OS EFEITOS DA PRECIPITAÇÃO DE NITRETOS DE VANÁDIO NO CRESCIMENTO DE GRÃos AUSTENÍTICOS DURANTE O REAQUECIMENTO DE UM AÇO MÉDIO CARBONO MICROLIGADO AOVANÁDIO Regina Célia de Sousa" Oscar Balancin" RESUMO O crescimento de grão austenítico, que ocorre durante o reaquecimento de aços microligados é fortemente influenciado pela presença de partículas de precipitados. Estuda-se, neste trabalho, a distribuição do tamanho de partículas de precipitados e o comportamento do crescimento de grãos austeníticos como função da temperatura e do tempo de austenitização, em um aço médio carbono microligado ao vanádio, através de tratamentos térmicos. Esses tratamentos foram realizados para temperaturas de 900 a 1250 C e tempos de 5 e 45 mino Os resultados mostram que o tamanho médio das partículas de precipitados aumenta com o tempo e temperatura de austenitização e que as curvas isócronas de crescimento de grãos revelam a existência da temperatura crítica para o crescimento de grãos austeníticos, Tcg> que é função do tempo de austenitização. Palavras SUMMARY chaves: Aço microligado, precipitados, tamanho de grão. The austenitic grain growth during reheating ofmicroalloyed steels is strongly influenced by the presence of precipitated particles. In this work the precipitate size distribution and the of austenitic grain growth behavior as a function of soak temperature and the times, on a medium carbon steel containing rnicrolloying additions ofvanadiurn, ware studied by means oftherrnal treatments. These treatments were perfomed at soak temperatures between 990 and 1250 C, for soak times of 5 and 45 mino The results show that the average particle size increases with soak time and temperature and the isocronal grain growth curves reveal the existence of critical temperature for austenitic grain growth, T cg ' which in a function ofthe soak time. Key- Words: Microlloyed steel, precipiteds, Grain size. *Doutora em Ciência e Engenharia de Materiais, Departamento de Física, Universidade Federal do Maranhão, **Doutor em Metalurgia, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos. 38 Cad. Pesq.. São Luís. V. 10. n. 1, p. 38-44, jan./jun. 1999.
1 INTRODUÇÃO Os efeitos da microadição de elementos de liga, fortes formadores de precipitados, tais como nióbio, vanádio e titânio, nas propriedades mecânicas dos aços com baixo teor de carbono, tem sido exaustivamente estudados nas últimas décadas. As microadições,juntamente com o controle no processo de deformação a quente, tem conduzido a um aumento significativo da resistência mecânica destes aços sem perda da tenacidade devido a presença de uma microestrutura ferrítica relativamente fina nas condições de uso. Este refino de grão ocorre devido a precipitação de carbonetos, nitretos e/ou carbonitretos induzidos por deformação ou nos intervalos entre passes. Em todos os processos de conformação a quente de aços microligados, é necessário que os mesmos sejam, inicialmente, reaquecidos a uma temperatura onde as partículas de precipitados estejam parcialmente ou mesmo totalmente dissolvidas, para que durante o processamento os elementos microligantes em solução precipitem, interagindo com os grãos austeníticos (TANAKA, et ai., 1975, p.l07); (BOWDEN, et ai., 1991. p. 2947); ROUeOULES, et ai., 1994, p.389). Durante a deformação, em temperaturas relativamente altas, as partículas de precipitados, frnamente distribuídas na matriz, retardam o crescimento dos grãos após a recristalização. Neste trabalho, estuda-se a distribuição do tamanho das partículas de precipitados e a interação dessas com os contornos de grãos austeníticos de um aço carbono microligado ao vanádio, através de tratamento de austenitização. 2 MATERUUS E MÉTODOS Utiliza-se neste trabalho um aço médio carbono microligado ao vanádio, denominado VB-38H, fabricado pela VIBASA, cuja composição química está mostrada na tabela 1. As amostras para os tratamentos térmicos de austenitização foram cortadas de barras laminadas a quente com a temperatura variando no intervalo entre 1200 e 1000 De, após encharque a 1250 De. Essas amostras tinham 1,5 em de diâmetro e comprimento de 2,0 cm. O reaquecimento foi realizado utilizando um fomo estabilizado nas temperaturas de austenitização, cujos valores variaram de 900 a 1260 De. As amostras foram introduzi das no fomo na temperatura de austenitização desejada e mantidas nesta condição para tempos de 5 e 45 min, sendo em seguida temperadas em óleo. Para melhorar a resolução dos contornos dos grãos austeníticos, as amostras foram revenidas a 500 De por duas horas. Após tratamentos térmicos, as amostras foram cortadas ao meio (perpendicularmente ao comprimento), embutida, lixadas e polidas. Para as observações da microestrutura austenítica as amostras foram atacadas com uma solução aquosa saturada de ácido pícrico com molhante e aquecidas a 80 De. Para evitar os efeitos da descarbonetação e da oxidação, as medidas foram feitas somente na região central das superfícies observadas. Os diâmetros médios dos grãos Cad. Pesq., São Luís, v. 10, n. 1, p. 38-44, jan./jun. 1999. 39
