ESTUDO COMPARATIVO ENTRE O TRATAMENTO TÉRMICO A VÁCUO E O TRATAMENTO TÉRMICO POR BRASAGEM REALIZADO EM AÇO INOXIDÁVEL M340 APLICADO A INSTRUMENTAIS CIRÚRGICOS R. L. Ciuccio 1, V. Pastoukhov 2, M.D.D. NEVES 2, R. A. Lira 3, Rua Soldado Antônio Martins de Oliveira, 82 Guarulhos SP rciuccio@hotmail.com 1 UNITAU Universidade de Taubaté. 2 IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas Nucleares. 3 SIN Sistema de Implante. RESUMO Neste trabalho é apresentado o estudo comparativo de tratamento térmico a vácuo e tratamento térmico por brasagem com o propósito de avaliar a confiabilidade e resistência do produto. O objetivo principal deste trabalho é analisar, do ponto de vista estrutural e das propriedades mecânicas, os resultados obtidos com a realização do tratamento térmico de têmpera a vácuo e o tratamento térmico por brasagem realizado em aço inoxidável M340 aplicado a instrumentais cirúrgicos. A metodologia empregada nesta pesquisa é de caráter exploratório, foi desenvolvida, a partir de testes experimentais. Foram realizados ensaio de dureza Rockwell em todas as amostras, além da análise metalográfica, verificando-se microestrutura obtida pela realização desses tratamentos. Palavras-chave: Tratamento Térmico, microestrutura, resistência mecânica, aço inoxidável. 28
INTRODUÇÃO Os aços inoxidáveis têm sido amplamente empregados como instrumentais cirúrgicos por meio século, as fresas odontológicas são importantes instrumentais cirúrgicos que têm a função de preparar o alvéolo ósseo para posterior inserção dos implantes. Cada família de implante possui um sistema de fresagem específico para sua instalação [1]. O tratamento térmico de metais baseia-se na operação ou conjunto de operações realizadas no estado sólido compreendendo o aquecimento, a permanência em determinadas temperaturas e resfriamento, realizados com a finalidade de conferir ao material determinadas características [2]. O tratamento térmico deve ser executado obedecendo às recomendações dos fabricantes dos aços e às condições especificas da tecnologia de aquecimento e resfriamento utilizados neste processo. Esses aços são usualmente empregados na condição temperado e revenido, em que a temperatura e o tempo de revenimento da microestrutura predominantemente martensítica são escolhidos de acordo com o nível de dureza requerido. Pelo fato de as transformações metalúrgicas ocorrerem a taxas relativamente baixas, os tratamentos de têmpera e revenimento pode ser empregado em peças com até 100 mm de espessura [3]. O entendimento das diferenças entre a têmpera a vácuo e a têmpera por brasagem permitem selecionar o processo de tratamento térmico mais adequado e definir qual a melhor opção para ferramentas de alto desempenho para aplicações em implantodontia. Isto permite avaliar a melhoria das propriedades tribológicas dos materiais como resistência ao desgaste, a resistência à fadiga e a resistência à corrosão. Entre os problemas relacionados ao tratamento térmico de têmpera do aço inoxidável M340 estão: a precipitação de carbonetos em contorno de grão, com transformação parcial da microestrutura, resultantes de taxas de resfriamento insuficientes, resistência a corrosão e falha do produto (resistência a fadiga). O objetivo principal deste estudo é analisar, do ponto de vista estrutural e das propriedades mecânicas, os resultados obtidos com a realização do 29
tratamento térmico de têmpera a vácuo e o tratamento térmico por brasagem realizado em aço inoxidável M340 aplicados a instrumentais cirúrgicos. MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia empregada nesta pesquisa científica de caráter exploratório foi desenvolvida, a partir de pesquisas bibliográficas e testes experimentais. Foram utilizadas duas barras de aço inoxidável M340 com diâmetro de 4,76 mm e 1200 mm de comprimento para o desenvolvimento deste trabalho. Material O levantamento das propriedades físicas da amostra foi realizado com base nas normas NBR 5601 [4]. A designação inox M340 [5] é o nome que o fornecedor de aço inoxidável utiliza para codificar seu produto, esse tem características semelhantes ao aço inox 420B, que é um aço-cromo martensítico utilizado principalmente em instrumentos cirúrgicos e dentários, peças de máquinas, moldes para plástico e indústria de vidro. Na tabela I, é apresentada a composição química do aço inoxidável M340. Tabela I Composição química do aço inoxidável [5]. Limites máximos de Composição % C Si Mn Cr Mo V +N 0,54 0,45 0,40 17,30 1,10 0,10 Tratamento Térmico O processo a vácuo é realizado em uma câmara isenta de oxigênio, evacuada com o auxílio de bombas de alto vácuo [3, 4, 5, 10, 11]. A atmosfera resultante previne a ferramenta contra reações na superfície, como descarbonetação e oxidação, removendo também impurezas como filmes de óxidos e resíduos de lubrificantes provenientes da etapa de fabricação da 30
