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

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1 Melhoria de Dureza e da Microestrutura com Transformação Martensítica, em Aço Ferritico com 25% a 30% de perlita, com grafitização fina tipo D e E e perlitica com pequenas áreas de ferrita livre nas regiões com grafitização tipo A,B e C. Hardness and Microstructure Improvement in ferritic steel martensitic transformation with 25% to 30% pearlite with thin graphitization type D and E and pearlite with small areas of free ferrite regions with graphitization type A, B and C. André Wagner Mota Nascimento 1,2 José Raimundo dos Santos Junior 2 José Manoel Ribeiro 3 (1) R.: Primo Capelo 119, Centro Itajubá MG - nascimentoawm@hotmail.com (2) Fepi; (3) UNIFEI Resumo: O emprego das ligas metálica na engenharia e na indústria é baseado principalmente nas suas propriedades mecânicas, ou seja, a sua capacidade de suportar as cargas a que estão sujeitas. Essas características dependem da sua estrutura, composição e as condições de trabalho, de modo que o controle da sua estrutura passa a ser um fator decisivo, sendo o tratamento térmico a que são submetidas o meio mais usual, seguro e eficiente de controlar a sua estrutura. O objetivo proposto deste trabalho é demonstra as melhorias com relação às propriedades mecânicas, quando ocorre a transformação martensitica com o material. Com o tratamento térmico, o material revenido por 75 minutos, se mostrou melhor para o processo de fabricação, onde apresentou uma melhora considerável em relação ao equilíbrio em relação à variação de dureza que acontecia antes desse processo, devido a melhoria da microestrutura com a provavel melhoria do módulo de elasticidade. Palavras-chave:Tratamento Térmico, Martensita, Dureza do material. Abstract: The employment of the metal leagues in the engineering industry and is primarily based on their mechanical properties, ie its ability to withstand the loads which are imposed. These characteristics depend on the structure, composition and working conditions, so that structure control becomes a critical factor, and the heat treatment are subjected to the most common, safe and efficient structure control. The proposed objective of this paper is demonstrating the improvements with respect to mechanical properties, martensitic transformation occurs when the material. With the heat treatment, annealing the material for 75 minutes, was better for the manufacturing process, which showed a considerable improvement as regards the balance in relation to the variation of hardness which occurred before the process, due to microstructure improvement with the probable elasticity modulus improvement. 292

2 Keywords: Heat Treatment, martensite, hardness of the material. 1. Introdução O desenvolvimento permanente da indústria de bens de consumo e da infraestrutura necessária para o desenvolvimento econômico propiciou no desenvolvimento de materiais que atenda aos requisitos mecânicos, ecológicos, financeiros e de durabilidade, dentro do seu propósito e especificação, que vem evoluindo ao longo do tempo. Sendo que a indústria automobilística e um dos setores que mais vem trabalhando para essa melhoria da metalurgia. Entre as ferramentas para melhorar o desempenho do material, é tratamento térmico. Para realizá-lo é preciso determinar a aplicação e funcionalidade do metal, e assim definir o tratamento desejado e a temperatura aplicada e o tempo necessário para atingir a propriedade desejada. Sendo que o método de resfriamento também é relevante podendo ser lento (ao ar) ou rápido (na água, no óleo ou em banho de sal). (CHIAVERINI 1987) Para que as propriedades mecânicas sejam alteradas devem-se levar em consideração três fatores básicos que são: temperatura de aquecimento e tempo em manutenção desta temperatura; velocidade de resfriamento; composição química do material (tipo de material ou liga do mesmo). A temperatura de aquecimento depende do material a da transformação de fase ou microestrutura/propriedade desejada. O tempo da temperatura depende muito das dimensões da peça e da microestrutura desejada. A taxa de resfriamento determina as propriedades finais, dependendo do tipo do material e da transformação de fase ou microestrutura desejada, é a etapa que efetivamente determinará a microestrutura, além da composição química do material. Sendo crucial para a obtenção da microestrutura e propriedades, ausência de fissura e empenamento nas peças e minimização de concentração de tensões. ( CHIAVERINI 1987) A microestrutura Martensita é formada pelo aumento da velocidade de resfriamento (tempera), sendo que a microestrutura passa a apresentar granulação mais fina e características próprias que afetam as propriedades do aço e o equilíbrio do diagrama FE C, sendo a formação Martensitica um processo de cisalhamento que ocorre somente no resfriamento ao atingir a temperatura adequada e aumenta a medida que a temperatura diminui. Diferente da difusão característico da Perlita. Se após certa quantidade de transformação a temperatura for mantida constante, não prossegue a formação deste constituinte. Para que a transformação 293