austeníticos e das partículas de precipitados foram determinados utilizado-se um sistema de análise de imagens quantitativo. Para as observações das partículas de precipitados, as amostras foram ligeiramente atacadas com nital2% por aproximadamente 2 segundos. As técnicas de réplica de carbono de 2 estágios (KESTENBACH & BOTIA FILHO, 1989, p.94); (RIGO & da CONCEIÇÃO, 1986, p.3) e de 1 está- gio (HANSEN, 1980, p.387) possibilitaram examinar as partículas sem a presença da matriz, através de um microscópico eletrônico de transmissão Philips, modelo CM 120. Com a utilização de microdifração de elétrons por átomos da rede cristalina dos precipitados e com ajuda de um programa computacional (AKUNE, 1995) foi possível identificar alguns tipos de precipitados presentes nas amostras. Tabela 1 - Composição química (% em peso) C Mn Si P S V AI Ti N 0.39 1.4 0,60 0,016 0,065 0,098 0,022 0,004 0,014 3 RESULTADOS As micrografias MET revelaram a presença de partículas de precipitados nas amostras austenitizadas, com mostra a figura 1. Essas partículas apresentaram formas e tamanhos diferentes, com o diâmetro médio variando entre 5 e 145 nm. A figura 2 ilustra, através da freqüência relativa, a distribuição do tamanho das partículas de precipitados, para amostras austenitizadas a900, 1045, 1145 e 1200 C com tempo de reaquecimento de 45 mm. A análise dos difratogramas, obtidos por difração de elétrons, revelou que a maioria das partículas presentes, com forma arredondada, era nitreto de vanádio (VN ou VN O 35)' figura 3. Foram identificadas como nitreto de titânio (TiN) algumas poucas partículas com a forma de cubóides presentes em todas as amostras, independente das condições de tempo e temperatura. Algumas partículas que não foram identificadas eram, provavelmente, nitretos ou carbonitretos de vanádio, de composição estequiométrica complexa. Para interpretar o comportamento do crescimento de grão austenítico em função da temperatura de austenitização, construiu-se duas curvas isócronas, para tempos de 5 e 45 min, figura 4. Observando esta figura vê-se que as curvas podem ser separadas em três regiões distintas. Em temperaturas baixas, menores que 990 C (região I), os grãos são pequenos e uniformes, apresentando uma baixa taxa de crescimento. No intervalo de temperaturas entre 990 elo 15 C, tem-se uma região de transição, podendo as 40 Cad. Pesq., São Luís, v. 10, n. 1, p. 38-44, jan./jun. 1999.
curvas apresentarem características da primeira ou da segunda região. A fronteira entre a primeira e a segunda região mostra uma descontinuidade na curva de crescimento de grão. Para temperaturas entre 1015 e 1145 C (região Il), a taxa de crescimento dos grãos aumenta rapidamente. Nessa região a microestrutura é heterogênea, composta de grãos grandes e disforme e de grãos pequenos e arredondados. Em temperaturas maiores que 1145 C, região li, as curvas voltam a apresentar um comportamento semelhante ao da primeira região, porém, com uma taxa maior de crescimento de grão. Nesse intervalo de temperaturas os grãos são grandes, mas uniaxiais. (a) (b) Figura 1 - Micrografias MET, t = 45 min: (a) 900 C e (b) 1145 -c. 1250 C 1145 C 1050 C 900 C 20 40. 60 80 100 120 140 Diâmetro Médio das Partículas (nm) Figura 2 - Distribuição do diâmetro das partículas de precipitados, para t =45 mino Figura 3 - Difratogramas de partículas de nitreto de vanádio: (a) VN O,35 e (b) VN.!.~ 100 11 ~ ~.8 10 Região I t= 5 mio + t=45min ~ " tle IL-~ ~~ ~ ~~ ~. l5 927 1027 1127 1227 Temperatura de Austenitização ("C) Figura 4 - Crescimento do grão austenítico em função da temperatura de austeni-tização, para 5 e 45 mino Cad. Pesq., São Luís, v. 10, n. 1, p. 38-44, jan./jun. 1999. 41
