21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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1 ANÁLISE MICROESTRUTURAL DA SOLDAGEM DO AÇO FORJADO SAE 4140 COM O AÇO FUNDIDO DIN Gs42CrMo4 PELO PROCESSO FCAW. Péricles Bosquetti a, Vicente de Paula Espósito b, Maurício Angeloni a, Alessandro Fraga Farah a, Omar Maluf a a: Professor Dr. Fatec - Sertãozinho b: Tecnólogo em Mecânica: Processos de Soldagem FATEC Sertãozinho pericles.bosquetti@fatec.sp.gov. RESUMO Este estudo teve por objetivo analisar o comportamento da microestrutura e microdureza dos aços baixa liga SAE 4140 [1] e DIN GS42 CrMo4 [2], através da variação dos parâmetros de soldagem do processo arame tubular (FCAW Flux Cored Arc Welding) [3]. A identificação dos constituintes microestruturais das regiões soldadas e sua correlação com a dureza é utilizada quando se pretende avaliar a soldabilidade de um aço [4]. Sua importância deve-se a grandes concentrações de tensões e altas durezas das ZTA (Zona Termicamente Afetada), pois, a mesma sofre bruscas variações de suas propriedades mecânicas e de sua microestrutura se soldado fora de parâmetros pré-estabelecidos, devido ao calor de soldagem, podendo provocar sérios problemas quando em serviço [5]. A análise se restringiu ao tratamento térmico de revenimento pós-soldagem de forma a se obter diferentes fases na estrutura. Os ensaios metalográficos e de dureza Vickers realizados nas amostras soldadas mostraram um comportamento bastante semelhante nos dois corpos de prova analisados, mostrando que a princípio o tratamento térmico foi suficiente para provocar grandes alterações metalúrgicas. Palavras-chave: aços baixa liga, perfil dureza, soldagem por eletrodo tubular. 1 INTRODUÇÃO Estudos mostram que o processo de soldagem com arame tubular reúne várias das necessidades como alta produtividade, boa qualidade e baixo custo [6]. Neste processo alimenta-se continuamente o arame para a poça de fusão, que fica protegido pela decomposição dos ingredientes do fluxo interno, no caso de eletrodos autoprotegidos, ou ainda, com a proteção do fluxo interno e suplementada pela proteção de um fluxo de gás fornecido por fonte externa, no caso de eletrodos protegidos, trazendo economia e melhoria na qualidade.[7,8] Assim objetivou-se comparar as microestruturas obtidas dos materiais SAE

2 4140 forjado e do aço fundido GS42CrMo4 soldados com arame tubular adequado, caracterizando-se as microestruturas do metal de solda, da zona termicamente afetada e do metal-base, bem como o perfil de microdurezas. 2 - MATERIAIS E METODOLOGIA A tabela 2.1 apresenta a composição química do aço carbono forjado SAE J404j 4140 normalizado com grão ASTM nº8 e do fundido DIN Gs42CrMo4 temperado e revenido com grãos entre ASTM nº 7 e 8 [9]. Tabela Composição química dos metais de base [1,2]. Composição Química (%) SAE J404j 4140 [1]. C Mn P S Si Cr Mo 0,38 0,43 0,75 1,00 Max. 0,030 Max. 0,040 0,15 0,35 0,80 1,10 0,15 0,25 Composição Química (%) DIN Gs42CrMo4 [2]. C Mn P S Si Cr Mo 0,38 0,45 0,50 0,80 Max. 0,035 Max. 0,035 0,15 0,40 0,90 1,20 0,15 0,30 Como consumível usou-se arame tubular ASME SFA 5.28 E110C-G, com 1,2mm de diâmetro, da ESAB com suas características na tabela 2.2. Tabela Composição química e propriedades do arame utilizado [10]. Composição Química (%) C Mn Si Ni Mo Max. 0,03 Max. 1,60 Max. 0,50 Max. 2,25 Max. 0,60 Propriedades Mecânicas L.R. (MPa) L.E. (MPa) Min. 850 Min. 800 Como fluxo,foi utilizado o gás ativo CO 2 99,9% em vazão 14 a 22 L/min. Os corpos de prova de 400x150x40mm [11], com junta de topo e chanfro em V foi realizada goivagem mecânica para penetração total após soldagem utilizando uma fonte de 550 A, corrente CC+, pré-aquecimento de 290 C antes da soldagem e controle em interpasses até 350 C [12]. Após limpeza da região goivada, fez-se líquido penetrante para a integridade do cordão de solda e em seguida o revenimento em um dos CPs [13]. Realizou-se ensaios metalográficos considerando-se as regiões do metal de solda (MS), a zona

