RESISTÊNCIA AO DESGASTE DE AÇOS MICROLIGADOS COM NIÓBIO

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1 RESISTÊNCIA AO DESGASTE DE AÇOS MICROLIGADOS COM NIÓBIO M. R. Teixeira 1,B. C. Vieira 1, S. S. S. Scardua 1, A. Itman Filho 1 maiara.roberto@gmail.com Instituto Federal do Espírito Santo - IFES RESUMO Este trabalho visa avaliar a adição de 0,01% e 0,08% de nióbio no desgaste de um aço microligado utilizado em componentes da indústria petroquímica. O aço foi elaborado em um forno de indução, vazado e forjado na forma de barras quadradas. As amostras foram temperadas a 950 C e revenidas a 250 C. A influência do nióbio é analisada por meio de ensaios de desgaste pelo método de rolamento de uma esfera em contato com a superfície da amostra. O abrasivo utilizado no ensaio foi carbeto de silício. Os resultados mostram que o aumento do teor de nióbio eleva a resistência ao desgaste. Palavras-chave: Aço microligado, Tratamentos térmicos, Desgaste. 5269

2 INTRODUÇÃO Os aços microligados O desenvolvimento dos aços e ligas com adição de nióbio representa um grande avanço tecnológico e oferece vantagens econômicas para a engenharia estrutural, exploração de petróleo e gás, indústria automotiva além da aeronáutica e nuclear. Nos aços microligados utilizados na fabricação de dutos de grande vazão, a resistência mecânica deve ser suficiente para suportar as elevadas pressões e o volume de petróleo transportado. O aumento da resistência mecânica e da tenacidade para permitir a operação da linha em pressões mais elevadas, sem a ocorrência de colapso da estrutura, é o principal requisito para os aços utilizados na confecção destes dutos. No caso dos dutos para transporte de petróleo, os aços atendem a resistência mecânica conforme a norma API 5L. São desenvolvidos a partir dos aços de baixo carbono (como o ASTM A-36), com pequenas adições de Mn e outros elementos em níveis muito pequenos. Estes aços contêm pequenas quantidades de Nb, V, Ti e Mo e a soldagem é similar à dos aços de baixo carbono, embora com maior temperabilidade. De um modo geral, a adição dos elementos Nb, V, Ti e Mo proporciona um aumento da resistência mecânica, redução de aço na estrutura e diminuição do custo. São destinados às estruturas onde a soldagem é um requisito importante, assim como a resistência. A adição de nióbio é feita para que ocorra o refino do grão, que favorece uma microestrutura mais fina e homogênea, com aumento da resistência e tenacidade simultaneamente. Nesta pesquisa, dois aços microligados com 0,01 e 0,08 % de nióbio foram elaborados em um forno de indução e forjados na forma de barras quadradas. As barras foram recozidas e amostras cortadas na forma de cubos foram tratadas termicamente. Após têmpera e revenimento as amostras foram submetidas aos ensaios de desgaste, medidas de durezas e análise das microestruturas. O coeficiente de desgaste O desgaste é uma das fontes de redução da vida útil de máquinas e dispositivos industriais. O desgaste é um processo que dá origem a defeitos e diminuição das superfícies que se movimentam, com formação de resíduos prejudiciais. É um fenômeno superficial em que ocorre deterioração, ou arrancamento de partículas, por atrito. Constitui um sério fator de destruição, visto que as peças de máquinas 5270