4 DISCUSSÃO A distribuição do diâmetro das partículas de precipitados, figura 2, mostra claramente que a 900 C o número maior de partículas presente no aço apresentam diâmetro médio de 5 a 20 nm. À medida que a temperatura de austenitização aumenta, tanto as partículas finas como as grosseiras crescem simultaneamente, deslocando a distribuição para a direita, ou seja, o tamanho médio das partículas aumenta. A existência de uma transição no diâmetro médio dos grãos, curvas isócronas, figura 4, marca a temperatura designada de temperatura crítica para o crescimento de grão, T cg ' Abaixo da T,ocorre cg o ancoramento dos contornos de grãos por partículas fmas de precipitado, mantendo uma microestrutura com granulação fina. De acordo com a figura 2, essas partículas têm diâmetro médio de 15,3 nm, para o tempo de 45 mino Para temperaturas maiores que a Tcg> tem-se o crescimento. anormal de alguns grãos, formando uma distribuição de tamanhos de grãos duplex, ou seja, alguns grãos maiores que a média crescem rapidamente às custas dos grãos vizinhos menores, produzindo uma microestrutura de grãos com tamanhos bastante diferentes. Isso ocorre porque as partículas de precipitados também crescem ou coalecem e sua fração volumétrica diminui com a dissolução parcial das mesmas, durante o aquecimento. Para temperaturas maiores que 1145 C, a microestrutura é grosseira mas uniforme. Nessas condições, o crescimento dos grãos é semelhante ao de um material que não contém partículas de precipitados, onde a taxa de crescimento é função somente da temperatura e do tempo. Em tais condições as partículas são grosseiras com diâmetro médio de 62 nrn, a 1200 C, para 45 min de austenitização. Através das curvas isócronas, figura 4, tem-se que a T cg para 5 e 45 min é de 1015 e 990 C, respectivamente, indicando que a mesma é função do tempo de austenitização. Aumentando-se o tempo, a T cg diminuirá, consequentemente ocorre um aumento na diferença entre essa temperatura e a temperatura de completa dissolução dos precipitados, T s ' A análise dos difratogramas revelou a existência de partículas de nitreto de vanádio, de estrutura cúbica de face centrada (VN) e hexagonal (VN o 35)' além da presença de algumas partículas de nitreto de titânio. Entretanto, algumas partículas não foram identificadas, trazendo dúvidas a respeito do tipo de precipitado - se carbonetos, nitretos ou carbonitretos de vanádio - foi o responsável pelo maior volume de precipitação. Contudo, sabese que a recristalização secundaria, região de microestrutura duplex, começa em uma temperatura inferior à T s (CUDDY & RALEY, 1983, p.1989). A T s para V 4 C 3 corresponde a 952 C (ANDRADE, et ai., 1983, p.1968) e para o VC a 949 C (OHTANI, 1985, p.3), que são no mínimo 40 C menores que 990 C (a menor T Cg encontrada). Logo, pode-se concluir que o maior volume de precipitados não é compos- Cad. Pesq., São Luís, v. 10, n. 1, p. 38-44. jan.rjun. 1999.
to de carbonetos de vanádio. A T s para o nitreto de vanádio de estrutura cúbica de corpo centrado (NV) (NARITA, 1975, p.145) é 1067 C, 77 C acima da menor Tcg encontrada, reforçando a idéia de que as partículas de nitretos de vanádio são predominantes no volume de precipitados. 5 CONCLUSÃO Para temperaturas de austenitização abaixo da Tcg: os contornos de grãos são ancorados por partículas finas de precipitados, com diâmetro médio no intervalo de 5 a 20 run, para 45 min de austenitização. Enquanto que para temperaturas acima da T cg as partículas de precipitados, devido ao coalescimento e dissolução parcial das mesmas, tomam-se menos eficiente em ancorar os contornos. Através de curvas isócronas, verificou-se que a T cg varia inversamente com o tempo de austenitização. A análise dos difratogramas juntamente com os valores da T cg obtidas, mostram que nitretos de vanádio são os responsáveis pelo ancoramento de grãos. BIBLIOGRAFIA TANAKA, T. et ai. Three stages of the controlled-rojling processo In Micro Alloying'75, Union Carbide Corporation, Indianapolis, p.l 07-18, 1975. BOWDEN, J. W. et ai. Effect of interpass time on austenite grain refinement by means of dynamic recrystallization of austenite. Metallurgical Transactions A, V. 22A, p.2947-2957, 1991. ROUCOULES, C. et ai., Softening and microstructural change following the dynamic recrystallization of austenite. Metallurgical and Materiais Transactions A, V. 25A, p.389-400, 1994. KESTENBACH,Hans-Jürgen,BOTIA FI- LHO, W. J. Microscopia eletrônica de transmissão e varredura. [S.1.]: ABM, 1989, 104p. CONSULTADA RIGO, O. D.; DA CONCEIÇÃO, I.N. Caracterização microstrutural e microscopia quantitativa em inconel718. Relatório de Iniciação Científica da Universidade Federal de São Carlos. Departamento de Materiais, São Carlos, 1986. 20p. HANSEN, S. S. et. ai. Niobium carbonitride precipitation and austenite recrystallization in hotrolled microalloyed steels. Metallurgical Transactions A, V. lia, p.387-402, 1980. AKUNE, K. Diffraction patterns for windows [Programa computacional]. Universidade Federal de São Carlos. Departamento de Materiais, São Carlos, 1995. CUDDY, L. J., RALEY, J. C. Austenite grain coarsening in microalloyed steels. Metallurgical Transactions A, 1983, V. 14A, p.1989-1995, 1983. Cad. Pesq., São Luís, v. 10, n. 1, p. 38-44, jan./jun. 1999. 43
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