Efeito da têmpera e revenido nas propriedades mecânicas e microestrutura de aços rápidos obtidos por processos convencionais e metalurgia do pó Djeison Schlatter



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EFEITO DA TÊMPERA E REVENIDO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E MICROESTRUTURA DE AÇOS RÁPIDOS OBTIDOS POR PROCESSOS CONVENCIONAIS E METALURGIA DO PÓ

Djeison Schlatter, Rua Carlos Gomes, n. 80, apto. 601, Centro, Rio do Sul, Santa Catarina. CEP: 89160-000. E-mail: djeisonsc@gmail.com - Atlas Eletrodomésticos.

Carlos Augusto Silva de Oliveira - Universidade Federal de Santa Catarina.
RESUMO
Neste trabalho estudou-se o efeito da têmpera e revenido nas propriedades mecânicas e microestruturas de aços rápidos obtidos por fundição convencional com processamento termomecânico e metalurgia do pó aplicados em ferramentas para conformação a frio. Nos tratamentos térmicos foram utilizadas duas temperaturas de têmpera (1180 e 1210 °C) e duas temperaturas de revenido (560 e 600 °C).

As transformações microestruturais após os tratamentos térmicos foram verificadas por meio de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura com EDS e difratometria de raios X.

Por se tratar de aços aplicados em ferramentas para a conformação a frio, duas características se tornam significativas: a dureza que confere resistência ao desgaste e estabilidade dimensional, e a tenacidade que possibilita ao material suportar consideravelmente esforços cíclicos compressivos.

O comportamento mecânico das amostras após o ciclo de tratamento térmico foi avaliado através dos ensaios de dureza, microdureza e flexão em quatro pontos. Os ensaios de dureza e microdureza indicaram que as amostras revenidas a 600 °C alcançaram valores inferiores em razão do coalescimento dos carbonetos secundários. Também indicou valores superiores nas amostras obtidas pela metalurgia do pó devido à composição química. Com o ensaio de flexão em quatro pontos foram observadas a energia e a resistência à ruptura transversal superiores 130% e 36% respectivamente nas amostras obtidas por metalurgia do pó. Isto se deve basicamente às características dos carbonetos primários. No teste industrial foi avaliada a vida das ferramentas através do critério de fratura frágil em processo. Os resultados apontaram superioridade nas amostras obtidas por metalurgia do pó e nas amostras revenidas a 600 °C. Isto evidencia o efeito do coalescimento dos carbonetos primários e principalmente secundários com o revenido.



Palavras-chave: Aços rápidos, revenido, tenacidade, ferramentas de conformação.
INTRODUÇÃO
A Blufix é uma empresa fabricante de fixadores através de forjamento a frio em matriz aberta. Neste processo, esforços mecânicos compressivos e de impacto sob as ferramentas são comuns. Para suportar tais esforços, o material da ferramenta que deve apresentar dureza elevada associada a alguma tenacidade. Como a tenacidade e a dureza são propriedades relacionadas intrinsecamente ao material e ao tratamento térmico aplicado, desta maneira torna-se significativo definir um material e tratamento térmico adequado. No intuito de aumentar a vida desta ferramenta, propôs-se o estudo comparativo de dois tipos de aços rápidos disponíveis no mercado; o AISI M2 obtido por fundição convencional, que era o material utilizado, e o AISI M3:2 obtido por metalurgia do pó. Além desse comparativo, decidiu-se avaliar duas temperaturas de revenido a fim de se obter uma microestrutura apropriada em termos de dureza elevada aliada a valores de tenacidade os maiores possíveis.
MATERIAL E MÉTODOS
Os aços cedidos pela Villares Metals S.A.; VWM2® (AISI M2) e o SINTER 23® (AISI M3:2) foram fornecidos em barra cilíndrica recozida com diâmetro de 33,50 mm e 28,57 mm, respectivamente. A Tab. 1 mostra a composição química das amostras fornecidas.

Tabela 1: Composição química (%massa) dos aços AISI M2 e AISI M3:2.

