SIAFAKAS, D. et al. Particles precipitation in Ti- and Al- deoxidized Hadfield steels. Steel Research International. v.87. Published Online

Transcrição

1 Título do Projeto: Efeito da adição de titânio e nitrogênio na resistência ao desgaste e propriedades mecânicas de aços manganês austeníticos. Linha de Pesquisa: Metalurgia Física Estrutura, Propriedades Físicas e Mecânicas dos Metais e Ligas Justificativa: A resistência ao desgaste, altas tenacidade e ductilidade são as principais características dos aços manganês austeníticos (Hadfield). Esforços vêm sendo realizados no aprimoramento destas propriedades, principalmente através da adição de elementos de liga. Alguns estudos mostram que a diminuição do tamanho de grão aumenta a resistência ao desgaste destes aços, e a adição de titânio junto ao nitrogênio é uma alternativa economicamente atraente para promover o refino de grão. Não foram encontrados estudos que quantificam o efeito desta adição sobre as propriedades destas ligas, existindo alguns estudos que abordam a adição somente de titânio, sendo que estes não abrangem as variações de aços Hadfield existentes. Logo, permanecem sem resposta perguntas a respeito da relação composição/microestrutura/propriedades. Neste projeto busca-se aprofundar o entendimento dos efeitos da adição de titânio e nitrogênio sobre as características desses aços, possibilitando-se a redução de custos de produção pela supressão do uso de alguns elementos de liga, bem como obtendo-se um aprimoramento da resistência ao desgaste. Objetivos: Objetivo geral é estudar o efeito da adição de titânio e nitrogênio nas propriedades mecânicas e resistência ao desgaste de aços Hadfield. Os objetivos específicos são: avaliar o efeito do titânio e nitrogênio sobre o tamanho de grão; comparar o efeito da adição de titânio e nitrogênio contra a adição de outros elementos de liga; analisar estatisticamente e verificar quais características têm maior peso na resistência ao desgaste. Estratégia Experimental: Obtenção das amostras de aço Hadfield nas Classes ASTM A128GrA, GrC, GrE1 e GX120MnCr18 2 com e sem adição de titânio e nitrogênio; tratamento térmico, avaliação microestrutural, tamanho de grão e MEV/EDS; ensaios de tração e impacto; ensaios de desgaste com avaliação microestrutural e testes de microdureza. Principais Referências Bibliográficas MAGDALUYO JR, E.R.; AUSA, M.S.; TINIO, R.J. Effect of titanium on gouging abrasion behavior and hardness of austenitic manganese steel. In: AO, S.-I.; YANG, G.-C.; GELMAN, L. Transactions on Engineering Technologies, Springer Singapore, p NAJAFABADI, V.N.; K. AMINI, K.; ALAMDARLO, M.B. Investigating the effect of titanium addition on the wear resistance of Hadfield steel. Metallurgical Research and Technology, v. 111, n. 6, p , RADIS, R. et al. Loss of ductility by AlN precipitation in Hadfield Steels. Metallurgical and Materials Transactions A. v. 43, n. 4, p SIAFAKAS, D. et al. Particles precipitation in Ti- and Al- deoxidized Hadfield steels. Steel Research International. v.87. Published Online ZDRAVECKÁ, E.; TKÁČOVÁ, J.; ONDÁČ, M. Effect of microstructure factors on abrasion resistance of high-strength steels. Research in Agricultural Engineering, 60: ,

