III Seminário da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp - Bauru

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1 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NO ENCRUAMENTO PROVENIENTE DO PROCESSO DE USINAGEM NOS AÇOS HADFIELD Guilherme da Rocha Lima Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp Bauru Prof. Dr. Carlos Alberto Soufen Orientador Depto de Engenharia Mecânica Unesp Bauru RESUMO Com o mercado mundial cada vez mais exigente e qualificado, a informação tornouse um artefato de extrema importância para quaisquer produtores que desejam fazer parte deste cenário. Conhecer aquilo que se produz e comercializa, é de fundamental importância para otimizar os custos de produção, potencializar suas capacidades, reduzir perdas, modernizar processos, enfim, tornar o produto competitivo de acordo com os moldes atuais. Sendo assim, um estudo que possibilite agregar aos conhecimentos já descobertos até o presente, novas informações ou esclarecimentos, sobre a influência da composição química deste material, no encruamento produzido pelos processos produtivos e aplicações industriais, será de importância e benefício significativos para os diversos ramos que se utilizam deste produto. O aço manganês austenítico Hadfield, apresenta baixa resistência e alta ductilidade, apresenta microestrutura que consiste de austenita metaestável. É também extremamente importante, a habilidade de encruamento: de uma dureza inicial de 240 HB atinge aproximadamente 500 HB (51 HRC). O reticulado CFC tem 12 sistemas equivalentes de deslizamento e deformação, o qual é igualmente provável em todo sistema e rapidamente causa empilhamento das deslocações. Como o processo é continuo o aumento da dureza afeta o metal, produzindo aumento da resistência à abrasão. Então o melhor desempenho do aço manganês é obtido quando as condições externas de uso, causam extremo encruamento da superfície do componente, motivando o uso em aplicações que requerem alta resistência à abrasão e desgaste. Se, acontece trinca em serviço da camada encruada, esta será rapidamente contida porque a camada interna, não encruada, e sim tenaz. PALAVRAS-CHAVE: Composição, Usinagem, Aço Hadfield.

2 1 INTRODUÇÃO O original do aço austenítico manganês, contendo cerca de 1,2% C e 12% Mn, foi inventada por Sir Robert Hadfield, em Foi único na medida em que, combinando alta tenacidade e ductilidade com alta capacidade de endurecimento em trabalho, normalmente, boa resistência ao desgaste. Conseqüentemente, ele rapidamente ganhou uma aceitação muito útil como material de engenharia. O aço Hadfield manganês austenítico é ainda amplamente utilizados, com pequenas modificações na composição e tratamento térmico, principalmente nas áreas de terraplenagem, minas e pedreiras, bem como perfuração de petróleo, siderurgia, dragagem, a exploração florestal, e na fabricação de cimento e produtos de argila. Também são utilizados em equipamentos de manuseio e processamento térreo de materiais (tais como britadores, moinhos de trituração, dragadores, escavadoras baldes e dentes, e bombas para a movimentação de cascalho e rochas). Muitas variações do original aço austenítico manganês têm sido propostos, muitas vezes inaproveitados, mas apenas algumas foram adotadas como melhorias significativas. Estes geralmente envolvem variações de carbono e de manganês, com ou sem outras ligas, como cromo, níquel, molibdênio, vanádio, titânio, e até bismuto. Com o mercado mundial cada vez mais exigente e qualificado, a informação tornouse um artefato de extrema importância para quaisquer produtores que desejam fazer parte deste cenário. Conhecer aquilo que se produz e comercializa, é de fundamental importância para otimizar os custos de produção, potencializar suas capacidades, reduzir perdas, modernizar processos, enfim, tornar o produto competitivo de acordo com os moldes atuais. Sendo assim, um estudo que possibilite agregar aos conhecimentos já descobertos até o presente, novas informações ou esclarecimentos, sobre a influência da composição química deste material, no encruamento produzido pelos processos produtivos e aplicações industriais, será de importância e benefício significativos para os diversos ramos que se utilizam deste produto. O aço manganês austenítico Hadfield, apresenta baixa resistência e alta ductilidade, apresenta microestrutura que consiste de austenita metaestável. É também extremamente importante, a habilidade de encruamento: de uma dureza inicial de 240 HB atinge aproximadamente 500 HB (51 HRC). O reticulado CFC tem 12 sistemas equivalentes de deslizamento e deformação, o qual é igualmente provável em todo sistema e rapidamente causa empilhamento das deslocações. Como o processo é continuo o aumento da dureza afeta o metal, produzindo aumento da resistência à abrasão. Então o melhor desempenho do aço manganês é obtido quando as condições externas de uso, causam extremo encruamento da superfície do componente, motivando o uso em aplicações que requerem alta resistência à abrasão e desgaste. Se, acontece trinca em serviço da camada encruada, esta será rapidamente contida porque a camada interna, não encruada, e sim tenaz. Este trabalho tem como principal objetivo, verificar o efeito da composição química no encruamento provocado pela usinagem do aço manganês austenítico (Hadfield), de olho numa possível correlação entre as condições de resistência ao desgaste com a composição química.

