TRATAMENTO DE SUPERFÍCIE A LASER EM AÇOS 4340 E 300M A.J.Abdalla *1, G. de Vasconcelos 1, A.G.Portela 2,A.S.M.Cardoso 1, C.A.R.P.Baptista 2 1 Instituto de Estudos Avançados IEAv/DCTA, Divisão de Fotônica EFO-O Rodovia dos Tamoios, km 5,5 São José dos Campos, SP - *abdalla,@ieav.cta.br 2 Escola de Engenharia de Lorena EEL/USP, 2 - baptista@demar.eel.usp.br RESUMO O aço 300M surgiu a partir do aço de alta resistência SAE 4340, este foi desenvolvido para adquirir melhor tenacidade e soldabilidade em aplicações que exigem melhores propriedades mecânicas; com pequenas alterações nos elementos de liga, adição de vanádio e elevação no teor de silício. Este trabalho avaliou quais os melhores parâmetros para o tratamento de cementação com a utilização de um laser de CO 2 de baixa potência (50W), comparando a microestrutura e a dureza destes dois tipos de aços, após o tratamento termoquímico proposto. Foram variados os seguintes parâmetros do laser de CO 2 : velocidade, resolução e número de passes; a potência foi mantida constante. O revestimento utilizado foi o negro de fumo. Após o tratamento, foi realizada a preparação metalográfica e observação em microscopia óptica. As camadas apresentaram um valor de dureza Vickers superior ao do metal base e ao da zona termicamente afetada. Observou-se que existe uma faixa de parâmetros onde a velocidade, a resolução e número de passes podem produzir uma camada homogênea e compacta, com elevada dureza, para ambos os aços e uma região multifásica em parte da zona afetada pelo calor. Palavras Chave: aços aeronáuticos, tratamento de superfície, carbonetação a laser. 1. INTRODUÇÃO O aço SAE 4340 foi desenvolvido para estruturas de grande porte, com elevadas propriedades mecânicas e boas características em fadiga, estas 57
características permitem a obtenção de estruturas com peso reduzido. O aço 300M surgiu a partir do aço 4340, este foi desenvolvido para adquirir melhor tenacidade e soldabilidade em aplicações que exigem melhores propriedades mecânicas; foram introduzidas pequenas alterações nos elementos de liga: adição de vanádio, elevação no teor de silício e pequeno aumento no teor de molibdênio (1). O aço 300M vem sendo empregado como substituto do aço 4340, devido a melhoria nas propriedades mecânicas, facilidade de têmpera e boa soldabilidade, partes do veículo lançador de foguetes brasileiro (VLS) e trens de pouso de algumas aeronaves vem sendo fabricados com este aço. A tecnologia do aço 300M foi desenvolvida associando estudos do efeito dos elementos de liga e dos tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas do aço (2,3). O endurecimento por transformação via laser consiste no aquecimento da superfície, abaixo da temperatura de fusão, para produzir uma transformação de fase no estado sólido sem alterar o substrato. A energia absorvida pelo material é transformada em calor em um tempo curto e quando a fonte de calor é retirada, uma fase dura é formada na zona aquecida e resfriada rapidamente (4). No processo a laser a fonte de energia que promove o aquecimento é a radiação incidente á superfície da amostra. Parte da radiação é absorvida na superfície do substrato e esta é a responsável pelo aquecimento. O aumento da temperatura é extremamente rápido até a faixa de austenitização, em decorrência da concentração de energia em finas camadas. O resfriamento, graças às camadas frias vizinhas, também ocorrerá rapidamente, produzindo o efeito de têmpera na zona afetada pelo calor, sem a necessidade de se utilizar um líquido de resfriamento (5,6,7). Neste trabalho, o laser de CO 2 foi utilizado para fornecer energia ao processo e uma fina camada de negro de fumo foi depositada na superfície como fonte de carbono (8). Após a irradiação é formada uma camada de carbonetos de ferro com dureza elevada na superfície e, abaixo desta, uma região endurecida devido ao processo de transformação de fases provocado pelo rápido aquecimento e resfriamento a laser. 58
2. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foram utilizados os aços SAE 4340 e 300M. As amostras foram submetidas ao tratamento térmico de normalização a 950ºC, durante 2 horas e resfriadas ao forno para eliminar os efeitos de processamento. A composição química está discriminada na tabela I. Tabela I - Composição química dos aços 4340 e 300M (% em peso) Elementos C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al Ti V 4340 0,39 0,30 0,69 0,016 0,007 1,8 0,81 0,22 0,12 0,23 0,0014 0,006 300 M 0,44 1,83 0,82 0,008 0,006 1,68 0,77 0,39 0,14 0,036 0,0037 0,08 Após o tratamento térmico de normalização as amostras foram lixadas até 600 mesh, lavadas e secas. Foram posteriormente foram cobertas com o negro de fumo através da aspersão e irradiados via laser CO 2 de baixa potência. A solução de negro de fumo foi preparada com 10 g de negro de fumo e 0,1 g de carboxilmetilcelulose (CMC) em 100 ml de álcool etílico. O laser utilizado foi um laser de CO 2, com potência de saída igual a 50W, diâmetro do feixe de laser de 300µm (marca: Synrad e modelo: J48-5W), e um fluxo de nitrogênio para atuar como protetor na camada irradiada, evitando a oxidação (9,10). O organograma da Figura 1 mostra as etapas percorridas durante a pesquisa. Amostras foram preparadas metalograficamente e atacadas com Nital 2% para a caracterização por microscopia óptica e eletrônica de varredura. Foram também realizadas análises por difração de Raios-X e de dureza por microindentação. As irradiações das amostras foram realizadas variando parâmetros em busca do melhor parâmetro para a formação do revestimento. As principais variáveis foram: Velocidade do feixe: foram utilizadas velocidade de 45 a 250 mm/s; Resolução: Foi utilizada de 300 a 600 dpi; Número de ciclos/passes: Foi utilizado de 2 a 8 passes (número de vezes que o laser varre a superfície). A potência do laser ficou estabilizada em 50 W, 100% da potência do laser utilizado, baseado em estudos anteriores (11). 59
Figura 1 Etapas desenvolvidas no trabalho de pesquisa 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 2 mostra uma típica camada produzida com êxito, com os melhores parâmetros de laser encontrado, de forma geral, observa-se a formação de três camadas. Na superfície há a camada com alta concentração de carbono e ferro, zona revestida (ZR), a segunda onde há a interação (ZI = ZR/ZTA) entre as zona revestida (ZR) e zona termicamente Afetada (ZTA), e a terceira região afetada pelo laser (ZTA), a qual se observa a ocorrência de têmpera localizada. Após estas regiões encontra-se o metal base composto de fases e microestruturas típicas de aço médio carbono (perlita e ferrita). 60
Figura 2 Microscopia Óptica (MO): Zonas típicas formadas após aspersão com negro de fumo e irradiação a laser. A combinação de velocidade, resolução e número de passes, fornece uma energia ao material, se esta energia for elevada irá provocar defeitos como a formação de trincas ou ablação de material (Figura 3(a)). Com o aumento da velocidade, redução da resolução e/ou número de passes, a energia fornecida pode ser inferior a necessária para formar uma camada adequada, estas podem se tornar muito finas ou irregulares (Figura 3(b)). Observa-se neste caso que a velocidade de 150mm/s é muito elevada para a formação da camada e que 80mm/s é muito baixa, formando uma camada irregular, mantendo os outros parâmetros fixos(resolução e número de passes) Figura 3 Microscopia Óptica (MO): mostrando defeitos devido aos parâmetros utilizados: (a) velocidade de 150 mm/s, resolução 400 e número de passes = 8; (b) velocidade 80 mm/s, resolução 400 e número de passes = 8. 61
