Investigação das Propriedades da Solda Formada sob Diferentes Parâmetros de Soldagem a Partir da Reciclagem de Cavacos de Titânio

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1 XLII CONSOLDA CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM 28 à 30 de Novembro de 2016 Belo Horizonte MG. Investigação das Propriedades da Solda Formada sob Diferentes Parâmetros de Soldagem a Partir da Reciclagem de Cavacos de Titânio (Investigation and Properties of Welding Formed by Different Parameters using Titanium Chips as Flow) José Gedael Fagundes Júnior 1, Vicente Afonso Ventrella 2, Juno Gallego 2, Alexandre Bracarense 1 1 Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Mecânica, LRSS, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, gedaelfagundes@gmail.com 2 Universidade Estadual Paulista, Departamento de Engenharia Mecânica, MaProTec, Ilha Solteira, São Paulo, Brasil Resumo Grande motivação de danos e falhas em equipamentos mecânicos tem sido causada pelo fenômeno do desgaste, comumente o mecanismo do tipo abrasivo. Desenvolver técnicas de combate e prevenção ao desgaste irá propiciar aumento da vida útil de peças e equipamentos, resultando em redução de custos onerados pela reposição de peças e tempo de parada, dedicados às intervenções de manutenção. A soldagem de revestimentos duros à base de carbonetos de cromo (2150 HV) tem se mostrado com uma alternativa eficiente em aplicações de incidência agressiva do degaste abrasivo, pois propicia uma matriz tenaz (geralmente aços com baixo teor de carbono) e uma superfície de elevada dureza promovida pela deposição da camada dura. O titânio, quando na forma de carboneto, TiC, apresenta dureza superior ao cromo, 2800 HV, tornando assim um grande atrativo na investigação de suas propriedades na utilização como revestimento duro. Resíduos gerados na fabricação de implantes ortodônticos foram beneficiados e utilizados como fluxos de soldagem para a formação de cordões de solda depositados pelo processo GTAW/TIG. Diversas correntes e velocidades de soldagem foram selecionadas para verificar os efeitos de tais parâmetros no comportamento do cordão de solda quanto à geometria, microestrutura e microdureza. Análises obtidas por difração de raios-x comprovaram a formação de carbonetos de titânio no metal de solda. Os cordões de solda apresentaram uma estrutura com elevada concentração de carbonetos de titânio envoltos por uma matriz ferrítica. Os resultados de microdureza indicaram elevação significativa da dureza nas regiões que apresentaram maior densidade de carbonetos. O estudo apresentou resultados relevantes que potencializam a utilização de cavacos de titânio como insumos de soldagem, na formação de revestimentos duros. Palavras-chave: GTAW. Parâmetros de soldagem. Microdureza. Carbonetos. Microestrutura. Abstract: The main purposes for failure and damage in mechanical equipment has been caused by wear phenomenon, manly the abrasive wear. To develop ways to prevent wear, means at the same time, to improve the performance and service life of parts and machines and reducing the costs and time of maintenance intervention. The hardfacing techniques have been applied as one of the best alternatives in applications whereas the abrasive wear is the most aggressive kind of damage. The most common addition metal of hardfacing is composed by Chromium (Cr 7C HV). Although, titanium carbides have some mechanical properties better than chromium carbides such as high hardness (2800 HV) and more chemical stability and then could be applied as addition material for hardfacing. Titanium chips generated on fabrication of orthodontic implants were processed and used as welding flow for the formation of weld deposited by GTAW/TIG. Many current welding and speed welding was selected to investigate the behavior of weld by geometry, microstructure and microhardness. The X- ray diffractions gave the evidence of the formation of TiC in weld. An intensive concentration of TiC were found in weld path surrounded by a ferritic matrix. Hardness has increased in the region where was found a predominant presence of TiC. The tests pointed out relevant results which the application of titanium chip as row material for hardfacing could be an useful alternative. Key-words: GTAW. Welding Parameters. Microhardness. Carbides. Microstructure.