ferramenta [3, 10]. O aquecimento é proporcionado por irradiação, através das resistências de grafite, dispostas no equipamento de forma que a temperatura seja uniforme em toda a câmara [3, 4, 5, 10, 11]. O grafite auxilia ainda na eliminação do oxigênio residual, que tem maior tendência a combinar com o carbono do que com o ferro existente na composição química do aço [3, 10]. Além disso, a possibilidade de montagem de cargas em dispositivos e o fato de não haver movimentação das ferramentas durante o tratamento, uma vez que as etapas de pré-aquecimento, austenitização e resfriamento ocorrem dentro da câmara, minimizam as distorções dimensionais [11]. A literatura técnica especializada e o fabricante de aço fornecem diagramas que retratam as propriedades e as temperaturas recomendáveis para se obter a melhor combinação de propriedades, tais como a resistência a corrosão, tenacidade, tensão residual e a dureza, conforme mostrado na figura 1. Figura 1 Curva de dureza para o revenimento do aço inoxidável M340. O endurecimento desse tipo de aço se dá por têmpera onde o mesmo é aquecido lentamente até 980 C 1040 C, e depois, no caso de peças pequenas, é resfriado bruscamente através de ar, sendo necessário o processo de revenimento imediatamente após o tratamento de têmpera, para evitar a ocorrência de trincas térmicas, conforme figura 2. 31
Figura 2 Seqüência de tratamento térmico para o aço inoxidável M340. A figura 3 mostra a propriedade tenacidade em função da temperatura de revenimento utilizada para o aço M340. O fabricante desse aço sugere que para peça compactas, ou de pequenas dimensões, como nesta aplicação de instrumentais cirúrgicos aplicados a implantodontia, estas poderiam ser utilizadas com a dureza de 54 HRC (dureza obtida na faixa de temperatura de revenimento de 200 a 300 C), obtendo-se a condição de melhor resistência a corrosão e tenacidade. Figura 3 Seqüência de tratamento térmico para o aço inoxidável M340. A tensão residual é o resultado das tensões desenvolvidas durante o tratamento térmico de têmpera e revenimento e que, neste caso, são tensões 32
de tração na superfície do aço [6]. O melhor tratamento térmico busca reduzir ao máximo essas tensões de tração na superfície. Dessa forma, para um dado tipo de peça, as operações finais de construção, condicionam a seleção da melhor temperatura do tratamento térmico da etapa de revenimento. Ensaio de Dureza A amostra foi submetida a ensaio de dureza superficial Rockwell na escala C. Para medição de dureza superficial Rockwell foi utilizado um durômetro de bancada Pantec modelo RASN/RS e empregada uma carga de 150 kgf. Utilizou-se um penetrador de diamante do tipo cone com 120. Ensaio de Tração O ensaio estático de tração foi realizado em uma máquina universal de ensaios mecânicos modelo Emic DL 6000, em temperatura ambiente. Para realização do ensaio e verificação dos critérios de aceitação foi utilizada a norma ASTM E8-E8M [7]. RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 3 mostra o diagrama que relacionam dureza versus temperaturas do tratamento térmico de revenimento do aço M340. É interessante observar que a dureza inferior a 52 HRC é alcançada somente para temperaturas superiores a 480, condição esta de menor presença final de austenita retida, porém resultando em menor resistência a corrosão. 33
Figura 3 Curva de dureza do aço M340 tratado a vácuo. Figura 4 Curva de dureza do aço M340 tratado por brasagem. A zona de temperatura compreendida entre 300 e 500 C resulta em diferentes propriedades mecânicas que podem afetar o desempenho da peça construída em aço inoxidável M340. Portanto, é fundamental conhecer aspectos da aplicação da peça e, principalmente, as etapas de finalização de construção desta, em tornos de operações [8]. A figura 5 mostra o resultado do ensaio de dureza Rockwell na escala C entre os diferentes tipos de tratamento térmico. Podemos observar que o resultado obtido no tratamento térmico a vácuo (56 HRC) foi superior em 26,83% em relação ao tratamento térmico por brasagem (41 HRC). 34
Figura 5 Gráfico comparativo entre durezas em Rockwell (HRC). No processo realizado em forno a vácuo, a pressão de nitrogênio utilizada no resfriamento, o trocador de calor do forno e o tamanho da peça são responsáveis pela transformação total da microestrutura da ferramenta, partindo-se do pressuposto de que o tempo e temperatura de austenitização estão adequados ao material a espessura da ferramenta em tratamento. A figura 6 mostra a micrografia realizada no sentido transversal do aço inoxidável M340 tratado termicamente no processo de têmpera a vácuo. Podemos observar uma microestrutura martensítica com presença de carbonetos primários e pequenos carbonetos secundários esferoidais. Figura 6 Micrografia do aço inoxidável M340 tratado a vácuo. 35