Os melhores parâmetros de aplicação do laser, que forneceram as melhores camadas, mais regulares, de maior dureza e espessura, para o aço 4340 foi um número de passes igual a 4, resolução de 600 dpi e velocidades de 45 e 55 mm/s. A resolução de 700 e 800 dpi, número de passes 4 e velocidades de 60 e 75 mm/s também apresentaram resultados favoráveis. Para o aço 300M pôde-se observar que as amostras com número de passes igual a 4, resolução de 400 e 800 e velocidade 45 e 55 mm/s respectivamente, apresentaram os melhores resultados. Para a resolução de 800dpi, número de passe 2 e velocidade de 45 mm/s também foi obtido um bom resultado para o aço 300M. As Figuras 4(a) e (b) mostram camadas formadas pelo processo a laser, em amostras dos aços 4340 e 300M, para parâmetros escolhidos como adequados para a aplicação. a b Figura 4 Microscopia Óptica (MO): (a) aço 4340 vel.de 45 mm/s, resolução 600 e nº de passes 4; (b) aço 300M vel.de 45 mm/s, resolução 800 e nº de passes 4. As curvas de microdureza mostraram que há uma grande elevação na dureza na camada branca (ZR) (carbonetos de ferro), com uma queda na região intermediária (ZI) e uma elevação na região termicamente afetada(zta), com relação ao substrato, devido a formação de fases duras (martensita e bainita). O gráfico da Figura 5 mostra o gráfico típico obtido para o aço 4340 e a Figura 6 a curva obtida para o aço 300M, para as mesmas condições de processamento. Observa-se que os níveis de dureza obtidos na camada revestida (ZR) são mais elevados, devido a maior espessura obtida nesta camada. Na ZTA também é observado alguma elevação na dureza, devido a maior temperabilidade do aço 300M. 62
Figura 5 - Perfil de dureza para o aço 4340. Parâmetros: vel. 45 mm/s, res. 600dpi, n de passes 4, potência = 50W. Figura 6 - Perfil de dureza para o aço 300M. Parâmetros: vel. 45 mm/s, res. 600, n de passes 4, potência = 50W. Os difratogramas de raios-x mostraram a presença de grafita, óxido de ferro, Fe, Fe-γ e martensita, em ambos os aços. Esta indicação mostra que as formações são complexas, atinge-se em algumas regiões temperaturas de austenitização, com a formação de martensita e austenita retida, além da formação de óxido de ferro e grafita livre, que pode contribuir em processos onde o atrito e desgaste precisem ser minimizados. 63
A Figura 7 mostra uma imagem típica obtida por MEV, onde se observa claramente a zona dura na superfície, com cerca de 20 µm, o material base na parte superior (estrutura ferrítica perlítica) e uma zona intermediária, onde ocorreram as transformações de fase e formação de martensita e bainita com características mais aciculares. Estas formações foram semelhantes para o aço 4340 e para o 300M. Figura 7 - Análise de MEV das camadas formadas no aço 300M. 4. CONCLUSÕES Para o aço 4340 pôde-se observar que as amostras com número de passes igual a 4, resolução de 600dpi e velocidade de 45 e 55 mm/s, apresentaram bons resultados na formação de camadas espessas, homogêneas, com elevada dureza e com menor rugosidade. Com a resolução de 700 e 800dpi, número de passes 4 e velocidades de 60 e 75 mm/s também apresentaram bons resultados. Para o aço 300M pôde-se observar que as amostras com número de passes igual a 4, resolução de 400 e 800dpi e velocidade 45 e 55 mm/s respectivamente, apresentaram os melhores resultados. Para a resolução de 800dpi, número de passe 2 e velocidade de 45 mm/s também apresentou bom resultado para este aço. O número de passe 8, ou seja, um valor elevado e velocidades altas, entre 70 e 80 mm/s, causaram ablação da superfície tratada para ambos os aços. 64
