Caracterização microestruturaldo aço ferramenta rápido

Caracterização microestruturaldo aço ferramenta rápido

(Parte 1 de 2)

MYCHELLANGELO DOS SANTOS SOARESMAT: 06123002807

Marabá-PA. Dezembro-2008.

Marabá-PA. Dezembro-2008

1. OBJETIVO

Analisar a microestrutura do aço ferramenta rápido, identificar a sua composição e características.

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA

Os aços-ferramentas são aqueles utilizados nas operações de corte, formação, afiação e quaisquer outras relacionadas com amodificação de um material para um formato utilizável. Estes aços se caracterizam pelas suas elevadas dureza e resistência à abrasão geralmente associadas à boa tenacidade e manutenção das propriedades de resistência mecânica em elevadas temperaturas.

Estas características normalmente são obtidas com a adição de elevados teores de carbono e ligas, como tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo.Boa parte dos aços-ferramenta é forjada, mas alguns também são fabricados por fundição de precisão ou por metalurgia do pó. A seleção da matéria-prima para a fabricação dos aços ferramentas é um fator importante do processo, e a sua seleção costuma ser cuidadosamente realizada inclusive na utilização de sucata.

A fusão dos aços-ferramentas é realizada, normalmente, em quantidades relativamente pequenas nos fornos elétricos, tomando-se um especial cuidado com as tolerâncias de composição química e homogeneidade do produto final. Estas e outras particularidades tornam o aço-ferramenta um material de custo mais elevado do que os aços comuns.

Os aços ferramenta representam um importante segmento da produção siderúrgica de aços especiais. Os aços rápidos são ainda uns dos mais importantes materiais usados na produçãode ferramentas de corte (ferramentas de fresadoras, torno, plaina, mandris, alargadores eoutros), em torneamento de peças com diâmetro reduzido e são também utilizados emprocessos de trabalho a frio.

2.1. Classificação AISI

A classificação mais vulgarmente usada para referenciar aços-ferramenta éa da

AISI, apresentada na tabela 1 e que se baseia simultaneamente na aptidão à têmpera, nas aplicações, nas características específicas e na composição química.

Tabela 1: Classificação AISI dos aços-ferramenta

Aço de Tempera em água W Aço Resistente ao choqueS Aço para trabalho a frio Aço de tempera em óleoO Aço em tempera ao arA Aço de alto C e alto CrD Aço para trabalho a quenteH Aço ao CrH1 –H19 Aço ao WH20 –H39 Aço ao MoH40 –H59 Aço de corte rápido Aço ao WT Aço ao MoM Aço para fins especiais Aço de baixa-ligaL Aço para moldesP Aço extraduroF

2.2.Aços Rápidos

A denominação aço rápido é devido a sua capacidade de reter elevada dureza mesmo quando utilizada em processos de usinagem com alta velocidade. Este material pode ser endurecido até um nível de 1000 HV (65 a 70 HR). Outracaracterística éque nenhum amolecimento apreciável ocorre até que as temperaturas alcancem aproximadamente 600 ºC.

A produção convencional do aço rápido consiste na fusão e na produção de pequenos lingotes para reduzir as segregações na peça. A estrutura bruta de fusão dos açosrápidos caracteriza-se pela presença de dendritas de austenita envoltas numa rede decarbonetos primários. Após sofrerem trabalho mecânico de laminação ou forjamento, esteaço fundido alcança uma dureza de 18 a 25 HRC. Sua dureza é aprimorada com um complexo tratamento térmico, podendo obter valores de 60 a 70 HRC. O resultado é um aço com microestrutura heterogênea e de grão grosseiro. Os tratamentos termo mecânicosde forjamento e laminação proporcionam uma estrutura de fina dispersão de carbonetos emuma matriz ligada, mas com estruturas em bandas, que propiciam problemas de controledimensional, variações de dureza e de outras propriedades mecânicas na mesma peça.