3 prossiga, é necessário que a temperatura volte a diminuir até que seja ultrapassada a linha dos 400 ºC (CHIAVERINI, 1987). Sendo que todas as formas Martensitas apresentam extrema dureza. A martensita transfere a sua elevada dureza e grande fragilidade ao material metálico temperado, cuja resistência à tração também aumenta consideravelmente sendo a dureza da martensita elevada de acordo com o teor de carbono. A tempera (resfriamento rápido) tem influência no aumento de dureza do material, devido a formação de carbonetos complexos, ao mesmo tempo em que as propriedades mecânicas sofrem grande alteração. As peças temperadas sofrem tensões de natureza térmica devido ao resfriamento drástico, devido a brusca mudança de fases, e essas tensões devem ser imediatamente aliviadas ou eliminadas. Para devolver ao material metálico o equilíbrio necessário e importante corrigir os excessos cometidos pela tempera sobre as propriedades mecânicas, principalmente pela ductibilidade. Nesta fase a ductibilidade praticamente se anula, portanto são feitas correções de alivio ou eliminação de tensões pelo processo denominado revenido, que consiste no aquecimento da martensita permitindo a reversão do reticulado instável em reticulado estável cúbico centrado. Produzindo ajustes internos que aliviam as tensões proporcionando uma precipitação de partículas de carbonetos que crescem e se aglomeram de acordo com a temperatura e o tempo. Pode-se dizer que o revenido ajusta a dureza desejada da peça. Aumentando a ductilidade, com a conseqüente elevação da resistência ao impacto. Podemos ver a seguir o comportamento segundo a temperatura durante o revenimento. Costuma-se dividir as transformações que ocorrem durante o revenimento de um aço em três etapas: 1ª etapa - 25 a 200 c: ocorre a precipitação de um carboneto especial, denominado de carboneto epsolon (e), partículas extremamente diminutas, com espessura inferior a 200 å. esses carbonetos reduzem o número de átomos de carbono na martensítica, tornando-se menos tetragonal e aproximandose da estrutura cúbica que caracteriza o ferro.temos então uma estrutura de martensita de baixo teor de carbono e carbonetos finos, sendo essa estrutura denominada de martensita revenida. a dureza do aço temperado sendo de 65hrc (0,7%c) cai para 60hrc. 2ª etapa a 350 c : se houver austenita retida esta se transforma em bainita e nesta faixa ocorre a precipitação de cementita na forma de barras e a martensita perde sua tetragonalidade transformando-se em ferrita, a medida que as partículas de cementita crescem as de carboneto epsolon vão desaparecendo. 3ª etapa a 700 c :entre 300 c e 400 c inicia-se o coalescimento da cementita e esta se torna totalmente esferoidizada a 700 c. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O aço utilizado é obtido após resfriamento rápido de alta temperatura (Aquecido a 975/1050 C e resfriado com Ar, óleo quente, num período de 15 a 30 minutos). Tendo estrutura caracterizado pela alta dureza e fragilidade, sendo denominada Martensítica. Contém de 12 a 17% de Cromo e de O,5 a 1% de carbono, entre outros componentes, como Si e Mn, sendo pertencente a família 420 (ABNT). Podem atingir diversos graus de dureza pela variação das condições de 294

