INFLUÊNCIA DA ENERGIA DE SOLDAGEM NO DESGASTE ABRASIVO DE REVESTIMENTOS DUROS APLICADOS PELO PROCESSO FCAW Fernando Henrique Gruber Colaço, fernandogruber@ifsc.edu.br 1,2 Luciano Vensão Peruchi, lucianoperuchi@gmail.com 1 Vitor de Bassi Bernardi, vitor.de.bassi@hotmail.com 1 Ossimar Maranho, maranho@utfpr.edu.br 1 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Av. Sete de Setembro, 3165 Rebouças CEP 80230-901 Curitiba Paraná, 2 Instituto Federal de Santa Catarina, Rua dos Imigrantes, s/n Bairro Rau CEP 89254-430 Jaraguá do Sul Santa Catarina, Resumo: A demanda por componentes de alta dureza superficial e resistência ao desgaste tem se tornado mais exigente quanto ao custo e ao desempenho. Para tanto, são comumente utilizados componentes bimetálicos que, além de financeiramente atraentes, proporcionam dureza superficial sem perder a ductilidade do núcleo do material. Nesse trabalho foi estudada a influência da energia de soldagem no desgaste abrasivo de revestimentos duros aplicados pelo processo FCAW (Flux Cored Arc Welding). Além disso, a diluição e a dureza foram verificadas para todas as condições de soldagem. Arame tubular autoprotegido com base FeCrC (+Ti) foi usado como consumível na deposição dos revestimentos em chapas de aço ao carbono AISI 1020 com dimensões de espessura 6,5 mm, largura 100 mm e comprimento 200 mm. Para a deposição dos revestimentos foi alterada a energia de soldagem em dois níveis: alto e baixo. Essa variação de energia foi obtida apenas pela variação da tensão (V) e velocidade de alimentação do arame (Valim), mantendo constante a velocidade de soldagem, a distância entre o bico de contato e a peça e o ângulo da tocha de soldagem. Em revestimentos confeccionados sem sobreposição de cordão de solda, para cada condição aplicada foram retirados corpos de prova para a avaliação de desgaste em laboratório com abrasômetro Roda de Borracha, segundo a norma ASTM G65-00e1. Os resultados mostraram que com o aumento da energia de soldagem, houve redução na diluição. Porém, não houve alteração significativa da perda de massa para os níveis de energia usadas para a deposição dos revestimentos. Palavras-chave: FCAW, revestimento duro, resistência ao desgaste. 1. INTRODUÇÃO A procura por aumentar a vida útil de componentes mecânicos é crescente em todos os setores da indústria, principalmente no que diz respeito a minimizar os efeitos do desgaste causado pelo atrito. Componentes metálicos falham na maioria das vezes, não devido a fraturas, mas por mudança de dimensões e, consequentemente, deixam de funcionar corretamente (MILLER, 2005). A influência do desgaste está diretamente ligada ao custo de reposição das peças através da vida útil dos equipamentos, limitando a produção devido à depreciação, e/ou interrupção drástica da produção (BAPTISTA e NASCIMENTO, 2009). O desgaste é um fenômeno essencialmente superficial, através da remoção mecânica indesejável de material de superfícies. O desgaste abrasivo é o fenômeno que ocorre quando partículas duras deslizam ou são forçadas contra uma superfície metálica em relação à qual estão em movimento, provocando por deformação plástica ou fratura frágil, a remoção do material (HUTCHINGS, 1992). Para reduzir este fenômeno, foram estudadas soluções que visam à aplicação de revestimentos em superfícies para prevenir, bem como para minimizar ou recuperar as diferentes formas de desgaste de metais (BAPTISTA e NASCIMENTO, 2009). Diversos métodos modernos foram desenvolvidos e incorporados aos processos de fabricação visando prolongar a durabilidade de componentes (CHAMBERLAIN, 2003), entre eles as técnicas de endurecimento superficial ou hardfacing. Trata-se da deposição por soldagem de um material com elevada resistência ao desgaste sobre a superfície da peça (D OLIVEIRA et. al, 2002; MILLER, 2005). Os processos de soldagem mais utilizados para a aplicação de revestimentos são aqueles que têm como característica maior taxa de deposição e menor diluição. Com isso, obtém-se alto rendimento e menor influência do material base na composição do metal solidificado (WAINER et al., 1992).