No forno a vácuo, o resfriamento responsável pelas transformações micro estrutural necessárias à aplicação da ferramenta, é realizado através da injeção de nitrogênio sob pressão, medida em bar [3, 10]. A pressão de resfriamento deve ser adequada em função da espessura da ferramenta, garantindo taxas de resfriamento mínimas para evitar a presença de perlita, bainita ou precipitação de carbonetos em contorno de grão [2, 3, 10]. O controle da atmosfera de tratamento é importante na têmpera de aços ferramenta. Problemas relacionados à descarbonetação, carbonetação e oxidação da superfície de uma ferramenta resultam em queda de rendimento por falhas ou, em processos posteriores de revestimentos PVD, resíduos na superfície resultam em dificuldades de aderência da camada depositada [11]. A figura 7 mostra a micrografia realizada no sentido transversal do aço inoxidável M340 tratado termicamente no processo de têmpera por brasagem. Podemos observar uma microestrutura martensítica com presença de carbonetos primários e pequenos carbonetos secundários esferoidais distribuídos pela matriz e em contornos de grãos. Figura 7 Micrografia do aço inoxidável M340 tratado por brasagem. A figura 8 mostra o resultado do ensaio de tração entre os diferentes tipos de tratamento térmico. Podemos observar que o resultado obtido no 36
tratamento térmico a vácuo (1615 MPa) foi superior em 56,40% em relação ao tratamento térmico por brasagem (911 MPa).. Figura 8 Resultado do ensaio de tração entre diferentes tipos de tratamento térmico. CONCLUSÃO Dentro da metodologia empregada neste estudo e com base na análise dos dados é possível concluir que o tratamento térmico de têmpera em aço inoxidável M340 apresenta particularidades que tornam crítica a execução e escolha do processo mais adequado em aplicações em implantodontia, onde variações mínimas dos parâmetros de tratamento podem resultar em microestruturas diferentes e em rendimento insatisfatório para o produto final. O processo de tratamento térmico a vácuo mostrou-se capaz de transformar a microestrutura do material a ponto de promover a austenitização do mesmo, elevando-se assim a dureza para 56 HRC, aumentando assim à propriedade de resistência a corrosão. Notamos que o tratamento térmico por brasagem possui uma dureza menor isso indica que a peça manteve o seu aspecto brilhante, uma boa tenacidade e baixa resistência a corrosão. 37
Para se obter a melhor combinação de resistência a corrosão e tenacidade, o revenimento deve ser executado na temperatura próxima de 250 C, entretanto a dureza resultante será de, no mínimo, 50 HRC. Conclui-se que a tecnologia envolvida no tratamento térmico em forno a vácuo possibilita um controle rigoroso dos parâmetros de processo, garantindo a integridade superficial, menor distorção quando comparado com tratamentos realizados em banho de sal e homogeneidade microestrutural, através do controle de gradiente de temperatura entre superfície e núcleo, com taxas de resfriamento adequadas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a SIN Sistema de Implante por terem fornecido as amostras, as instalações e equipamentos necessários à realização deste trabalho. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Assis, E. A. Capacidade de Corte de Brocas do Sistema 3i. Brasília 2000, Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências da Saúde da Universidade de Brasília. [2] ABNT NBR NM 136:2000 Tratamento Térmico de aço Terminologia e definições, 2000. [3] DOWLING, N. E. Mechanical behavior of materials. New Jersey: Prentice Hall, 1999. [4] NBR 5601 Aços Inoxidáveis classificação por composição química. [5] Aços especiais BOHLER. Ficha técnica do aço M340 ISOPLAST edição 03 junho de 2005. [6] Fadiga dos Materiais. Fem-Unicamp, Pós-graduação, Prof.I. Ferreira, 2003. [7] ASTM E8 / E8M - 11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. [8] VENDRAMIM, J. C. AISI 420 Tratamento Térmico e Propriedades, edição 2007. 38
COMPARATIVE STUDY BETWEEN VACUUM AND HEAT TREATMENT HEAT TREATMENT DONE BY BRAZING STAINLESS STEEL SURGICAL M340 APPLIED TO VEHICLES ABSTRACT This work presents a comparative study of vacuum heat treatment and brazing heat treatment in order to assess the reliability and strength of the product. The main objective of this paper is to analyze, from the standpoint of structural and mechanical properties, the results obtained with the heat treatment hardening heat treatment and vacuum brazing of stainless steel made M340 applied to surgical instruments. The methodology employed in this research is exploratory, was developed from experimental tests. Were performed Rockwell hardness testing in all samples, and the metallographic analysis, verifying microstructure obtained by carrying out such treatments. Key-works: Heat Treatment, microstructure, mechanical resistance, and stainless steel. 39