2 1. Introdução A deposição de revestimentos duros por soldagem (hardfacing) tem se mostrado como uma alternativa eficaz para inibição do fenômeno do desgaste, principalmente o mecanismo do tipo abrasivo que é a forma mais comum e causadora de danos maiores. Na composição química dos principais metais de adição voltados para esta finalidade, o cromo é de longe, o elemento químico mais utilizado. Durante a fusão e na presença do carbono, o cromo irá se reagir quimicamente e formar carbonetos metálicos nos quais virão a apresentar alta dureza, estabilidade química e elevado ponto de fusão, sendo estas características fundamentais para resistência ao desgaste [1-6] [1,2,3,4,5,6]. Um material apresentar elevada dureza não significa resistência ao desgaste diretamente. Mas esta é a propriedade mais importante para os revestimentos duros e serve como indicativo de resistência a abrasão na comparação de diversos materiais [1]. Revestimentos formados a base de pós comerciais de titânio como insumos de soldagem, para viabilizar a formação de carbonetos de titânio tem sido estudado por diversos autores [7-13] [7,8,9,10,11,12,13]. O titânio quando na forma de carboneto, TiC, e comparado ao cromo Cr 7C 3 (2150HV) apresenta valores de dureza bem superior (2800 HV), além de ponto de fusão mais elevado e estabilidade química ainda melhor [5,6]. Diversas ligas de titânio, ASTM F67 (titânio puro) [14] e ASTM F136 (Ti6Al4V) [15], têm sido bastante utilizadas na fabricação de aparelhos ortodônticos. Geralmente essas peças são obtidas por processos de usinagem onde é gerado um grande volume de resíduos (cavacos). A grande vantagem destas ligas é que elas são constituídas em sua grande parte de titânio (mínimo de 90% em massa), Tabela 1, tornando assim um grande atrativo no estudo e análise destes cavacos para aplicação em insumos para a formação de elementos resistentes ao desgaste e assim criando soluções alternativas para a reinserção destes resíduos na cadeia produtiva. Por outro lado, mesmo um metal de adição apresentando componentes necessários a formação de uma solda voltada para uma determinada aplicação, os parâmetros utilizados para a soldagem exercem papel fundamental na geometria do cordão e microestrutura da solda produzida e assim devem ser selecionados de forma bastante criteriosa para cada tipo de processo de soldagem, metal de adição (arame, eletrodo, fluxos) e posição, entre outros [16-18] [16,17,18]. O objetivo deste trabalho é analisar os efeitos da variação dos parâmetros de soldagem, velocidade e consequentemente a energia de soldagem a partir da aplicação de cavacos de ligas de titânio como insumos de soldagem no metal de adição para a formação de uma solda a base de carbonetos de titânio a partir da deposição da mistura contendo finos de cavacos das ligas de titânio e carbono (grafite em pó) sobre o metal de base e posteriormente fundidos por soldagem GTAW. A metodologia de deposição em forma de pré-camada (termo utilizado para definir a camada da mistura antes da soldagem) foi adotada para a formação dos cordões de solda [19]. 2. Materiais e Métodos Neste trabalho foram utilizados cavacos gerados na fabricação de implantes ortodônticos, a partir da usinagem de ligas de titânio das classes ASTM F67 (grau 4, titânio puro) e F136 (Ti-6Al-4V) [14,15,20,21]. A Tabela 1 apresenta a composição nominal destas ligas. Tabela 1. Composição química nominal das ligas de titânio [14,15]. Liga Ti Al V Outros Elementos ASTM F67 Bal ,5-0,9 ASTM F136 Bal. 5,60 6,40 3,85 4,15 0,5-0,8 Inicialmente, os cavacos foram submetidos a etapas de limpeza para remoção dos fluidos de corte utilizados nos processos de usinagem. Os cavacos foram deixados imersos em solução de água e detergente, conforme indicado na Tabela 2 e em seguida aplicou-se banhos ultrassônicos para uma limpeza mais aprofundada, sendo o segundo banho ultrassônico com a finalidade de enxague do material. Após a limpeza os cavacos foram deixados em estufa por pelo menos 24 horas para secagem. Foi desenvolvido um dispositivo metálico, composto de peças em granito, para realizar a moagem dos cavacos [22,23]. O processo de moagem possibilitou como resultado, a granulometria dos finos abaixo de 40 mesh (0,42mm), Figura 1. O material