ENDURECIMENTO SUPERFICIAL A LASER EM FERRO FUNDIDO CINZENTO. Tecnológicas, Rua Paulo Malschitzki, Joinville -

Transcrição

1 ENDURECIMENTO SUPERFICIAL A LASER EM FERRO FUNDIDO CINZENTO M.de Rossi* 1, W.L.Guesser 1, M.S.F.de Lima 2. 1 Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC, Centro de Ciências Tecnológicas, Rua Paulo Malschitzki, Joinville - SC.*derossimarcio@gmail.com 2 Instituto de Estudos Avançados IEAv/DCTA, Laboratório de desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica, Km 5,5 Rodovia dos Tamoios, São José dos Campos - SP. In: VII Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico - TTT 2014, Jarinú. Anais TTT 2014 RESUMO O presente trabalho descreve o tratamento térmico superficial a laser, caracterização dos microconstituintes e perfis de dureza obtidos no ferro fundido cinzento classe NBR FC250. Foram variados os parâmetros de potência e velocidade de varredura. As amostras foram caracterizadas após tratamento térmico superficial através de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e microdureza Vickers. Os parâmetros de tratamento térmico 500W de potência e 5mm/s foram suficientes para promover têmpera no ferro fundido cinzento, sendo que se observou microestrutura martensítica com microdureza superficial de 800HV. Os parâmetros de tratamento térmico com energia acima de 900 J promoveram a refusão no ferro fundido cinzento, sendo que nestas condições foi observada microestrutura ledeburítica na região refundida, austenita retida entre a região refundida e a zona termicamente afetada. A presença de ledeburita na superfície após tratamento térmico das amostras com energia acima de 900J implicou em durezas superficiais de 650HV, 600HV e 450HV respectivamente apresentando picos de dureza superiores a 900HV ao longo da camada endurecida.

2 Palavras chave: Têmpera Superficial. Ferro Cinzento. Laser. Refusão Superficial. 1. INTRODUÇÃO O endurecimento superficial se difere do endurecimento convencional, pois apenas uma fina camada superficial é aquecida acima da temperatura de austenitização antes da têmpera, de tal forma que no interior da peça não ocorra alteração na microestrutura. O endurecimento da superfície aumenta a resistência ao desgaste e também em algumas situações aumenta a resistência de fadiga causada pelas tensões residuais de compressão que são induzidas na peça. Esse fato tem como efeito o aumento de dureza, que é obtida pela têmpera do material a partir da austenita que se transforma em martensita. (1,2) A têmpera a laser possui vantagens exclusivas como: zona afetada termicamente muito pequena, permitindo limitar ao máximo as distorções na peça; velocidades de resfriamento elevadas, permitindo o aparecimento de microestruturas extremamente finas e também o aparecimento de novas fases; excelente qualidade de superfície, com nenhum ou pequeno serviço de usinagem posterior; ausência de contaminação química, visto que nenhum líquido de resfriamento é necessário para a têmpera da peça. (3,4) Em certas condições o processamento a laser pode ocorrer muito rapidamente para permitir a difusão completa, este problema é mais prevalente quando os átomos de carbono têm maiores distâncias moleculares para deslocar a fim de dissolver uniformemente na matriz de ferro, tais como estruturas perlíticas grosseiras, estruturas com cementita pró-eutetóide, materiais esferoidizados e ferros fundidos, particularmente ferros fundidos com elevado teor de ferrita livre. (2) Uma estrutura inicial perlítica é a mais adequada para realizar têmpera superficial, devido ao menor tempo necessário para dissolução do carbono na matriz. (4) Taxas elevadas de aquecimento combinado com a necessidade de permitir tempo suficiente para formar austenita homogênea exigem altas temperaturas. Nessas situações pode-se fundir uma pequena camada na superfície para promover uma dissolução mais rápida de precipitados, sendo

3 muito comum gerar ledeburita superficial em ferros fundidos cinzentos. (4,5) A austenita retida é encontrada em materiais ferrosos temperados superficialmente a laser e admite-se que a quantidade de austenita retida aumenta com o aumento da temperatura máxima de processamento. (6) Este trabalho visa o desenvolvimento da técnica de endurecimento superficial de ferro fundido cinzento com laser a fibra de alta potência. 2. MATERIAIS E MÉTODOS A matéria prima utilizada neste trabalho foi fornecida pela Indústria de Fundição Tupy. Foram fornecidas barras de ferro fundido cinzento FC250 (7) com 286HV de dureza média e matriz 100% perlítica conforme demonstrado na Figura 1. As barras inicialmente cilíndricas com 30mm de diâmetro e 250mm de comprimento foram submetidas à fresamento para se obter duas superfícies planas e dimensões em milímetros conforme Figura 2. O laser a fibra utilizado neste trabalho está instalado no laboratório de desenvolvimento e aplicações de lasers e óptica (DedALO), do Instituto de Estudos Avançados (IEAv/CTA). Trata-se de um laser IPG, Modelo YLR-2000 de 2kW de potência máxima. Figura 1 - Metalografia representativa do núcleo da amostra, onde se observa grafita lamelar matriz perlítica. Aumento 1000x. Ataque Nital 3,5%.