3 1.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA Nas ligas comerciais o carbono varia usualmente de 1,0 a 1,4% e o manganês de 10 a 14%. Existe uma tendência de se trabalhar com teores médios de C e Mn porque o limite inferior está associado com propriedades de resistência inferiores e o limite superior não apresenta vantagens econômicas. [Bain, 1932] Carbono Um teor em carbono mais baixo ajuda evitar a redução da resistência a tração e ductilidade. Gerada pela dificuldade em manter todo o carbono em solução sólida. Entretanto teores superiores a 1,2 % são geralmente utilizados, mesmo com a redução à dutilidade, pois tem-se um aumento na resistência ao desgaste abrasivo. Dificilmente são utilizados teores maiores do que 1,4%, pois seriam prejudiciais a resistência mecânica e dutilidade, de forma que a estrutura livre de carbonetos nos contornos de grãos seria muito difícil. Diz-se do ideal, que a porcentagem de carbono fique em torno de 10% da porcentagem de manganês [Avery, 1954] Manganês O manganês apresenta contribuição vital na estabilização da austenita. Atua atrasando a transformação da austenita. Entre os limites de 10 a 14%, não tem quase nenhum efeito sobre o limite de escoamento, mas apresenta benefícios para o limite de resistência à tração e dutilidade, tornando-os estáveis em torno de 12%, embora algumas melhorias ainda ocorrem até 13%. Abaixo de 10% as propriedades de resistência declinam rapidamente para, talvez, metade dos valores normais até níveis de aproximadamente 8%. Um teor mínimo de 11% é desejável, o máximo é arbitrário até 20%, e depende, provavelmente, mais do custo da liga do que dos resultados metalúrgicos, desde que propriedades aceitáveis sejam obtidas [Avery, 1949] Silício No final da elaboração, o aço pode conter óxido de manganês em silício, o que diminui o alongamento e favorece a formação de trincas. Apesar de frequentemente não exceder 1%, pode ser empregado até 2%, para produzir um moderado aumento de limite de escoamento e resistência ao escoamento plástico sob impactos repetitivos. Em torno de 2,2% inicia-se uma redução acentuada na tração e na ductilidade. Com 2,3% o material torna-se inutilizável para a maioria das aplicações. Abaixo de 0,10% causa redução de fluidez [Avery, 1949] Fósforo Sua aplicação varia de 0,04% a 0,07%. Entretanto acima de 0,06%, aumenta a fragilidade a quente e baixo alongamento, sendo responsável pela fratura em altas temperaturas, de peças fundidas, como na operação de retirada de massalotes grandes e durante operações de soldagem. O fósforo deve ser limitado a 0,03% para prevenir trincas [Avery, 1949].

