CARACTERIZAÇÃO METALOGRÁFICA E ENSAIOS DE MICRODUREZA DE UM AÇO AISI D6 TEMPERADO E REVENIDO

BRASIL & BAHIA (2013)

Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovao, 2013 1

CARACTERIZAO METALOGRFICA E ENSAIOS DE MICRODUREZA DE UM AO AISI D6

TEMPERADO E REVENIDO

Pedro Lopes dos Reis Jnior, Wanderson Carvalho de Souza, Naasson Matheus Balica, Ayrton de S Brandim

Iniciao Cientfica Voluntrios IFPI-Campus Teresina central. E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]; Professor do Programa de Mestrado de

Engenharia de Materiais do IFPI e Pr-Reitor de Pesquisa e InovaoCampus Teresina Central. E-mail: [email protected]

Artigo submetido em xxx/2013 e aceito em xxxx/2013

RESUMO

Os aos ferramentas so amplamente utilizados na indstria metal-mecanica principalmente para a fabricao de moldes, matrizes e para ferramentas de corte com forte apelo nas indstrias de bicicletas, bem como ferramentas de conformao de materiais metlicos. Em quaisquer das situaes acima, para o uso desses aos ferramentas imprescindvel utilizao de tratamentos trmicos para a obteno das propriedades mecnicas estimadas, onde utilizado tcnicas metalograficas junto ao ensaio de microdureza vickers

para determinar as melhores condies de tratamentos trmicos e assim otimizando o seu desempenho. Portanto o presente trabalho teve como objetivo avaliar as condies de tratamentos trmicos do ao AISI S6, tais como temperado com um revenimento e temperado com dois revenimentos para trabalho a frio. As condies de tratamento foram seguidas conforme a ficha tcnica do referido ao.

PALAVRAS-CHAVE: Ao ferramenta AISI D6, Tmpera, Revenimento, Metalografia, Ensaios de microdureza.

METALLOGRAPHIC CHARACTERIZATION AND MICROHARDNESS TESTS OF A STEEL AISI D6

QUENCHED AND TEMPERED

ABSTRACT Tool steels are widely used in the metal-mechanical industry principally for the manufacture of molds, dies and cutting tools industries with strong bike, as well as tools for shaping metal materials. In any of the above, the use of these steels for tools it is essential to use heat treatment for obtaining the estimated mechanical properties, metallographic techniques which is used by the Vickers hardness test to determine the best

conditions of heat treatments and thus optimizing the their performance. Therefore the present study aimed to evaluate the conditions of heat treatment of steel AISI S6, such as hardened and tempered with a tempering tempering with two cold work. The treatment conditions were followed according to the datasheet of that steel.

KEY-WORDS: Tool steel AISI D6, quenching, tempering, metallography, microhardness tests.

PEDRO LOPES, WANDERSON CRAVALHO & NAASSON MATHEUS (2013)


CARACTERIZAO METALOGRFICA E ENSAIOS DE MICRODUREZA DE UM AO AISI D6

TEMPERADO E REVENIDO

1. INTRODUO Os aos ferramentas AISI D6, Die Steels, so aos cuja principal aplicao para trabalho a frio. Possuem elevada temperabilidade, alto grau de indeformabilidade e boa tenacidade. Devido ao seu alto teor de cromo, e na condio de temparado e revenido, esse ao pode alcanar a uma dureza de 714 HV em sua matriz martensitica e 1885 HV nos carbetos de cromo e vandio, que lhe confere elevada resistncia ao desgaste, sendo os carbetos de vrios tamanhos distribudos pela matriz (http://www.favorit.com.br/produtos/categoria/acos-ferramenta/aco-aisi-d6-0). Segundo Ferraresi, 1970 e Silva & MEI, 2006, dentre os aos ferramentas, o mais utilizado o D6. A presena do Cr juntamente com o Mn, serve principalmente, para aumentar a sua temperabilidade, tornando-o temperavel em leo. Aumenta a resistncia ao desgaste, porque aumenta a dureza sem prejudicar sensivelmente a ductilidade. O vandio forma carbetos estveis e os mais duros encontrados nos aos, com dureza superior a do carbeto de cromo. O principal efeito do vandio imperdir o crescimento do gro, refinando-o e assim auxiliando na estabilidade da microestrutura e manuteno das propriedades mecnicas, principalmente a dureza (CHIAVERINI. 1990). A partir disso, esse trabalho avaliou as condies de tratamentos trmicos, com o intuito de determinar as melhores condies e assim melhorar o ao AISI D6 como recebido utilizando tcnicas metalogrficas para o estudo do mesmo.

