APLICAÇÃO DE DOIS TIPOS DE CONSUMÍVEIS DE REVESTIMENTO DURO COM O PROCESSO FCAW DUPLO ARAME

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1 APLICAÇÃO DE DOIS TIPOS DE CONSUMÍVEIS DE REVESTIMENTO DURO COM O PROCESSO FCAW DUPLO ARAME Daniel Dominices Baía Gomes de Souza, danieldominices@hotmail.com 1. Valtair Antônio Ferraresi, valtairf@mecanica.ufu.br 1. 1 Universidade Federal de Uberlândia, UFU/FEMEC, Av. João Naves de Ávila 2121, Campus Santa Mônica, CEP , Uberlândia, MG. Resumo: A aplicação de revestimentos com o objetivo de reduzir o desgaste e, consequentemente os custos, busca o incremento da vida em serviço dos componentes e na redução das paradas para manutenção. Uma correta seleção do material depositado permite, dentre outras coisas, transformarem elementos descartáveis por desgaste em bens de capital recuperável, aumentar a resistência e prover as superfícies susceptíveis ao desgaste de características e propriedades desejadas e, em geral, aumentar a eficiência doprocesso. O objetivo deste trabalho é avaliar a resistência ao desgaste abrasivo de revestimentos duro depositado em camada única através do processo de soldagem FCAW (Flux- Cored Arc Welding) Duplo Arame, arame eletrodo tubular auto-protegido. Foram utilizandos dois tipos de consumíveis (FeCrC e o FeCrC+Nb) de diâmetro 1,6 mm. O revestimento por soldagem foram aplicados sobre uma chapa de aço carbono SAE 1020 no modo de transferência metálica por curto-circuito, com mesmos valores de corrente e tensão de soldagem. Foram comparados os depósitos realizados com cada consumível e misturados. Construíram-se corpos de prova para a avaliação do desgaste em laboratório com abrasômetro Roda de Borracha de acordo com a norma ASTM G A avaliação de desgaste foi feita via perda de massa. Foram realizadas também análise de dureza e microestrutura do revestimento. Os melhores resultados de resistência ao desgaste foram obtidos com a utilização dos dois arames eletrodo de mesma composição (FeCrC+Nb). A presença do Nb no revestimento melhora a resistência ao desgaste com o ensaio utilizado nesta pesquisa. Palavras-chave: FCAW duplo arame, revestimento duro, arame tubular, resistência ao desgaste. 1. INTRODUÇÃO No Brasil o setor sucroalcooleiro ocupa um espaço de destaque na área do agronegócio, sendo um dos maiores produtores de cana de açúcar do mundo. O País é o maior produtor de açúcar e o segundo maior produtor de etanol, atrás apenas dos EUA, cuja produtividade, a partir do milho, é bastante inferior. Na safra 2012/13, o Brasil produziu aproximadamente 532 milhões de toneladas de cana, matéria-prima utilizada para a produção de 34 milhões de toneladas de açúcar e 21,3 bilhões de litros de etanol (Única, 2013). Por sua vez, a perda de material por mecanismos de desgaste representa um custo significativo para a operação de usinas de açúcar e destilarias de álcool, onde a deterioração das ferramentas é grande e a vida em serviço dos componentes é curta (Lima, 2008). Dentre os equipamentos de preparo do caldo de cana, as facas e os martelos desfibradores são os primeiros a entrarem em contato com a cana. Devido ao atrito com a casca da cana e com outros elementos estranhos ao processo, que entram junto com a cana, as facas e os martelos sofrem acentuado desgaste abrasivo. Para melhorar o seu desempenho estas ferramentas são construídas em aço de baixo carbono e revestidas com uma camada de material duro, resistente ao desgaste abrasivo (Prisco, 1993; Espinosa et al, 2004; Santos et al, 2005). Lima e Ferraresi (2009) afirmam que a microestrutura dos revestimentos tem papel preponderante no seu desempenho em termos de resistência ao desgaste. Ligas do tipo FeCrC são usadas onde ocorre desgaste abrasivo, pois oferece uma microestrutura rica em carbonetos de cromo em uma matriz austenítica. Fan et al., (2006) afirmam que dependendo da composição da liga e do tratamento térmico recebido podem se apresentar distintos tipos de carbonetos, como MC, M 6C, M 7C 3, M 23C 