Aço

C

Si

Mn

Cr

Mo

W

V

Co

AISI M2

0,91

0,42

0,40

3,88

4,74

6,05

1,75

0,13

AISI M3:2

1,29

0,61

0,37

4,05

5,03

6,12

2,98

0,37

Os tratamentos térmicos seguiram os ciclos térmicos: Pré-aquecimento entre 820-850 °C (AISI M2) e 850-900 °C (AISI M3:2), com tempo de patamar de 10 min; Aquecimento até 1200-1220 °C (AISI M2) e 1170-1190 °C (AISI M3:2), com tempo de patamar de 5 min; Revenido a 560 °C ou 600 °C, com tempo de patamar de 120 min. A fração volumétrica de carbonetos primários (Fv) foi obtida por meio das micrografias eletrônicas de varredura, baseada no método da contagem sistemática de pontos (2). A frequência de distribuição do tamanho de carbonetos primários (Ft) foi obtida por meio do método de estimativa da distribuição bidimensional do tamanho de partículas, sugerida por Saltykov (1958) (3). Os ensaios de dureza foram realizados na escala Rockwell “C”, e os ensaios de microdureza seguiram a norma ASTM A370. Os ensaios de flexão em quatro pontos foram baseados no ensaio de dobramento adaptado para aços ferramentas por Hoyle e Inesson (1959). Os corpos de prova foram cortados a fio por eletroerosão longitudinalmente em perfis retangulares (na direção de laminação) com sobremetal (1 mm). As dimensões eram 5 x 7 x 70 mm. A vida das ferramentas utilizadas na indústria foi obtida pelo acompanhamento do processo produtivo e o registro, em uma planilha, da quantidade de golpes efetuados até a falha da ferramenta. A identificação das amostras está na Tab. 2.

Tabela 2: Descrição das siglas adotadas.


Sigla

Descrição

VTR35

AISI M2 Temperado e Revenido 3 vezes a 560 °C

VTR36

AISI M2 Temperado e Revenido 3 vezes a 600 °C

STR35

AISI M3:2 Temperado e Revenido 3 vezes a 560 °C

STR36

AISI M3:2 Temperado e Revenido 3 vezes a 600 °C


RESULTADOS

A fração volumétrica de carbonetos primários (Fv) nas amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36 podem ser visualizadas na Tab. 3, onde é a média aritmética, u é o erro padrão e s é o desvio padrão. A primeira constatação é a maior Fv do tipo MC nas amostras de AISI M3:2. Este fato pode ser explicado basicamente pela composição química da amostra de AISI M3:2 apresentar maior teor de carbono e vanádio quando comparado ao aço AISI M2. Também foi percebido um pequeno crescimento em relação aos valores encontrados no estado temperado. No caso da amostra de AISI M3:2 revenida a 600 °C este valor atingiu 8%. Araujo Filho (2006) também observou este crescimento estudando alguns aços rápidos, indicando que além do coalescimento dos carbonetos secundários, há o coalescimento dos carbonetos primários. A frequência de distribuição do tamanho de carbonetos primários (Ft) nas amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36 estão na Fig. 1. Visualiza-se o maior refinamento dos carbonetos nas amostras STR35 e STR36, bem como menor dispersão de tamanhos. O tamanho médio de carbonetos nas amostras STR35 e STR36 estão de acordo com o estudo de Araujo Filho et al. (2006) que indica um valor de 1-1,5 μm. No caso das amostras VTR35 e VTR36 os valores condizem com o estudo de Beltz et al. (1992), que diz que os aços rápidos obtidos por fundição convencional possuem carbonetos entre 1-10 μm. Os valores de dureza e microdureza das amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36 são mostrados nas Fig. 2 e 3, respectivamente.




Tabela 3: Fração volumétrica (%) de carbonetos primários nas amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36.

Amostra

Fv MC

Fv M6C

Fv Total

± u

s

± u

s

± u

s

VTR35

0,8 ± 0,1

0,3

10,4 ± 0,5

1,2

11,2 ± 0,5

1,3

VTR36

0,8 ± 0,1

0,3

10,6 ± 0,6

1,5

11,5 ± 0,5

1,3

STR35

5,0 ± 0,3

0,7

8,2 ± 0,3

0,8

13,2 ± 0,5

1,1

STR36

4,8 ± 0,3

0,8

9,3 ± 0,4

0,9

14,1 ± 0,6

1,1


Figura 1: Frequência de distribuição do tamanho de carbonetos primários nas amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36.