4 Figura 2 Diferentes vistas do corpo de prova após fresamento. A mesa XYZ CNC empregada no processo é controlada por computador pelo software EMC2 com acionamento por motores de passo e o controle dos parâmetros do laser foi feito pelo software IPG LaserNet, que permite programar o ciclo de potência e tempo. A desfocalização do feixe implica diretamente no seu diâmetro, sendo que neste trabalho foi movimentado o eixo Z em 50mm, assim obtendo 8,18mm de diâmetro do feixe de laser. (8) Um fluxo de gás nitrogênio com o intuito de proteção contra possíveis respingos e geração de fumos que possam afetar as lentes durante o tratamento térmico sendo este constante para todas as amostras tratadas. A varredura do laser sobre cada amostra se deu em um passe único, ou seja, sem sobreposição das trilhas do laser. A análise dos materiais se fez por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e microdureza Vickers. A metalografia foi realizada por polimento e ataque com solução de Nital 3,5% e 10% seguida de observação em microscópio óptico, microscópio eletrônico de varredura e microdureza Vickers. Utilizou-se um microscópio óptico Zeiss com ampliações de até 1000x e o software metalográfico Digimet Plus 5G, a microscopia eletrônica de varredura foi realizada com o equipamento Hitachi TM 3000 que utilizada modo de formação por elétrons retroespalhados e tensão de aceleração de 15kV. O equipamento utilizado para a medição dos perfis de dureza Vickers trata-se de um microdurômetro digital devidamente calibrado marca Mitutoyo equipado com penetrador de base quadrada e ângulo entre as faces de 136 o. A carga aplicada foi de 100 gramas e o tempo de endentação de 15 segundos. A

5 captura de imagens e leitura das endentações foi realizada com auxílio do software CDV Vickers. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Na Tabela 1 verifica-se que a penetração térmica para refusão e têmpera variam nas diferentes condições experimentais utilizadas, sendo que em alguns casos não houve transformação de fase. A relação de potência do laser e velocidade de varredura com o tipo de endurecimento (refusão ou têmpera) é apresentada na Figura 3. Amostra Potência (Watts) Tabela 1 Condições experimentais para os ensaios em linha. Velocidade (mm/s) Energia Incidente (Joules) (4) *Profundidade média da camada Refundida (µm) *Profundidade média da camada Temperada (µm) J K L V 400 3, X 500 3, Z 600 3, sem transformação de fase. * valores determinados via análise em microscopia óptica. S: sem transformação de fase T: têmpera R: refusão Figura 3 - Relação dos parâmetros de tratamento térmico (velocidade versus potência) com a condição final de endurecimento obtida.

6 Observa-se também poucas condições de tratamento térmico superficial onde apenas têmpera foi obtida, isto ocorre para os ferros fundidos grafíticos principalmente devido aos teores de silício contidos na liga. Para as camadas refundidas observa-se na Tabela 1 que para maiores potências e menores velocidades de varredura do laser obtêm-se maior profundidade de refusão no ferro fundido, porém tal consideração não se aplica quando se analisa espessura da camada temperada. Em análise da amostra K (500W, 5mm/s) observa-se que nesta condição ocorreu endurecimento (têmpera) do ferro fundido sem fusão, sendo caracterizada pela transformação martensítica adifusional. A presença de grafitas na amostra K (500W, 5mm/s) em meio de uma matriz martensítica vêm a confirmar que não ocorreu refusão do ferro fundido cinzento. A martensita nestas duas condições de tratamento térmico apresenta forma refinada (ripas), com aspecto de baixa difusão de carbono durante tratamento superficial conforme demonstrado a Figura 4. Martensita a) b) Martensita Perlita c) Figura 4 - Amostra K (500W, 5mm/s) após endurecimento superficial a laser. a) Metalografia óptica, aumento 100x. b) ZTA. c) transição entre ZTA e metal base.

7 Para as amostras L, X e Z constatou-se que as condições de tratamento implicaram em temperaturas superiores a linha solidus, assim durante aquecimento formou-se líquido + austenita. Esse líquido formado durante o resfriamento transformou-se em ledeburita (austenita + cementida) de acordo com o eutético metaestável. Junto à superfície das amostras L, X e Z houve dissolução total do carbono, não sendo observada presença de grafita em meio à ledeburita (Figura 5b). Austenita retida Ledeburita a) Martensita b) c) Figura 5 - Amostra Z (600W, 3,5mm/s) após endurecimento superficial a laser. a) Metalografia óptica, aumento 100x. b) zona refundida. c) ZTA. A formação de austenita retida nestas condições de tratamento também foi observada em regiões de transição entre zona refundida (com presença de ledeburita) e zona termicamente afetada (com presença de martensita). Na Figura 5 nota-se que variação da forma martensita para a amostra Z sendo que tal morfologia foi observada para todas as amostras que sofreram refusão. Esta variação está diretamente ligada à quantidade de carbono em

