ESTUDO COMPARATIVO ENTRE UMA TÊMPERA EM ÓLEO DE PALMA SOBRE A TÊMPERA TRADICIONAL EM AÇOS TRATADOS TERMOQUIMICAMENTE.

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 15 a 19 de abril de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil April 15 th to 19 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil ESTUDO COMPARATIVO ENTRE UMA TÊMPERA EM ÓLEO DE PALMA SOBRE A TÊMPERA TRADICIONAL EM AÇOS TRATADOS TERMOQUIMICAMENTE. RAFAEL HIDEO LOPES KIKUCHI, rafaelkikuchi@hotmail.com 1 FELIPE DE BARROS DA SILVA, silva.felipebarros@gmail.com 1 ANGELA DE JESUS VASCONCELOS, angelavasconcelos@live.com 1 MARCOS FLÁVIO GOMES, marcos.almeida@albras.net 1 RAFAEL DA SILVA SENA, rafawell.sena@gmail.com 1 EVALDO JÚLIO FERREIRA SOARES, ejfsoares@ig.com.br 1 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará, Avenida Almirante Barroso, 1155 Belém/PA Resumo: Para a melhoria da indústria do biodiesel em substituição gradual do diesel tradicional, pensando em questões ambientais e na produção exaustiva de óleo, extensivas áreas de Palma têm sido plantadas na Amazônia, especificamente na região do baixo Tocantins, onde é notória a eficiência na cultura do óleo por Palma. Este sucesso ocasionou a constante ampliação da área plantada acarretando o gasto com os instrumentos de corte para extração da Palma, tendo como consequências consideráveis desperdícios e custos elevados na produção. (A partir de) Esse foi, um trabalho empírico desenvolvido entre o setor produtivo envolvido e o grupo de pesquisa em Engenharia de Materiais do Instituto Federal do Pará, buscou-se estender a avaliação do uso do óleo de Palma como meio refrigerante em têmpera superficial de instrumentos de corte, o qual mostra excelentes resultados práticos, considerando a durabilidade e o custo geral da produção. Esse trabalho também mostra que as propriedades mecânicas alcançadas pela têmpera em óleo de Palma do aço AISI 1045 previamente endurecida por cementação alcançou uma dureza extremamente alta sem perder em fragilidade do material. Palavras-chave: Oleo de Palma, Tempêra superficial, Propriedades Mecânicas 1. INTRODUÇÃO O modo mais comum de alterar as propriedades mecânicas, físicas e mesmo químicas dos aços é através do emprego de tratamento térmico. (COLPAERT, 2008) Os tratamentos térmicos são divididos em: recozimento, normalização, têmpera e revenimento. Além disso, a partir do conhecimento de diagramas de transformação isotérmicos foi possível desenvolver novos tipos de tratamento térmico como a austêmpera e a martêmpera. (CHIAVERINI, 1986) A têmpera tem o objetivo fundamental de obter uma estrutura martensítica (Solução sólida supersaturada de carbono ou carboneto de ferro no ferro alfa, cujo reticulado fica distorcido, elevando demasiadamente a dureza do material, apresenta-se em formas de agulhas com uma coloração clara), o que exige um resfriamento com uma velocidade maior, de modo a evitar a transformação da austenita em seus produtos normais. Na têmpera aquece-se o material acima da zona crítica, seguido de um resfriamento rápido em meios como: óleo, água, salmoura ou mesmo o ar. (CHIAVERINI, 1986). O efeito do carbono é o responsável pela dureza e pela temperabilidade do material, logo, o teor de carbono determinará o nível de endurecimento do aço pela têmpera, devido à formação ou não da martensita. (CHIAVERINI, 1986) Tratamento termoquímico é o processo de endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da composição química e aplicação simultânea de um tratamento térmico. O tratamento termoquímico utilizado neste trabalho foi a cementação do tipo cementação sólida ou em caixa. A cementação é o tratamento mais empregado e mais antigo, consiste na introdução de carbono na superfície do aço de baixo teor, de modo que o teor desse elemento atinja valores até em torno de 1%. No processo de cementação sólida a substância carbonácea, ou seja, fornecedora de carbono, é sólida, constituída uma mistura carborizante. Dentre as ligas ferrosas, os aços são os materiais mais comumente submetidos aos tratamentos térmicos. (CHIAVERINI, 1986) Os aços comuns, além do carbono que é seu principal elemento de liga, apresentam silício, manganês, fósforo e enxofre como elementos sempre presentes, em função das matérias-primas que foram utilizados na fabricação do aço,