Dentre os processos, um dos quais se enquadra nesses quesitos, é o processo de soldagem com arame tubular (FCAW Flux Cored Arc Welding) (CORONADO et al., 2009; KANNAN e MURUGAN, 2006). A diluição é um dos fatores que mais afetam as propriedades do revestimento. A diluição é definida como o percentual de metal de base que se funde junto com o metal de solda variando a composição química do revestimento e alterando as propriedades do material (BAPTISTA e NASCIMENTO, 2009). Por exemplo: a estabilidade da estrutura austenítica depende de elevados teores de manganês e de carbono. Então, se o ferro do metal de base entra no revestimento, pode reduzir o teor de manganês desestabilizando a austenita (Zeemann, 2003). O controle da diluição depende das variáveis do processo que controlam a energia de soldagem. Para alta produtividade, é importante que se tenha baixa diluição e penetração uniforme (Kotecki e Ogborn, 1995). Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi verificar a influência da energia de soldagem nas características do cordão, principalmente a diluição, e no desgaste abrasivo dos revestimentos. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Foi utilizada uma fonte de soldagem eletrônica multiprocesso ajustada para soldar no modo de tensão constante, denominada INVERSAL 450. Os cordões de solda foram realizados de forma automática, utilizando um sistema de deslocamento automático da tocha de soldagem, denominado TARTÍLOPE V1, que permitiu o controle da velocidade de soldagem (cm/min). Foi utilizado um sistema de aquisição de dados de soldagem denominado SAP V 4.01, garantindo a correta determinação das energias de soldagem aplicadas nos testes. A Tabela 1 apresenta a dureza típica a ser obtida pelo metal de solda em terceira camada e a composição típica do arame, dados indicados pelo fabricante. As soldas foram efetuadas com um consumível arame tubular autoprotegido de liga FeCrC, com 1,6 mm de diâmetro. Tipo de arame Tabela 1: Composição química e dureza nominal do consumível. Dureza típica (HRc) Composição Quimica (%) C Si Mn Cr Mo Ti FeCrC+Ti 53 (3ª camada) 2,06 0,53 1,14 7,2 1,05 6,84 Foram utilizados dois níveis de energia de soldagem para depositar os cordões de solda e os revestimentos, considerados como baixa e alta energia de soldagem, na Tab. (2) apresenta os valores de energia, bem como os valores de tensão, corrente de soldagem, velocidade de soldagem (Vsol), velocidade de alimentação do arame (Valim) e distância entre o bico de contato a peça (DBCP). Tabela 2: Parâmetro de aplicação dos cordões de solda. Condições de Energia (J/mm) Tensão (V) Corrente (A) Valim (mm/s) Alta energia = A 1500 28 265 117 Baixa energia = B 800 25 165 50 Vsol (mm/s) DBCP (mm) 5 20 Para a determinação da largura, reforço, penetração e percentual de diluição do cordão de solda, bem como a dureza HRc, foram depositados para cada condição um único cordão de solda no centro de uma chapa de aço carbono AISI 1020, com dimensões de espessura 6,5 mm, largura 100 mm e comprimento 200 mm. Chapas com as mesmas dimensões foram usadas como material base para a deposição dos revestimentos. Esses revestimentos foram obtidos pela deposição de uma camada de cordões sobrepostos lateralmente, como mostrado na Fig. (1). A variação de energia de soldagem foi obtida pela alteração da tensão de soldagem e velocidade de alimentação do arame. Para a soldagem dos cordões e dos revestimentos, foram utilizados os limites inferiores e superiores de tensão recomendados pelo fabricante do arame. A velocidade de soldagem e a distância entre o bico de contato foram mantidos constantes, com valores, respectivamente, de 5 mm/s e 20 mm. Para a deposição dos cordões e dos revestimentos, foi utilizado o sentido positivo (empurrando) de soldagem com angulação de 75º. Os corpos de prova de desgaste foram retirados da região central das chapas de teste por corte em cortadeira metalográfica, conforme a Fig. (1). O revestimento foi retificado na superfície até a sua uniformização, seguido de usinagem (fresamento e retificação) da face oposta ao revestimento e das laterais, até atingir as dimensões padronizadas.