4 1.1.5 Cromo A adição de cromo em seções pesadas em 2%, assemelha-se ao carbono, reduzindo a ductilidade devido ao aumento na fração volumétrica de carbonetos na microestrutura do material. Apesar de apresentar uma melhoria na resistência à corrosão por desgaste e aumento no limite de escoamento, reduz o limite de resistência. Sendo o máximo teor em 6%, na prática não é utilizado em mais de 3% [Avery, 1949] Molibdênio Quando empregado de 0,5% a 2%, seu aumento melhora a tenacidade e a resistência à fratura, mas isso apenas no estado bruto de fusão. Também tem-se um incremento no limite de escoamento. A adição a níveis maiores do que 1%, pode representar um aumento com relação à susceptibilidade à fusão incipiente, durante tratamento térmico [Bain, 1956]. A níveis maiores do que 2%, ocorre uma redução do limite de resistência, entretanto esse teor é raro na indústria. Ainda ocorre um aumento do limite de escoamento até 2% [Avery, 1954] Titânio Pode reduzir carbono na austenita, formando carbonetos muito estáveis. O resultado nas propriedades, pode simular aqueles de menor teor de carbono. Também pode neutralizar o efeito do excesso de fósforo. Um dos fenômenos indesejáveis que pode ocorrer nos aços austeníticos é a corrosão intergranular, devido à precipitação de carbonetos muito estáveis. Um dos meios de evitá-la é, como se mencionou, pela adição de titânio, pois esse elemento fixa o carbono na forma de carbonetos de titânio, assemelhando-se aqueles de menor teor de carbono. Entretanto altos níveis geram perda de dutilidade. As adições abaixo de 0,1% refinam os grãos nos aços [Bellon et al., 1992] Enxofre Este elemento apresenta rara influência nas propriedades do aço Hadfield. O manganês elimina o enxofre, fixando-o na forma de inclusões, tipo sulfeto. O alongamento dessas inclusões pode contribuir para propriedades direcionar em materiais especiais [Oliver et al., 1956]. Bom é mantê-lo em níveis o mais baixo possível, de forma a reduzir as inclusões na microestrutura, pois são potenciais para nucleação de trincas por fadiga em serviço [Avery, 1949].

5 1.2 Tratamento térmico Geralmente necessário antes de se colocar em trabalho o aço manganês, pois no estrado bruto de fusão encontram-se carbonetos presentes na estrutura solidificada, fragilizando o material. O tratamento térmico irá dissolver ou solubilizar esses carbonetos. A solubilização, tratamento térmico mais geral para esse aço, consiste em austenitização seguida de resfriamento rápido em água agitada [Bain, 1932]. O aquecimento é lento até 1010ºC 1110ºC e a manutenção é de 1h a 2h por polegada de espessura, seguida do rápido resfriamento em água agitada [Chipman, 1964]. 1.3 Encruamento Sabe-se que os metais não são materiais perfeitos e homogêneos, na estrutura cristalina dos mesmos apresenta diversos defeitos como, defeitos pontuais (átomos de solução sólida substitucional ou intersticial), planares (contornos de grão) ou lineares (discordâncias). As discordâncias são as arestas de superfícies onde existe um deslocamento relativo dos planos atômicos do metal, normalmente representada por meio da linha de sua aresta. A movimentação das discordâncias é feita a um nível de energia muito menor do que aquela necessária à ruptura dos metais, sendo que cada discordância que se move, produz uma pequena deformação irreversível no metal, deformação plástica. Porém, durante