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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA (FATEC)
“JOSÉ CRESPO GONZALEZ”
Bruno de Souza Alves
ELABORAÇÃO DE UM PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM PARA
REPAROS DE MATRIZES DE INJEÇÃO PLÁSTICA
Sorocaba
2017
Bruno de Souza Alves
ELABORAÇÃO DE UM PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM
PARA REPAROS EM MATRIZES DE INJEÇÃO PLÁSTICA
Relatório final de Iniciação Cientifica, apresentado
a Faculdade de Tecnologia de Sorocaba (FATEC)
“José Crespo Gonzalez” para a obtenção do
certificado
Orientador: Prof. Msc. Marcos Dorigão Manfrinato
Sorocaba
2017
RESUMO
As matrizes de injeção plástica podem ser produzidas com aço inoxidável martensítico
AISI 420. O procedimento de reparo em matrizes, é um processo que começa a ser muito bem
visto, devido ao beneficio fornecido por esse processo, aumentando a vida útil da matriz,
evitando a manufatura de uma nova matriz, cujo custo é elevado. Porém esse é um
procedimento de difícil execução, pois envolve tanto a área de processos de soldagem como a
área de metalurgia. Desta forma este trabalho apresenta uma forma de se realizar esse reparo
de modo eficiente, observando todos os aspectos envolvidos, como a definição da temperatura
de pré-aquecimento, microestrutura formada a zona afetada pelo calor, evitando a formação
da martensita.
Palavras chave: Soldagem TIG, AISI 420, Soldagem de manutenção, Pré-aquecimento.
ABSTRACT
The plastic injection molds can be produced with AISI 420 martensitic stainless steel. The
repair procedure in matrices is a process that begins to be very well seen, due to the benefit
provided by this process, increasing the useful life of the matrix, avoiding the Manufacturing
of a new matrix, whose cost is high. However, this is a procedure that few can carry out
adequately, since it involves both the welding process area and the metallurgical area. In this
way, this work presents a way to perform this repair in an efficient way, observing all the
aspects involved, such as the definition of preheating temperature, the microstructure formed
in the zone affected by the heat, avoiding the formation of martensite.
Keywords: Welding TIG, AISI 420, Welding maintenance, Preheating.
2
1 - Introdução
Para a produção de produtos feitos a base de polímeros, geralmente é utilizado o
processo de injeção plástica, para isso é necessário se ter uma matriz, para dar forma ao
produto final. Essas matrizes podem apresentar trincas, defeitos, que podem ser causadas por
erros durante o processo de usinagem ou durante o seu uso devido ao ciclo térmico que esse
material sofre, por conta do resfriamento feito na matriz, para esses casos pode ser feito um
reparo por processo de soldagem, evitando assim a manufatura de uma nova matriz. Com
tudo, esse é um processo de difícil realização, pois são realizados a partir de informações
disponibilizadas pelos fabricantes dos aço, ou por prática industriais, e na grande maioria das
literaturas e artigos traz um enfoque nas técnicas de soldagem sem abordar os aspectos
metalúrgicos[1,2].
Dentre os métodos de soldagem mais convencionais o que melhor se aplica para esse
tipo de reparo é o processo GTAW (Gás-Tungsten Arc Weld), mais conhecido no Brasil como
processo TIG (Tungstênio Inerte Gás), por permitir um excelente controle da poça de fusão,
baixa taxa de deposição, isento de respingos, e o principal fator, baixa energia de soldagem.
Isso faz com o procedimento de reparo possa ser eficiente sem que haja necessidade de outros
processos posteriores. É muito importante para a realização de um bom reparo que o metal de
solda seja o mesmo ou o mais próximo possível do metal de base, para que assim se obtenha
uma microestrutura muito parecida evitando diferenças de tensões internas[1].
Pode ser realizado o processo de pré-aquecimento da matriz antes da soldagem, esse é
um processo que tem como finalidade diminuir a velocidade de resfriamento, prevenindo a
formação de martensíta na zona afetada pelo calor. A martensita causa a fragilidade, e
consequentemente, a propagação de trincas [1,3]. Esse processo pode ser aplicado a partir de
dois métodos, o primeiro, da norma Petrobras N133, que fala sobre o pré-aquecimento do aço
inoxidáveis, e através de uma equação desenvolvida por Béres em 2001[4,5].
