ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE UM CORDÃO DE SOLDA SOBRE CHAPA DE AÇO BAIXO CARBONO SUBMETIDO AO PROCESSO DE BORETAÇÃO

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1 ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE UM CORDÃO DE SOLDA SOBRE CHAPA DE AÇO BAIXO CARBONO SUBMETIDO AO PROCESSO DE BORETAÇÃO Edilson Nunes Pollnow, 1 Douglas Bezerra de Araújo, 1 Alice Gonçalves Osório, 1 1 Universidade Federal do Rio Grande Resumo: O presente estudo é resultado da constante necessidade de proporcionar as peças e equipamentos maior vida útil com baixo custo, para suportar solicitações severas e assim manter seu alto desempenho. Essas características são comumente alcançadas através de tratamentos de superfície tais como a boretação. O processo de boretação consiste em saturar com boro a superfície de aços e ligas metálicas. Essa saturação fornece a superfície um incremento de propriedades não intrínsecas ao metal de base tais como: dureza, resistência à abrasão e corrosão. A microestrutura de aços comuns ao carbono submetidos à boretação é caracterizada por apresentar uma morfologia dente-de-serra, característica da formação de boretos de ferro. Com a intenção de estudar a influência que esta camada de boretos pode ocasionar na microestrutura do cordão de solda de um aço de baixo carbono, foi proposto este trabalho. Para o desenvolvimento deste trabalho o tratamento termoquímico de boretação ocorreu à temperatura de 1000ᵒC com patamar de tempo de 120 minutos. Este tratamento consistiu em acomodar as amostras de aço e o agente boretante em um cadinho e submetê-lo a esta temperatura sobatmosfera inerte de argônio. Após o processo de boretação as chapas de aço de baixo carbono foram submetidas ao processo de soldagem com fonte de calor TIG. Posteriormente ao processo de soldagem foram realizados os procedimentos metalográficos a fim de revelar a microestrutura em questão. A caracterização da microestrutura foi realizada com o auxilio de um microscópio óptico Olympus GX 51S. Palavras-chave: microestrutura,cordão de solda, boretação, TIG. 1. INTRODUÇÃO A utilização de técnicas de tratamento superficial vem sendo empregada em larga escala para modificar as propriedades físico-químicas de superfícies de materiais de engenharia, tais como as metálicas. HECK (2010), relata que os tratamentos de alteração de superfície podem ser definidos como processos nos quais a superfície do material é modificada para apresentar propriedades que o material não possuía anteriormente. Tanto o substrato, a superfície, quanto o recobrimento superficial são desenvolvidos para atuarem em conjunto, alcançando propriedades melhores, que não são alcançadas por cada um deles isoladamente. Estes tratamentos de superfície, comumente denominados de Engenharia de Superfície possuem cada vez mais importância, devido ao grande potencial de resistência ao desgaste que estes fornecem a seu substrato. A boretação ou borotização é um tratamento termoquímico de superfície que envolve um processo de enriquecimento da superfície do material em boro, através de mecanismos de difusão a altas temperaturas. Esse processo de endurecimento superficial é realizado nos metais utilizando-se de substâncias gasosas, como o diborano ou haletos de boro, em meio líquido, como o bórax fundido, ou por meio de agentes boretantes sólidos. SILVA e MEI (2010), mostram que este processo consiste em aquecer o aço entre 700 e 1000ᵒC por 1 a 12 horas em contato com um agente boretante, objetivando a formação de boretos de ferro. BINDAL e ÜÇIŞIK (1999), reportaram a facilidade da difusão de átomos de Boro em ligas ferrosas e explicaram que esta facilidade se deve ao pequeno tamanho e a mobilidade natural dos átomos de Boro. Estes mecanismos de difusão formam FeB e Fe 2 B, intermetalicos, não óxidos e boretos cerâmicos. As possíveis fases formadas entre o Boro e as Ligas ferrosas podem ser visualizadas na Fig.(1). SILVA e MEI (2010), afirmam que a boretação sólida tem sido a mais empregada por ser um processo seguro, de baixo custo e que utiliza equipamentos simples. Os meios de boretação sólida podem conter como fontes de boro as seguintes substâncias: boro amorfo puro, ferro-boro e carboneto de boro (B4C), sendo o último o de menor custo.

