INFLUÊNCIA DA DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA RESIDUAL NA ESTABILIDADE DIMENSIONAL DE COMPONENTES DE AÇO SAE 52100

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1 INFLUÊNCIA DA DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA RESIDUAL NA ESTABILIDADE DIMENSIONAL DE COMPONENTES DE AÇO SAE J.A. Cifuentes, R.S. Cumino, W.G. Silva, H. Goldenstein, K.L. Grell Avenida Professor Mello Moraes No. 2463, São Paulo /SP, CEP: , - jacb@usp.br Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP RESUMO O tratamento térmico usual de têmpera e revenimento de componentes de aço SAE para rolamentos confere à microestrutura resultante um teor de austenita residual entre 10 e 20 %. A transformação posterior desta austenita residual em martensita, durante a utilização do componente por elevação de temperatura de trabalho ou solicitação mecânica, acarreta alterações dimensionais que podem ocasionar falhas prematuras do conjunto, uma vez que os componentes são projetados sob precisão milesimal para obtenção da durabilidade esperada. Para evitar esta transformação posterior, são realizados revenimentos adicionais com o objetivo de promover toda a transformação ainda na fabricação do componente. Neste trabalho foram estudados os efeitos de revenimentos em diferentes tempos e temperaturas em anéis padrão de aço SAE Obteve-se uma relação entre a porcentagem de austenita retida transformada e a correspondente variação dimensional. Determinou-se a influência do revenimento convencional sobre os efeitos do revenimento adicional e finalmente apresentou-se uma proposta de otimização dos revenimentos adicionais em função de diferentes temperaturas de trabalho dos componentes. Palavras-chaves: Decomposição da austenita, Estabilidade dimensional, Austenita Retida, Revenido, Aços para Rolamento. INTRODUÇÃO Muitos fatores contribuem para a instabilidade da estrutura como temperada da martensita e para as mudanças microestruturais que ocorrem durante o revenimento. O mais importante é que a martensita produzida por transformações sem difusão herda a composição da austenita matriz, ou seja, o carbono, com alta solubilidade na austenita, está supersaturado na martensita. Os átomos de carbono deslocam os átomos de ferro ao longo dos eixos da célula unitária do cristal de martensita, produzindo uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado, aumentando a tetragonalidade com o teor de carbono. Esta supersaturação proporciona o potencial termodinâmico para a precipitação de carbonetos e para a transformação da estrutura cúbica de corpo centrado da ferrita. O revenido é o processo de aquecimento do aço a temperaturas nas quais ele seja mais dúctil, isto acarreta segregação de carbono para defeitos do reticulado, precipitação de carbonetos, decomposição da austenita retida, recuperação e recristalização da estrutura martensítica. Quando a martensita é revenida em baixas temperaturas, o primeiro estagio no processo é a redistribuição de carbono aos sítios de baixa energia. Em muitos aços de baixo carbono, devido a suas altas temperaturas Ms (temperatura de inicio da transformação martensítica), a redistribuição de carbono ocorre durante o resfriamento da têmpera na faixa de temperaturas de formação da martensita. Na medida em que o teor de carbono do aço aumenta diminui a temperatura na qual a transformação martensítica começa e a quantidade de austenita retida aumenta. (1). A austenita retida é instável a temperaturas subcríticas de revenimento e pode se transformar eventualmente numa mistura mais estável de ferrita e cementita; está presente em aços de baixa liga só quando o teor de carbono é superior de 0,4%, porém é importante nos aços de meio e alto teor de carbono. Além da supersaturação da martensita e da austenita retida instável, outras fontes de instabilidade da martensita temperada são a alta densidade de discordâncias nos cristais de martensita, produzidas pela deformação com reticulado invariante e as tensões elásticas locais que se estabelecem entre as plaquetas de martensita e entre estas e a austenita retida. A recuperação ou recristalização destas deformações associadas à transformação martensítica, a relaxação das tensões elásticas locais, e 3323