Figura 1: Representação esquemática dos cortes da amostra e deposição dos revestimentos para a analise de desgaste abrasivo. Os ensaios de desgaste foram realizados utilizando-se um abrasômetro Roda de Borracha, para a simulação de desgaste abrasivo de baixa tensão, seguindo o procedimento B da norma ASTM G65-00e1 (ASTM, 2001). Nesse tipo de ensaio, são usados corpos de prova com dimensões de 76,2 mm de comprimento, 25,4 mm de largura e 12,7 mm de espessura. Para a determinação da perda de massa, e, consequentemente, o desgaste abrasivo, os corpos de prova foram pesados antes e após o ensaio de desgaste. Para isso, foi efetuada em balança eletrônica com resolução de 0,1mg. As medições dos cordões foram feitas utilizando uma câmera LG CCD para a avaliação da morfologia dos cordões quanto a poros, trincas, falta de fusão, além de medições feitas de largura (L), reforço (R), penetração e percentual de diluição (%D), feitos através das áreas A e B. A Fig (2) especifica como foram feitas essas medições. A determinação da diluição foi feita através da Eq (1): Percentual de Diluição = Área B x 100 Área A + Área B Eq. (1) Figura 2: Representação da largura, reforço, penetração e das áreas para o calculo de percentual de diluição. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Morfologia A Tabela 3 apresenta os valores de largura (L), reforço (R) e penetração (P) utilizados para calcular o percentual de diluição (%D) dos cordões de solda utilizando consumível descrito na Tab. (1). Tabela 3: Valores de morfologia dos cordões aplicados para alta e baixa energia de soldagem. Morfologia L (mm) R (mm) P (mm) Área A (mm²) Área B (mm²) % D A 14,25 3,93 2,68 41,51 22,38 35,03 B 8,31 2,95 3,21 17,93 16,74 48,28
Figura 3: Morfologia dos cordões de solda depositados com, a) Alta e, b) Baixa energia de soldagem, denominados de A e B, respectivamente. Na Tabela 3, pode ser visto que para a condição de soldagem A, o cordão de solda apresentou largura de 14,25 mm, reforço 3,93 mm, penetração de 2,68 mm e diluição de 35,03 %. Para a condição de soldagem B,o cordão de solda apresentou largura de 8,31 mm, reforço de 2,95 mm, penetração de 3,21 mm e diluição de 48,28 %. A Figura 3 representa a secção transversal dos cordões de solda, sendo a Fig. (3a) o cordão depositado com baixa energia e a Fig. (3b) com alta energia. Comparando os valores de penetração, pode ser visto que não houve alteração significativa com a variação da energia de soldagem. Além disso, o reforço dos cordões depositados com alta energia apresenta valor um pouco maior em relação aos depositados com baixa energia. Por outro lado, a largura do cordão foi a variável que apresentou maior variação com a alteração da energia de soldagem. Com os parâmetros usados nesse experimento, verificou-se que o aumento de energia de soldagem foi responsável pela diminuição da diluição devido à menor penetração e maior largura do cordão de solda. 3.2. Dureza A Tabela 4 apresenta a dureza em escala HRc dos cordões de solda. Tabela 4: Valores dureza dos cordões de solda. Dureza dos Cordões HRc Média Desvio Padrão A 63,6 1,67 B 63,4 1,52 Na Tabela 4, pode ser visto que para a condição de soldagem A, as medições de dureza Rockwell dos cordões de solda apresentam valor médio de 63,6 HRc, para a condição de soldagem B a média dos valores de dureza é 63,4 HRc. A Tabela 5 apresenta os valores de dureza HRc medidos na superfície dos revestimentos. Tabela 5: Valores de dureza dos revestimentos. Dureza dos Revestimentos HRc Média Desvio Padrão A 57,13 1,47 B 56,93 1,91 Na Tabela 5, verifica-se que para a condição de soldagem A as medições de dureza Rockwell, feitas na superfície dos revestimentos apresentam valor médio de 57,13 HRc. Para a condição de soldagem B, a média dos valores de dureza é 56,93 HRc. Pode-se perceber que com a variação da energia de soldagem os valores de dureza permanecem dentro da faixa definida pelo fabricante do consumível para 3 camadas. Na Figura 4, tem-se os valores de diluição e dureza para as duas condições de deposição dos cordões de soldas.