2 Porém sua utilização se restringe a peças pequenas, que não sofrem nenhum tipo de união metalúrgica. Tendo em vista a realização do processo de boretação em peças mais robustas e passíveis de união por soldagem, este trabalho objetiva a avaliação da microestrutura formada em um cordão de solda sobre chapa de um aço de baixo teor de carbono submetido ao tratamento termoquímico de boretação. Figura 1. Diagrama de Fases Fe-B. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Para a realização deste estudo foram utilizados os seguintes materiais: Aço com Baixo Teor de Carbono; Agente Boretante (Ekabor 1-V2); Fonte de Energia TIG (ESAB HELIARC 355 AC/DC) Métodos A etapa inicial dos procedimentos consistiu em caracterizar a composição química do aço selecionado. Após análise através da técnica de Espectrometria de Emissão Óptica (OES) com o auxílio do equipamento marca Oxford, modelo Foundry-Master Pro. O resultado da composição do aço é apresentado na Tab. (1), sendo reconhecido como um Aço SAE Tabela 1. Composição Química do Aço Selecionado. C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) Após obter a especificação do aço, foram confeccionados os corpos de prova com as seguintes dimensões: 70 mm x 25 mm x 6 mm (C x L x A). As amostras em questão passaram pelo procedimento de lixamento e polimento, a fim de livra-las da presença de óxidos e outras impurezas e aumentar a área superficial em contato com o agente boretante. O processo de boretação consistiu em submeter às amostras em contato com o agente boretante ao aquecimento a temperatura de 1000ºC por um período de 120 minutos em uma atmosfera inerte de gás argônio. O tratamento de boretação resultou na formação de uma superfície metálica rica em Boro, facilmente visualizada na Fig. (2), onde se percebe uma região semelhante a dentes de serra, característica esta atribuída a formação de boretos de ferro.

3 Figura 2. Micrografia Óptica com aumento de 200x do aço SAE 1015 com superfície boretada. Posteriormente ao processo de boretação foi realizado no corpo de prova o processo de soldagem TIG autógeno sobre chapa. A escolha por um processo autógeno deve-se ao fato deste não incluir metais de adição que poderiam afetar negativamente a microestrutura final do cordão, e estaria fora do escopo deste estudo. Segue na Tabela 2 os parâmetros de soldagem utilizados nesse processo. Tabela 2. Parâmetros de Soldagem. Corrente Contínua (CC - ) 116 A Velocidade de Soldagem 15 cm/min Vazão de Argônio 15 L/min Diâmetro do Eletrodo 3,2 mm Ângulo do Eletrodo 60º Após a realização do cordão de solda, foram extraídas amostras por meio de corte transversal com disco abrasivo. As amostras extraídas foram embutidas em resina baquelite e submetidas às etapas de preparação metalográficas de lixamento e polimento. Após foi realizado o ataque químico em Nital 2% pelo período de 10 segundo para revelação da microestrutura. As amostras foram analisadas em um Esteriomicroscópio da marca Zeiss, modelo Stemi 2000-C, objetivando uma visualização inteira das regiões do metal de base, da zona termicamente afetada e da zona fundida no corpo de prova. Para uma análise mais aprofundada da microestrutura optou-se por utilizar um Microscópio Óptico da marca Olympus GX 51S. 3. RESULTADOS As figuras 3 e 4 apresentam duas micrografias com aumento de 1x da seção transversal das amostras do Aço SAE 1015 com cordão de solda TIG e do Aço SAE 1015 submetido ao processo de boretação durante 2 horas com cordão de solda TIG, respectivamente. Algumas características tornam-se bem evidentes em uma primeira avaliação, tais como: a formação de trincas, uma maior penetração da poça de fusão e uma menor área termicamente afetada para o Aço SAE 1015 submetido ao processo de boretação com posterior soldagem.

4 A trinca identificada é denominada de trinca de solidificação, caracterizada por se desenvolver ao longo da zona de solidificação de materiais com a presença de segregações de baixo ponto de fusão. Ao analisarmos mais profundamente o diagrama de fase Fe-B, percebemos que tanto o ponto de fusão do FeB quanto do Fe 2 B, fases presentes após o processo de boretação, são menores que o ponto de fusão do aço SAE 1015, que é de 1515ºC. Estes boretos tornam-se líquidos então antes do aço, formando filmes líquidos. Os filmes líquidos de boretos se agrupam entorno dos contornos de grão aumentando então a susceptibilidade de trincas no aço. Através da macrografia observa-se também o efeito do crescimento de grão em direção ao fluxo de escoamento do calor. Figura 3. Macrografia com aumento de 1x da amostra de Aço SAE Cordão de solda TIG. Figura 4. Macrografia com aumento de 1x da amostra de Aço SAE 1015 boretado + Cordão de solda TIG. Na Figura (5) podemos visualizar diferenças marcantes entre as microestruturas dos cordões de solda do aço SAE 1015 sem tratamento e com o tratamento termoquímico de boretação. No item (A) onde temos a visualização da zona fundida do aço SAE 1015, verificam-se a formação de uma estrutura de ferrita acicular e bainita superior. Já em (B), temos a região do metal de base do cordão de solda do aço submetido ao processo de boretação, suas fases microconstituintes são basicamente ferrita e perlita. Isso indica que durante o processo de soldagem, não ocorre à difusão dos boretos para o metal de base. Em (C) e (D), visualizamos a Zona Termicamente Afetada da amostra submetida ao tratamento e a soldagem, onde nota-se a presença de ferrita primaria, ferrita acicular e regiões perliticas. Ainda sobre as regiões perliticas, podemos notar uma pequena alteração, como se estas estivessem sofrendo algum tipo de transformação, que pode estar associada à presença de boro nos contornos de grão.