8 solução no momento do resfriamento, sendo à medida que se afasta da superfície da amostra observou-se refinamento da martensita. A Figura 6 apresenta os perfis de microdureza Vickers para as amostras que obtiveram endurecimento superficial. Na análise dos perfis de microdureza, e observou-se que a amostra K (500W, 5mm/s) obteve-se dureza superficial acima de 800HV e apresentando diminuição de dureza linear a media que se distancia da superfície, isto se deve a microestrutura homogênea obtida após têmpera superficial. Figura 6 - Perfil em profundidade de microdureza nas amostras tratadas. Para as amostras L, X e Z foram obtidas durezas superficiais inferiores a amostra K, sendo que para condições de maior energia (maior potência e menor velocidade) obteve-se menores valores de dureza superficial. Para as amostras L, X e Z observaram-se duas regiões com dureza mais elevada, sendo a região próxima à superfície onde se tem microestrutura ledeburítica devido à refusão, logo após observa-se queda acentuada de dureza devido à presença de austenita retida. Um segundo pico de dureza ocorre na região termicamente afetada onde as altas durezas ocorrem devido à transformação martensítica.

9 4. CONCLUSÕES Por meio dos resultados obtidos verificou-se que a têmpera superficial sem refusão no ferro fundido cinzento FC250 ocorre em uma faixa bem estreita de parâmetros de processo, sendo que através dos tratamento térmicos utilizados neste trabalho foi possível determinar tal condição. Os parâmetros de tratamento térmico utilizados na amostra K foram suficientes para promover têmpera no ferro fundido cinzento, sendo que se observou microestrutura martensítica com microdureza superficial de 800HV. A alta dureza encontrada na Amostra K a presença de grafita na superfície sugerem que se poderão obter bons resultados em processos de desgaste por deslizamento, porém, este item necessita de estudos com testes de desgaste de forma a avaliar as reais possibilidades desta aplicação. Os parâmetros de tratamento térmico utilizados nas amostras L, X, Z, promoveram refusão no ferro fundido cinzento, sendo que nestas condições foi observado microestrutura ledeburítica na região refundida e austenita retida entre a região refundida e a zona termicamente afetada (região temperada). A presença de ledeburita na superfície após tratamento térmico das amostras L, X, Z, implicaram em durezas superficiais de 650HV, 600HV e 450HV respectivamente apresentando picos de dureza superiores a 900HV ao longo da camada endurecida. REFERÊNCIAS 1. LIMA, M.S.F, GOIA, F.A., RIVA, R., SANTO, A.M.E., Laser Surface Remelting and Hardening of an Automotive Shaft Sing a High - power Fiber Laser, Materials Research, Vol. 10, 2007, p SANDVEN, O. A. Heat Treating. ASM Handbook, USA: ASM International, vol 4, 1991.p KENNEDY E.; BYRNE G.; COLINS D.N. A review of the use of high power diode lasers in surface hardening. Journal of MaterialsProcessing Technology, Elsevier Science, LIMA, M. S. F. de; GOIA, F. A.; CARVALHO, S. M. de; DESTRO, M. G.; RIVA, R. Tratamentos a laser de ferros fundidos vermiculares. In: 6 o

10 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO, Caxias do Sul, GRUM, J.; STURM, R.; Laser surface melt - hardenig of gray and nodular irons. Applied Surface Science, p RUIZ, J.; LÓPEZ,V.; FERNÁNDEZ, B. J.; Effect of surface laser treatment on microstructure and wear behavior of grey iron. Materials & Design. Vol p ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6589: Peças em ferro fundido cinzento classificadas conforme a resistência à tração GOIA, F. A. Endurecimento da superfície do aço ferramenta VC131 utilizando laser a fibra. Dissertação de Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica Instituto Tecnológico de Aeronáutica, ITA, São José dos Campos, Laser surface hardening of gray cast iron ABSTRACT This paper describes the laser surface heat treatment, characterization of micro-constituents and hardness profiles obtained in NBR FC250 class gray cast iron. Power and speed were varied. The samples were characterized after surface heat treatment by optical microscopy, scanning electron microscopy and Vickers hardness profiler. The parameters as 500W and 5mm/s were sufficient to promote hardening in gray cast iron, where martensitic microstructure was observed with surface hardness of 800HV. The heat treatment parameters utilized in the samples with impingent energy above 900J promoted remelting in gray cast iron these conditions, ledeburite microstructure was observed in the remelted zone, alas well as retained austenite between the remelted region and the heat affected zone (quenched zone). The presence of ledeburite at the surface after heat treatment of the samples with energy about 900J resulted in surface hardness of 650HV, 600HV and 450HV, respectively, presenting peaks of hardness exceeding 900 HV along the hardened layer.

11 Keywords: Surface Hardening. Gray Iron. Laser. Surface Remelting.