3
SUMÁRIO
1 - Introdução..............................................................................................................................3
2 - Objetivo.................................................................................................................................4
3 - Revisão Bibliográfica............................................................................................................5
4 - Materiais e métodos.............................................................................................................13
5 - Resultados............................................................................................................................17
6 - Conclusões...........................................................................................................................30
7 - Referencias Bibliográficas...................................................................................................32
4
2 - Objetivo
Realizar um estudo teórico e experimental para definir um melhor procedimento de
soldagem para a execução de reparos em matrizes de injeção plástica. Analisando os aspectos
do processo de soldagem e também os aspectos metalúrgicos deste material, Observando os
seguintes pontos:
Análise para determinar a necessidade de um pré-aquecimento, observando o
diagrama de Schaeffler; [6]
Utilizando a equação de Béres e Irmer realizar o cálculo para determinar a temperatura
de pré-aquecimento e comparar com a norma Petrobras N133;
Taxa de resfriamento variando o tipo de resfriamento, ao ar e em cal
5
3 - Revisão Bibliográfica
3.1 - Os Aços Inoxidáveis
O termo "aço inoxidável" é utilizado para um grupo de ligas ferrosas que possuem
como principais características, alta resistência a corrosão, resistência mecânica elevada,
facilidade de conformação, boa soldabilidade, entre outras. Tendo como base essas
características pode-se concluir que os esses aços são utilizados, de modo geral, em aplicações
que exigem uma elevada resistência ao ataque químico, ou seja, agentes corrosivos. Mais
além disso existem outras diversas aplicações para esse material, baseado na sua boa
resistência mecânica, tanto em altas como em baixas temperaturas. Os aços inoxidáveis são
encontrados principalmente nas industrias química, de alimentos, a fabricação de bens
duráveis, peças de cutelaria, cirúrgicas[7].
Os inoxidáveis, de acordo com a sua microestrutura são classificados de cinco
maneiras.
Martensíticos - São ligas de Fe-Cr-C que contem entre 12 e 18% de Cr e entre 0,1 e
0,5 de (em alguns casos podendo chegar a 1% de C), que podem ser austenitizados se
forem aquecidas a temperaturas adequadas. Possui boa temperabilidade, desse modo
são endurecíveis por tratamento térmico. Sua resistência a corrosão é inferior a dos
outros tipos, porém ainda sendo satisfatória para meios corrosivos.
Ferríticos - São ligas Fe-Cr predominantemente ferríticas em qualquer temperatura até
o seu ponto de fusão. Possui de 12 a 30% de Cr e um baixo teor de C que geralmente é
inferior a 0,1%. Não podem ser completamente austenitizados, logo, não podem são
endurecíveis por têmpera. Possuem baixo coeficiente de expansão térmica e uma boa
resistência a corrosão, inclusive em altas temperaturas.
Austeníticos - São ligas que contem principalmente Fe-Cr-Ni, podendo o Ni ser
substituído por Mn, não podem ser endurecidos por tratamentos térmicos. possuem de
6 a 26% de Ni, de 16 a 30 % de Cr e menos de 0,30% de C. Entre os inoxidáveis é o
que possui melhor soldabilidade e resistência a corrosão.
Duplex - Contem de 18 a 30% de Cr e 1,5 a 4,5% de Mo, e outros elementos para
formar e estabilizar a austenita, principalmente o Ni (3,5 a 8%) e o Ni (máx. 0,35%).
Buscando possuir uma microestrutura em temperatura ambiente, formada por partes
aproximadamente iguais de austenita e ferrita. São caracterizados por ter uma ótima
resistência a corrosão, sendo superior aos austeníticos, podendo ser utilizado em
6
equipamentos expostos a água do mar, trocadores de calor, nas industrias químicas,
petroquímica e de papel e celulose.
Endurecíveis por precipitação - São aços capazes de desenvolver elevada resistência
mecânica devido a formação de finos precipitados em alguns casos junto a uma
microestrutura martensítica, com ductilidade e tenacidade superiores a outros aços.
Podem ser obtidos através da adição de elementos como cobre, titânio, nióbio e
alumínio[8].
O nome "aço inoxidável" é reservado para as ligas Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni que possuam
pelo menos 10 a 12%Cr. Esta concentração corresponde ao mínimo que é geralmente
considerado como necessário para garantir uma boa resistência à corrosão atmosférica,
como mostrado na figura 1.