obtido como produto da moagem e classificação (finos abaixo de 40 mesh) foram utilizados na mistura com o carbono (grafite) para promover a formação de carbonetos de titânio durante o processo de soldagem. A proporção de cavacos de titânio e o carbono foi definida a partir de cálculos estequiométricos onde foi levado em consideração raio molar dos elementos químicos (mol Ti: mol C =1:1). Houve um acréscimo de 10% da massa do carbono para assegurar que todo o titânio disponível na mistura forme carbonetos. A proporção final em massa m cavacos de titânio/m grafite ficou definida em 10:3 para ambas as ligas de titânio, F67 e F136. Houve uma adição de 2% em massa de silicato de sódio e pequenas adições de água destilada para promover a vitrificação da

3 mistura após a eliminação da umidade. Pré-camada foi o termo adotado para descrever a deposição da mistura depositada sobre o metal de base antes da soldagem e a composição química nominal é apresentada na Tabela 3. Tabela 2. Formulação da solução utilizada na limpeza dos cavacos. Etapa Água [l] Detergente [ml] Tempo mínimo 1º Imersão 10, h 2º Imersão 10, h 1º B. Ultrassônico 0, min 2º B. Ultrassônico 0,5-3 min Figura 1. a) Triturador de cavacos a base de granito. b) Cavacos após usinagem. c) Cavacos moídos e peneirados (40 mesh). Como metal de base foi utilizado barras de aço ASTM A-36 nas dimensões de 76,2 mm x 28 mm x 10 mm, previamente lixadas para remoção da camada oxidada e limpas com álcool etílico. Com a utilização de um molde, Figura 2(a), a mistura foi depositada sobre a superfície do metal de base, formando uma saliência nas dimensões de 76,2 mm x 6 mm x 2,5 mm. Durante a soldagem, entre as amostras foram utilizadas duas barras chatas na espessura de 12,7 mm para abertura e fechamento do arco elétrico fora da pré-camada, Figura 2(b), para evitar efeitos de instabilidade do arco elétrico. Foi utilizada uma fonte de soldagem preparada para o processo de soldagem ao arco tungstênio em atmosfera gasosa (SATG) da marca LINCOLN ELECTRIC modelo PRECISION TIG 225, equipada com um trator de soldagem da marca WHITE MARTINS, modelo MC 46, para fixação da tocha, Figura 2(c). Os parâmetros de soldagem utilizados como referência foram definidos a partir de consultas a trabalhos de diversos autores adaptados aos parâmetros dos equipamentos disponíveis para o desenvolvimento deste trabalho, e assim realizaram-se diversos testes até a formação de cordões de soldas satisfatório para o corte e análise das amostras. Para todo o experimento, foi utilizado corrente de 230 A e tensão de 29 V. Os demais parâmetros estão indicados na Tabela 4. Os cordões formados foram identificados levando em consideração a liga do cavaco, a energia de soldagem (E) e a repetição dos parâmetros, Figura 2(d). Após o corte, as seções as extremidades dos cordões foram descartadas (A e E ). As demais amostras foram identificadas com o código do cordão, Tabela 4, com a adição das letras B, C, D e E, indicando a localização do corte no cordão, Figura 2(e), assim formando um total geral de 96 amostras utilizadas no trabalho. Posteriormente estas amostras foram embutidas em baquelite e encaminhadas para análises macrográficas, ensaios de microdureza e caracterização microestrutural. As amostras centrais foram preparadas no sentido longitudinal do cordão para ensaios de difração de raios-x. Tabela 3. Composição química nominal da pré-camada de cada liga de cavacos (% massa) Liga Ti C Al V Outros elementos F-67 Bal. 22, ,5 F-136 Bal. 22,6 4,5 3,0 2,4

4 O lixamento foi feito a partir de lixa de grana 120 e sequencialmente 220, 320, 400, 600 e 1200 com movimentos alternados de 90 para cada troca de lixa. Foi aplicado um polimento com alumina de 1,0 µm e 0,3µm. O ataque químico para revelação da microestrutura foi feito com NITAL 2%. Banhos ultrassônicos foram aplicados antes e durante a operação do polimento, na troca da granulometria da alumina e também após o ataque químico para eliminar a retenção do reagente dentro dos poros do cordão. As macrografias foram feitas em um estereomicroscópio da marca ZEISS, modelo DISCOVERY V.8. Com estas imagens se fez a análise da geometria do cordão de solda assim como a zona afetada termicamente (ZAT) e o cálculo da taxa diluição (δ) que define o percentual da massa do metal de base que se une ao metal de adição, Figura 2(f), onde são consideradas a área do reforço (A) e a área da penetração (B), Equação 1 [24,25,26]. A microestrutura foi examinada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e as imagens geradas foram analisadas e processadas pelo software ImageJ para análises da forma, tamanho e fração volumétrica das fases presentes. A identificação das fases dos revestimentos foi realizada por difração de raios-x (DRX) usando um difratômetro SIEMENS DL-5005 equipado com tubo de cobre (Cu Kα = 1,5405Ǻ) e monocromador de grafite. A intensidade difratada pelas amostras foi registrada no intervalo entre 20 a 100, varrida com velocidade de 2 por minuto. A identificação das fases foi baseada nas fichas cristalográficas CIF, as quais foram consultadas no banco de dados do Inorganic Crystal Structure Database [27]. Por meio de um ultramicrodurômetro digital da marca SHIMADZU, modelo DUH 211S, foram determinadas medidas equivalentes de microdureza Vickers HV*, conforme estabelecido na norma ISO [28]. A medida HV* é determinada a partir da dureza sob carregamento máximo e considerando o indentador Vickers com geometria ideal. A carga máxima utilizada para os ensaios foi de 1N (HV0,1), mantida durante 5 segundos. Para levantamento da variação de microdureza nos cordões de solda, as medidas foram feitas com um espaçamento de 0,2 mm, até atingirem o metal de base. Para fins estatísticos o cálculo da média foi baseado numa série de quatro medições. A microdureza da matriz e dos carbonetos de titânio na solda também tiveram a microdureza analisada. Para estes últimos ensaios a carga utilizada nos ensaios foi de 0,1N (HV0,01). O motivo de utilizar uma carga inferior foi pelo fato de preservar o carboneto durante o ensaio. Tabela 4. Identificação dos cordões de solda com referência nos parâmetros de soldagem. Liga F67 Liga F136 Cordão v [mm/s] E [kj/mm] Cordão v [mm/s] E [kj/mm] P ,8 L ,8 P ,8 L ,8 P ,8 L ,8 P ,8 L ,8 P ,5 L ,5 P ,5 L ,5 P ,5 L ,5 P ,5 L ,5 P ,1 L ,1 P ,1 L ,1 P ,1 L ,1 P ,1 L ,1 3. Resultados e Discussão 3.1. Formação dos cordões de solda B.100 A B Os cordões formados a partir da fusão da mistura com cavacos de titânio apresentaram aspectos típicos daqueles obtidos por soldagem GTAW. As variações na forma e geometria encontradas nos cordões de solda foram resultantes dos diferentes parâmetros de soldagem. A Figura 3 apresenta alguns exemplos dos cordões formados a partir dos cavacos das ligas ASTM F67 (titânio puro) e ASTM F136 (Ti6Al4V). Pode-se notar que a medida que a velocidade de soldagem é reduzida (aumento da energia de soldagem), houve uma tendência a melhorar o acabamento da solda, formando cordões uniformes e sem regiões com ausência de metal de solda. Nas macrografias de seções, Figura 4 pode se observar algumas descontinuidades no cordão tais como porosidades, falta de fusão e trincas na linha de solda com o metal de base. Trincas surgiram como consequência da alta corrente (230A) e a alta taxa de resfriamento durante a solidificação da poça de fusão [29]. Os testes experimentais em cordões depositados com correntes mais baixas formaram soldas com má qualidade, não possibilitando a formação (1)

5 de amostras. A corrente elétrica é um dos parâmetros de maior significância na soldagem afetando a geometria do cordão de solda, penetração e consequentemente a taxa de diluição [30]. Para revestimentos duros depositados por soldagem GTAW, a literatura recomendo que as taxas de diluição apresentem valores médios na faixa de 10% a 20% [31,32]. Quando a taxa de diluição apresenta valores elevados, a solda tende a manifestar menor influência do metal de adição (no caso, os elementos formadores de carbonetos de titânio), que é o responsável pela melhoria nas propriedades da superfície depositada e então o metal de base passa a ter maior participação na poça de fusão resultando em uma solda com qualidade inferior quando comparada à baixas taxas de diluição [25,26,33]. Figura 2. a) Fabricação da pré-camada. b) Chapas para início e fim do arco elétrico. c) Esquema de montagem da tocha no carrinho d) Identificação do cordão de acordo com os parâmetros de soldagem e repetição. e) Identificação das amostras retiradas de cada cordão. f) Geometria do cordão de solda. Figura 3. Cordões de solda formados a partir de diferentes energias de soldagem. (a) F67, E=1,8 kj/mm ( b) F136, E=1,8 kj/mm (c) F67, E=2,5 kj/mm (d) F136, E=2,5 kj/mm (e) F67, E=3,2 kj/mm (f) F136, E=3,2 kj/mm. Altas energias de soldagem (3,2 kj/mm) propiciaram elevadas taxas de diluição nos cordões de solda. Porém mesmo considerando as amostras submetidas a baixas energias (1,8 kj/mm) nota-se que a taxa de diluição ficou acima dos índices recomendados, atingindo valores médios superiores à 50%, Figura 5. A elevada taxa de diluição