2 alguns desses elementos servem como desoxidante e/ou dessulfurante na fabricação do material. Normalmente, esses elementos, nos teores que são encontrados, pouco influenciam nas propriedades do aço. (CHIAVERINI, 1986) O aço estudado neste trabalho é o aço AISI 1045, logo, contém um teor de carbono abaixo do previsto no ponto eutetóide. Baseados no crescimento da indústria do biodiesel e no aumento das técnicas de plantio da Palma, devido às questões ambientais e ponderando um futuro esgotamento de petróleo, iniciou-se um acervo de pesquisas que sugere a substituição do óleo de Mineral pelo Vegetal, procurando demonstrar suas vantagens em aplicações diminuindo as agressões ao meio ambiente. E, a partir de inúmeros estudos (SOARES, 2011) (SOARES, 2012), baseados na experiência do uso de óleo de palma como meio refrigerante nos processos de têmpera em aço, que se deu a continuidade neste trabalho. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho foi desenvolvido em sua totalidade nos laboratórios de Tratamento Térmico e Caracterização de Materiais do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará campus Belém. As amostras utilizadas foram extraídas de barras de aço AISI 1045 circulares, divididas em quatro lotes de dimensões equivalentes a 20mm de altura e diâmetro, e classificadas em grupos A, B, C e D que passaram por processos de tratamento termoquímico de cementação sólida seguida de têmpera. O aquecimento se deu em um forno tipo mufla. As amostras foram colocadas dentro de uma caixa metálica envoltas pela mistura carborizante, após o preenchimento da caixa colocou-se uma tampa de material refratário e levou ao forno tipo mufla pré-aquecido a uma temperatura de 915ºC, mantendo-a por 16 horas. Em seguida, a temperatura do forno foi reduzida a um patamar de temperatura em volta de 350ºC quando, retirou-se a caixa do forno e a deixou em um lugar a condições normais de pressão e temperatura. Todas as peças foram cementadas, sendo que as peças do lote A não passaram por tratamento térmico posterior, enquanto que as peças dos lotes B, C e D passaram por um aquecimento de 850ºC por 10 minutos para serem submetidos à têmpera, sendo que as do grupo B foram resfriadas em água, as do grupo C resfriadas em óleo de Palma, e as peças do grupo D foram normalizadas a 850ºC por 8 minutos, e posteriormente temperadas em óleo de palma. O tratamento térmico de Têmpera foi feito com base em trabalho já realizado com o óleo de palma, (VASCONCELOS, 2012). Após o processo de tratamento térmico, procedeu-se a caracterização das amostras, verificando-se a resistência mecânica pela dureza de cada uma, utilizando-se para isso a máquina de ensaio de dureza Rockwell C. A caracterização metalográfica para a análise das microestruturas, foi feita a remoção dos desnivelamentos das amostras com lixas nas granulometrias: 100, 220, 320, 400, 600, 1200 e 1500 meshs. Em seguida as amostras foram polidas, em uma politriz, usando pastas de diamante nas granulometrias 6, 3 e 1 μm (micrometro) e atacadas quimicamente com nital 3% para a revelação da microestrutura. Ao final levaram-se as amostras ao microscópio óptico BX51 da Olympus para serem documentadas e analisadas. Foram feitas análises da visão geral das amostras contendo na mesma visão as zonas centrais, de transição e periféricas da camada cementada, e suas respectivas ampliações que variaram de 100x, 200x, 500x e 1000x de aumento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES As amostras foram cortadas em partes para verificar a influência do processo de cementação sólida e o processo de têmpera com óleo de palma (NUNES, 2012) o qual cada parte foi submetida, com uma média de três medições para cada face de cada região. As durezas aferidas de cada parte da peça estão relacionadas com o tratamento realizado na Tab. (1) Tabela 1. Resultados dos ensaios de dureza em Rockwell C, relacionado com o tratamento feito em cada peça. Peça Tratamento Região Face Dureza (HRc) A Cementação Centro Interno 10,875 Externo 27 Periferia Interno 26,125 Externo 28,25 B Interno 54 Cementação e Centro Externo 63,75 têmpera em Interno 60,5 água. Periferia Externo 63 C Interno 53,375 Cementação e Centro Externo 62,25 têmpera em Interno 59,125 óleo de palma Periferia Externo 62 D Cementação, Interno 54,25 Centro normalização e Externo 61,875 têmpera em Interno 59,75 Periferia óleo de palma Externo 63,25

3 Todas as peças são cementadas, logo, é evidente que na área superficial do aço a dureza seja maior, e quando comparadas, as peças apresentam semelhança na diferença de dureza entre centro e periferia. A peça A que não foi submetida a tratamento térmico posterior a cementação apresenta a dureza mais baixa em comparação as outra, mas sua dureza é consideravelmente alta. O objetivo do trabalho é comparar a têmpera tradicional com a têmpera utilizando o óleo de palma, como meio refrigerante, em aços cementados. Na tab. (1) percebe-se que as peças B e C, aços cementados que passaram por têmpera em água e têmpera com óleo de palma respectivamente, apresentaram durezas semelhantes, logo, com a mudança do meio refrigerante não houve alterações significativas em relação à