O aço rápido foi descoberto por Fred W. Taylor no início do século X, através depesquisas desenvolvidas juntamente com White na Bethelehem Steel Corporation, que tinham o objetivo de obter um aço que permitisse usinar em condições severas, visandoaumentar o rendimento de fabricação, através da melhoria dos tratamentos térmicos. O açorápido foi apresentado mundialmente na Exposição Mundial de Paris em 1900, onde assuas qualidades causaram estupefação.

Em 1910, foi definido o primeiro aço rápido por padrões modernos, o qual tinha uma composição 18-4-1 (18% de tungstênio, 4% de cromo, 1% de vanádio e 0,7% de carbono). Este tipo de material recebeu a denominação de T1.

Entre 1940 e 1952, por causa da escassez do tungstênio durante a Segunda Guerra mundial, o molibdênio passou a substituir parcialmente o tungstênio, resultando diversostipos representados pela letra “M” (por exemplo, M1, M2). No caso do aço rápido T1, omolibdênio passou a substituir 1/3 do tungstênio, ou seja, por 5% de molibdênio, o vanádioaumentou para 2% e 0,85% para carbono. Como o molibdênio possui menor preço, e pelofato de participar na composição com a metade da porcentagem do tungstênio (por teraproximadamente a metade do peso específico do tungstênio) fazem com que os açosrápidos ao molibdênio sejam mais baratos do que os aços ao tungstênio, para propriedadesequivalentes.

2.3.Classificação dos Aços Rápidos

Os aços rápidos são classificados em dois grupos distintos segundo a American

Iron and Steel Institute (AISI):

-Aços rápidos ao Tungstênio, ou grupo T: os seus os principais elementos de liga são o tungstênio, o cromo, o vanádio, o cobalto e o carbono;

-Aços rápidos ao Molibidênio, ou grupo M: os seus principais elementos de liga são o molibdênio, além dos outros já citados no grupo T. Os açosrápidos ao Molibdênio apresentam também uma subdivisão, denominadasde aços rápidos intermediários. Os aços rápidos intermediários apresentammenores teores de elementos de liga e que são aplicados onde a resistênciaao desgaste dos aços-carbono não é satisfatória e o custo dos aços rápidos émuito elevado, como ferramentas de corte para madeira.

As principais composições químicas dos aços rápidos ao tungstênio e ao molibdênio estão representadas na Tabela 2.Os dois grupos são equivalentes em desempenho, porém os aços rápidos do grupoM têm tenacidade um pouco maior que os aços do grupo T (quando temperados para obtera mesma dureza), além do menor custo inicialrelata que o custo dos aços rápidos do grupo M é 40% inferior em relação aos aços dogrupo T similares.

Tabela 2: Composições químicas dos aços rápidos dos grupos M à base de molibdênioe T à base de tungstênio.

2.4.Efeito dos Elementos de Liga nos Aços Rápidos

As boas propriedades de resistência ao desgaste estão relacionadas com os20 elementos de liga, os quais têm grande complexidade. A seguir, tem-se um resumo dos efeitos dos principais elementos de liga dos aços rápidos:

-Carbono: é o principal elemento constituinte de qualquer aço e responsávelpela capacidade de temperabilidade. O teor de carbono nos aços rápido varia aproximadamente entre 0,70% a 1,60%. Os teores mais baixos de carbonopodem causar uma dureza inferior no estado temperado, conseqüentementeresultando em menor dureza no estado revenido. Se aumentar a quantidadede carbono, também aumenta a formação de carbonetos complexos, os quaisresultam na obtenção de maior dureza e resistência ao desgaste. Porém,quanto mais elevado for o teor de carbono, maior será a quantidade deaustenita retida no estado temperado. Isto exigirá temperaturas de revenidomuito elevadas e tempos mais longos. A presença elevada de carbonofavorece a tendência à descarbonetação, se não tomadas as precauções necessárias. Dependendo da porcentagem de carbono e da atmosferautilizada no tratamento térmico, uma pequena descarbonetação superficialpode ocorrer, a qual às vezes é provocada propositalmente entre 980 e 1095ºC para melhorar a dureza superficial. Mas devemos ter muito cuidado comcertos tipos de ferramenta como brocas e alargadores. Este tipo defenômeno pode provocar fragilidade indesejável na cunha cortante e falhasprematuras.