1.1 O TRATAMENTO TRMICO

O tratamento trmico, segundo o IFHTSE International Federation for Heat Treating and Surface Engineering, um processo no qual um objeto ou uma poro desse, intencionalmente submetido a ciclos trmicos e se necessrio, reaes fsicas e qumicas podem fazer parte do tratamento para se alcanar as mudanas estruturais, bem como das suas propriedades mecnicas. Portanto, tais propriedades como dureza, resistncia, dutilidade e tenacidade so dependentes da microestrutura e do tamanho do gro. Assim, o objetivo fundamental da tmpera das ligas ferro-carbono obter uma estrutura martenstica, o que exige esfriamento rpido, de modo a evitar-se a transformao da austenita em seus produtos normais (CHIAVERINI. 1986). A ordem de transformaes ou os produtos transformaes so obtidos a partir da austenita nos aos endurecveis, na seguinte ordem de formao, de acordo com a velocidade da taxa de resfriamento: Martensita, Bainita, Perlita e ferrita pr-eutetoide/perlita. Sendo que cada uma dessas microestruturas promovem uma nica combinao de propriedades. Dos tratamentos trmicos destacam-se a tmpera e o revenimento.

1.2 METALOGRAFIA

A metalografia moderna surgiu em 1863 com o trabalho pioneiro de Sorby, onde este observou pela primeira vez uma estrutura metlica em um microscpio ptico. Desde ento, define-se metalografia como o ramo da cincia que estuda e interpreta a estrutura interna dos metais e suas ligas, como tambm a relao entre as suas composies qumicas, propriedades fsicas e mecnicas. Para a determinao de uma microestrutura, foram desenvolvidos ao longo dos anos,



muitos mtodos de preparao e observao de amostras, entretanto, a observao por meio de um microscpio ptico continua sendo um dos mais importantes. Qualquer exame para revelar constituintes de um metal por meio ptico, envolve basicamente trs estgios de preparao de um corpo de prova: a obteno de uma seco plana e polida atravs de um processo longo de lixamento e polimento, o realce da microestrutura atravs de um ataque qumico e sua observao e registro posterior ao microscpio. Juntamente com a microscopia ptica, a Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) uma ferramenta muito verstil e usada rotineiramente para a anlise microestrutural de materiais slidos. A principal caracterstica do microscpio eletrnico de varredura que, embora a iluminao da amostra seja feita com um feixe de eltrons bastante focalizado, uma rea relativamente grande da amostra pode ser observada, pois o feixe de eltrons varre a superfcie da amostra (COLPAERT. 2008). A elevada profundidade de foco e a possibilidade de combinar a anlise microestrutural com a microanlise qumica so fatores que em muitos contribuem para o amplo uso desta tcnica. No preparo da soluo qumica para o ataque, podem-se utilizar vrios agentes. Estes, usualmente, cidos ou bases atacam a superfcie heterognea do corpo de prova e assim produzindo uma superfcie topogrfica, que possibilita o exame em um microscpio ptico. Apesar do fato de que o ataque baseado em uma reao eletroqumica, muitos dos reagentes tm sido desenvolvidos em bases empricas e, apenas recentemente, d-se ateno para o desenvolvimento de ataques qumicos estritamente controlados, tais como ataques potenciostticos.

1.3 ENSAIOS DE MICRODUREZA VICKERS

A dureza de um material pode definir-se de modo simples como a resistncia penetrao da sua superfcie. Usualmente, um material que consiga riscar o vidro ou que no possa ser limado considerado duro, mas esta uma noo qual falta objetividade. Devido ao reflexo da dureza no comportamento e nas aplicaes possveis de um dado material, e tambm porque se podem definir relaes entre a dureza e outras propriedades mecnicas relevantes, desenvolveram-se diversos mtodos confiveis para a sua medio, todos esses mtodos obedecendo ao mesmo princpio, segundo o qual aplicado uma carga determinada a um penetrador bastante duro, o qual est em contacto com a superfcie do material a testar. As dimenses da marca de penetrao (indentao) assim deixada na superfcie so ento medidas. Obviamente, quanto menor for a indentao maior ser a dureza do material. A principal diferena entre os principais ensaios de durezas refere-se forma do penetrador e ao material que feito, o que se reflete na escala de equivalncia entre as dimenses da indentao e a dureza, e na extenso da zona sobre a qual se faz a medio. No caso das durezas Vickers, o penetrador, talhado em diamante, tem a forma de uma pirmide quadrangular, sendo o ngulo entre as faces opostas de 136. Por ter esta forma, o penetrador incide em uma regio muito pequena, tendo assim uma melhor avaliao da dureza quando se refere a reas muito restritas de material: precipitados, gros de uma dada fase, pelculas de revestimentos muito delgadas, etc (http://www.globalst.com.br/bvg/en_mec/13.pdf). esta a razo pela qual este tipo de dureza designado por microdureza.