2 1 INTRODUÇÃO As principais características dos aços manganês austeníticos (Hadfield) são suas altas tenacidade, ductilidade e capacidade de endurecimento por encruamento, sendo uma das principais soluções para aplicações que envolvem alto impacto e desgaste, como por exemplo peças fundidas nas operações de britagem, nos setores de mineração e reciclagem, e em aparelhos de mudança de trilho, em ferrovias. (SUBRAMANYAN et al., 1990) Apesar de muitos estudos, poucas alterações foram incorporadas à composição química original, 1,2% (em peso) de C e 12% (em peso) de Mn, sendo as principais ligas atuais definidas pelas normas ASTM A128/A128M-93 (2012) e ISO 13521:2015 (2015). A microestrutura de aços Hadfield pode ser melhor descrita como austenita retida, já que possui uma estrutura metaestável (KUYUCAK et al., 2004). A microestrutura bruta típica de solidificação é composta de austenita retida mais carbonetos, estes depositados nos contornos de grão, sendo esta uma estrutura muito frágil. Assim, é necessário um tratamento térmico, que visa solubilizar estes carbonetos, sendo que este tratamento deve ser realizado a uma temperatura mínima 1000ºC ou 1040ºC, respectivamente de acordo com as normas ASTM A128/A128M-93 (2012) e ISO 13521:2015 (2015). Após o encharque o material deve ser resfriado diretamente em água para estabilizar a estrutura austenítica obtida e evitar a precipitação de carbonetos. Alguns estudos (ASTAF EV, 1997; LIMA, 2011; ZDRAVECKÁ et al., 2014; MAGDALUYO et al., 2016) demonstram que o tamanho de grão tem influência sobre a resistência ao desgaste de diversos materiais, entre eles os Aços Hadfield. Sendo que existem algumas formas de promover a redução do tamanho de grão em peças fundidas, como a fundição em molde permanente, uso de resfriadores, temperaturas de vazamento mais baixas, adição de elementos de ligas e o uso de inoculantes. A adição de elementos de liga ou inoculantes permite a obtenção do efeito de refino de grão em uma ampla gama de produtos. Os elementos de liga que podem ser utilizados para refino de grão são titânio, nióbio, vanádio, cério, molibdênio, zircônio, nitrogênio e boro, bem como a combinação dos mesmos (SUBRAMANYAN et al., 1990; HAAKONSEN, 2009, KUCHARCZYK et al., 2003). A introdução de titânio conjuntamente com nitrogênio seria uma opção atrativa economicamente para obter o efeito de refino de grão, porém não foram encontrados estudos que quantificam os efeitos da adição conjunta destes elementos, sendo que também existem poucos estudos que avaliam a adição isolada de um destes elementos. Ressalta-se que estes estudos não compreendem as principais ligas normatizadas de Aço Hadfield, assim não é possível verificar o efeito da introdução de titânio e nitrogênio no refino de grão das principais ligas de aço Hadfield, não sendo possível avaliar se a combinação destes elementos os com outros elementos de liga presentes nestes aços é benéfica ou prejudicial, bem como não é possível verificar se a adição de titânio e nitrogênio pode substituir outro elemento de liga, como por exemplo, a substituição do cromo na liga ASTM A128GrC. Siafakas et al. (2016), estudaram a precipitação de partículas ligadas ao titânio e alumínio em Aços Hadfield, sendo a adição de titânio utilizada de 0,06% (em peso). Foi calculado, através de estudos termodinâmicos, que partículas de carbonitretos de titânio, Ti(C,N), são formados a partir de 1510ºC, ainda na fase líquida, e estas tem sua nucleação em inclusões de óxido de alumínio. Estes precipitados de carbonitretos de titânio foram observados dentro de grãos austeníticos. Já para carbonetos de titânio, TiC, foi calculado que sua formação ocorre a partir de 1240ºC, já no final da solidificação, e estes foram observados em contornos de grão. Estas observações corroboram as reivindicações da patente de Kucharczyk et al.(2003), que 2