64 62 % Diluição x Dureza dos Cordões 50 46 Dureza HRc 60 58 56 42 38 34 % Diluição HRc % Diluiçao 54 "A" "B" Condições de soldagem 30 Figura 4: Comparação entre percentual de diluição e dureza dos revestimentos depositados com as condições de soldagem A e B. Analisando a influência da diluição na dureza, é possível afirmar que a variação da diluição com a alteração da energia de soldagem não foi suficiente para alterar a dureza dos cordões de solda. Além disso, nos revestimentos depositados a energia de soldagem também não causou alteração da dureza dos revestimentos. Entretanto, os cordões de solda apresentam maior dureza quando comparados com a dureza da superfície dos revestimentos. Isso pode estar associado ao tratamento térmico dos primeiros cordões, causado pela energia dos cordões subsequentes usados na formação do revestimento. 3.3. Desgaste Abrasivo A Tabela 6 apresenta os valores médios e desvio padrão para a perda de massa dos revestimentos. Tabela 6: Perda de massa dos revestimentos. Média Perda de Massa (g) Desvio Padrão A 0,2163 0,0161 B 0,2056 0,0046 Os valores médios de perda de massa apresentados na Tab. (6) mostram que a condição A apresenta pequeno aumento na perda de massa. Porém, analisando o desvio padrão das amostras, é possível verificar que não houve alteração significativa da perda de massa com a variação da energia de soldagem. Na Figura 5, tem-se os valores de dureza e perda de massa para as duas condições de deposição dos revestimentos. Perda de Massa x Dureza do Revestimento Dureza da HRc 60 58 56 54 52 50 "A" "B" 0,39 0,35 0,31 0,27 0,23 0,19 0,15 Perda de Massa HRc Pm Condições de Figura 5: Comparação entre perda de massa e dureza dos revestimentos. Considerando apenas o fator dureza da superfície dos revestimentos como responsável pela perda de massa, os resultados estão coerentes, ou seja, durezas iguais e perda de massa semelhante.