6 e Cr 2C 3, onde M representa um ou mais tipos de átomos metálicos. Yang (2008) cita que a adição de elementos de liga tais como o Nb, Ti, V, Zr, e W nas ligas hipereutéticas de alto teor de cromo melhora as propriedades de resistência ao desgaste, mantendo um volume relativamente elevado de carbonetos primários (tipo M 7C 3 e M 23C 6) com formatos mais refinados e melhor distribuídos na matriz. Com estas adições se consegue inserir também na matriz novos carbonetos do tipo MC (NbC, TiC, VC, ZrC e WC) com durezas superiores ou iguais à dureza dos carbonetos de cromo, melhorando ainda mais a resistência ao desgaste abrasivo. O Nióbio e o Titânio vêm sendo usados mais regularmente por serem os mais efetivos elementos formadores de carbonitretos, produzindo uma precipitação de elevada dureza. As partículas duras formadas por eles se distribuem de uma forma regular na matriz, oferecendo ao revestimento as propriedades desejadas. A soldagem FCAW (Flux Cored Arc Welding) Duplo Arame é uma variante do processo FCAW e caracteriza-se pela formação de um par de arcos elétricos entre uma única poça de fusão a partir de dois eletrodos consumíveis continuamente alimentados. Comparativamente à soldagem FCAW convencional, o duplo arame apresenta as seguintes características principais: maior taxa de deposição de material, possibilidade de soldagens com velocidades de

2 deslocamento mais elevadas e o menor aporte térmico sobre a peça, este como consequência da utilização de velocidades de soldagem mais altas (Motta e Dutra, 2005 e Scotti e Ponomarev, 2008). O objetivo deste trabalho é estudar e comparar a resistência ao desgaste de duas ligas de alto teor de cromo (FeCrC e FeCrC+Nb), utilizadas na aplicação de revestimentos duros com o processo FCAW duplo arame auto protegido. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Testes foram realizados utilizando chapas de aço ao carbono ABNT 1020 com dimensões de 12,7 x 50,8 x 250 mm, os consumíveis utilizados na soldagem dos revestimentos foram arames tubulares de 1,6 mm de diâmetro. A Tab. (1) apresenta a composição química dos arames e dureza, fornecida pelo fabricante. Tabela 1. Composição química (% em peso) dos arames tubulares auto protegido fornecida pelo fabricante. Consumíveis Classificação DIN 8555 C Mn Si Cr Nb FeCrC FeCrC+Nb DIN 8555 MF 10-GF- 65-GR DIN 8555 MF 10-GF- 65-GRT 5 1,5 1, , Para a realização das soldas utilizou-se duas fontes de soldagem eletrônicas, multiprocesso ajustada no modo de tensão constante. A mesa de soldagem utilizada possui um sistema automático de deslocamento, a velocidade mínima de soldagem no eixo X é de 5 mm/s e a máxima de 60 mm/s, a resolução d a mesa é de 0,0001 mm/s para a velocidade e 0,0001 na distância. A soldagem foi efetuada em camada única na posição plana com a tocha na vertical formando um ângulo de 90 com a superfície da chapa em disposição longitudinal tandem wire - ao longo do cordão de solda - na direção da velocidade de soldagem onde os dois arames atuam juntos, sendo um a frente do outro, conforme apresentado na Fig. (1). O comprimento dos cordões de solda foi de 200 mm e cada revestimento foi feito preenchendo a chapa com três cordões de solda. Figura 1. Disposição dos eletrodos Tandem Wire. A Tab. (2) apresenta os parâmetros de soldagem utilizados. Esses parâmetros foram obtidos a partir de vários ensaios preliminares. Para o processo FCAW Duplo Arame a velocidade de alimentação do arame [Valim], velocidade de soldagem [Vsold], tensão de referência [V] e distância bico de contato-peça (DBCP) foram mantidas constantes em todos os ensaios, em condições que proporcionaram a transferência metálica no modo de curto-circuito. Esse procedimento foi importante para se avaliar a resistência ao desgaste dos depósitos de solda quando realizados com mesma corrente de soldagem e mesmo volume de metal depositado por comprimento de solda (Valim e Vsold constantes). A corrente média foram obtidas através de um sistema de aquisição de dados.