a movimentação das discordâncias no interior de um material metálico, dois eventos ocorrem de modo a atrapalhar cada vez mais a movimentação das discordâncias à medida que mais deformação plástica é imposta ao metal: intersecção das discordâncias com obstáculos (outras discordâncias, contornos de grão precipitados e outros); multiplicação do número de discordâncias. Os dois eventos tornam a continuidade da movimentação das discordâncias cada vez mais difícil. Isto quer dizer que, à medida que a deformação plástica progride, mais provável que as discordâncias em movimento encontrem obstáculos à sua movimentação, que será dificultada, e mais endurecido torna-se o metal. O fenômeno do aumento do limite de escoamento do metal, ou o seu endurecimento, com a deformação plástica imposta dá-se o nome de encruamento. O encruamento que se verifica no aço-manganês austenítico, quando em serviço eleva a sua dureza de cerca de 200 Brinell no estado tratado (resfriado em água) a HB. Provavelmente nenhum outro aço supera o aço Hadfield na capacidade de endurecer pelo encruamento [Aços-manganês austeníticos, infomet., disponível em

6 2 METODOLOGIA O material a ser utilizado será fundido nas respectivas composições de acordo com a tabela abaixo. Tabela 1 Composição das ligas a serem estudadas Ligas Hadfield Composição XT 520 XT 610 XT 710 XT 720 Carbono (C) 1,00/1,10 1,10/1,25 1,15/1,35 1,30/1,50 Manganês (Mn) 11,50/14,00 11,50/14,00 17,00/18,5 18,50/22,50 Silício (Si) 0,40/0,80 0,40/0,80 0,70/1,10 0,70/1,10 Fósforo (P) 0,045 máx 0,055 máx 0,05 máx 0,05 máx Enxofre (S) 0,045 máx 0,045 máx 0,05 máx 0,05 máx Cromo (Cr) 0,60 máx 1,30/1,70 1,75/2,50 2,00/3,00 Molibdênio (Mo) 0,40/0,65 Titânio (Ti) 0,10/0,20 De posse das ligas, já em suas respectivas composições, será feito o corte para a retirada dos corpos de prova. Estes serão usinados e preparados para os tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento. Posteriormente os corpos de prova serão submetidos ao processo de fabricação de aplainamento. Na seqüência será feito novo corte e embutimento seguido do processo de lixamento e polimento, para a análise metalográfica através da microscopia óptica. As amostras também serão submetidas ao ensaio de desgaste e após esses procedimentos será aferida a medida de dureza e microdureza, para que finalmente possam ser feitas as análises e interpretações sobre a influência da composição química nos processos de fabricação. 2.1 Tratamento térmico As amostras serão submetidas aos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento. A solubilização é o aquecimento em forno do tipo mufla entre as temperaturas de 1010ºC e 1090ºC com manutenção de 2 horas e resfriamento em água agitada à temperatura ambiente. Já o envelhecimento é feito na temperatura média de 510ºC com manutenção de 3 horas e o resfriamento é feito ao ambiente. 2.2 Usinagem dos materiais As quatro composições do aço Hadfield serão usinadas pelo processo de aplainamento. Inicialmente será feita uma limpeza superficial, retirando uma fina camada de material, com o objetivo de eliminar a superfície descarbonetada pela ação do ambiente. Em seguida serão retiradas pequenas camadas superficiais (máximo 1mm) de material com o objetivo de gerar encruamento na superfície trabalhada, de forma que tal efeito possa ser analisado posteriormente de acordo com cada composição.