3 que se movimentam estão sujeitas a esse fenômeno (3). Existem três formas de desgaste, que dependem da natureza das superfícies em contato: atrito-desgaste metálico (metal contra metal), abrasão (metal contra não metal) e erosão (líquidos e vapores contra metal). O desgaste abrasivo é definido como sendo o desgaste devido a partículas duras ou protuberâncias duras forçadas contra e movendo-se ao longo de uma superfície sólida (ASTM G40 96). Dois modos de desgastes abrasivos são atuantes: o rolamento das partículas abrasivas sobre o corpo de prova, denominado desgaste abrasivo por rolamento e o desgaste abrasivo por riscamento, quando as partículas abrasivas deslizam sobre a superfície. Estes dois modos podem atuar simultaneamente, recebendo o nome de desgaste abrasivo misto (rolamento + riscamento) (2). MATERIAIS E MÉTODOS Os aços microligados com 0,01 e 0,08 % de nióbio foram elaborados em um forno de indução com o metal líquido vazado em uma lingoteira. O lingote foi aquecido na temperatura de 1050 o C durante uma hora e forjado na forma de barras quadradas. Em seguida, amostras dos dois aços foram cortadas na forma de cubos com 15 mm de lado, aquecidas a 950 o C durante 40 minutos e resfriadas em água. O revenimento após têmpera foi realizado a 250 ºC com posterior resfriamento ao ar. Preparação das amostras Para realizar os ensaios de desgaste, as amostras tratadas termicamente foram cortadas com 3 mm de espessura. O lixamento foi feito nas lixas 80, 180, 220, 320, 400, 600, 1000 e O polimento foi feito em disco de feltro com pasta de alumina de 1 µm. As planicidades da superfície das amostras foram verificadas em um estereoscópio. As microestruturas foram observadas em microscópio ótico confocal (CF) após ataque superficial com reagentes nital 3% e Lepera. Realização dos Ensaios de Desgaste O ensaio de desgaste realizado é do tipo rolamento de esfera que deixa na superfície do material uma calota esférica. Através do diâmetro dessa calota, pode 5271

4 ser possível prever, ou estimar, o comportamento ao desgaste abrasivo de um material em condições reais de trabalho. O ensaio foi realizado forçando uma esfera com movimento rotativo em presença de um abrasivo contra o corpo de prova, a configuração do ensaio foi do tipo esfera-livre. Na composição da pasta abrasiva, utilizou-se o carbeto de silício (SiC). Os parâmetros comuns adotados para este ensaio foram a taxa de gotejamento do abrasivo: 1 gota a cada 3 segundos e o tempo de ensaio de 5 a 45 min. Os ensaios de desgaste seguiram o procedimento padrão para utilização do equipamento. As variáveis do processo são determinadas de acordo com o material analisado. Foram feitos quatro ensaios referentes aos aços 0,01 e 0,08 Nb temperados a 950 C e temperados a 950 C seguido de revenimento a 250 C. A esfera deixa impressa no corpo de prova uma calota, que tem o diâmetro medido com o auxílio de um estereoscópio (aumento de 50x) a cada intervalo de 1000 rotações. Com o valor do diâmetro da calota calcula-se o volume de desgaste, a profundidade da calota e o coeficiente de desgaste do material. Cálculo do Coeficiente de Desgaste (Ks) O valor de Ks encontrado é função do diâmetro da calota, da distância percorrida e da força aplicada. Para o cálculo do coeficiente específico de desgaste (Ks), cuja unidade é mm 3 /m.n, utiliza-se a fórmula: Ks = Q / Fn (A) Onde Q é o parâmetro que mede a razão de desgaste (volume desgaste acumulado (V) por unidade de deslizamento (L)): Q = Volume de desgaste (V) (B) Distância Percorrida (L) e Fn é a carga normal aplicada. A unidade de deslizamento ou distância percorrida é obtida multiplicando-se o comprimento de um anel da esfera pelo número de rotações realizadas. O volume de desgaste é o volume da calota esférica impressa no corpo de prova, ou seja, quanto maior o coeficiente, maior a perda de material. A medida do diâmetro superficial da calota impressa no corpo de prova é feita a cada intervalo de tempo proposto. 5272