6 pode ser justificada pela aplicação de elevada corrente na soldagem. A corrente elétrica é um dos parâmetros de maior significância na soldagem, afetando a geometria do cordão de solda, penetração e consequentemente a taxa de diluição (46). A análise de variância aplicada à taxa de diluição mostrou que pela comparação entre os valores dos cordões em relação à energia de soldagem, as diferenças foram significativas somente naqueles submetidos em alta energia, 3,2 kj/mm, mostrando que nos demais níveis de energia de soldagem, independente da liga utilizada (F67 e F136), estatisticamente, a taxa de diluição tende a apresentar valores semelhantes. Figura 4. Cordões de solda formados a partir de cavacos da liga F136 sob diferentes energias de soldagem sendo amostras identificadas com a letra P para liga F67 (puro) e L para liga F136 (Ti6Al4V). Figura 5. Variação da taxa de diluição com a energia de soldagem (a letra X se refere à todas as amostras de um mesmo parâmetro) Caracterização Microestrutural A termodinâmica do sistema Fe-C-Ti é apontada como um sistema muito ativo e complexo, principalmente pela presença do carbono, na qual facilmente migra do TiC para o Fe e vice e versa, dependendo das condições de reações, como a temperatura e a atividade de cada elemento. Os possíveis produtos podem ser TiC, Fe3C, Fe2Ti e FeTi que são formados pelas seguintes reações [10]: FeTi C TiC Fe (2)

7 3Fe C Fe3C 2Fe C Fe2C 2Fe Ti Fe2Ti Fe Ti FeTi (3) (4) (5) (6) Os resultados das análises por difração de raios-x determinaram as fases presentes nos cordões de solda, com o auxílio das fichas CIF [27], conforme identificação apresentada na Tabela 5 mostra que o titânio (alfa, hexagonal) foi o elemento encontrado como fase predominante nos cavacos em ambas as ligas, ASTM F67 e ASTM F136, Figura 6. Os ensaios aplicados aos cordões de solda, determinaram que as fases principais são carbonetos de titânio (TiC), ferrita (Fe) e cementita (Fe3C) residual [10,11,13]. Nos cordões de solda, as fases do titânio puro não foram encontradas, indicando que todo o titânio presente participou da reação com o carbono na formação dos carbonetos. O comportamento apresentado pelos resultados de difração de raios-x apresentou comportamentos semelhantes, não sendo necessário a representação de todos os difratogramas. Os resultados dos ensaios de DRX confirmaram a presença dos carbonetos de titânio, mostrando assim que a formação de tais compostos pela deposição da mistura carbonetante a partir dos cavacos de ligas de titânio e posteriormente fundidas pela técnica de soldagem GTAW se mostrou eficiente para esta aplicação. Tabela 5. Parâmetros cristalográficos das fases encontradas por difração de raios-x. Fase Ficha ICSD Estrutura (S.G.*) Parâmetro de rede [Å] a b c α-ti HEX (194) 2,951 2,951 4,679 β-ti CCC (229) 3, TiC CFC (225) 4, Ferrita CCC (229) 2, Fe3C ORT (62) 5,092 6,741 4,527 * S.G. corresponde ao grupo espacial da fase ou microconstituinte. Figura 6. Difratograma dos cavacos de titânio e dos cordões de solda conforme a liga (a) liga F67 (puro) (b) liga F136 (Ti6Al4V) As micrografias geradas em MEV por detector de elétrons retroespalhados (BSE) mostra a matriz ferrítica como fase predominante e os carbonetos de titânio, como segunda fase. Nota-se que a distribuição dos carbonetos foram, em geral, uniforme na matriz, Figura 7. Os ensaios de microdureza mostraram que a presença de tais partículas promoveu um aumento considerável da dureza superficial da região da solda. Os carbonetos de titânio apresentaram ramificações dendríticas que é típico de tais partículas. A fração volumétrica representa a densidade dos carbonetos na matriz. Os resultados apresentados pela Figura 8(a), mostram que a energia de soldagem aplicada durante a deposição da solda, mostrou-se como uma variável que afeta a fração volumétrica de carbonetos de titânio nos cordões, formados a partir de ambas as ligas, onde os valores encontrados estão na faixa entre 27,1% a 53,2%. Maiores frações volumétricas foram determinadas nas amostras submetidas a baixas energias de soldagem. Esse comportamento é atribuído à variação apresentada pela taxa de diluição. A taxa de diluição representa a proporção do metal de base que participa da solda, logo em