Após o terceiro revenido, observa-se uma queda nos valores de dureza em todas as amostras. Tendo como base as características microestruturais: composição química, Fv e Ft, o que se esperava eram valores de dureza maiores nas amostras STR35 e STR36. Todavia, as amostras VTR35 e STR35 se encontram em um patamar de dureza superior às amostras VTR36 e STR36. Este efeito pode ser relacionado ao coalescimento dos finos carbonetos precipitados durante os revenidos a 600 °C, o que empobrece a matriz martensítica de elementos de liga, reduzindo a dureza do material. Desta maneira, pode-se concluir que a dureza das amostras é fortemente influenciada pela temperatura de revenido devido ao empobrecimento de elementos de liga na matriz.

Figura 2: Variação da dureza em função do tratamento térmico.


Figura 3: Variação da microdureza em função do tratamento térmico.


A tenacidade das quatro condições experimentais estudadas foi quantificada por meio de dois parâmetros, a resistência à ruptura transversal (TRS) e a energia de ruptura transversal (TRE), mostrados na Fig. 4 e 5, respectivamente. O primeiro aspecto é a TRS e TRE são superiores nas amostras STR35 e STR36. Isto está de acordo com o estudo de Silva (2001), que atribui este comportamento principalmente à presença de carbonetos primários menores e mais bem distribuídos em relação às amostras VTR35 e VTR36. Em relação à temperatura de revenido, notam-se valores próximos tanto de TRS como TRE nas amostras VTR35 e VTR36. Este comportamento evidencia que o principal efeito na tenacidade é a distribuição dos carbonetos. Mesquita e Barbosa (2003) indicaram valores similares aos encontrados neste estudo, como por exemplo, os de TRS praticamente constantes até a dureza de 63 HRC para o aço AISI M2.

Figura 4: Resistência à ruptura transversal nas amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36.



Figura 5: Energia de ruptura transversal nas amostras VTR35, VTR36, STR35 e STR36.


No caso das amostras STR35 e STR36 são mostrados valores próximos de TRE e distintos na TRS. É perceptível que a amostra STR36 apresenta valores inferiores à extrapolação do estudo de Mesquita e Barbosa (2003). Uma possível explicação seria o fato da amostra SRT36 possuir maior coalescimento de carbonetos primários. Consequentemente, estes serviriam de sítios para a nucleação de trincas reduzindo a tenacidade (14). Já a proximidade dos valores de TRE para as amostras STR35 e STR36 indica que a deformação dos corpos de prova é uma variável diretamente proporcional à TRE. Como as deformações nas amostras STR36 foram em média duas vezes maiores que nas amostras STR35, a diferença existente na TRS é reduzida para menores valores. Os resultados dos testes industriais aplicados às ferramentas de conformação mecânica a frio de elementos de fixação são mostrados na Fig. 6, através a vida da ferramenta para cada uma das quatro condições propostas neste estudo.

Figura 6: Vida da ferramenta para as ferramentas VTR35, VTR36, STR35 e STR36.


Estes resultados apontam duas tendências na vida da ferramenta, uma de superioridade para as amostras de AISI M3:2, e outra para as ferramentas revenidas a 600 °C. Relacionando a vida das ferramentas com os resultados de tenacidade pode-se concluir que as ferramentas de AISI M3:2 tem maior vida do mesmo modo que maiores valores de TRS e TRE. Microestruturalmente, atribuí-se este comportamento à presença de carbonetos primários menores e mais bem distribuídos em relação às amostras de AISI M2. Silva (2001) justificou este efeito nos aços rápidos com elevada dureza devido ao processo de nucleação de trincas nos carbonetos primários ser determinante para a fratura frágil. Com relação à temperatura de revenido, fica evidente que as ferramentas revenidas a 600 °C apresentaram maior vida. Lima et al. (2008) afirmou que a tenacidade dos aços rápidos aumenta conforme aumenta a temperatura de revenido. A justificativa está coalescimento dos carbonetos secundários resultando no aumento da distância entre eles (LESKOVŠEK e ULE, 1998) limitando a propagação de trincas.
CONCLUSÃO
A resistência à ruptura transversal e energia de ruptura transversal são maiores nas amostras de AISI M3:2 em razão da menor frequência de distribuição do tamanho de carbonetos primários, além da maior uniformidade e homogeneidade.

Em relação à temperatura de revenido, nas amostras de AISI M:2 não há influência significativa em relação à resistência à ruptura transversal e energia de ruptura transversal, pois o as características dos carbonetos primários são mais efetivas. Já nas amostras de AISI M3:2, a temperatura de revenido de 600 °C apresentou valores inferiores de resistência à ruptura transversal. Possivelmente o coalescimento dos carbonetos primários teve influência mais significativa que o coalescimento dos carbonetos secundários.