2. MATERIAIS E MTODOS



2.1 MATERIAL

Os corpos-de-prova utilizados neste trabalho foram confeccionados de ao ferramenta AISI D6 para trabalho a frio, no formato de disco com dimenses de 20mm de dimetro e 10mm de espessura. A composio qumica do referido ao est apresentada na Tabela 1.

Tabela 1 Composio Qumica

AO AISI D6

C Cr W V

2,10 % 11,5 % 0,70 % 0,15 %

Fonte - http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/FT_13_VC131.pdf 2.2 FORNO

Para a realizao dos tratamentos trmicos, recomendados pelo fabricante, foram utilizados dois fornos do tipo mufla, modelo Quimis e modelo Lumarc, ambos com faixa de temperatura de 0 a 1200.

2.3 TRATAMENTOS TRMICOS

Inicialmente os corpos-de-prova foram temperados em faixa de temperatura entre 950 e 970 C durante um tempo de duas horas, e logo em seguida foram resfriados em leo apropriado, aquecido entre 40 e 70 C. Aps a tmpera, os corpos-de-prova foram submetidos a um e a dois revenimentos numa temperatura de 400 C durante tempos de 3 e 4 horas.

2.4 ATAQUE QUMICO

Para visualizao da microestrutura foi utilizado a tcnica de esfregao sobre os corpos-de-prova utilizando um algodo embebido com uma soluo de cidos a base de cido ntrico e de sulfato de cobre durante 5 segundos, posteriormente lavados com gua e lcool e secados por um secador trmico.

2.5 CARACTERIZAO MICROESTRUTURAL

Para caracterizao microestrutural foi empregada a microscopia ptica, onde foi utilizado um Microscpio Metalrgico, marca Nikon-Epiphot com sistema de aquisio de imagens Image Pro-Plus, e para caracterizao eletrnica foi usado um Microscpio Eletrnico de Varredura, marca Shimadzu, modelo SS-550 com sistema de microanlise. Esse trabalho teve como principal objetivo a caracterizao das micrografias obtidas atravs do software Image Pro-Plus. Para tanto, foram avaliados os seguintes parmetros: rea mnima, rea mxima, Razo de Aspecto mnimo, Razo de Aspecto mximo, Dimetro mnimo e Dimetro mximo.

2.6 MICRODUROMETRO

Para os ensaios de microdureza vickers, foi utilizado um microdurmetro da marca Shimadzu, modelo HMV-2T E, com sistema de rotao automtica da torre entre penetrador e lente objetiva. Este equipamento tem a capacidade de medir com preciso a dureza de pequenas peas, as camadas superficiais em placas de metal, tudo com pouco dano amostra, dando os



valores em escala HV (Hardness Vickers), seguindo os ensaios estabelecidos pela norma ASTM E-384.

3. RESULTADOS E DISCUSSES

3.1 CARACTERIZAO MICROESTRUTURAL

Para a caracterizao microestrutural dos corpos-de-prova tratados termicamente, utilizou-se a seguinte sequncia: microscpio ptico (MO), microscopia eletrnica de varredura (MEV) e EDS, onde foram utilizados os softwares Image Pro-Plus e Super Scan respectivamente. A caracterizao microestrutural atravs de microscopia ptica inicia-se com a captura de imagens via software Image Pro-Plus, sendo que para cada micrografia foram capturadas pelo menos 05 imagens nas mesmas condies de magnificao, alternando apenas o nvel de distoro da micrografia e atraves do software, obtendo-se a micrografia mdia das anteriores.

Logo aps o processo de obteno das micrografias, inicia-se o processo de tratamento das mesmas, para determinarem-se os parmetros. Assim em cada micrografia mdia (figura 1a), foi feito a segmentao (figura 1b) de vinte campos do mesmo corpo-de-prova, na magnitude de 400X, tendo uma condio de referencia (figura 1c).

a)

b)

c)

Figura 1 - a) Micrografia mdia; b) Micrografia segmentada e c) Condio de referncia.

A partir dessas micrografias segmentadas e da condio de referncia, foram obtidos os seguintes parmetros para apreciao do efeito dos tratamentos trmicos sobre a microestrutura do ao ferramenta AISI D6. A tabela 2 apresenta alguns valores e suas respectivas



mdias dos parmetros: dimetro mnimo, dimetro mximo, razo de aspecto mnimo, razo de aspecto mximo, rea mnima, rea mxima.