7 2.3 Ensaios de desgaste Serão analisadas as condições de desgaste abrasivo do aço Hadfield no ensaio de pino contra disco. O sistema reproduz condições de abrasão em baixas tensões, pois consiste num braço em cuja ponta é fixada a amostra, sendo então comprimido contra um disco dotado de material abrasivo, cuja granulometria ainda será definida,. A amostra é comprimida contra o disco em rotação, e as condições de resistência ao desgaste são analisadas em função do volume da perda de massa do material. 2.4 Metalografia dos materiais Para a análise metalográfica as amostras trabalhadas devem ser cortadas, embutidas em resina para porterior lixamento. Neste último processo serão utilizadas lixas d`água de granulometria decrescente, iniciando com 80 e a seguir com 120, 220, 320, 400, 500, 600 e Usa-se água corrente sobre as lixas e deve-se executar o processo de modo garantir planicidade da superfície, para que esta possa ser posteriormente observada no microscópio óptico. Na mudança de granulometria, deve-se observar a mudança de direção de lixamento de aproximadamente 90 em relação à direção anterior. A operação em cada lixa deve ser feita até o desaparecimento completo dos riscos deixados pela lixa anterior. Antes de iniciar o polimento, o corpo de prova deve ser limpo em água corrente com auxílio de um chumaço de algodão. O polimento pode ser feito utilizando uma solução de alumina ou através de pasta de diamante. Após o polimento será feito o ataque químico na superfície da amostra a ser analisada mergulhando-a em um reagente por alguns segundos, de forma que os contornos dos grãos fiquem mais evidentes, e que as diferentes regiões possam ser analisadas. As análises serão feitas no microscópio óptico. 2.5 Microdureza Finalmente as amostras serão submetidas ao ensaio de microdureza na tentativa de correlacionar a profundidade do efeito superficial gerado pelo processo de fabricação com a composição química do material. Na microdureza emprega-se geralmente uma carga menor que 1 kgf, utilizando-se um penetrador de diamante, produzindo uma impressão microscópica. É importante que a superfície do corpo de prova seja plana e polida. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO As figuras 1 e 2 são microestruturas feitas das amostras após cada tratamento de solubilização em 2 e 4 horas respectivamente. Na figura 1, entre as ligas a XT 520, c XT 710 e e XT 720, verifica-se que a amostra com titânio, mais cromo e mais carbono, foto e XT 720, apresenta menor tamanho de grão, carbonetos mais refinados e em menor quantidade que na amostra da liga c XT 710 e a XT 520. A falta do Ti e Mo na liga c XT 710 é demonstrada pelo maior tamanho de grão do que a foto e e a respectivamente, enquanto a amostra da liga a XT 520 com Mo, menos Cr e menos C, mostra-se mais homogênea na matriz, mas ainda com carbonetos para solubilizar (seta indicativa), mostrando que a solubilização na temperatura de 1080 ºC em 2 horas não foi o suficiente para total dissolução de carbonetos.

8 Figura 1 Metalografia das amostras em três composições solubilizadas durante 2 horas (a XT 520; b XT 710; e XT 720) (Aumento 100 x) Na figura 2, as mesmas discussões anteriores são cabíveis. Na comparação do tempo de solubilização entre as figuras 1 e 2, verifica-se que a microestrutura das amostras solubilizadas em 4 horas estão mais homogêneas. As análises destas fotomicrografias em conjunto com a tabela II de dureza demonstram que, a princípio, a liga XT 520 é mais resistente que e XT 710 e a XT 720, mesmo na condição solubilizada. As amostras XT 720 com seus carbonetos dispersos possam funcionar como elementos altamente resistentes ao desgaste, mas com menor fragilidade que as amostras XT 520, provenientes dos carbonetos de molibdênio. Figura 2 Metalografia da solubilização feita durante 4 horas (b XT 520; d XT 710; f XT 720) (Aumento 100 x) Analisando-se as figuras 3 e 4 que mostra as metalografias das amostras envelhecidas em 3 horas com 2 horas de solubilização e 4 horas de solubilização, verifica-se que a amostra XT 520 possui mais carbonetos em forma de agulhas no interior dos grãos, o que demonstra mais uma vez que a solubilização nesta liga não foi efetiva, e que no envelhecimento precipitou-se carbonetos no interior do grão, indicando provavelmente uma maior resistência ao desgaste, mas em compensação uma maior fragilidade, pois as pontas destes carbonetos, com raios muito pequenos, significam uma maior concentração de tensão e fragilização. As fotos k e l mostram a liga XT 720 envelhecidas e solubilizadas em 2 e 4 horas, de maior homogeneidade que as anteriores, o que demonstra a efetividade do Ti nesta liga, caracterizando que esta liga é mais interessante do que as anteriores em relação a propriedades e tenacidade.

