ANÁLISE E COMPARAÇÃO DA MICROESTRUTURA DA ZTA DO CORTE REALIZADO POR PLASMA E OXICORTE EM CHAPAS DE AÇO 1020.

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1 ANÁLISE E COMPARAÇÃO DA MICROESTRUTURA DA ZTA DO CORTE REALIZADO POR PLASMA E OXICORTE EM CHAPAS DE AÇO Geriel Apolinario da Cunha; Cristina de C. Ares Elisei Fatec Pindamonhangaba, Rodovia Vereador Abel Fabrício Dias, 4010, Pindamonhangaba - SP, , contato@fatecpindamonhangaba.edu.br Resumo - Este trabalho será apresentado à microestrutura constituinte de uma análise de cortes em chapas de aço. Sabe-se que ao se cortar uma chapa pelos processos citados nesse trabalho, há um aumento significativo da temperatura, por conta disso, há mudanças nas suas estruturas, nas regiões próximas ao corte. No processo de oxicorte, por causa da temperatura, há uma dilatação no metal criando dessa forma outras pequenas modificações na estrutura. Neste mesmo processo de corte, quando se injeta o O2 em temperatura ambiente, ocorre uma oxidação lenta no metal, porém quando se aquece na temperatura de corte, a oxidação ocorre instantaneamente forçando dessa forma um controle, para que não danifique o processo. Para que se realize a análise da morfologia e estrutura do metal, utiliza-se o processo de metalografia com suas técnicas de preparação convencional, com isso observa-se a presença constante de ferrita e perlita; estrutura constituinte do metal trabalhado (Aço 1020), e tamanho das zonas termicamente afetadas entre os processos diferentes. Palavras-chave: Temperatura. Processos. Estrutura. Morfologia. Área do Conhecimento: Processos Metalúrgicos Introdução O corte em uma chapa serve para separar uma extremidade de outra em um determinado material; esse processo é muito utilizado no dia a dia de diversas áreas da indústria, pois necessitase de muitos cortes para dar diversos formatos para diferentes aplicações. Nesse trabalho será apresentado a análise da microestrutura de dois métodos de cortes em dois materiais diferentes, dentre eles, será feito amostras de cortes feito pelo processo de plasma que segundo Lima (2009) consiste em um processo que utiliza um bico com orifício otimizado para constringir um gás ionizado em altíssima temperatura, para que possa ser usado para derreter seções de metais condutores. Outro meio de cortar a chapa de aço para a realização das amostras para que se realize o estudo, é o oxicorte. Pode-se definir o oxicorte como um processo de seccionamento de metais pela combustão localizada e contínua devido à ação de um jato de O2 de elevada pureza, agindo sobre um ponto previamente aquecido por uma chama oxi-combustível (RAMALHO, [s.d.]). É o meio mais utilizado na mecânica, pois o custo tanto da mão de obra quanto dos consumíveis, são baixos em relação aos outros processos, fazendo este tornar-se o mais viável. Um dos pré-requisitos para a realização de cortes feitos pelo processo de oxicorte, segundo Almeida (2000) é temperatura de queima do metal, que explica que a temperatura dele deve ser menor que a de fusão, sabendo-se que à medida que o teor de carbono aumenta, a temperatura de fusão do ferro diminui e a de queima aumenta. Outro pré-requisito conforme Almeida (2000) cita, é que a temperatura de fusão dos óxidos, deve ter uma temperatura de fusão menor que a do metal e menor que a alcançada no corte. É necessário que isso aconteça para que os óxidos formados na superfície não atrapalhem a combustão das camadas e a remoção do metal. O processo de corte plasma foi criado na década de 50 e tornou-se muito utilizado na indústria devido sua capacidade de cortar qualquer metal condutor de eletricidade principalmente os metais não ferrosos que não podem ser cortados pelo processo oxicorte (CAMPOS et al., 2010). Processos de Fabricação Corte a Plasma tem excelente capacidade para transmissão de corrente elétrica. O melhor exemplo de plasma na natureza é a tempestade de raios. Exatamente como na tocha plasma, os raios movem à eletricidade de um ponto a outro. Para o raio, os gases do ar são os gases ionizados (CAMPOS et al., 2010, 103). 1