O teste industrial indicou que as ferramentas de AISI M3:2 alcançam vida superior devido às características dos carbonetos primários. Quanto à temperatura de revenido, as ferramentas revenidas a 600 °C obtiveram vida superior em razão do coalescimento dos carbonetos secundários ser maior. Com isso há o aumento da distância entre eles dificultando a propagação de trincas.

REFERÊNCIAS


  1. ASM HANDBOOK. Metallography and microstructures. 10th ed. Russel Township: Metals Park, American Society for Metals International, 2004. v. 9.

  2. ASM. Practical guide to image analysis. Russel Township: Metals Park, American Society for Metals International, 2000. 290 p.

  3. ARAUJO FILHO, O. O. Estudo comparativo de aços rápidos AISI M3:2 produzidos por diferentes processos de fabricação. 2006. 174 p. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear – Materiais) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, Universidade de São Paulo, SP, 2006.

  4. BELTZ, R. J.; DANKOFF, J. D.; HEACOX, R. A.; McCLELLAN, M. L. Microstructure and properties of high speed steels produced from solid state micro blended powders. In: ADVANCES IN POWDER METALLURGY AND PARTICULAR MATERIALS, 2., 21-26 Jun. 1992, San Francisco. Proceedings... Princeton: Metal Powder Industries Federation/APMI, 1992. v. 7, p. 369-381.

  5. SILVA, W. S. da. Estudo da tenacidade à fratura do aço rápido M2 fundido, modificado e tratado termicamente. 152 p. 2001. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) – Universidade de São Paulo, SP, 2001.

  6. MESQUITA, R. A.; BARBOSA, C. A. Evaluation of as-hipped powder metallurgy high speed steel for production of large diameter cutting tools. Materials Science Forum, Stafa-Zurich, Feb. 2003. v. 416-418, p. 235-240.

  7. LIPPMANN, N.; LEHMANN, A.; STEINKOPFF, T.; SPIES, H.-J. Modelling the fracture behaviour of high speed steels using finite element method. Computational Materials Science, Amsterdam, Dec. 1996. v. 7, n. 1-2, p. 123-130.

  8. LIMA, E. P. R.; NEVES, M. D. M. das; NOGUEIRA, R. A.; OLIVEIRA, L. G. C. de; AMBROZIO FILHO, F. Effect of different tempering stages and temperatures on microstructure, tenacity and hardness of vacuum sintered high speed steel AISI T15. Materials Science Forum, Stafa-Zurich, Aug. 2008. v. 591-593, p. 68-73.

  9. LESKOVŠEK, V.; ULE, B. Improved vacuum heat treatment for fine-blanking tools from high speed steel M2. Journal of Materials Processing Technology, Amsterdam, Oct. 1998. v. 82, n. 1-3, p. 89-94.

EFFECT OF QUENCHING AND TEMPERING IN THE MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF HIGH SPEED STEELS PRODUCED BY CONVENTIONAL PROCESS AND POWDER METALLURGY
ABSTRACT
The aim of the present work was to examine the effect of quenching and tempering on the mechanical properties and microstructure of high speed steels obtained by conventional casting with thermomechanical processes and powder metallurgy used in cold forming tools. Heat treatments were used two quenching temperatures (1180 and 1210 °C) and two tempering temperatures (560 and 600 °C).

The microstructural changes during the heat treatments were examined by optical microscopy, scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction.

As these steels are used in cold forming tools, two characteristics become significant, the hardness which gives wear resistance and dimensional stability, and the toughness which enables a material to support the cyclic stress compression considerably.

The mechanical behavior of the samples after the heat treatment route was evaluated by hardness test, microhardness test and four-point bend test.

The hardness and microhardness tests indicated samples tempered at 600 °C achieved lesser values due secondary carbides coalescing. Also indicated higher values in powder metallurgy samples because chemical composition.

Through the four-point bend test were observed higher results of energy and transverse rupture strength 130% and 36% respectively in powder metallurgy samples. These results are due primary carbides characteristics basically.

Industrial test evaluated tool life in process by fragile fracture criteria. The results indicated higher values in powder metallurgy samples and the samples tempered at 600 °C. This fact evinced the effect of primary carbides coalescing and mainly secondary carbides coalescing in tempering.


Keywords: High speed steels, tempering, toughness, mechanical forming tools.


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