3 Tabela 2. Parâmetros de soldagem utilizados no processo de soldagem dos revestimentos com os processos de FCAW duplo arame. CONDIÇÃO V SOLD (mm/s) V ALIM (m/min) Im 1 (A) Im 2 (A) TENSÃO (V) DBCP (mm) FeCrC(1) - FeCrC+Nb(2) ,5 363, FeCrC(1) - FeCrC(2) ,8 350, FeCrC+Nb(1) -FeCrC+Nb(2) , Onde: Onde: V sold= Velocidade de soldagem; V alim= Velocidade de alimentação; I m = Corrente média DBCP= Distância bico de contato-peça; Condição (1) indica que é o arame mestre e o (2) indica que é o arame escravo (o que fica atrás). Os corpos de prova para a execução do ensaio de desgaste por roda de borracha foram retirados do meio das chapas revestidas, como ilustrado na Fig.(2). As dimensões dos corpos de prova são 12,7x25x60mm e correspondem às exigidas pela norma ASTM A superfície dos corpos foi retificada após o corte para obter uma superfície plana onde será posicionada a roda de borracha. Figura 2. Extração dos corpos de prova para o ensaio de desgaste. Os ensaios de desgaste foram realizados através da utilização de um abrasômetro Roda de Borracha a seco construído de acordo com o sugerido pela norma ASTM O equipamento, ilustrado na Fig. (3), é recomendado para simulação de desgaste abrasivo de baixa tensão (ensaio tipo B segundo ASTM 65-00). Durante o ensaio se mantiveram as seguintes condições fixas: Dimensões do disco de 12,7 x 228 mm; anel de borracha com dureza de 60 Shore A (espessura de 12,7 mm); a areia Normal Brasileira No. 100 (0,15 mm); rotação do disco de 200 RPM; tempo de ensaio de 15 min; 5 min de pré-desgaste e 10 min de desgaste; carga de 130 N; distância do ensaio de 1436 m. O desgaste foi avaliado em função da perda de peso dos corpos de prova pela comparação entre o peso antes e após o ensaio, através da pesagem em balança eletrônica com resolução de 10-4 g. Antes da pesagem, as amostras foram cuidadosamente limpas e imersas em acetona, em equipamento de limpeza por ultrassom e em seguida, secas com ar quente. O valor da resistência ao desgaste (R desgate), inverso da taxa de desgaste, foi obtida mediante a Eq. (1) com os dados do desgaste (Desg m) ou perda de massa - e a distância (D ensayo) percorrida durante o ensaio igual a 1436 m. (1) Para a avaliação Microestrutural foram extraídas amostras do meio do revestimento as quais foram embutidas, desbastadas com lixa #220, #320, #400, #500, #600, #800, #1200 e polidas com alumina de 1 µm. Posteriormente foram atacadas com reagente água regia por 10s e levadas ao microscópio ótico para revelar os carbonetos e microconstituintes.

