IX Encontro de Iniciação Científica do LFS, 24 julho de 2008.

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Efeito da temperatura de tratamento térmico sobre a dureza de um ferro fundido branco multicomponente com alto teor de

molibdênio

T. R. Paula 1, C. R. Serantoni 2, A. V. Correa 1

1Laboratório de Fundição, LMMC, Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT.

2Aços Villares/Sidenor. E-mail para contato: thiagor@ipt.br

Resumo Ferros fundidos brancos multicomponentes são ligas metálicas do sistema Fe-C-X onde X representa um grupo de elementos que podem ser Cr, W ou Mo, V e Co. Esses ferros fundidos são empregados em aplicações em que a principal solicitação é resistência ao desgaste. O material foi submetido a tratamentos térmicos de austenitização e revenimento e as amostras resultantes foram caracterizadas metalograficamente e submetidas a ensaios de dureza HRC e HV100. Soube-se que quanto maior for a temperatura de austenitização mais austenita retida tem-se devido a dissolução de elementos de liga na matriz e conseqüentemente menor será a dureza. Provou-se o que a afirmação da literatura de que o maior endurecimento secundário ocorre na temperatura de revenimento de 550ºC.

Palavras-chave: Ferro fundido branco multicomponente, Tratamento térmico, Austenita

retida, endurecimento secundário. Resumen Hierros fundidos blancos multicomponentes son ligas metálicas del sistema Fe-C-X donde X representa un grupo de elementos que pueden ser Cr, W ou Mo, V e Co. Estos hierros fundidos son usados en aplicaciones de alta resistencia al desgaste. El material fue sometido a los tratamientos térmicos de austenitizado y revenido. Las muestras fueron caracterizadas metalográficamente y sometidas a ensayos de dureza HRC y HV100. Es conocido que cuanto mayor es la temperatura de austenitización más austenita retenida se presenta debido a la disolución de elementos de la aleación en la matriz y por consiguiente menor será la dureza. Fue demostrada la afirmación de la literatura de que el endurecimiento secundario ocurre en la temperatura de revenido de 550 °C. Palabras clave: Hierros fundidos blancos multicomponentes, tratamiento térmico, austenita

retenida, endurecimiento secundario. 1. INTRODUÇÃO

Ferros fundidos brancos multicomponentes são ligas metálicas do sistema Fe-C-X onde X representa um grupo de ligas que podem ser Cr, W ou Mo, V e Co. Esses ferros fundidos são empregados em aplicações em que a principal solicitação é resistência ao desgaste. A microestrutura bruta de fundição destas ligas consiste em dendritas com produtos de decomposição da austenita cercadas por uma rede de carbonetos eutéticos (Boccalini e Goldenstein, 2001).

O tratamento térmico comumente empregado nesses materiais consiste em uma têmpera seguida de um revenimento simples ou duplo, de forma a conceder ao aço

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a resistência mecânica, dureza e tenacidade necessárias. Os principais parâmetros envolvidos no tratamento térmico são: taxa de aquecimento e resfriamento, temperatura e tempo de austenitização e ciclos de revenimento (Gooch, 1995).

As fases presentes na matriz bruta de têmpera da liga definem a necessidade de revenimento duplo ou simples. Duplo revenimento é necessário quando o teor de elementos de liga dissolvidos na matriz promove o abaixamento da linha “MF” para temperaturas menores do que a temperatura ambiente, e a conseqüente presença de austenita retida após a têmpera. Durante o primeiro revenimento, a martensita bruta de têmpera é revenida e a fração de austenita retida se transforma em martensita. No segundo revenimento, se dá o revenimento da martensita recém formada.

Durante o tratamento térmico, ocorre ainda uma precipitação de carbonetos secundários, que podem promover aumento significativo de dureza da matriz.

2. OBJETIVOS Avaliar o efeito das temperaturas de austenitização e revenimento sobre a dureza

da matriz de um ferro fundido branco multicomponente com alto teor de molibdênio.