Portanto, a dureza e o desgaste dos revestimentos não apresentaram variação com a alteração da energia de soldagem, apesar do aumento da diluição para menores energias de soldagem. 4. CONCLUSÕES Para as variáveis usadas neste trabalho pode-se concluir que: A largura do cordão de solda foi a variável mais influenciada pela energia de soldagem, apresentando maiores valores para altas energias de soldagem; A diluição dos cordões de solda apresentou valores maiores para menores energias de soldagem; Houve diminuição da dureza dos revestimentos em relação aos cordões de solda depositados isoladamente; O desgaste abrasivo medido pela perda de massa foi igual, independente do nível de energia. 5. AGRADECIMENTOS Os autores expressam o seu agradecimento à Universidade Tecnológica Federal do Paraná, ao Instituto Federal de Santa Catarina, às Industrias ESAB/SA, ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas e a Fundação Araucária. 6. REFERÊNCIAS ASTM American Standard for Testing Materials, 2001, G65-00e1 Test Method for Meassuring Abbrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus, Annual Book of Standards Volume 03.02: Wear and Erosion; Metal Corrosion. Philadelphia, USA. Baptista, André Luís de Brito, Nascimento, Ivaldo de Assis do, 2009, Revestimentos Duros Resistentes ao Desgaste Depositados por Utilizados na Recuperação de Elementos de Máquinas, Spectru Instrumental Científico, Disponível em: <http://www.spectru.com.br> Acesso em: 22 fevereiro de 2011. Chamberlain, S., 2003, Combating Tools Wear with Coating, The Fabricator, Disponível em: <http://www.thefabricator.com > Acesso em: 21 fevereiro de 2011. Coronado, J.J., Caicedo, H. F., Gómez, A. L., 2009, The effects of welding processes on abrasive wear resistance for hardfacing deposits, Tribology International, v. 42, p 745 749. Hutchings, I.M., 1992, Tribology. Friction and Wear of Engineering Materials, London: Edward Arnold, p. 273. Kannan, T.; Murugan, N., 2006, Effect of Flux Cored Arc Welding Process Parameters on Duplex Stainless Steel Clad Quality, Journal of Materials Processing Technology. v. 176, p 230 239. Kotecki, D.J.; Ogborn, J.S., 1995, Abrasion Resistance of Iron-Based Harfacing Alloys. Welding Journal, EUA, 74(8): 269-s-278-s. Aug. Miller, B., 2005, Frequently Asked Questions about Hardfacing, The Fabricator, Disponível em: <http://www.thefabricator.com > Acesso em: 21 fevereiro de 2011. Wainer, E.; Brandi, S.; Mello, F., 1992, Processos e Metalurgia, Ed. Edgard Blucher, 494p. Zeemann, Annelise, 2003, Energia de, infosolda.com.br: O Portal Brasileiro da, Disponível em: <http://www.infosolda.com.br/new_site/downloads.php?i=7> Acesso em: 20 de julho de 2011. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
INFLUENCE OF ENERGY WELDING IN ABRASIVE WEAR OF HARD COATINGS APPLIED BY THE PROCESS FCAW Fernando Henrique Gruber Colaço, fernandogruber@ifsc.edu.br 2 Vitor de Bassi Bernardi, vitor.de.bassi@hotmail.com 1 Luciano Peruchi, lucianoperuchi@gmail.com 1 Ossimar Maranho, maranho@utfpr.edu.br 1 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Av. Sete de Setembro, 3165 Rebouças CEP 80230-901 Curitiba Paraná, 2 Instituto Federal de Santa Catarina, Rua dos Imigrantes, s/n Bairro Rau CEP 89254-430 Jaraguá do Sul Santa Catarina, Abstract: The demand for components of high surface hardness and wear resistance has become more demanding in terms of cost and performance. For this purpose, are commonly used components that bi-metal, and financially attractive provide surface hardness without losing the ductility of the core material. In this work we studied the influence of welding power in abrasive wear of hard coatings applied by the process FCAW (Flux Cored Arc Welding). Furthermore, dilution and hardness were found for all the welding conditions. Wire self-shielded tubular FeCrC(+Ti) was used as the consumable deposition of coatings on steel plates carbon AISI 1020 with dimensions of 6.5 mm thickness, width 100 mm and length 200 mm. For the deposition of the coatings was changed to welding power at two levels:high and low. This variation in energy is achieved only by varying the voltage (V) and wire feed speed (Valim), keeping constant the welding speed, the distance between the nozzle and the workpiece and the contact angle of the welding torch. In coatings made, without overlapping weld bead, applied for each condition were removed specimens for the evaluation of wear in the laboratory with apparatus Rubber Wheel, ASTM G65-00e1. The results showed that with the increased heat input, a reduction in the dilution. But there was no significant change in weight loss for the energy levels used for the deposition of coatings. Keywords: FCAW, hardfacing, wear resistence.