3 0,5 mm 0,5 mm 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais termicamente afetada (ZTA) e o metal-base (MB) em 50X e 500X com ataque Nital 2%. As microdurezas Vickers foram obtidas em microdurômetro Pantec MHV2000 com perfil de dureza nas regiões da solda conforme figura ,5 mm 0,2 mm A partir da linha de fusao 2 mm 3 mm Figura 2.1 ( a )- Perfil de dureza Vickers para chanfro em V [14]. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Macroestrutura dos corpos de prova A figura 3.1 mostra as estruturas macrográficas das regiões soldadas, onde a zona termicamente afetada é visualizada nas regiões escuras adjacentes a zona fundida, como conseqüência da máxima temperatura alcançada, do tempo de permanência do metal base na mesma temperatura e das taxas de aquecimento e resfriamento nesta região em que não ocorreu fusão, mas alterações como crescimento de grão e transformações de fase. Figura Macrografia corpo de prova antes e após revenimento. Nital 10% 3.2 Micrografias e microdureza dos corpos de prova Verificou-se que a microestrutura do metal de base forjado SAE 4140 está constituída de grãos poligonais normalizados e uniformes com cerca de

4 50% de ferrita (fase clara) e 50% de perlita (fase escura). A figura 3.2 ilustra as microestruturas do metal de base após a soldagem antes e após revenimento. A microestrutura da base GS42CrMo4, apresentou-se predominante martensítica com textura suavizada por revenimento, proveniente da tempera e revenimento realizados antes da soldagem. A figura 3.3 ilustra as microestruturas do metal de base após a soldagem antes e após revenimento. Figura Metal base SAE 4140 antes e após revenimento. Nital 2%. Figura Metal base GS42 Cr Mo 4, antes e após revenimento. Nital 2%. A microestrutura do metal de solda apresentou-se predominante bainita, favorecida pelo alto de manganês do consumível. A figura 3.4 ilustra as microestruturas do metal de solda após soldagem antes e após revenimento. Figura 3.4 Micrografia do metal de solda antes e após revenimento Nital 2% A microestrutura da zona termicamente afetada na região do metal de base SAE 4140 do corpo de prova que não sofreu revenimento apresentou-se com formação de martensita e perlita grosseira na interface com o metal de

5 solda. Já o corpo de prova após revenimento apresentou-se com teor de martensita reduzida na região de interface com o metal de solda e perlita grosseira ao longo da ZTA, que estão mostradas na figura 3.5. Figura 3.5- Micrografia entre ZTA e aço SAE 4140 antes e após revenimento. A microestrutura da zona termicamente afetada do metal de base GS42 CrMo4 que não sofreu revenimento, apresentou-se com formação de ripas de martensita grosseira na região do metal de solda, com diminuição do teor de martensita ao longo da ZTA. Na amostra revenida a estrutura martensítica aparece como ripas alinhadas devido ao revenimento, mostrados na figura 3.6. Figura 3.6-Micrografia entre ZTA e aço GS42CrMo4 antes e após revenimento. 4.3 Perfil de microdureza nas regiões dos corpos de prova O perfil das medidas de dureza dos CPs está apresentado na Figura Aço Fundido DIN GS42 Cr Mo Aço Forjado SAE Figura Pontos de controle da Dureza Vickers para chanfro em V. Pelas medidas de dureza observou-se um comportamento bastante semelhante nas três regiões dos corpos de prova. Em cada amostra foi

6 Dureza Vickers Dureza Vickers Dureza Vickers 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais verificado que as variações de dureza foram muito bruscas, principalmente na ZTA do aço fundido GS42CrMo4 em relação as demais regiões, porém entre os corpos de prova não houve grandes alterações. Na ZTA do aço fundido GS42CrMo4 antes do tratamento térmico de revenimento, onde a dureza ficou em média 401,6 HV5 (valor da face da solda), foi observado em sua estrutura a formação de ripas de martensita grosseira, isso se deve à relação de temperatura e taxa de resfriamento. Nas demais regiões dos corpos de prova, metal de base, zona fundida e ZTA do metal forjado, as durezas dos materiais permaneceram as mesmas. As figuras 3.8 a 3.10 apresentam as durezas Vickers de cada corpo de prova realizando medidas antes e após tratamento de revenimento. Face da solda Pontos controlados Após Revenimento Antes do Revenimento Figura Gráfico de Dureza Vickers da face da solda. Centro da solda Pontos Controlados Após Revenimento Antes do Revenimento Figura Gráfico de Dureza Vickers do centro da solda. Raiz da Solda Pontos Controlados Após Revenimento Antes do Revenimento Figura Gráfico de Dureza Vickers da raiz da solda. Pelos resultados, temos que variando a temperatura de pré-aquecimento é possível conseguir uma variação relativamente diferente de dureza na ZTA