8 elevadas taxas de diluição o volume da ferrita (estrutura majoritária do metal de base) que estará presente na solda, será maior do que o volume dos elementos que estão sendo adicionados para promover a formação dos carbonetos, assim a fração volumétrica de TiC tende a se reduzir. Porém, mesmo taxa de diluição apresentando valores elevados (acima de 50%) a fração volumétrica dos carbonetos atingiu resultados consideráveis quando os resultados comparado ao trabalho reportado por Wang X. et. al. onde a taxa de diluição encontrada foi de 25,4% a 31,6% e utilizou-se ligas de titânio comerciais como insumos [10]. Através do software ImageJ [34], foi possível fazer a mensuração do tamanho dos carbonetos de titânio, levando em consideração a análise feita pelo diâmetro de Feret, que se baseia no diâmetro equivalente da área ocupada pela partícula. Os tamanhos das partículas de carbonetos de titânio variaram entre 7µm a 11 µm, Figura 8(b). Por se tratar de insumos a partir da reciclagem de cavacos, o tamanho dos carbonetos se mostrou como tamanhos maiores do que aqueles reportado por trabalho de outros autores, nos quais os valores encontrados apresentaram tamanhos entre 1µm a 3µm [35] e 3µm a 5µm [9] Microdureza Os ensaios de medições realizados no DUH mostraram a elevação da microdureza do cordão de solda em relação ao metal de base, assim como a variação do comportamento ao longo da superfície da solda e metal de base quanto à dureza. A elevação na microdureza dentro do cordão de solda foi determinada pela presença dos carbonetos de titânios formados. A Figura 9 apresenta os resultados médios de microdureza das amostras conforme a liga dos cavacos e as energias de soldagem aplicadas. Os resultados experimentais indicaram que o comportamento da microdureza do cordão é influenciado pela fração volumétrica dos carbonetos de titânio, pelo tamanho das partículas duras e ainda pela concentração de carbonetos finos retidos na matriz [33]. As amostras retiradas dos cordões de solda formados a partir de baixas energias de soldagem apresentaram microdurezas elevadas quando comparada as demais amostras. Por outro lado, notou-se que em algumas das amostras retiradas dos cordões formados a partir de cavacos da liga F136, submetidas a alta energia de soldagem, apresentou dureza superior as amostras formadas em baixas energia. Analisando a microestrutura de tal amostra nota-se que houve a formação de uma matriz com microestrutura diferente das demais. Este comportamento pode ser atribuído à presença de pequenas partículas de TiC nos bolsões interdendríticos na matriz da solda, Figura 10. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 7. Micrografias produzidas em regiões centrais do cordão de solda - MEV. (a) F67 1,8 kj/mm2. (b) F67 2,5kJ/mm2. (c) F136 3,2 kj/mm2. (d) F136 1,8 kj/mm2. (e) F67 2,5kJ/mm2. (f) F136 3,2 kj/mm2. Na solda, a dispersão apresentada pelos valores de microdureza em cada ponto, foi determinada pelo perfil da região de penetração do indentador Vickers, pelos seguintes fatores: em regiões com grandes densidades de carbonetos de titânios os valores de dureza foram superiores à regiões com baixas densidades, em alguns casos o indentador atingia carbonetos de tamanho maiores, propiciando uma dureza superior aos casos em que somente a matriz da solda era atingida. A profundidade da solda pode ser analisada através das medições de microdurezas. Ainda na Figura 9 é possível observar que as regiões dos gráficos que possuem grandes dispersões nos valores de microdureza apresentaram maior profundidade da solda na medida em que aumenta a energia de soldagem.