-Molibdênioe Tungstênio:formam muitos compostos no diagrama de fasecom o ferro. Quando combinados com o carbono, estes elementos formamcarbonetos estáveis e complexos, que é a principal característica deste grupode aços. O tipo de carboneto prevalecente é o M6C. Este carboneto éresponsável pela alta resistência ao desgaste do aço rápido. A principal açãodo tungstênio é conferir dureza a quente à ferramenta de aço rápido. Omolibdênio é utilizado como substituto parcial do tungstênio, ou seja, 1 %de molibdênio pode substituir 1,6 a 2,0% de tungstênio. O molibdênio podecausar descarbonetação do aço durante o tratamento térmico, o que se recomenda à utilização de banhos de sal. A austenita residual nos açosrápidos ao molibdênio é menos estável que nos aços ao tungstênio, pois orevenido acontece em uma temperatura aproximadamente 15ºC menor.

-Cromo: seu teor é de aproximadamente de 4% nos aços rápidos. O seupapel é aumentar a temperabilidade nos aços rápidos, tornando possível oseu endurecimento completo, mesmo ao ar e com secções relativamentegrandes. Este elemento também melhora o endurecimento secundáriodevido à precipitação de carbonetos do tipo M23C6 durante o revenido, reduzas variações dimensionais durante os tratamentos térmicos e retarda oamolecimento nafaixa de revenimento entre 530°C e 600°C. Historicamente, o cromo foi adicionado para melhorar a tenacidade,prevenir a oxidação durante a austenitização em alta temperatura epromover um endurecimento secundário.

-Vanádio: é um elemento sempre presente no aço rápido. O seu principalefeito é produzir carbonetos de vanádio muito duros, normalmente do tipoMC, embora sua real composição esteja perto de V4C3. Estas são importantes,pois promovem a resistência à abrasão. O vanádio reforça a durezasecundáriae ajuda no controle do crescimento de grão. Para evitar adepreciação de carbono na matriz, é importante avaliar se existe a quantidade suficiente de carbono para que satisfaça o vanádio, além doexigido para o endurecimento (ou estado temperado). A cada 1% de vanádioadicional, é necessário um adicional de 0,25% de carbono. O carbono e ovanádio são dois elementos cruciais que determinam as propriedades e avida útil dos aços rápidos.

-Cobalto: é utilizado para a elevação da temperatura da linha solidus nodiagrama de fases, o que permite à utilização de temperaturas deaustenitização mais elevadas e conseqüentementea dissolução de umamaior quantidade de carbonetos, aumentando a dureza secundária e aestabilidade térmica. O cobalto pode causar aumento na tendência àdescarbonetação, dificuldade em afiar as ferramentas e causar ainda reduçãona tenacidade e ductilidade. Mas o seu emprego é justificado pela melhorana capacidade de corte em temperaturas elevadas, aumentando a resistênciaao amolecimento aquente. Os teores típicos estão entre 5 a 12%, sendo queas adições de até 5% são as que fornecem as maiores melhorias empropriedades. Para adições acima de 8% a melhora nas propriedades é muitopequena. Outro efeito das adições de cobalto é o aumento da quantidadede austenita retida, tanto no estado temperado quanto no revenido.

-Titânio, Nióbio e Tantálio: são também outros elementos formadores de carbonetos conhecidos. Eles podem formar carbonetos muito estáveis dotipo MC, promovendo elevada resistência ao desgaste.

2.5.Microconstituintes dos Aços

Os constituintes básicos dos aços são: -Austenita: (do nome do metalurgista inglês Robert –Austen), nos açoscomuns, só é estável acima de 727°C; consta de uma solução sólida decarbono no ferro gama e apresenta uma estrutura de grãos poligonaisirregulares; possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade; é nãomagnética.

-Ferrita:(do latim “ferrum”) é ferro no estado alotrópico alfa, contendo em solução traços de carbono; apresenta também umaestrutura de grãospoligonais irregulares; possui baixa dureza e baixa resistência à tração, cercade 28 Kgf/mm2(270 MPa), mas excelente resistência ao choque e elevadoalongamento.