7 O procedimento de soldagem foi definido corretamente para a liga CrMo em estudo, ou seja, com o pré aquecimento na peça a ser soldada, visou a diminuição da taxa de resfriamento do material pós-soldado, favorecendo uma melhor formação de grãos e melhorando assim as propriedades da ZTA. 5 CONCLUSÕES A partir dos resultados chegamos às seguintes conclusões: i.os comportamentos observados na microestrutura e dureza da ZTA estão diretamente relacionados com as variações na temperatura de préaquecimento e consequentemente nos tempos de resfriamento. ii.as ligas CrMo apresentam boa soldabilidade, sem dificuldades no processo. iii.a ZTA das ligas CrMo apresentam tendências à formação de martensita, frágil e quebradiça, quando soldadas sem critérios previamente estabelecidos. Esta martensita é originada a partir de altas velocidades de resfriamento. iv.o pré-aquecimento torna-se necessário na soldagem das ligas CrMo de forma a se evitar ou minimizar a formação de martensita na ZTA dessas ligas. v.o processo com arame tubular FCAW e os parâmetros utilizados são viáveis e adequados para a soldagem dos aços estudados. 7 BIBLIOGRAFIA [1] SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS. J404 Chemical Compositions of SAE Alloy Steels. USA: ASME, January [2]DIN VERGUNTUNGSSTAHLGUB FUR ALLGEMEINE VERWENDUNGSZWECKE. Berlin: April 1992 [3] WAINER, Emilio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de. Soldagem processos e Metalurgia. 6 ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher LTDA, [4] QUITES, Almir Monteiro.Metalurgia na Soldagem dos Aços.Florianópolis: Soldasoft, [5] COLPAERT, Hubertus. METALOGRAFIA dos produtos siderúrgicos comuns. 4 ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher LTDA, [6] MACHADO, Ivan Guerra. Soldagem & Técnicas Conexas: Processos. Porto Alegre, [7] AMERICAN WELDIND SOCIETY DIVISION D1.1. Structural Welding Code - Steel. 19 ed. Miami, Florida: October

8 [8] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS II Part C. SFA 5.28 SPECIFICATION FOR LOW-ALLOY STEEL ELECTRODES AND RODS FOR GAS SHIELDED ARC WELDING. New York: ASME, 2007 [9] ASTM AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard Test Methods for Determining Average Grain Size, E : USA, [10] CATÁLOGO DE ARAMES TUBULARES ESAB. Consumíveis Soldagem. p ,04/2003. [11] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS IX. QUALIFICATION STANDARD FOR WELDING AND BRAZING PROCEDURES, WELDERS, BRAZERS, AND WELDING AND BRAZING OPERATORS ASME Boiler. New York: ASME, 2007 [12] ASM International Handbook Committee. WELDING, BRAZING, AND SOLDERING, Volume 6, table 15, p. 1655: USA, 1993, [13] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Rules for Construction of Pressure Vessels, VIII - Division 1, UCS-56. New York: ASME, 2007 [14] PETROBRAS. N-133 SOLDAFEM: Rev. J. Rio de Janeiro, MICROSTRUCTURAL ANALYSIS OF WELDING STEEL FORGED SAE 4140 STEEL WITH CAST BY PROCESS DIN Gs42CrMo4 FCAW. ABSTRACT The objective of this study is to analyze the microstructure and microhardness of the low-alloy steel SAE 414O and DIN GS42 CrMo4, through the variation of the parameters of welding of the Flux Cored Arc Welding (FCAW) process. The identification of the microstructural representatives of the welded areas and their correlation with the hardness are used when it is intended to evaluate the weldability of a steel. Its importance is due to the great concentrations of tensions and high hardness of HAZ (Heat Affected Zone), because, it suffers abrupt variations in its mechanical properties and in its microstructure if welded out of the pre-established parameters, due to the welding heat, it could provoke serious problems when in service. The analysis was limited to the thermal treatment of drawing back post welding so that we could obtain different phases in the structure. The metalographic and the Vickers hardness examinations accomplished in the welded samples showed a similar behavior in the two test specimen analyzed, showing that at first the thermal treatment was enough to provoke great alterations in the metallurgical nature. Keywords: low-alloy steel, hardness profile, flux cored arc welding