3 afirmam que os precipitados de Ti(C,N) são os responsáveis pelo efeito de refino de grão, e que para este seja efetivo é necessário a introdução de nitrogênio na liga, mais especificamente 300ppm. Iglesias et al.(2009) observaram que aços Hadfield tem entre 130 e 200ppm de nitrogênio em solução sólida. Exitem poucos estudos que avaliam a introdução de nitrogênio em aços Hadfield, Radis et al.(2012) observaram que a precipitação de partículas de AlN diminuem a tenacidade do material quando os teores de nitrogênio e alumínio aumentam. Ja Efstathiou e Sehitoglu (2009), estudaram o aumento da resistência de soldas de aços Hadfield ligadas ao nitrogênio, e observaram um aumento do limite de escoamento, mas com efeito negativo na ductilidade. Já em alguns estudos sobre a adição de titânio, Magdaluyo et al. (2016) e Limooei et al. (2012) observaram que a adição 0,1% de titânio produz uma estrutura com grão menores e mais resistente ao desgaste, havendo pequenas perdas na ductilidade. Já Najafabadi et al. (2014) observaram que a adição de titânio de 0,2% até 0,6% proporciona uma estrutura mais fina e com maior resistência ao desgaste, porém não avalia os efeitos desta sobre as propriedades mecânicas. Já Lencina (2014) e Cason (2013) avaliaram ligas com teor de titânio de 0,5% e com teores de carbono mais altos (1,5%), mas apesar de afirmarem a obtenção de uma boa resistência ao impacto, a ductilidade foi severamente comprometida, o que limita as possíveis aplicações. Lima (2011) observou que duas ligas, uma com 0,15% de titânio e outra com 0,5% de molibdênio, possuíam uma estrutura mais fina e maior resistência ao desgaste quando comparadas as ligas ASTM A128 GrC e GX120Mn18, mas não avalia o porque destes resultados. A partir destas evidências, será proposto um estudo mais abrangente, estudando o efeito da adição de aproximadamente 0,1% de titânio e 300ppm de nitrogênio nas principais ligas de Aço Hadfield, comparando com as mesmas ligas sem a adição destes elementos. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Serão elaboradas 8 ligas de 4 classes de aço manganês austenítico, conforme a tabela a tabela 2,1. Serão fundidos 3 corpos de prova Y de 175x75x25mm para cada liga. Destes 3 corpos, 2 serão cortados em 3 corpos de aproximadamente 175x25x20mm, obtendo 6 amostras, sendo 3 para análise de microestrutura e ensaio de tração, 1 para teste de impacto, 1 para MEV/EDS e 1 será reservada. O terceiro corpo será utilizado para retirar as amostras para os testes de desgaste. As amostras serão fornecidas pela Isoaço Indústria e Comércio de Fundidos Ltda, situada em Cláudio, MG. Tabela 2.1: Composição Química Alvo e Número de Corpo de Prova que serão fundidos Norma Liga C Mn Cr Mo Si P Ti N (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) ASTM A128GrA A1 1,20 12, ,50 <0, A2 1,20 12, ,50 <0,05 0,10 0,03 ASTM A128GrC C1 1,20 12,5 1,5-0,50 <0, C2 1,20 12,5 1,5-0,50 <0,05 0,10 0,03 ASTM A128GrE1 E1 1,20 12,5-1,00 0,50 <0, E2 1,20 12,5-1,00 0,50 <0,05 0,10 0,03 GX120MnCr ,20 18,0 1,5-0,50 <0, ,20 18,0 1,5-0,50 <0,05 0,10 0,03 3

4 2.1 Tratamento térmico das amostras, análise microestrutural e de tamanho de grão As amostras serão tratadas aquecendo até 1050ºC, com encharque de 120 minutos e resfriamento direto em água. As amostra para MEV/EDS serão cortadas em corpos de aproximadamente 25x25x20mm, um destes corpos será analisado sem tratamento térmico, já os demais serão também tratados a 1050ºC com tempos de encharque de 0, 30 e 60 minutos. Assim será possível a avaliação do evolução microestrutural e de difusão de elementos de liga. No MEV, somente amostras ligadas ao titânio e nitrogênio serão avaliadas. Para análise microestrutural e de tamanho de grão, 3 amostras serão cortadas e serão analisadas suas microestruturas para verificar a efetividade de tratamento térmico e tamanho de grão. 2.2 Ensaios de tração e impacto As amostras tratadas serão usinadas e serão feitos ensaios de tração e impacto. Os ensaios de tração serão feitos em triplicata e avaliarão os limites de escoamento, resistência, alongamento e estricção. Os ensaios de impacto avaliarão a tenacidade das ligas, estão indicadas 8 amostras com 24 ensaios, pois de 1 corpo de prova se obtém 3 amostras. 2.3 Ensaio de Desgaste, avaliação de microdureza e análise microestrutural Os ensaios de desgaste farão a comparação da resistência ao desgaste entre as diversas ligas testadas. As amostras serão avaliadas em triplicata, serão realizados testes de pino sobre disco de acordo com a norma ASTM G99. Após os ensaios de desgaste, será feito o perfil de microdureza para avaliar o perfil de encruamento e verificar variações na microestrutura. 3 INFRAESTRUTURA E RECURSOS A tabela 3.1 resume os ensaios propostos e número de amostras a analisar por ensaio. A infraestrutura necessária para a realização dos ensaio está apresentada na tabela 3.2. Tabela 3.1: Número de Amostras que serão submetidas aos ensaios propostos Tratamento Ensaio de Ensaio de Ensaio de Microdureza Metalografia MEV/EDS Térmico Tração Impacto Desgaste Metalografia (24) Tabela 3.2: Infraestrutura e Ensaios a serem realizados Ensaio/Procedimento Equipamentos/Procedimentos Necessários Nº de Amostras Tratamento térmico Maquina de Corte, Forno Tipo Mufla; 52 Análise da Maquina de Corte, Lixadeira e Politriz, Reagentes, microestrutura Banco Metalográfico 24 MEV/EDS Maquina de Corte, Lixadeira e Politriz, Reagentes, Preparação da Amostra, MEV/EDS. 16 Ensaio de tração Usinagem de Amostras; Maquina Universal de Ensaios Mecânicos; 24 Ensaio de impacto Usinagem de Amostras; Usinagem e Medição do Entalhe, Pêndulo Charpy 8 (24) Ensaio de desgaste, Microdureza e Microestrutura. Maquina de Corte, Usinagem de Amostras; Tribômetro, Maquina de Corte, Lixadeira e Politriz, Reagentes, Banco Metalográfico, Microdurômetro. 24 4