3. MATERIAIS E MÉTODOS Selecionou-se uma liga do sistema Fe-C-V-Mo-W-Cr para a realização dos

tratamentos térmicos. A composição química da amostra estudada encontra-se na tabela 1.

Tabela 1 – Composição química da liga estudada (%)

C Si Mn Cr Mo W VMínimo 1 0,1 0,1 3 4 1 3,5Máximo 2,5 1,5 1 7 8,5 3,5 7

Composição química (% em peso)

O material foi seccionado e submetido a tratamentos térmicos de austenitização e

revenimento. A austenitização foi realizada em forno tubular com tubo de quartzo e atmosfera controlada com argônio a fim de evitar oxidação e conseqüente descarbonetação. O tempo de austenitização foi de 1 hora para todas as temperaturas e o meio de resfriamento foi ar calmo até a temperatura ambiente. Foram realizadas austenitizações em 4 temperaturas: 1000, 1050, 1150 e 1200°C.

O revenimento foi realizado em forno tipo mufla com controle digital de temperatura. O tempo de revenimento foi de 1 hora para todas as temperaturas. Para fazer o duplo revenimento a amostra é revenida pela primeira vez com resfriamento ao ar calmo e após atingir a temperatura ambiente ela é levada novamente ao forno na mesma temperatura pelo mesmo tempo e então é retirada e resfriada ao ar calmo novamente. Para cada temperatura de austenitização, foram utilizadas 6 temperaturas de revenimento: 400, 450, 500, 525, 550 e 575°C.

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Após o tratamento térmico, as amostras foram cortadas em duas partes: uma para medição de macro-dureza (HRC) e outra para caracterização microestrutural e medição de micro-dureza (HV100).

As amostras foram preparadas metalograficamente por meio de técnicas convencionais e foram atacadas com reagente Vilella. As medições de macro e micro-dureza foram realizadas em equipamento da marca Wilson e Buehler respectivamente. Foram feitas 5 medições HRC e 15 medições HV100 para cada amostra.

A microestrutura foi caracterizada por meio de microscopias ótica e eletrônica de varredura.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A figura 1 mostra a microestrutura da liga estudada. A liga é hipoeutética, com dendritas de produtos da decomposição da austenita e carbonetos eutéticos interdendríticos do tipo MC (rico em vanádio) e M2C (rico em molibdênio).

Figura 1 – Microestrutura da liga estudada, mostrando a presença de carbonetos do tipo MC (A), de carbonetos do tipo M2C (B) e de austenita retida (C).

A figura 2 mostra a variação da macro-dureza em função das temperaturas de

austenitização e revenimento. Observa-se que: a) O maior valor de dureza bruta de têmpera foi obtido na amostra austenitizada

a 1050°C; b) A amostra austenitizada a 1200ºC e revenida duas vezes a 550°C apresentou

o maior valor de dureza final; c) O aumento da temperatura de revenimento aumentou a dureza até atingir um

valor máximo a 550°C e então diminuiu.

A

B

C

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57,0

58,0

59,0

60,0

61,0

62,0

63,0

64,0

Temperatura de Revenimento (°C)

Dur

eza

HR

C

1000 60,2 58,7 58,8 59,4

1050 62,9 59,1 59,3 60,7 62,0 61,5

1150 58,0 57,8 58,8 59,1 62,0 62,8 60,7

1200 59,0 58,9 58,6 60,7 61,6 63,1 61,9

BT 400 450 500 525 550 575

Figura 2 – Dureza HRC em função das temperaturas de austenitização e

revenimento (BT: bruto de têmpera). A quantidade de austenita retida presente na amostra austenitizada a 1200°C e

revenida a 550°C é pequena comparando-a com as outr as amostras. A figura 3 mostra a presença de austenita retida em volta dos carbonetos (semelhante a uma mancha).