dureza do material. A peça D foi a que apresentou a maior dureza dentre as peças analisadas, entretanto, a diferença para as outras peças é pequena. a) b) c) Figura 1. Microestrutura da peça A: a) mostra a visão geral da peça apresentando uma zona central, uma zona de transição e uma região periférica da face externa 100X; b) ampliação da região central 500X; c) ampliação da região periférica 500X. A Fig. (1) mostra a face externa da peça A, que passou apenas por cementação sólida, tendo uma visão geral da peça e ampliações das regiões distintas. A face externa da peça A apresenta em sua periferia uma camada cementada que corresponde ao processo de cementação sólida, o que lhe conferiu uma dureza mais elevada, tendo uma estrutura refinada com grãos reticulares em uma concentração elevada deixando a periferia esbranquiçada que varia de 15 a 30 μm. Já a zona mais ao centro mostra grãos maiores em uma estrutura granular constituída de ferrita e perlita. b) a) c) d) Figura 2. Microestrutura da peça B a) mostra a visão geral da peça apresentando uma zona externa, de transição e periférica da face externa 200X nital 3%; b) ampliação da região próxima à transição 1000X; c) ampliação da região mais periférica 1000X e d) ampliação da região cementada 1000X.

4 A peça B, que passou por uma têmpera tradicional, está representada na Fig. (2), com uma visão geral da face externa no item a mostrando a presença de três regiões bem definidas, e ao lado ampliações de cada uma das regiões com um aumento de 1000 até vezes. Na peça B é visível que a região cementada apresenta uma estrutura martensítica no interior dos grãos em formato de agulhas referente à têmpera, semelhante à região de transição, que além de apresentar essa estrutura contém veios mais acentuados da fase com teor de carbono aumentado pelo processo de cementação sólida. A região periférica da peça B apresenta grãos mais refinados quando comparados aos grãos da periferia da peça A, e possui uma camada cementada que varia de 20 a 40 μm. Na fotomicrografia a seguir Fig. (3) está representado a face mais externa da peça C, com uma visão geral no item a e ampliações das regiões a esquerda. a) b) c) Figura 3. Microestrutura da peça C a) mostra a visão geral da peça apresentando uma zona cementada, uma zona de transição e periférica da face externa 200X nital 3%; b) ampliação da região cementada 1000X; c) ampliação da região periférica 500X. Em relação à peça B a peça C se mostrou semelhante quanto à estrutura, tanto na região transição como na periferia onde apresentam aspectos martensíticos no centro dos grãos, item b da Fig. (3). A peça C também se mostrou semelhante na região cementada, sendo que apresentam também veios sobressaltados de fase enriquecida de carbono, item c da Fig. (3), e na região periférica com grãos mais refinados configurando uma camada homogênea com predominância de uma fase, que foi enriquecida em carbono pelo processo e que ficou com uma camada cementada que varia de 40 a 50 μm. Com a cementação todas as peças apresentaram uma região mais homogênea com predominância de fase enriquecida de carbono, entretanto, sendo mais refinados quando submetidas à têmpera. Os autores sugerem que ao comparar as peças B e C focando o intervalo entre a região de transição e região cementada nas figuras (2) e (3), respectivamente, notam-se diferenças para a abrangência do contorno de grão, logo, evidencia que a têmpera no óleo de palma refinou os grão em maior grão nas regiões citadas no parágrafo. Analisando os resultados dos ensaios de dureza e as microestruturas das peças, verifica-se que na periferia onde há maior concentração de carbono, o aspecto da região é homogêneo com grãos refinados e apresenta dureza elevada. Considerando a sugestão dos autores nota-se que apesar da estrutura no intervalo entre a região de transição e central da peça C ser mais refinada apresenta um valor de dureza um pouco inferior que da peça B. 4. CONCLUSÃO Após a análise dos resultados obtidos podemos obter as seguintes conclusões do trabalho realizado: A cementação sólida conferiu a superfície do aço uma dureza elevada e uma estrutura refinada ficando evidente a porção concentrada de carbono dissolvido. A têmpera em óleo de palma se mostrou semelhante à têmpera tradicional, tanto em relação à dureza do material quanto na microestrutura resultante, ou seja, não foram significativas as diferenças ao utilizar o óleo de palma. Visualmente, notou-se uma extração de calor mais homogênea na têmpera a óleo, o que tende a diminuir as tensões criadas pelo resfriamento acelerado. Contudo, é necessário o desenvolvimento de uma analise mais apurada dos dados e realização de outros ensaios para verificar a influência real do óleo de palma.