9 Figura 3 Metalografia do envelhecimento feito durante 3 horas, posterior ao tratamento de solubilização por 2 horas. ( g XT 520, i XT 710 e k XT 720) (Aumento 200 x) Figura 4 Metalografia do envelhecimento feito durante 3 horas, posterior ao tratamento de solubilização por 4 horas. ( h XT 520, j XT 710 e l XT 720) (Aumento 200 x) A liga XT 520 envelhecida em 3 horas demonstrou-se mais dura, isto provavelmente pela verificação anterior de maior número de carbonetos em forma de agulhas no interior dos grãos. Já a liga XT 710 apresentou valores intermediários, porém com uma granulação muito grosseira, não sendo assim interessante, enquanto a XT 720 manteve-se com os carbonetos nos contornos dos grãos. A liga XT 520 solubilizada em 2 horas apresentou maior dureza motivado pelo elemento de liga Mo em sua composição, enquanto a liga XT 710 foi a de menor dureza proveniente da maior facilidade de dissolução dos carbonetos de cromo, já a XT 720 foi de dureza intermediaria proveniente de maior quantidade de carbono e o elemento de liga Ti. Para a solubilização em 4 horas o mesmo raciocínio é válido, observação deve ser feita em relação a XT 720, que obteve-se menor dureza pois em 4 horas ouve total dissolução do carboneto de titânio. Nas amostras envelhecidas tanto nas amostras solubilizadas em 2 horas como nas solubilizadas em 4 horas a liga XT 520 foi a que produziu maior dureza isto em função da formação do carboneto de molibidenio formado na precipitação. Já a liga XT 720 solubilizada em 2 e 4 horas e posteriormente envelhecida em 3 horas, promoveram durezas intermediarias se comparadas a XT 520 e XT 710 isto porque que precipitou foi o carboneto de titânio.

10 Tabela 2 Resultados do ensaio de dureza (* amostras solubilizadas em 2h, ** amostras solubilizadas em 4h) Dureza (HB)/Composição Tratamento Térmico XT 520 XT 710 XT 720 Solubilização (2h) Solubilização (4h) Envelhecimento (3h)* Envelhecimento (3h)** CONCLUSÕES Conclui-se pela análise das fotomicrografias que existe uma relação na formação de carbonetos com as ligas XT 520. Esta relação induz a uma condição de encruamento mais efetiva, resistindo mais ao desgaste, no entanto mais frágil que a XT 710 e XT 720. Outra conclusão retirada das fotomicrografias é a homogeneidade da estrutura no tratamento de solubilização em 4 horas, também mais efetivo que em 2 hora em qualquer uma das ligas no que diz respeito à dissolução dos carbonetos, porém o tamanho de grão foi substancialmente aumentado, tornando assim o tratamento em 2 horas mais interessante, pois o tamanho de grão menor configura propriedades mecânicas superiores a dos carbonetos formados. Além disso, o envelhecimento demonstrou-se ser menos atuante nas ligas XT 710 e XT 720, pelo menor volume de precipitados e menor dureza do que a liga XT REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] AVERY, Howard S. Austenitic manganese steel. ASM Handbook, v.1, p , [2] SEMINÁRIO DO PROJETO SENAI/CEFET-JICA: novas tecnologias para pequenas e médias indústrias de Fundição, Itaúna, [3] TASKER, J. Austenitic manganese steel fact and fallacy. SCRATA, cap.15, (s.1.), (s.d.) 12p. [4] ISORÉ, Alain Jean; ABDALLA, T.C.; Aleixo, Carmo, Influência do Nitrogênio, Tamanho de grão e encruamento sobre o limite de escoamento do aço austenítico ao manganês. Metalurgia, v.39, n.305, p , [5] ROTANDRO, R. G; VIEIRA, R.R.; P.S. Pereira da, Efeito do cromo no aço manganês austenítico. Metalurgia, v.36, n.268, p ,1980. [6] BAIN, E.C. Some Fundamentals Characteristics of Stainless Stels Journal of Chemical Industry aug. 5 e [7] PADILHA, A.F. & GUEDES, L.C. Aços inoxidáveis Austeníticos p.170, [8] CANMET, S.K. Austenitic manganese steel. ASM Handbook, v.9, p , 2004.