Figura 3 – Microestrutura da amostra austenitizada a 1200°C e revenida a 550°C, mostrando a presença de austenita retida nas regiões próximas aos carbonetos.

Ataque: Vilella. MEV – elétrons secundários.

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O aumento da temperatura de austenitização favorece a dissolução de elementos

de liga na matriz. O aumento do teor de elementos de liga dissolvidos na matriz promove o aumento da fração de austenita retida na microestrutura bruta de têmpera conforme mostra a figura 4.

(a) (b) (c)

Figura 4 - Microestrutura bruta de têmpera da liga estudada para as seguintes

temperaturas de austenitização: (a) 1000°C, (b) 115 0°C e (c) 1200°C. Com o aumento da temperatura de revenimento os elementos de liga presentes

na austenita precipitam sob a forma de carbonetos secundários, diminuindo a quantidade de austenita retida, o que aumenta a dureza da liga (Hwang, 1998), como mostram as figuras 2 e 5.

É interessante ressaltar que se a temperatura de revenimento for acima do ideal para a liga (575°C, por exemplo) a dureza do materi al diminui, pois a martensita formada é de baixa dureza devido à perda de carbono para os carbonetos secundários (Hwang, 1998). Além disso, o aumento da temperatura de revenimento, promove coalescimento dos carbonetos secundários, diminuindo seu efeito de endurecimento (Hwang, 1998).

(a) (b) (c)

Figura 5 - Microestrutura final da liga estudada e austenitizada a 1150°C para as

seguintes temperaturas de revenimento: (a) 500°C, ( b) 525°C e (c) 550°C. Devido ao elevado teor de molibdênio, é possível que os carbonetos secundários

sejam carboneto do tipo Mo2C, que aumentam a resistência da ferrita e alcançam

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um efeito máximo de endurecimento secundário em torno de 550ºC (Smith, 1996).

Temperatura na qual o maior valor de dureza foi obtido. A figura 6 mostra a variação da micro-dureza em função das temperaturas de

austenitização e revenimento.

630,0

650,0

670,0

690,0

710,0

730,0

750,0

770,0

790,0

Temperatura de revenimento (ºC)

Dur

eza

HV

100

1000 697,5 693,7 698,6 695,9

1050 781,6 700,0 697,3 717,4 718,8 728,3

1150 714,2 676,7 688,3 712,3 733,0 756,6

1200 669,4 672,3 678,1 677,4 721,8 756,7

BT 400 450 500 525 550

Figura 6 - Dureza HV100 em função das temperaturas de austenitização e revenimento (BT: bruto de têmpera).

5. CONCLUSÕES

� Temperaturas de austenitização maiores para o ferro fundido branco

multicomponente estudado propiciaram melhores durezas ao material após a têmpera e o duplo revenimento.

� Quanto maior foi a temperatura de austenitização, maior foi à fração de austenita retida devido à dissolução de elementos de liga na matriz.

� A melhor temperatura de revenimento foi a 550ºC, onde se obteve a menor quantidade de austenita retida e maior dureza.

� Como afirma a literatura, o Mo2C aumentou a dureza e teve o melhor efeito de endurecimento secundário na temperatura de 550ºC.

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6. REFERÊNCIAS

Boccalini, M. e Goldenstein, H. "Solidification of high speed steels". International Materials Reviews v. 46 (2), 2001, p. 92–115.

Gooch, T.G. “Heat Treatment of Welding 13%Cr-4%Ni Martensitic Stainless Steel for Sour Service”, Welding Research Supplement, 1995, p. 213-222.

Hwang, K.C. “Effects of alloying elements on microstructure and fracture properties of cast high speed steel rolls”. PART 1: Microstructural analysis, Elsevier, materials science & engineering, 1998.

William F. Smith. “Princípios de ciência e engenharia dos materiais”, Mc Graw Hill, 1996.