5 Na região da Zona de Fusão desta mesma amostra, representada no item (E), nota-se também a presença de regiões de ferrita primaria, ferrita acicular e de perlita, porém, como se esperava estas não possuem uma orientação clara, ou seja, estão dispersas aleatoriamente na zona fundida. Observa-se nas micrografias a não ocorrência de fases bainiticas, indicando assim um decréscimo na velocidade de resfriamento ocasionado pela presença dos boretos de ferro. Figura 5. Micrografias Ópticas com aumento de 1000x. A) ZF do Aço SAE B) MB do Cordão de Solda do Aço Boretado. C) ZTA do Cordão de Solda do Aço Boretado. D) ZTA do Cordão de Solda do Aço Boretado. ZF do Cordão de Solda do Aço Boretado. 4. CONCLUSÕES Tomando por base os resultados apresentados, conclui-se que: As trincas de solidificação geradas foram ocasionadas pela presença de boretos na superfície da amostra; A difusão dos boretos de ferro é limitada durante a soldagem, visto que seus efeitos podem ser notados somente até a zona termicamente afetada. Com a diluição dos boretos para a zona de fusão, torna-se difícil a visualização destes através das técnicas metalográficas apresentadas, tornando-se necessárias outras técnicas para uma melhor avaliação; Devem ser empregadas técnicas de refino de grão a fim de aperfeiçoar a microestrutura e evitar a formação e propagação de trincas. 5. AGRADECIMENTOS À CAPES pelo suporte financeiro a este trabalho. 6. REFERÊNCIAS Bindal, C., Üçişik, A.H., Surface and Coatings Technology 122. pp Heck, S. C., Influência da boretação com pó na resistência ao desgaste, corrosão e oxidação dos aços AISI 1060 e AISI H13. Universidade de São Paulo, São Paulo. Silva, A. L. C.; Mei, P.R., Aços e Ligas Especiais. 3ª Ed. Blucher, São Paulo, Brazil, 664 p. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. The author(s) is (are) the only responsible for the printed material included in this paper.

6 MICROSTRUCTURAL ANALYSIS OF A WELD BEAD OVER LOW CARBON STEEL PLATE SUBJECTED TO THE BORONIZING PROCESS Edilson Nunes Pollnow, edilson.pollnow@hotmail.com 1 Douglas Bezerra de Araújo, douglas_ba@yahoo.com.br 1 Alice Gonçalves Osório, osorio.alice@gmail.com 1 ¹ Federal University of Rio Grande Abstract: This study is the result of the constant need to provide parts and equipment longer service life with low cost, to support severe requests and thus maintain its high performance. These characteristics are commonly achieved by surface treatments such as boriding. The boriding process consists of saturating the surface with boron steels and alloys. This saturation provides an increase of the surface not inherent in the base metal properties such as hardness, resistance to abrasion and corrosion. The microstructure of common carbon steel subjected to boronizing is characterized by presenting a tooth-of-saw morphology, characteristic of the formation of iron borides. With the intention to study the influence which it borides layer may result in the microstructure of the weld bead of a low carbon steel, This work was proposed. For developing this work, the thermochemical treatment of boriding occurred at a temperature of 1000ᵒC at 120 minutes. This treatment was to accommodate the steel samples and the boretante agent in a crucible submitting it at this temperature under an inert atmosphere of argon. After the process of boronizing low carbon steel plates were subjected to TIG welding process. Subsequent to the welding process the metallographic procedures were performed in order to reveal the microstructure in question. The characterization of the microstructure was performed with the aid of an optical microscope Olympus GX 51S. Keywords: microstructure, weld bead, boriding, TIG.