptos. FIGURA 3: Micrografia da fita C80U Mod. temperada e revenida, com 36% de deformação (esp.: 1,37 mm). Tamanho de grão austenítico médio: 10,7 μm conforme ASTM E método de interceptos. FIGURA 4: Micrografia da fita C80U Mod. temperada e revenida, com 51% de deformação (esp.: 1,24 mm). Tamanho de grão austenítico médio: 8,0 μm conforme ASTM E método de interceptos. FIGURA 5: Micrografia da fita C80U Mod. temperada e revenida, com 71% de deformação (esp.: 1,15 mm). Tamanho de grão austenítico médio: 7,2 μm conforme ASTM E método de interceptos. A deformação inicial das amostras em 36% resultou em um aumento do tamanho médio do grão austenítico, de 9,0 μm para 10,7 μm. Com deformações de 54% e 71%, obteve-se um refino de grão para 8,0 μm e 7,2 μm, respectivamente. 53

7 Austenita Retida (%Vol.) Tamanho de grão austenítico (μm) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico Deformação x Tamanho de Grão Deformação real (%) FIGURA 6: Gráfico representando a variação do tamanho de grão austenítico no aço C80U Mod. temperado em função da deformação preliminar a frio. Também foi avaliada a variação da porcentagem de austenita retida na microestrutura temperada em função da deformação preliminar a frio. Mediante as análises de difração de raios-x, verificou-se um aumento no percentual de austenita retida a partir da primeira deformação, 36%. A fração de austenita residual se manteve estável para as deformações adicionais. A FIGURA 7 ilustra a variação da fração de austenita retida em função das deformações nas amostras do aço C80U Mod. Deformação x Austenita retida Deformação Real (%) FIGURA 7: Diagrama relacionando a fração de austenita retida no aço C80U Mod. temperado em função da deformação preliminar a frio. Analisando a primeira etapa de deformação, da condição conforme recebido para 36% de deformação real, observar-se que a variação positiva do tamanho médio dos grãos foi acompanhada de um aumento na quantidade de austenita 54

8 retida, de 5% para 8%. Uma vez que a quantidade de austenita retida está associada a um maior teor de carbono dissolvido, em solução sólida (9), pode-se inferir que no material temperado sem a deformação preliminar, tira de 1,63 mm, há uma maior quantidade de carbono na forma combinada. A maior dissolução de carbonetos obtido na amostra com 36% de deformação justifica o aumento inicial do tamanho de grão austenítico, uma vez que haverá menos sítios de ancoragem para restrição ao crescimento de grão. Ou seja, a partir de um dado momento durante o processo de austenitização do material com 36% de deformação, a taxa de crescimento G teve um efeito mais predominante do que a taxa de nucleação N. Para as amostras com deformações mais severas, 54% e 71%, o refino de grão é resultante de uma maior densidade de defeitos e sítios para nucleação de grãos austeníticos, e consequentemente, de uma maior predominância da taxa de nucleação N em relação à taxa de crescimento G, até o momento da têmpera. CONCLUSÕES Deformações a frio no aço C80U modificado, prévias ao tratamento térmico de têmpera e revenimento, têm influência na microestrutura final do produto. Obteve-se um aumento da fração de austenita residual no aço C80U modificado, temperado e revenido a partir de uma deformação inicial a frio. Considerando os parâmetros de tratamento térmico empregado, é possível obter uma redução no tamanho médio de grãos austeníticos no processo de têmpera em função do grau de deformação preliminar a frio. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à empresa Brasmetal Waelzholz pelo fornecimento e processamento das amostras, a Schaeffler Brasil pelo apoio e disposição dos equipamentos para os experimentos, e ao PPGCEM-UFSCar pelo auxilio a participação no VI Congresso de Temas de Tratamento Térmico. 55

9 REFERÊNCIAS [1] NOVIKOV, I. Teoria dos tratamentos térmicos dos metais, UFRJ, R. de Janiero, [2] BROOKS, C. R.; Principles of the Austenitizations of Steels, Elsevier Science Publishers Ltd., England, 1992 [3] BESWICK, j. Effect of Prior Cold Work on Martensite Transformation in SAE 52100, Metallurgical Transactions 15 A, V.2, p (1984) [4] CHAKRABORTY, P.P. Microstructural Refinement of Bainite and Martensite for Enhanced Strength and Toughness in High-Carbon Low-Alloy Steel, Metallurgical and Material Transactions 41A, p (2010) [5] DIN EN ISO 4957: Werkzeugstahäle, Berlin, 2001, p.7 [6] ASTM INTERNATIONAL E407-07: Standard Pratice for Microetching Metals and Alloys, [7] ASTM INTERNATIONAL. E112-96: Standard Test Method for Determining Average Grain Size, 2004 [8] ASTM INTERNATIONAL. E975-03: Standard Practice for X-Ray Determination of Retained Austenite in Steel with Near Random Crystallography Orientation, 2008 [9] KRAUSS, G., Principles of Heat Treatment; ASM 1985; p. 50 TITLE Influence of prior cold work on the austenitic grain size in a high carbon bearing steel quenched and tempered. ABSTRACT Starting from a carbide spherodized structure in annealed conditon, samples from high carbon steel C80U Modified, typically used in bearing industry, were cold rolled to different deformation degrees. The thickness reduction was based on the equivalent strain calculated by numerical simulation of a cold formed part. These samples were quenched and tempered, and then the austenitic grain size for each different conditions of prior cold work was evaluated. The fraction of retained austenite was also determined by x-ray diffraction for each level of prior deformation. KEY-WORDS Bearing steel, cold work, quenching, austenitic grain refinement, retained austenite 56