4 Figura 3. Abrasômetro Roda de Borracha utilizado para a realização dos ensaios de desgaste. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados da perda massa e da resistência ao desgaste obtido das três amostras revestidas com cada liga e misturas são apresentados na Tab. ( 3) e na Fig. (4). O número (1) indica o arame da frente (arame mestre) e o número (2) indica o arame que fica atrás (arame escravo). Observa-se que a resistência ao desgaste dos ensaios com a presença de nióbio apresentaram valores muito próximos, no ensaio com os dois arames de FeCrC os valores de desgaste em termos de perda de massa ficou maior, isto é, menor resistência ao desgaste. Desta forma, o melhor resultado foi da condição na condição FeCrC+Nb(1) - FeCrC+Nb(2), seguido pela condição FeCrC(1) - FeCrC+Nb(2) e a condição FeCrC(1) - FeCrC(2). Tabela3. Perda de massa e resistência ao desgaste das ligas utilizadas no revestimento. CONDIÇÃO FeCrC(1)- FeCrC+Nb(2) FeCrC(1)- FeCrC(2) FeCrC+Nb(1)- FeCrC+Nb(2) PERDA CP DE MASSA (mg) 01 35, , , , , , , , ,70 DESGASTE MEDIO (mg) Desvio Padrão TAXA DE DESGASTE (mg/m) Desvio Padrão RESISTENCIA AO DESGASTE (mg/m) -1 Desvio Padrão 29,9 3,89 0,0208 4,89 48,08 5,9 40,6 2,67 0,0283 3,67 35,37 4, 7 29,2 3,33 0,0203 4,33 49,18 5, 3 Garcia (2011), realizou ensaios de Roda de Borracha no material FeCrC+Nb, em condições de aplicação semelhante a este trabalho, porém com utilização de apenas uma arame eletrodo e com tecimento. Este autor encontrou para este material uma perda de massa de 44,96 mg com uma diluição de 24,5%, valores muitos próximos a este trabalho. Lima e Ferraresi ( 2009) realizaram ensaios com o arame eletrodo FeCrC em rodas de borrachas e também em condições de soldagem semelhante a este trabalho, foi obtido uma perda de massa de 186,7 mg em uma diluição de 24%, bem acima do encontrado nesta pesquisa. Estes fatos apresentados pela literatura mostram que os valores encontrados neste trabalho estão plenamente adequados, e que a utilização do duplo arame no processo FCAW é viável para aplicação de revestimento duro. Segundo Garcia (2011), uma possível diminuição da resistência ao desgaste nas amostras revestidas pode ser atribuída à elevada presença de trincas transversais a direção de desgaste e porosidades onde as partículas abrasivas podem-se adentrar e, somadas com a compressão imposta pelo disco de borracha provocam um desgaste mais acentuado na extremidade de saída. Este fenômeno pode ser observado na Fig. (5) onde a trilha deixada pelas partículas abrasivas no sentido de deslocamento na extremidade de cada descontinuidade, indicado pela seta amarela na figura, é acentuada em todas as amostras revestidas.

5 Figura 4. Resultados da perda de massa e da resistência ao desgaste abrasivo de cada revestimento. Figura 5. Imagens, em tamanho natural, de uma amostra de cada revestimento feitas após o ensaio de desgaste com abrasômetro de Roda de Borracha. a) FeCrC - FeCrC+Nb, b) FeCrC - FeCrC e c) FeCrC+Nb - FeCrC+Nb. A Fig. (6) apresenta o perfil do revestimento para as três condições apresentada neste trabalho, onde é possível verificar a presença de trincas e porosidades superficiais em todas as ligas. A Tab. (4) apresenta os resultados das medidas dos perfis dos revestimentos, onde se verifica a semelhança entre os valores obtidos, com pequenas variações também na diluição, fato esperado em função de se utilizar as mesmas condições de aplicação do revestimento. Observa-se que os valores de dureza obtidos se encontram todos dentro da faixa especificada pelo fabricante para depósitos em uma camada e que a dureza média dos revestimentos variou de 57 a 60 HRC. Dentre as condições, a maior dureza média foi obtida pela combinação FeCrC+Nb - FeCrC+Nb, seguido da FeCrC (1) - FeCrC (2) e da FeCrC (1) - FeCrC+Nb (2). Esse resultado concorda com Lima (2008), segundo o qual, apesar da influência predominante da microestrutura na resistência ao desgaste, quando se trata de abrasão à baixa tensão, a maior resistência ao desgaste é obtida com o emprego de ligas de maior dureza. Conclusão similar também foi obtida por Martins Filho (1995), o qual considerou o parâmetro dureza importante para o provimento de maior resistência ao desgaste abrasivo de baixa tensão em uma mesma liga (Fe-Cr-C-Mn-V). CONDIÇÃO Tabela 4. Valores medidos dos perfis do revestimento para as três ligas utilizadas. Largura (mm) Reforço (mm) Penetração (mm) Área Fundida (mm 2 ) Área de Reforço (mm 2 ) Diluição (%) Dureza (HRC) Desvio Padrão FeCrC (1) - FeCrC+Nb (2) 34,12 3,07 2,96 47,57 83,41 36, ,55 FeCrC (1) - FeCrC (2) 29,83 2,91 2,85 55,36 76,06 42, ,25 FeCrC+Nb (1) - FeCrC+Nb (2) 34,23 2,63 2,36 51,21 77,61 39, ,69

6 As microestruturas dos três revestimentos feitos são apresentadas na Fig. (7). A Fig. (7a) corresponde à microestrutura resultante do revestimento feito com a liga FeCrC+Nb - FeCrC+Nb, pode-se observar a presença de carbonetos do tipo M 7C 3 junto com a presença em todo o volume de carbonetos de nióbio NbC distribuídos aleatoriamente na matriz. A Figura (7b) apresenta a microestrututa do revestimento FeCrC + FECRC+Nb, pelo figura a microestrutura apresentada concorda com o observado por Lima e Ferraresi (2009) e Chotěborský et al. (2008) segundo os quais as ligas FeCrC com adição de Nb apresentam características similares às apresentadas pelas ligas FeCrC com carbonetos M 7C 3 ricos em cromo imerso numa matriz hipereutéticas, mas com a presença de carbonetos primários do tipo MC ricos em nióbio (NbC). Estes carbonetos (NbC), apresentam formatos semelhantes a geometrias quadradas ou hexagonais. (a) FeCrC FeCrC+Nb (b) - FeCrC - FeCrC (c) FeCrC+Nb FeCrC+Nb Figura 6. Superfície transversal do revestimento das ligas utilizadas: (a) FeCrC FeCrC+Nb; (b) - FeCrC FeCrC; (c) FeCrC+Nb FeCrC+Nb. Figura 7. Microestruturas dos revestimentos, a) FeCrC+Nb - FeCrC+Nb, b) FeCrC - FeCrC+Nb e c) FeCrC FeCrC com aumento de 500X.

7 A Fig. (7c) ilustra a microestrutura obtida com a condição FeCrC-FeCrC. Observa-se que o revestimento apresentou uma microestrutura com crescimento dendritico, formada por dendritas de austenita em matriz eutética (austenita mais carbonetos) formando uma camada composta por carbonetos hexagonais primários (M 7C 3), sem uma orientação preferencial, imersos na matriz. 4. CONCLUSÕES Os ensaios mostraram que o processo FCAW Duplo Arame é adequado a aplicação de revestimento duro, obtendo resultados semelhantes aos aplicados com o Arame Tubular simples (somente um arame eletrodo). Os revestimentos duros analisados no presente trabalho oferecem uma boa alternativa para a recuperação dos componentes submetidos ao desgaste abrasivo como as facas picadoras presentes no processo do tratamento da cana de açúcar. Em especial o revestimento feito com FeCrC+Nb-FeCrC+Nb cuja microestrutura está formada por carbonetos de Nióbio numa matriz austenítica, apresentando a melhor resistência ao desgaste (menor perda de massa) durante o ensaio de desgaste de baixa tensão em abrasômetro de roda de borracha. A microestrutura obtida nos revestimentos feitos com a condição FeCrC- FeCrC+Nb é formada por carbonetos primários dos tipos M 7C 3 ricos em cromo e carbonetos de nióbio (NbC) distribuídos de forma aleatória na matriz. Apresentou resistência ao degaste próxima a obtida pela combinação FeCrC+Nb - FeCrC+Nb de melhor desempenho. O resultado da combinação de FeCrC-FeCrC sugere a formação de carbonetos hexagonais primários (M 7C 3), sem uma orientação preferencial, imersos na matriz. Corresponde a menor resistência ao desgaste (maior perda de massa) apresentada nas amostras revestidas com estas ligas. 