5 O desenvolvimento do trabalho gerou informações importantes a respeito da utilização do óleo de palma como meio refrigerante para têmpera em aços cementados, acrescentando dados científicos para corroborar com pesquisas futuras. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao IFPa pelos laboratórios e equipamentos cedidos para o desenvolvimento das atividades do trabalho. 6. REFERÊNCIAS COLPAERT, Hubertus., 2008, Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4. edição. Editora Edgar Blücher. São Paulo SP, Brasil. CHIAVERINI, V., 1986, Tecnologia Mecânica: Materiais de Construção Mecânica, VOL. III. 2 a edição. Editora McGraw-Hill. São Paulo SP, Brasil. VASCONCELOS, A. J; SOARES, D. C. B. L.; MENDES, A. M. M.; SILVA, C. C. B.; RODRIGUES, T. F.; SOARES, E. J. F, 2012, Caracterização Mecânica e Microestrutural de um Aço AISI 1060 submetido a diferentes Meios de Resfriamentos, VII CONNEPI. Palmas TO, Brasil. NUNES, T. C. O; SANTOS, E. A; SOARES, E. J. F; PEREIRA, J. L., 2012 Estudo Comparativo da Vantagem de Uma Têmpera Em Óleo De Palma Sobre A Têmpera Tradicional Em Aços, VI Conferencia Brasileira Sobre Temas de Tratamento Térmico. Atibaia SP, Brasil. SANTOS, E. A; SOARES, E. J. F; PEREIRA, J. L; NUNES, T. C. O., 2011, Microstructural Characterization Of A Superficially Quenched Cut Instrument From Of Palm Oil, Poster at the X Brazilian MRS Meeting, X Encontro SBPMat, Gramado. SANTOS E. A; SOARES E.J.F; PEREIRA J.L; RODRIGUES T.F; NUNES T.C.O, 2011, Caracterização Microestrutural de um Instrumento de corte Temperado Superficialmente a Partir do Óleo de Palma, Sessão de Comunicação Oral na III Semana Técnico-Científica e Socio-Cultural, IFPA, Belém PA, Brasil. SANTOS E. A; SOARES, E.J. F; PEREIRA, J.L; NUNES, T.C. O, 2012, Têmpera Em Óleo de Palma: Um Estudo Aplicado em Aço de Construção Mecânica Utilizado como Instrumento de Corte / Quenching in Palm Oil: A Study Applied in Mechanical Construction Steel Used as Cutting Instrument, Tratamento de Superfície, Catalogo Oficial EBRATS 2012 resumo, Ref.97, pag.79; trabalho completo CD-ROM, 14 EBRATS, São Paulo SP, Brasil. KIKUCHI R. H. L; SANTOS E. A; SILVA F. B; VASCONCELOS A. J; 2012, Analysis of Palma Oil Quenching on AISI 1045 steel previously termal treated Poster at the XI Brazilian MRS Meeting, XI Encontro SBPMat, Florianópolis SC, Brasil.

6 7. DIREITOS AUTORAIS Os seis autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho. CONPARATIVE STUDY BETWEEN A QUENCHING ON PALMA OIL FOR A TRADICIONAL QUENCHING IN STEEL THERMOCHEMICALLY TREATED RAFAEL HIDEO LOPES KIKUCHI, rafaelkikuchi@hotmail.com 1 FELIPE DE BARROS DA SILVA, silva.felipebarros@gmail.com 1 ANGELA DE JESUS VASCONCELOS, angelavasconcelos@live.com 1 MARCOS FLÁVIO GOMES, marcos.almeida@albras.net 1 RAFAEL DA SILVA SENA, rafawell.sena@gmail.com 1 EVALDO JÚLIO FERREIRA SOARES, ejfsoares@ig.com.br 1 1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará, Avenida Almirante Barroso, 1155 Belém/PA Abstract. For the improvement of the biodiesel industry in gradual substitution of traditional diesel, thinking on environment issues and oil production exhaustion, extensive areas of Palma have been planted in Amazonia, specifically in the region of Baixo Tocantins, where the efficiency of the oil extracted per Palma is notorious the planted area rise asked for the continuous use of cut instruments to extract the Palma leaves, which constantly suffer intense waste and considerably elevates the production cost. This way, an empiric work development along side of private company s technicians, and Federal Institute of Pará s Materials Engineering Research Sector was applied to evaluate the use of Palma Oil as cooling on the superficial quenching of cut instruments, which shown excellent practical results, considering its durability and general production costs. This work also showed that the mechanics properties achieved by the quenching on Palma Oil of the AISI 1045 steel previously hardened per carburization reached an extremely high hardness without losing the material s fragility. Keywords: Palma Oil, Superficial Queching, Mechanics Properties.