5 RESULTADOS Na Tab.1 são apresentadas as composições químicas dos dois aços microligados. Tabela 1 - Percentuais em peso da composição química dos aços estudados. C Si Mn P S Ti V Nb 0,09 0,09 0,42 0,03 0,01 0,02 0,01 0,01 0,09 0,09 0,42 0,03 0,01 0,02 0,01 0,08 Fonte: Autoria própria. Os gráficos a seguir apresentam os valores dos coeficientes específicos de desgaste para os aços temperados a 950 C e revenidos a 250 C para cada tempo de ensaio. Figura 1. Influencia do tempo no coeficiente de desgaste dos aços temperados. Figura 2. Influencia do tempo no coeficiente de desgaste dos acos temperados e revenidos. Fonte: Autoria própria. 5273

6 Com relação à microestrutura, observa-se nas Figuras 3, 4, 5 e 6 a formação da estrutura martensítica proveniente da têmpera. Figura 3. Microestrutura do aço temperado com 0,01%Nb (nital 3% - CF) Figura 4. Microestrutura do aço temperado com 0.08% de Nb. (Lepera - CF) Figura 5. Microestrutura do aço temperado a 950ºC e revenido a 250ºC com 0,01%Nb (nital 3% - CF) 5274

7 Figura 6. Microestrutura do aço temperado a 950ºC e revenido a 250ºC com 0,08%Nb (nital 3% - CF) Os materiais temperados apresentam resistência ao desgaste maior comparado aos temperados e revenidos, em razão do processamento térmico, pois a têmpera promove a formação de uma estrutura com constituintes aciculares com maior dureza em relação à estrutura revenida. Com os dados coletados é possível observar que no início do ensaio a tendência dos materiais ensaiados é desgastar mais e com o passar do tempo tendem a um valor constante. Comparando-se os Ks é possível afirmar que o aço microligado com 0,08% Nb desgasta menos que o aço com 0,01% Nb, pois durante o resfriamento o nióbio forma carbonetos e aumenta a dureza (3). Assim, é válido utilizar o nióbio como elemento de liga adicionado aos aços para conferir melhores propriedades mecânicas, especialmente nos aços de alta resistência e baixa liga, como os utilizados em tubulações para transmissão de fluidos sob alta pressão. CONCLUSÕES O maior teor de nióbio promove o aumento na resistência ao desgaste nos aços microligados. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fapes pelo apoio financeiro, à Fundição Grupo Metal pelas amostras do aço forjado e ao CNPq pela bolsa de iniciação científica. 5275

8 REFERÊNCIAS 1. Bressan, J. D.; Comeli, F.W. Estudo da resistência ao desgaste de aço AISI 422 tratado termicamente, nitretado e com revestimentos aspergidos de carboneto de cromo-níquel, Udesc, Joinville, Cozza, R.C. Estudo do comportamento do coeficiente de desgaste e dos modos de desgaste abrasivo em ensaios de desgaste micro-abrasivos, Dissertação (Mestrado em engenharia de materiais) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, USP, São Paulo. 3. Peixoto, N.H. Caracterização metalúrgica do aço SAE 1141 microligado ao nióbio por simulação física, Tese ( Doutorado), Universidade Federal Rio Grande do Sul, UFRS, Rio Grande do Sul. 4. Shanmugam, S., Misra, R.D.K., Hartmann J., Jansto, S.G. Microstructure of high strength niobium-containing pipeline steel. Materials Science Engineering: A, V.441, p , WEAR RESISTANCE STEEL WITH MICROALLOYED NIOBIUM ABSTRACT This study aims to evaluate the addition of 0.01% and 0.08% of niobium in wear of a microalloyed steel used in petrochemical industry components. The steel was prepared in an induction furnace, cast and wrought in the form of square bars. The samples were annealed at 950 C and tempered at 250 C. The influence of niobium is analyzed by wear tests by the method of rolling a sphere in contact with the surface of the sample. The abrasive used in the assay was silicon carbide. The results show that increasing niobium content increases the wear resistance. Keywords: Microalloyed steel, Heat treatments, Wear. 5276