5. AGRADECIMENTOS Os autores expressam o seu agradecimento às instituições que apoiaram para realização deste trabalho, FAPEMIG, CNPq, CAPES e UFU. 6. REFERÊNCIAS Choteborsky, R., Hrabe, P., Muller, M., Ssavrova, J., Jirka, M abrasive wear of high chromium Fe -Cr-C hardfacing alloys, Research in Agricultural Engineering, Vol 54, pp Espinosa et. al, Análisis de la falla por Fadiga de las Cuchillas Picadoras de Caña del CAI. Ciudad Caracas. 9na. Convención Internacional de las Industrias Metalúrgicas, Mecânicas y del Reciclaje - METANICA. Havana, Cuba. 19 de julio, Fan, C., Chen M., Chang, C., Wu, W Microstructure change caused by (Cr,Fe)23C6 carbides in high chromium Fe Cr C hardfacing alloys, Surface & Coating Technology, 201, pp Garcia, D. B. C Aplicação de revestimento duro utilizando processo arame tubular com e sem adição de arame não energizado para diferentes tipos de consumíveis. Dissertação de mestrado, universidade federal de Uberlândia, Uberlândia MG, Brasil LIMA, Aldemir C Estudo da aplicação de revestimento duro por soldagem com arames tubulares quanto à resistencia ao desgaste de facas picadoras de cana-de-açúcar. Tese de doutorado, universidade federal de Uberlândia, Uberlândia MG, Brasil.232 p Lima, A.C. e Ferraresi, V.A Avaliação da resistência ao desgaste de facas picadoras de cana de açúcar revestida com arames tubulares autoprotegidos, V COBEF Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Belo Horizonte, MG, abril de Martins Filho, A. S Soldagem de Revestimentos com Arame Tubular. Universidade Federal de São Carlos. Dissertação de Mestrado. 93 p Motta, M. F.; Dutra, J. C Efeitos das Variáveis do Processo MIG/MAG Duplo Arame com Potenciais Isolados nas Características Geométricas do Cordão de Solda. Soldagem & Inspeção, Vol. 10, Nº. 01, Jan/Mar Prico, M Revestimentos Protetores contra Desgaste. Soldagem de Manutenção. ABS ABRAMAN. p , Santos, A. S.; et al, Soldagem na Indústria Sucroalcooleira. Revista da Soldagem. Ano I, n. 7, p , Scotti, A., Ponomarev, V.; Soldagem MIG/MAG, Editora ArtLiber, ÚNICA, União da indústria de cana de açúcar, Acesso em 17 de dezembro de Yang, K., Yu, S., Li, Y. and Li, C Effect of carbonitride precipitates on the abrasive wear behaviour of hardfacing alloy, Aplied Surface Science, 254, pp DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.

8 APPLICATION OF TWO TYPES CONSUMABLES OF HARD FACING WITH THE PROCESS FCAW DOUBLE WIRE Daniel Dominices Baía Gomes de Souza, 1. Valtair Antônio Ferraresi, 1. 1 Universidade Federal de Uberlândia, UFU/FEMEC, Av. João Naves de Ávila 2121, Campus Santa Mônica, CEP , Uberlândia, MG. Abstract: The application of hardfacing brings the reduction of the wear and therefore increases service life of components and reducing the maintenance shutdowns. This work aims to study the wear resistance of hardface applied by welding, using the process FCAW (Flux- Cored Arc Welding) Double Wire, wire self-protected tubular electrode. Two types of consumables are used (FeCrC and FeCrC + Nb), diameter 1.6 mm. The coating was applied by welding on a steel SAE 1020 with transfer mode in short circuit, with the same current value and the welding voltage. Were compared the deposits made with each consumable and mixed. Were constructed specimens for the evaluation of wear in the laboratory with Rubber Wheel according to ASTM G The wear evaluation was made via mass loss. Were also carried analysis and hardness of the coating microstructure. The best wear resistance results were obtained with the use of two wires electrode same composition (FeCrC + Nb). The presence of Nb in the coating improves the wear resistance with the assay used in this study Keywords: Hardfacing, FCAW Double Wire, Wear Resistance, Welding Process