Tabela 2 Parmetros de estudo

Parmetros Valores Mdia

Diam. Min .38006502 .38006502 .35417989 .38274640 .38006502 .37542427

Diam. Max 36,481453 37,632534 57,836777 29,992254 25,743486 37,5373008

Razo de Aspecto

Min

1,0000004 1,0000004 1,0000004 1,0083859 1 1,00167742

Razo de Aspecto

Max

3,4058721 4,7446604 3,4047031 4,2537508 3,9188709 3,94557146

rea Min .11579390 .11579390 .11579390 .16404136 .11579390 .12544339

rea Max 329,07663 435,84824 1135,6487 393,56418 175,85234 493,998018

A seguir, as micrografias do ao AISI D6 como recebido e com tratamento trmico respectivamente, onde a micrografia mostra que na condio de temperado e revenido, a amostra possui as mesmas fases: carbetos metlicos (M7C3), que corresponde aos objetos claros presentes na micrografia, e austenita retida em uma matriz martensitica, conforme indica as figuras, sendo que, quando temperado, os carbetos so maiores. A dureza desse ao conferida por martensita altamente tencionada e com alta fragilidade, logo o ao temperado apresenta alta dureza e baixa tenacidade. Com o revenimento as tenses internas, a fragilidade e tambm a dureza so reduzidas, melhorando assim a tenacidade do ao. Na figura 2a visto o ao AISI D6 como recebido, e a figura 2b mostra o ao na condio de temperado e com dois revenimentos.

a)

b)

Figura 2 a) ao AISI D6 como recebido; b) ao AISI D6 temperado e com dois revenimentos

No caso da microscopia eletrnica de varredura, foi avaliada a composio qumica do ao ferramenta AISI D6, onde a figura 3a mostra a superfcie do ao em uma magnitude de 500x, juntamente com a figura 3b, que apresenta o espectro de EDS correspondente composio



qumica do referido ao, na qual perceptvel um alto teor de cromo, devido o espectro ter sido realizado sobre um dos carbetos presentes no material.

a)

b)

Figura 3 a) superfcie do ao AISI D6 em magnitude de 500x; b) espectro de EDS de um carbeto

3.2 ENSAIOS DE MICRODUREZA

Para os ensaios de microdureza, foi utilizado um microdurometro devidamente calibrado, onde, para cada corpo-de-prova foram feitas no mnimo 8 ensaios na matriz e 8 para os carbetos, sendo que cada ensaio teve uma distancia mnima de 3 vezes o dimetro do penetrador. O microdurometro utilizado, exibi os valores de cada ensaio e mdia final dos 8 ensaios, assim nos dando valores de microdureza vickers do ao AISI D6 em diferentes condies de tratamentos trmicos como mostra a tabela dois.

Tabela 03 Resultado mdio dos ensaios de microdureza

CONDIES DE TRATAMENTOS

MDIA DAS MICRODUREZAS

MATRIZ CARBETOS

COMO RECEBIDO

393 HV 1299 HV

TMPERA MAIS UM REVENIMENTO COM 350

C

668 HV

1885 HV

TMPERA MAIS DOIS REVENIMENTOS COM

400 C

559 HV

1521 HV

4. CONCLUSO

Os experimentos mostraram que a temperatura de austenitizao tem influncia direta na composio qumica da matriz e dos carbetos, sendo que os teores de cromo e tungstnio se elevam em ambos, com o aumento da temperatura de austenitizao. Constatou-se tambm que os empregos das tcnicas do MEV em conjunto com os ensaios de microdureza Vickers ao longo da camada se constituem em tcnicas de preciso para se determinar a real espessura de



camada, tendo em vista a estrutura fina e complexa desta classe de aos. Com isso, ficou evidente que os revenimentos eliminam a maioria dos inconvenientes produzidos pela tmpera, alm de aliviar ou remover tenses internas, diminuindo assim a excessiva dureza e a fragilidade do material e aumentando sua ductilidade e tenacidade.

5. REFERNCIAS

1. CHIAVERINI, Vicente. Aos e Ferros Fundidos. 6. So Paulo: Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais ABM, 1990.

2. FERRARESI, D.; Fundamentos da Usinagem dos Metais, Editora Edgard Blcher, So Paulo, 1970.

3. SILVA, A.L.V.C.; Aos e Ligas Especiais, 2 Edio, Edgard Blcher, So Paulo, 2006.

4. COLPAERT; Hubertus. Metalografia dos produtos siderrgicos comuns, 4 Edio revista e atualizada por COSTA E SILVA, Andr Luiz V, Editora Edgarg Blcher, So Paulo, 2008.

5. http://www.favorit.com.br/produtos/categoria/acos-ferramenta/aco-aisi-d6-0

6. http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/Falhas_Trat_Termico.pdf

7. IFHTSE International Federation for Heat Treating and Surface Engineering

8. CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecnica, volume 3. 2 Edio. So Paulo: McGraw-Hill, 1986.

9. http://www.globalst.com.br/bvg/en_mec/13.pdf

10. ASTM E-384, Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Matherials

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