9 (a) (b) Figura 8. (a) Variação da fração volumétrica dos TiC. (b) Tamanho das partículas de TiC. Medidas de microdurezas também foram feitas nas partículas de carbonetos de titânio (TiC). Baixas energias propiciaram a formação de carbonetos que apresentaram dureza elevada. A posterior avaliação da morfologia dos carbonetos, através das imagens geradas no MEV, mostrou que em baixas energias, as partículas duras apresentaram tamanhos superiores àquelas formadas nos demais cordões depositados em energias mais altas, assim atribui-se que o valor de dureza dos carbonetos tenha relação com o seu volume e tamanho ocupado. Outra questão a ser discutida é a relação entre as propriedades da solda. Carbonetos massivos se formaram em baixas energias de soldagem que ao mesmo tempo promoveu a formação de uma poça de fusão com proporções menores e conforme já mencionado anteriormente, obteve-se taxas de diluições menores onde o metal de adição tem efeito superior à solda comparado ao metal de base. Os carbonetos de titânio de tamanho maiores apresentou uma certa tendência a se concentrar na região central dos cordões de solda. Pelos gráficos gerados no ensaio de dureza, Figura 10, nota-se um leve incremento da dureza logo abaixo da superfície da solda, enfatizando ainda mais a relação entre a dureza da solda com o tamanho dos carbonetos formados. A análise de variância aplicada aos valores de microdureza dos carbonetos, baseando-se nas amostras com mesma intensidade de energia de soldagem com as diferentes ligas de titânio (F67 e F136), mostrou que somente os cordões submetidos à energia de soldagem de 2,5 kj/mm não apresentaram diferenças significantes entre os valores médios. Os valores médios de microdureza dos carbonetos ficaram entre 3063 HV* a 3378 HV*. A microdureza dos carbonetos de titânio apresentou valores semelhantes aos apresentados pela literatura onde estas partículas apresentam dureza com variações entre HV [36,37]. A Figura 11 apresenta uma demonstração geral da variação de todos os parâmetros analisados neste trabalho de acordo com a variação da energia de soldagem.

10 Figura 9. Comparação da microdureza das soldas formadas com cavacos das ligas F67 e F136 sob diferentes energias de soldagem.

11 Figura 10. Formação de carbonetos finos nos bolsões interdendríticos pouco intensa (menor dureza) em (a) e muito intensa (maior dureza) em (b). Figura 11. Visão geral do efeito da energia de soldagem sobre as características do cordão de solda formado. 4. Conclusões A partir da análise dos efeitos da variação da energia de soldagem na formação dos cordões pode-se concluir: Altas energias propiciaram cordões com melhores aspectos de acabamento da solda. Os cordões formados sob baixas energias apresentaram taxas de diluições menores e frações volumétricas de TiC superiores, promovendo uma tendência de maiores valores de dureza. Os cordões formados em ambas as ligas de cavacos (F136 e F67) apresentaram uma tendência a microestruturas semelhantes. Algumas amostras da solda formada sob alta energia da liga F136 que apresentaram microestrutura variadas, possivelmente pela presença de partículas menores de TiC que se precipitaram na estrutura matriz da solda. O tamanho do carboneto formado tem influência sobre a dureza da solda. Regiões ricos em carbonetos massivos apresentaram valores superiores de dureza. Apesar da variação da energia de soldagem na deposição dos cordões de solda ter apresentado efeitos de variações nas propriedades da solda, a aplicação dos finos beneficiados de cavacos de titânio se apresentou com grande potencial na utilização como insumos de soldagem para a formação de carbonetos de titânio.