5 4 CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO Tabela 4.1 Cronograma de Execução do Projeto de Pesquisa Etapas Bimestres Iniciando em 1 de Janeiro de Proposta de Pesquisa X X X Obtenção de Amostras X X Tratamento Térmico X X X Análise Metalográfica e MEV X X X X Ensaios Mecânicos X X Ensaios de Desgaste X X Redação da Dissertação X X X X X X X X X Defesa da Dissertação X 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Filadélfia. ASTM A128/A128M-93; Standard Specification for Steel Castings, Austenitic Manganese. Filadélfia, p. ASTAF EV, A.A. Effect of grain size on the properties of manganese austenite steel 110G13L. Metal Science and Heat Treatment. v. 39, n. 5-6, p , CASON, C. Studio sulla dinamica di precipitazione di carburi in un acciaio al manganese f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova, Pádua EFSTATHIOU, C.; SEHITOGLU, H. Strengthening Hadfield steel welds by nitrogen alloying. Materials Science and Engineering A. v. 506, n. 1-2, p , HAAKONSEN, F. Optimizing of Strømhard austenitic manganese steel f. Tese (Doutorado em Metalurgia Física) Faculty of Natural Sciences and Technology, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim IGLESIAS, C; SOLORZANO, G.; SCHULZ, B. Effect of low nitrogen content on work hardening and microstructural evolution in Hadfield steel. Materials Caractherization. v. 60, n. 6, p , KUCHARCZYK, J.; FUNK, K.; KOS, B. Grain-refined austenitic manganese steel casting having microadditions of vanadium and titanium and method of manufacturing. The Frog Switch and Manufacturing Company. United States patent US B KUYUCAK, S.; ZAVADIL, R.; GERTSMAN, V. Heat-treatment processing of austenitic manganese steels. In: Proceedings of 66th World Foundry Congress; Istambul, Turquia

6 KUYUCAK, S. Austenitic Manganese Steel Castings. ASM Handbook Volume 9: Metallography and Microstructures. ASM International, 2004, p LENCINA, R. Optimization of high carbon austenitic manganese steels for comminution processes f. Tese (Doutorado em Engenharia Industrial) Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Padova, Pádua LIMA, G.R. Influência dos elementos de liga no encruamento proveniente do processo de aplainamento nos aços Hadfield f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia de Bauru, Universidade Estadual Paulista, Bauru MAGDALUYO JR, E.R.; AUSA, M.S.; TINIO, R.J. Effect of titanium on gouging abrasion behavior and hardness of austenitic manganese steel. In: AO, S.-I.; YANG, G.-C.; GELMAN, L. Transactions on Engineering Technologies, Springer Singapore, p NAJAFABADI, V.N.; K. AMINI, K.; ALAMDARLO, M.B. Investigating the effect of titanium addition on the wear resistance of Hadfield steel. Metallurgical Research and Technology, v. 111, n. 6, p , RADIS, R. et al. Loss of ductility by AlN precipitation in Hadfield Steels. Metallurgical and Materials Transactions A. v. 43, n. 4, p SIAFAKAS, D. et al. Particles precipitation in Ti- and Al- deoxidized Hadfield steels. Steel Research International. v.87. Published Online SUBRAMANYAM, D.K.; SWANSIGER, A.E.; AVERY, H.S. Austenitic Manganese Steels. In: ASM Handbook Volume 1, Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. ASM International p THE INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, Genebra. ISO 13521:2015; Austenitic manganese steel castings. Genebra, p. ZDRAVECKÁ, E.; TKÁČOVÁ, J.; ONDÁČ, M. Effect of microstructure factors on abrasion resistance of high-strength steels. Research in Agricultural Engineering, 60: ,