As velocidades acima de 100 mm/s não levaram à formação de camada de revestimento. Houve a formação de martensita na camada revestida e zona termicamente afetada em ambos os aços, após o tratamento termoquímico por cementação a laser de CO 2 de baixa potência. As altas durezas encontradas nas camadas revestidas e a presença de grafita na superfície sugerem que se poderão obter bons resultados em processos de desgaste por deslizamento, porém, este item necessita de estudos com testes de desgaste de forma a avaliar as reais possibilidades desta aplicação. REFERÊNCIAS 1. ABDALLA, A. J.; HASHIMOTO, T. M.; MOURA NETO, C.; PEREIRA, M. S.; SOUZA, N. S.; MENDES, F. A. Alterações nas propriedades mecânicas em aços 4340 e 300M através de tratamentos térmicos isotérmicos e intercríticos. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 59, São Paulo, Anais... São Paulo: ABM, 2004. 2. ANAZAWA, R. M. Caracterização mecânica e microestrutural de um aço 300M com microestrutura multifásica. 2007. 194f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2007. 3. CARDOSO, A. S. M. Caracterização mecânica e microestrutural dos aços SAE 4340 e 300M após soldagem a laser e tratamento superficial de nitretação a plasma. 2010. 112f. Dissertação (Mestrado em Ciências) Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2011. 4. SOARES, E. J. F. Tratamento superficial a laser dos aços AISI 1045 e AISI 4340: transformações microestruturais. Tese (Doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, 2005. 5. ASSUMPÇÃO, L. F. Otimização de um processo de têmpera por laser em aço 1045. Tese (Mestrado), Universidade Federal do Paraná, Centro Politécnico. Curitiba, 2009. 6. ABDALLA, A. J., HASHIMOTO T. M., PEREIRA, M. S., ANAZAWA, R. M. Formação da fase bainítica em aços de baixo carbono. Revista Brasileira de Vácuo, v. 25, p. 175-181, 2006. 65
7. ASSUMPÇÃO, L. F., OLIVEIRA, A.S.C.M. Têmpera superficial por laser de aço ao chumbo. Universidade Federal do Paraná, Centro Politécnico. Curitiba, 2008. BENEDEK, J., SHACHRAI, A., LEVIN, L. Case hardening of steel by a CO 2 laser beam. Optics and laser technology, October, 1980. 8. CHAGAS, D. C.; A. N. Dias; E. F. Antunes; G. Vasconcelos. Aplicação de lubrificantes sólidos (negro de fumo) e tratamento térmico superficial de têmpera em matrizes de aço AISI 4340 via laser CO 2, IV SICI - Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica e Pós Graduação do IEAv, vol.1, São José dos Campos, São Paulo, 2010, ISSN 2175-2729. 9. GANEV, R.A. Low-power laser hardening of steels, Journal of Materials Processing Technology, 121(2002), p. 414-419. 10. LAVRAS, L.C.M, REIS, J.L., VASCONCELOS, G. Tratamento térmico de aço SAE 1045 via laser de CO 2 de baixa potência, 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. 11. REIS, J. L., Tratamento térmico superficial do aço AISI M2 via laser de CO 2. 2009. 104f. Tese de mestrado em Física e Química dos Materiais Aeroespaciais, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. Laser Surface Treatment in 4340 and 300M Steels Abstract The medium carbon and low alloy steel SAE 4340 has received changes during its development and as a consequence of this process the 300M steel has emerged, in this new steel there is an addition in silicon content and the inclusion of small percentage of vanadium, thus improving the hardenability and tenacity of steel.. This study aims to evaluate the best laser parameters of the laser carburizing heat treatment and compare the resulting microstructure and Vickers hardness of 4340 and 300M steels. The following laser parameters were varied: speed, resolution and 66
number of passes. The power was kept constant at 50W. After the surface laser treatment, the samples were cooled in air and the formation of a hardened layer and heat affected zone in both materials was observed. Each layer had a Vickers hardness value higher than the base metal and the hardened layer had a higher hardness value compared to the heat affect zone. It was observed the formation of martensite in the heat affected zone of both steels, although not to the full extension, making this a multiphasic zone. Key-words: aeronautical steel, surface treatment, laser carburization. 67