4 aquecimento e resfriamento (tratamento térmico), bem como de seus componentes. Neste trabalho foi comparada a dureza e a microestrutura deste aço antes e após o tratamento térmico de revenimento por um período de 75 minutos (a 390 C). O revenimento tem o objetivo de transformar a estrutura martensítica em estruturas mais estabilizadas e tenazes e consiste no reaquecimento do aço temperado. Um aço com estrutura martensítica, é muito frágil, além de estar sujeito ao aparecimento de trincas se deixado à temperatura ambiente nesta condição. O aquecimento do aço temperado em temperaturas inferiores a 727 C, como podemos ver na figura 1, permitirá a ocorrência de difusão que produzirão uma estrutura mais estável e mais tenaz, com a conseqüente diminuição da dureza. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Característica do produto anterior ao processo de Tratamento Térmico: Aço Ferritico com 25% a 30% de perlita nas regiões do material com grafitização fina tipo D e E. Perlitica com pequenas áreas de ferrita livre nas regiões dos anéis com grafitização mais grossa tipo A, B e C. Propriedades Mecânicas: Grande variação em diferentes pontos referente a dureza HB no material para realização do processo de fabricação. Tabela 1: Dureza sem Tratamento Térmico (Valores em HB) Identificação Ponto 01 Ponto 02 Ponto 03 Média Amostra ,33 Amostra ,33 Amostra ,00 Metalografia Nesta etapa foi analisada a Microestrutura na figura 2 no material sem tratamento, podemos perceber grafitização nos seguintes tipos: 295

5 Amostra 1: 45% de D, 20% de E, 5% de C, 10% de B e 20 de A ; Tamanho: Amostra 2: 70% de D, 15% de E, 5% de B e 10% de A ; Tamanho: 8-7 Amostra 3: 20% de D, 10% de A, 5% de C, 5% de B e 60% de A ; Tamanho: Figura 2.: Microestrutura 500X, Anéis sem tratamento Sendo que os tipos das grafitas são classificadas através de um padrão onde se classifica de A até E, conforme descrito abaixo: Tipo A - Lamelas finas e uniformes distribuídas ao acaso; Tipo B - Conhecida como tipo roseta, sendo o centro do esqueleto formado por grafita fina e as bordas de grafita grosseira; Tipo C - Conhecida como grafita primária, veios grandes, típica de ferros fundidos hipereutéticos; Tipo D - Grafita fina e interdendrítica com distribuição ao acaso, típica de solidificação com elevado superesfriamento; Tipo E - Veios finos e interdendríticos com orientação definida, típica de ferros fundidos de baixo carbono equivalente e cuja solidificaçãoo ocorreu com elevado superesfriamento, ou com a formação de grande quantidade de dendrítas de austenita próeutética. Características do produto Após Tratamento Térmico Com o tratamento termico foi obtido um melhor equilíbrio em relação a dureza mencionada anteriormente no material estudado. No aço Martensita revenida e com descarbonetação parcial de aproximadamente: 0,068mm, foi observado na figura 3 uma imagem metalográfico típica do material Martensitico revenido. Amostra 1: 55% de D, 15% de E, 5% de C, 10% de B e 15 de A ; Tamanho: Amostra 2: 65% de D, 20% de E, 5% de B e 10% de A ; Tamanho: Amostra 3: 25% de D, 20% de E, 5% de C,e 50% de A ; Tamanho:

6 Figura 03 Microestrutura 500X, Metalografia da microestrutura Martensítica após Propriedades Mecânicas: tratamento térmico Reduzida variação entre os pontos referente a dureza HRC no material, como pode ser verificado na Tabela 2. Tabela 2:Dureza após Tratamento Térmico (Valores em HRC) Identificação Ponto 01 Ponto 02 Ponto 03 Média Amostra Amostra ,33 Amostra ,33 As diferença entre as técnicas de medida de dureza se deve a melhor adequação ao material sedo o HRC, mais adequado para essa etapa. Sendo que a dureza HB, equivaleria a 550 para HRC de 55, segundo tabela de conversão, sendo que a medidas do HB está bem próximo do limite, e por isso não foi utilizado. Com estes dados foi possível identificar que com a modificação da microestrutura, teve como beneficio o melhor aproveitamento do material e uma diminuição considerável nas perdas com dos mesmos. O material por ser utilizado como vedação e estar imerso em óleo na sua forma de trabalho, não foi considerado relevante o estudo de corrosão. 3. Considerações Finais O emprego dos aços Martesiticos é baseado principalmente nas suas propriedades mecânicas, ou seja, na sua capacidade de suportar as cargas a que estão sujeitas no dia a dia. As suas características dependem da sua estrutura cristalina e está intimamente relacionada com sua composição e com as condições de fabricação. Com tudo a prática correta do tratamento térmico é essencial para que os melhores resultados sejam obtidos e se tenha maior confiabilidade dos materiais empregados. Com o tratamento térmico o produto se mostrou melhor para o processo de 297