-Cementita:(do latim “caementum”) é o carboneto de ferro Fe3Ccontendo 6,67% de carbono; muito dura (na escala Moh’s ocupariaaproximadamente o lugar do feldspato), quebradiça, é responsável pelaelevada dureza e resistência dos aços de alto carbono, assim como pela suamenor ductilidade. Possui estrutura cristalina ortorômbica.

-Perlita:(nome devido à “nuance” de cores de madrepérola que esseconstituinte frequentemente apresenta ao microscópio) é a mistura mecânicade 8,5% de ferrita e 1,5% de cementita, na forma de lâminas finas (deespessura raramente superiora um milésimo de milímetro) dispostasalternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto,intermediárias entre as da ferrita e da cementita, dependendo, entretanto, dotamanho das partículas de cementita. Sua resistência à tração é, em média, 75Kgf/ mm2(740 MPa). A proporção de perlita num aço cresce de 0% para ferroaté 100% para aço eutetóide (0,7% de carbono), de modo que um aço com0,5% de carbono, por exemplo, apresentará cerca de 65% de perlita.

-Martensita:apresenta um reticulado tetragonal e sua dureza é muitoelevada, podendo atingir 65 a 67 Rockwell C. Sua resistividade térmica éconsideravelmente mais alta que a dos conglomerados ferrita-cementita,qualquer que seja o seu grau de dispersão. Sua elevada dureza é devido adiversos fatores como: -precipitação de particulas submicroscópicas de carboneto de ferro dasolução sólida gama e retenção dessas partículas na forma de uma soluçãosólida supersaturada no reticulado do ferro alfa (formado no esfriamento)onde atuam como espécies de “chavetas”, impedindo o escorregamento; -distorção do reticulado;

-tensões internas;

-tamanho de grão muito pequeno.

-Bainita:que é formada na temperatura entre 550 e 200°C, varia deaspecto, que vai desde um agregado de ferrita em forma de pena e carbonetode ferro muito fino, em torno de 450°C, até um constituinte em forma deagulhas com coloração escura (em torno de 200°C) e sua dureza varia de 40 a60 Rockwell C. Na parte mais baixa do diagrama T, a bainita caracteriza-sepela excelente ductilidade e resistência ao choque, com durezas elevadas,acima mesmo de 50 Rockwell C.

-Ledeburita:é um equilíbrio de duas fases: austenita de um lado ecementita

(Fe3C) do outro. Esse eutético cristalizado é constituído de um fundode cementita com aproximadamente 6,7% de carbono e cristais dendríticos deaustenita, contendo 2% de carbono.Nos ferros fundidos brancos, é um constituinte formado de pequenosglóbulos de perlita, sobre um fundo de cementita; por isso apresenta elevadadureza.

3. EQUIPAMENTOS

Para a caracterização microestrutural e mecânica aço ferramentafez-se uso dos seguintes equipamentos, cujas imagens estão apresentadas na Figura 1: -Máquina de corte de precisão com disco diamantado (diâmetro = 100 m)

-Prensa automática para embutimento a quente de amostra para metalografia

-Microdurômetro para ensaio de microdureza Vickers, Knoop e Brinnel

4. MATERIAIS

4.1.Materiais de Consumo: baquelite em pó para embutimento das amostras, lixas (100, 220, 400, 800 e 1200 mesh), detergente, álcool, pano de polimento para uso com pasta de diamante (1µm) e alumina (1µm), solução de ácido nítrico a 1% em álcool etílico -Nital e solução de ácido pícrico a 4% em álcool etílico –Picral.

4.2.Características Geométricas:

O material destinado a análise microestrutural foi uma ferramenta de perfuração, uma broca, que possuía 34,45 m de comprimento e diâmetro de 4 m. O corte realizado na peça, para a retirada da amostra, foi feito na seção transversal damesma, e o tamanho da amostra retirada segue os requisitos para preparação de amostra, os quais indicam que área da amostra em estudo não deve exceder 1cm2. A Figura 2 apresenta os aspectos físicos da peça antes do corte.

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