2 ainda a expansão volumétrica decorrente da decomposição da austenita retida durante o revenimento acarretam mudanças macroscópicas no volume do aço que podem ter influências significativas no comportamento funcional do componente. Estas variações de volume são o objeto de estudo deste trabalho. Foi avaliada a influência do tempo e temperatura de revenimento sobre a alteração de volume dos componentes de aço para rolamento SAE MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado foi o aço para rolamentos SAE produzido pela Aços Villares com a composição nominal dada na Tabela I: Tabela I. Composição química do aço SAE Composição (%) C Cr Mn Si Mo Ni Cu S Al P Ti Mínima 0,93 1,40 0,25 0,15 0,008 Máxima 1,05 1,65 0,45 0,35 0,10 0,25 0,25 0,020 0,050 0,025 0,003 Procedimento experimental Foram tomados 260 anéis internos de rolamento no estado temperado (sem revenimento), procedentes de um mesmo lote de matéria prima e tratamento térmico, os quais foram caracterizados quanto à dureza HRC todos, microestrutura e porcentagem de austenita retida (%γ) por amostragem. Destes anéis, 130 anéis ficaram no estado como temperado (grupo A), 130 foram submetidos ao revenimento de 180 C por 2 horas (grupo B), e caracterizados quanto à dureza HRC todos, microestrutura e %γ, por amostragem. A %γ, foi medida por difração de Raios X no laboratório da INA Alemanha. As 260 peças foram retificadas e avaliadas dimensionalmente. De cada um dos grupos de anéis, A e B, foram tomadas 10 peças e submetidas aos revenimentos adicionais abaixo relacionados, em seguida caracterizadas quanto à dureza, microestrutura, % γ e avaliadas dimensionalmente. Revenido a 230 C durante 2, 3 e 4 horas. Revenido a 240 C durante 2, 3 e 4 horas. Revenido a 250 C durante 2, 3 e 4 horas. Revenido a 260 C durante 2, e 3 horas. Revenido a 290 C durante 4 horas. Revenido a 340 C durante 4 horas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir dos ensaios feitos nos componentes de rolamentos foram obtidos gráficos relacionando a dureza, % austenita retida e a variação dimensional do componente com as diferentes temperaturas e tempos de tratamento térmico de revenimento. Na figura 1 mostra-se a variação da dureza do componente com o tratamento térmico. Observa-se que não existe uma grande diferença na dureza das peças na condição temperadas e temperadas e revenidas com a variação do tempo e temperatura de tratamento. A medida de dureza permanece na faixa de 55 a 61 HRC, porém, sempre obteve-se maiores durezas no grupo de peças do tratamento A, obtendo o máximo valor para C e duas horas de tratamento nos dois grupos de peças. A variação da dureza para cada um dos grupos de peças permaneceu na faixa permissível, especificada para o componente em serviço, a 3324

3 mudança foi muito pequena, sendo que os valores obtidos não fogem da faixa especificada na fabricação de rolamentos. Nas figuras 2, 3 e 4 são apresentados gráficos da variação dimensional obtida para os componentes de aço nas duas condições para tempos fixos de 4, 3 e 2 horas respectivamente. Observa-se a influência do tratamento térmico inicial de revenido na mudança de diâmetro das peças: para as peças do grupo A, a média da variação dimensional não é maior que 5 µ, no caso das peças do grupo B, a media da variação está acima de 20 µ, sugerindo diminuição maior da %γ no grupo de peças com revenimento inicial. Nas temperaturas mais baixas de revenimento houve aumento do diâmetro do componente, enquanto para as temperaturas mais altas de tratamento ocorreu uma diminuição dimensional. Este comportamento é paralelo ao das medições de dureza. Observa-se um pico na expansão dimensional no tratamento de revenido feito a C (figura 2), pico este atingido nos dois grupos de peças A e B na mesma temperatura. A explicação para este fato é que nas temperaturas mais baixas ocorre transformação da austenita retida em martensita ocasionando aumento de volume, ao passo que em temperaturas maiores começa a ocorrer a perda da tetragonalidade da martensita, que gradualmente fica cúbica de corpo centrado e com isso ocorre redução de volume. Estes picos também foram evidenciados nos tratamentos de revenido por 2 e 3 horas. Resultados semelhantes foram descritos por von H. Krainer e outros em artigo publicado em 1957 (2) estes pesquisadores estudaram o efeito da temperatura de revenido na estabilidade dimensional de três aços diferentes, entre os quais foi estudado o aço SAE As tabelas 2 e 3 mostram a %γ resultante do tratamento térmico de revenido para o grupo de peças do tratamento A e B respectivamente. 62 Dureza (HRC) Temperatura de revenido ( o C) grupo A-4 horas Grupo B-4 horas Grupo A-2 horas Grupo B-2 horas grupo A-3 horas Grupo B-3 horas Figura 1. Variação da dureza do rolamento de aço SAE com a temperatura e tempo de revenido para os dois grupos de peças. Figura 2. Variação dimensional do diâmetro do rolamento de aço SAE com a temperatura e tempo de revenido nos grupos de peças A e B para um tempo de tratamento de 4 horas. 3325

4 Figura 3. Variação dimensional do diâmetro do rolamento de aço SAE com a temperatura e tempo de revenido nos grupos de peças A e B para um tempo de tratamento de 3 horas. Figura 4. Variação dimensional do diâmetro do rolamento de aço SAE com a temperatura e tempo de revenido nos grupos de peças A e B para um tempo de tratamento de 2 horas. Segundo os parâmetros de qualidade da INA Brasil uma %γ igual ou menor ao 3% está na faixa permissível para os componentes em serviço. Todo o grupo B de peças com revenido apresentou uma %γ aceitável por este critério, após diferentes revenimentos, ao contrário das peças do grupo A onde se obteve %γ superiores ao 3% no caso do revenido feito a 230 o C. As tabelas 2 e 3 mostram os resultados da determinação de %γ. No caso dos revenidos feitos a 250, 290 e C a %γ foi igual a 1. Os maiores valores de austenita retida foram obtidos no grupo A, revenidas a C. Tabela II. %γ resultante do tratamento térmico de revenido para o grupo de peças do tratamento A. Temperatura de revenido ( 0 C) Tempo (h) %γ - peças grupo A %γ - peças após revenimentos γ (%) % φ (µm/ µm) ,5 12,