7 fabricação, onde apresentou uma melhora considerável em relação ao módulo de elasticidade e obtivemos também um equilíbrio em relação à variação de dureza que acontecia antes desse processo. Quaisquer que sejam os recursos disponíveis, a importância do elemento humano não pode ser subestimada. No tratamento térmico de certo modo, é ainda uma arte, pois não consiste somente em produzir aquecimento ou resfriamento mais produzi-lo com método e controle do mesmo modo que é uma arte no manuseio correto do material nas várias fases de operação. Referências: HUBERTUS, Colpaert. Metalográfia dos produtos siderúrgicos comuns. 3 edição, São Paulo: Edgard Blücher, CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 7ª edição, São Paulo: Associação brasileira de metalurgia e matérias ABM, CHIAVERINI, Vicente. Tratamento térmico das ligas ferrosas. 2ª edição SP:1987. Associação brasileira de metalurgia e matérias - ABM SANTOS, Nazaré Claudia. Aspecto cristalográfico da transformação martensitica de uma liga p. Tese de doutorado. Instituto Militar de engenharia, Rio de janeiro. VLACK Van. Principio de ciência dos matérias. 1º edição, São Paulo. Editora Edgard Blucher, FERRÃO, Luiz. Experiência de ciências dos matérias. 1ª edição, São Paulo. Editora da universidade de são Paulo, CALLISTER, William. Ciência e engenharia de matérias uma introdução. 5º edição, Rio de Janeiro. Editora LTC. MARIANO, Neide Aparecida et al. Caracterização da temperabilidade e das curvas de transformação de fases de aços inoxidáveis martensíticos do tipo FeCrNi. Rem: Rev. Esc. Minas, Ouro Preto, v. 60, n. 1, Mar STROBEL FILHO, Eloy; LIMA, Alex Pereira de; MARIANO, Neide Aparecida. Efeito do tratamento térmico na caracterização microestrutural e das propriedades mecânicas de um aço inoxidável martensítico do tipo 13Cr5Ni0,02C. Rem: Rev. Esc. Minas, Ouro Preto, v. 60, n. 1, Mar Neide Aparecida MarianoI; Victor Ferrinho PereiraII; César Augusto Duarte RodriguesIII; Pedro Luis di LorenzoIV; João Manuel Domingos de Almeida Rollo; Caracterização da temperabilidade e das 298

8 curvas de transformação de fases de aços inoxidáveis martensíticos do tipo FeCrNi. Rem: Rev. Esc. Minas vol.60 no.1 Ouro Preto Jan./Mar Seok-Jae Leea; Yong-Min Parkb; Young-Kook Leeb; Reverse transformation mechanism of martensite to austenite in a metastable austenitic alloy, Materials Science and Engineering A, 515 (2009) R.C. Pond, Y.W. Chai, S. Celotto, Martensitic transformations in unfamiliar systems, Materials Science and Engineering: A, Volume 378, Issues 1 2, 25 July 20 Carlos Eduardo Pinedo; Tratamento Térmico E Superficial Do Aço Inoxidável Martensítico AISI 420 Destinado A Moldes Para Injeção De Polímeros Parte I Tratamento Térmico; 2o Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes - ABM, 21 a 23 de Setembro, São Paulo/SP BUBANI, Franco de Castro et al. Efeito da temperatura e do teor de níquel nas propriedades mecânicas e a correlação com usinabilidade em ligas Fe-18Cr-Ni. Rem: Rev. Esc. Minas, Ouro Preto, v. 63, n. 1, Mar