2 Conforme Afonso [s.d.] apresenta em seu artigo, o meio mais utilizado de se cortar pelo processo de plasma é por meio das máquinas Computer Numeric Control (CNC), pois com a utilização dessa máquina, o processo se torna mais rápido e viável. Segundo ele, a máquina consegue trabalhar com seis eixos que são: X, Y, Z e os rotativos A, B, e C, o que o torna usável, e o melhor é que segundo ele, as dimensões dos cortes ficam todos com um alto grau de precisão. Já no processo de corte por oxicorte, todo tipo de material segundo Ramalho ([s.d.]), sofre algum tipo de dilatação quando sua temperatura de equilíbrio, ou seja, temperatura ambiente é aumentada, pelo fato de que está sendo colocada energia interna no átomo, fazendo com que ele se movimente e podendo haver a expansão, com isso ocorre à dilatação, que faz com que a peça se deforme, por causa de suas variações térmicas. Durante o processo de corte, o local onde está se realizando o corte, aumenta a temperatura devido ao processo, fazendo com que esse se dilate, porém o restante da peça continua em temperaturas baixas, não havendo a dilatação, após o resfriamento, a área dilatada volta a sua forma inicial fazendo com que haja um grande aumento de trincas residuais na peça, e por sua vez podendo ocorrer uma deformação da peça e possivelmente uma trinca. Segundo Cabral (2009), na temperatura ambiente e diante do jato de O2 adicionado ao corte pelo processo de oxicorte, o ferro se oxida lentamente. À medida que a temperatura se eleva, esta oxidação se acelera, tornando-se praticamente instantânea a 1350 C. Nesta temperatura, chamada de temperatura de oxidação viva, o calor fornecido pela reação é suficiente para liquefazer o óxido formado e realimentar a reação. O óxido no estado líquido se escoa expulso pelo jato de O2, permitindo o contato do ferro devidamente aquecido com O2 puro, o que garante a continuidade ao processo. Para que se realize o estudo, será utilizada a técnica de estudo por meio da metalografia que consiste em, segundo Colpaert (2008), Metalografia é o estudo que consiste em mostra a morfologia e estrutura dos metais. Segundo ele, a metalografia é uma área da materialografia que além do estudo dos materiais metálicos, pode também estudar a plastografia que consiste em materiais plásticos ou poliméricos e a ceramografia que consiste em materiais cerâmicos. Para a realização da análise, constitue em que o plano de interesse da amostra é cortado, lixado, polido e atacado com reagente químico, de modo a revelar as interfaces entre os diferentes constituintes que compõe o metal. Em relação ao que Rohde (2010) apresenta em seu artigo, o ensaio metalográfico, procura relacionar a estrutura do interior de uma amostra de um material com as suas propriedades físicas, com o processo de fabricação, com o desempenho de suas funções e outros. Para que seja estudado e assim poder relacionar as estruturas, o processo pode ser feito por dois processos que são Macrográfico ou Micrográfico. Segundo Rohde (2010) a seqüência mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é 100, 220, 320, 400, 600 e 1200 podendo haver variações dependendo do acabamento final de cada lixamento. Para se conseguir um lixamento eficaz é necessário o uso adequado da técnica de lixamento, pois de acordo com a natureza da amostra, a pressão de trabalho e a velocidade de lixamento, surgem deformações plásticas em toda a superfície por amassamento e aumento de temperatura. Esses fatores podem dar uma imagem errônea da amostra, para que não haja esses defeitos nas amostras, devem-se ter alguns cuidados ao se lixar a amostra, pois a sua superfície deve estar devidamente limpa, isenta de líquidos e graxas que possam provocar reações químicas nas superfícies; outro fator a se observar são os riscos profundos que surgirem durante o lixamento, pois estes devem ser eliminados por novo lixamento; por último, os metais diferentes não devem ser lixados com a utilização da mesma lixa. Após o processo de lixamento da amostra, inicia-se o processo de polimento que é muito importante para que se consiga uma boa nitidez ao se analisar a amostra, ou seja, ao realizar a identificação da estrutura do metal, não fique uma imagem com defeitos podendo atrapalhar a identificação correta, para isso, segundo Colpaert (2008) o polimento do ponto de vista micrográfico, só fica ótimo quando se consegue eliminar sucessivamente os riscos deixados pelas lixas, de modo que no fim de cada polimento, a superfície polida esteja menos encruada do que no polimento anterior. Outro processo de polimento é o eletrolítico, este processo segundo Rohde (2010) permite obter, por dissolução anódina de um metal em um eletrólito, uma superfície plana, polida e perfeitamente espalhada para a observação metalográfica. A teoria eletrolítica diz que se dois eletrodos são colocados em uma solução condutora os íons negativos dirigem-se para o eletrodo positivo (ânodo) e 2

3 os íons positivos para o eletrodo negativo (cátodo). Um ânodo metálico libera íons metálicos, os quais migrarão para o cátodo. Este fenômeno permite que todo ânodo seja transferido para o cátodo. O eletrólito é escolhido em função do tipo de material a ser polido. Esse trabalho tem por objetivo, mostrar a diferença na microestrutura e no formato da zona termicamente afetada pelos dois processos de cortes em chapas, esses cortes que foram escolhidos para a realização do trabalho, são cortes muito utilizados na indústria, pois são tecnologias de se cortar que possibilitam um corte preciso, ou seja, dentro das medidas, com um alto grau de velocidade possibilitando ser utilizados para demandas grandes dentro dos conformes e limitações de cada processo e com um alto grau de aplicação que existe entre os cortes. Metodologia Conforme foi descrito na introdução, o principal objetivo desse trabalho é obter imagens através do processo de metalografia, para isso, os métodos que foram utilizados para a realização da pesquisa foram as técnicas comuns utilizadas na indústria para a realização de corte de metais, para a obtenção das imagens para análise, foi utilizado amostras realizando as técnicas dos cortes oxicorte e plasma, após isso foram retirado amostras do local dos cortes para que fosse realizado as técnicas de metalografia, para isso foi necessário a preparação de amostras, realizando nelas o processo de embutimento, lixamento, polimento e posteriormente a isso foi realizado o ataque químico utilizando como ácido o nital com concentração de 2 % para que dessa forma fosse possível a análise da microestrutura do metal. Figura 1 - Apresentação do local na parte lateral da peça onde foi retirada a amostra para a análise (Fonte: ROHDE, 2010) Figura 2 Apresentação do local na parte superior da peça onde foi retirada a amostra para a análise (Fonte: ROHDE, 2010) Com isso, para cada análise de cortes diferentes, foram retiradas três amostras em partes diferentes, sendo uma para a análice da borda do material conforme figura 1, logo após foi retirado uma amostra na região conforme é apresentado na figura 2, após isso foi retirado uma terceira amostra que é parecido com a região de onde foi retirado a segunda, porém sendo retirado um amostra do interior da peça. 3

4 Resultados Conforme foi realizada a preparação das amostras, é possível ter uma análise detalhada do resultado obtido pelas imagens, conforme é apresentado a seguir: Figura 3 metalografia da amostra cortada pelo processo de plasma Figura 4 metalografia da amostra cortada pelo processo de plasma com ampliação de 1000 x A primeira amostra foi retirada da peça na região em que vai do local em que foi realizado o corte a plasma até o meio da amostra, conforme é apresentado na figura 2. A imagem metalográfica desta região é apresentada na figura 3; nesta imagem é possível observar a presença de uma matriz ferritítica pró eutetóide e o restante perlita, porém é possível identificar também a presença de pequenas regiões esferoidizadas conforme a figura 4. 4