5 Tabela III. %γ resultante do tratamento térmico de revenido para o grupo de peças do tratamento B. Temperatura de revenido ( 0 C) Tempo (h) %γ - peças grupo B %γ - peças após revenimentos γ (%) % φ (µm/ µm) ,5 12, Foi possível notar que a variação dimensional não depende exclusivamente da variação de austenita retida, desempenhando o revenimento intermediário uma forte influência na variação dimensional. Peças pertencentes ao grupo A, apresentaram sempre variação dimensional após revenimentos, significativamente menor que peças do grupo B, para uma variação de austenita retida da mesma ordem de grandeza. CONCLUSÕES Das análises feitas do teor de austenita retida após dos diferentes tratamentos de revenido pode-se concluir que existe uma influência do revenimento inicial sobr e os efeitos do revenimento adicional. Neste trabalho partiu-se de um teor de austenita retida inicial de 14% depois do revenimento inicial e após diferentes tratamentos, foram atingidos níveis de austenita retida menores que 3%, dentro da especificação do produto. No caso das peças na condição temperada (grupo A) partiu-se de %γ inicial de 17% apenas para os tratamentos de revenido a C por duas e quatro horas os níveis de austenita retida obtidos ficaram acima do valor de 3%, estabelecido como limite superior para o componente em serviço. As medidas de variação de diâmetro dos anéis mostraram que para baixas temperaturas de revenido, nos dois grupos de peças houve aumento do diâmetro enquanto que para as temperaturas mais altas ocorreu uma diminuição do diâmetro. A explicação encontrada para este comportamento é que nas temperaturas mais baixas ocorre transformação da austenita retida em martensita, ocasionando expansão e aumento de volume, ao passo que a partir de 240ºC ocorre a perda da tetragonalidade da martensita, o que leva a uma redução de volume. Após os tratamentos térmicos realizados a 240, 250, 260, 290 e C foi evidenciada uma porcentagem semelhante de austenita retida ( 3%) nos dois grupos de peças, isto permite dizer que o revenido prévio do ponto de vista de eliminação da austenita retida, não tem influência nos resultados e poderia ser evitado, submetendo as peças após da têmpera diretamente ao revenido nestas temperaturas. Quanto à estabilidade dimensional, o revenimento prévio provoca variação superior à obtida quando o mesmo não é realizado, o que reforça a idéia de se evitar este tratamento. 3327

6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à fábrica de rolamentos INA BRASIL LTDA por ter cedido equipamentos e materiais utilizados neste trabalho. JAC e HG agradecem o apoio da FAPESP através do Projeto Temático nº 99/ , do Convênio Villares/FUSP/LFS e do CNPq. REFERÊNCIAS 1. Tschiptschin, A.P., Goldenstein, H. e Sinatora, A., Metalografia dos Aços, ABM, São Paulo, H. Krainer, K. Ebner, E. Krainer, M. Storek, Untersuchungen uber den Anlaβvorgang niedriglegierter Werkzeugstahle mit etwa 1% C, Radexz-Rundschau, (1957) G. Krauss, Steels: Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, Materials Park, OH, G. Krauss, Tempering of martensite. Encyclopedia of Materials: Science and Technology.2001 ISBN: , H. Schlicht, Werkstoffeigenschaften, abgestimmt auf die tatsachlichen Beanspruchungen imm Walzlager, Walzlagertechnik (1981-1) G.R. Speich, W.C. Leslie, Tempering of steel, Metallurgical Transactions, V 3, (1972)

7 DIMENSIONAL STABILITY OF BEARING COMPONENTS MADE OF STEEL SAE DURING TEMPERING J.A. Cifuentes, R.S. Cumino, W.G. Silva, H. Goldenstein, K.L. Grell Avenida Professor Mello Moraes No. 2463, São Paulo /SP, CEP: , - jacb@usp.br Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP ABSTRACT The usual quenching and tempering heat treatments applied to SAE bearing steels results on 10 to 20 % fraction of retained austenite. The subsequent transformation of this austenite to martensite during use, due to exposure to elevated temperatures or mechanical strain, incurs on,dimensional changes that can lead to premature failure of the bearing, which are assembled to milesimal tolerances. In order to avoid these dimensional changes, additional tempering treatments are used. In this work, the effect of different tempering times and temperatures applied to bearing rings are studied. A correlation between the amount of retained austenite transformed during treatment and the dimensional change was found. The effect of previous conventional heat treatments was studied and a proposal for an opti mized heat treatment cycle, taking account the working temperature of the part, was offered. KEY-WORDS : Decomposition of austenite, dimensional stability, retained austenite, tempering, bearing steels. 3329