12 5. Agradecimentos Os autores agradecem ao Laboratório de Caracterização Estrutural do DEMa/UFSCar pelo apoio na caracterização microestrutural, as empresas Implalife e Neodent pelos cavacos de titânio disponibilizados e por fim as bolsas concedidas pelo CNPq (J.G.F.J. e J.G.) durante o desenvolvimento deste trabalho. 6. Referências Bibliográficas 1. GAHR, K.-H. Z. Microstructure and Wear of Materials. Amsterdam - Oxford - New York - Tokyo: Elsevier, v. Tribology Series, 10, MELLOR, B. G. Surface Coatings for Protection Against Wear. Boca Raton, USA: CRC Press LLC, BULLOCH, J. H.; HENDERSON, J. L. Some Considerations of Wear and Hardfacing Materials. International Journal of Pressure Vessels and Piping v.46, Cape Province, South Africa, BAYER, R. G. Mechanical Wear Fundamentals and Testing. 2ª. ed. New York, USA: Marcel Dekker, HOLLECK, H. Material Selection for Hard Coatings. Journal of Vacuum Science & Technology A 4 (6), Karlsruhe, Federal Republic of Germany, Dezembro PIERSON, H. O. Handbook of refractory carbides and nitrides. New Jersey: Noyes Publications, PENG, D. X. The effects of welding parameters on wear performance of clad layer with TiC ceramic. Industrial Lubrication and Tribology 64 (5), Chung-Li, Taiwan, PENG, D. X. Wear behavior of ceramic powder cladded on carbon steel surface by gas tungsten arc welding. Industrial Lubrication and Tribology 65/2, WANG XINHONG, Z. Z. S. S. Q. S. Microstructure and wear properties of in situ TiC/FeCrBSi composite coating prepared by gas tungsten arc welding. Wear 260, Jinan, China, 31 March WANG, X. H. et al. Fabricating TiC particles reinforced Fe-based composite coatings produced by GTAW multi-layers melting process. Materials Science and Engineering A 441, Jinan, China, 7 June LIN, Y. C.; WANG, S. W. Microstructure of TiC W Cladding on Steel in Nanoscale. Wear, Taiwan, 4 Junho WANG, X. H. et al. Fabricating TiC particles reinforced Fe-based composite coatings produced by GTAW multi-layers melting process. Materials Science and Engineering, Jinan, China, 7 Junho XINHONG, W. et al. Microstructure and wear properties of in situ TiC/FeCrBSi composite coating prepared by gas tungsten arc welding. Wear, Jinan, China, 31 Março ASTM INTERNATIONAL. F Standard specification forunalloyed titanium, for surgical implant applications (UNSR 50250, UNSR 50400, UNSR 50550, UNSR 50700), West Conshohocken, 1 Junho ASTM INTERNATIONAL. F A. Standard specification for wrought titanium-6aluminum- 4vanadium eli (extra low interstitial) alloy for surgical implant applications (UNSR 56401), West Conshohocken, 10 Novembro NANDAGOPAL, K.; KAILASANATHAN, C. Analysis of mechanical properties and optimization of gas tungsten arc welding (GTAW) parameters on dissimilar metal titanium (6Ale4V) and aluminium 7075 by Taguchi and ANOVA techniques. Journal of Alloys and Compounds 682, 3 May PAULRAJ, P.; GARG, R. Effect of welding parameters on pitting behavior of GTAWof DSS and super DSS weldments. Engineering Science and Technology, an International Journal 19, 19 February NASIRI, M. B. et al. Investigation on the influence of various welding parameters on the arc thermal efficiency of the GTAW process by calorimetric method. Journal of Mechanical Science and Technology 28 (8), 18 April FAGUNDES, J. G. J.; VENTRELLA, V. A.; GALLEGO, J. Reciclagem de Cavacos de Titânio para a Deposição de Revestimentos Duros. Soldagem e Inspeção 20(1), São Paulo, Janeiro/Março IMPLALIFE BIOTECNOLOGIA. site da Implalife Biotecnologia, Disponivel em: < Acesso em: 25 maio NEODENT. Site da Neodent, Disponivel em: < Acesso em: 25 Agosto FAGUNDES, J. G. J. et al. Aplicação de cavacos de titânio para produção de revestimentos resistentes ao desgaste. Soldagem e Inspeção 19(3), São Paulo, Julho/Setembro

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