5 Figura 5 metalografia da amostra cortada pelo processo de plasma apresentando o plano da borda com estrutura martensítica Figura 5 metalografia da amostra cortada pelo processo de plasma apresentando o plano da borda com estrutura martensítica com ampliação de 500 x Após analisar as imagens da amostra retirada da borda que está representada na figura 1, obtevese a imagem conforme a figura 5 e figura 6, nestas imagens são possíveis identificar a presença de uma matriz predominante de martensita. Acredita-se que a microestrutura do aço 1020 cortado pelo processo de oxicorte, tenha uma matriz contendo perlita e ferrita, há também a possibilidade de se encontrar próximo ao corte à presença de grãos irregulares em relação ao seu tamanho ao longo da amostra. Discussão Ao se realizar a análise das microestruturas da amostra cortada pelo processo de plasma, na região do corte, ou seja, na borda, foi possível observar a presença predominante de martensita, porém essa camada ao se analisar na lateral encontra-se uma camada bem fina, esse fenômeno ocorre devido ao fato de o metal ser um forte condutor térmico, por isso como a amostra tem um tamanho considerável, ela conduz a alta temperatura no momento do corte rapidamente para todo o metal, fazendo com que na região da borda (próximo ao corte) se resfriasse muito rápido causando uma estrutura predominante de martensita, porém com a temperatura elevada em todo o metal 5

6 resfriando por um longo tempo, aparecem pequenas regiões esferoidizadas, esse fenômeno ocorre quando se aquece um metal por um longo tempo, como o ocorrido na amostra, porém ao resfriar a amostra, o tempo em que ela ficou a cima da temperatura austenítica (temperatura em que ocorrem transformações nas estruturas dos metais de ferro ao carbono) foi baixo, por isso que não apareceram esferoidização por toda parte da amostra, mas somente em pequenas regiões. Acredita-se que ao realizar a análise da amostra cortada pelo processo de oxicorte, observam-se pequenas deformações, sabe-se que nos processos de corte e soldagem as dilatações são pontuais e causam deformações, uma vez que as regiões adjacentes ao corte estão frias servindo como um vínculo mecânico, com isso é possível explicar essas pequenas deformações micro estruturais e é possível observar também que nas regiões próximas ao corte, encontram-se grãos irregulares, este fenômeno ocorre devido ao aquecimento exagerado, porém não uniforme, ou seja, quanto mais próximo ao corte, o aquecimento é maior no momento do corte, e em seguida um resfriamento lento, com isso, a região próxima ao corte demora um tempo maior para se resfriar em comparação a região mais distante do corte. Conclusão Temperaturas influenciam diretamente na estrutura de qualquer metal, dessa forma, foi possível observar através de estudos e técnicas metalográficas que em um aço 1020 é alterado sua estrutura e morfologia quando submetido a um corte em que se utilizem os processos a quente como o utilizado (oxicorte e plasma). Essa modificação na estrutura é influenciada por diversas variáveis, dentre elas pode-se observar a influencia da temperatura, pois, como o metal foi atingido por elevadas temperaturas proveniente dos cortes, houve a modificação em sua estrutura. Há a influencia também do tempo em que esse metal ficou exposto a essa elevada temperatura, como pôde ter sido observado na presença de regiões esferoidizadas na amostra cortada pelo processo de corte por plasma. Com isso, para cada aplicação em uma indústria é utilizado o processo que melhor lhe convém, porém com as diferenças morfológicas estudadas, é possível haver falhas nas aplicações dessas chapas cortadas com esses processos, por isso, devem-se realizar estudos detalhados para que não haja falhas comprometendo o material acabado. Referências AFONSO, Gustavo. Plasma cnc. Artigo Técnico. Metalique. Sorocaba. [s.d.] ALMEIDA, Mário Bittencourt Quirino de. Oxicorte. Rio de Janeiro: Firjan BAPTÍSTA, André Luís de Brito. O ensaio metalográfico no controle da qualidade. Artigo. UFF. Niterói. [s.d.]. CABRAl, Mariana Aparecida Soares; CÉSAR, Paulo. Processos metalúrgicos: corte a laser, plasma e oxicorte. Monografia. UNIFOA. Volta Redonda CAMPOS, Paulo Ricardo Zambianco. et al.. Processo de Corte em Arco Plasma. Monografia. EEP. Piracicaba COLPAERT, Hubertus. Metalografia: dos produtos comuns. 4ª. ed. São Paulo: Blucher, FATEC. Imagens metalográficas. Imagens. Fatec Pindamonhangaba. Pindamonhangaba LIMA, Erasmo G. Corte a plasma. Artigo. Hypertherm. São Paulo RAMALHO, José. Processo oxicorte. Artigo Técnico. Infosolda. Osasco. [s.d.]. ROHDE, Regis Almir. Metalografia preparação de amostras. Artigo. Urisan. Santo Ângelo