Figura 1 - Gráfico ilustrado a taxa de corrosão de aços expostos por 10 anos a uma atmosfera industrial[7]
Fonte - MODENESI, P. J..Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis. São Paulo SENAI-SP,2001, pp 6 -20 ; (Coleção
Tecnologia da Soldagem Vol.1)
3.1.1 - Aço inoxidável 420
O AISI 420 é um aço inoxidável martensítico, possui uma boa temperabilidade,
podendo chegar a durezas até de 52 HRC. É muito utilizado para a fabricação de matrizes de
7
injeção plástica, devido a sua boa propriedade de polibilidade, além de sua resistência
mecânica e resistência a corrosão até em temperaturas próximas de 500°C. É esperado ter na
sua composição química 0,40 de C, 0,50 de Mn, 13,50 de Cr, 0,80 de Si e 0,25 de V. O
processo de tempera deve ser realizado em uma temperatura de 1000 a 1040°C, e resfriado em
óleo aquecido. O revenimento deve ser realizado logo após a tempera, evitando a propagação
de trincas. Esse deve ser feito entre 400 a 500°C, garantindo que esse material esteja na fase
do endurecimento secundário, como mostra a Figura 2, assim aumenta sua dureza e também a
sua ductilidade. Esse aumento se da devido a formação de precipitados, que impedem o
deslocamento das discordâncias. Deve ser feito pelo menos dois revenimentos nesse material
para que se obtenha o mínimo possível de austenita retida[9].
Figura 2 - Curva de revenimento, a aresta indica o ponto de inicio de endurecimento secundário[10]
Fonte - VILLARES METALS – Aço Inoxidável para Moldes – VP 420 IM, Aços Ferramenta Villares, Catálogo
Técnico, 1ª Ed., Abril, 1997.
3.1.2 - Matriz de injeção plástica
A matriz possui algumas regiões críticas, ou seja, onde deve ser tomado muito cuidado
tanto na hora da fabricação quanto no reparo, sendo a cavidade do molde a principal, pois é
ela quem determina o acabamento do produto. A cavidade deve possuir um acabamento com a
forma geométrica correta, sem ondulações livre de poros, inclusões e defeitos, devendo estar
polida. Com tudo esse é um processo de difícil realização, pois são realizados a partir de
informações disponibilizadas pelos fabricantes dos aço, ou por prática industriais, e na grande
maioria das literaturas e artigos traz um enfoque nas técnicas de soldagem sem abordar os
aspectos metalúrgicos[1].
8
Durante o aquecimento e processamento de alguns tipo de polímeros, ocorre a
liberação de ácido clorídrico, que é responsável por causar um alto fator de corrosão, atacando
a superfície da matriz. Essa corrosão pode fazer com que a matriz perca o seu bom
acabamento superficial, reduzindo a qualidade do produto final. Para garantir essa
propriedade além de boa resistência mecânica geralmente são empregados aço inoxidáveis
martensíticos da serie 400, em especial o 420[2].
3.2 - Diagrama de Schaeffler
É possível prever a microestrutura e composição química da solda, utilizando
diagramas, o mais conhecido é o diagrama de Schaeffler, existindo também o de DeLong.
Esses diagramas conseguem prever a microestrutura a partir da composição química dos
metais de base, que é expressa em função de Creq e Nieq (Cromo equivalente e Níquel
equivalente) e diluição de solda, como é mostrado na Figura 3. Esse recurso pode ser utilizado
para os aços austeníticos, ferríticos e martensíticos. Para a sua utilização devem ser calculados
os equivalentes de cromo e níquel baseado na composição química, e a microestrutura é
determinada diretamente pela leitura do diagrama, através dos pontos calculados de cromo e
níquel, assim como a diluição da solda. Esse método serve para soldagem similar e também
dissimilar, ou seja, com materiais iguais ou não[11].
Figura 3 - Diagrama de Schaeffler[11]
Fonte - FOLKHARD, E.; "Welding Metallurgy of Stainless Steels", 2ª edição, 1988; editora. Springer Verlag
Wien New York
9
Como exemplo, suponha-se que necessita realizar a soldagem de duas chapas de aço
inoxidável 410 com composição química de 0,12%C, 0,9%Mn, 0,93%Si, 13,2%Cr e 0,72%Ni,
utilizou o metal de adição o aço inoxidável austenítico AISI 309 com composição química de 0,06%C,
0,7%Mn, 0,7%Si, 22,1%Cr e 12,5%Ni. Os equivalentes de Cr e Ni seriam:
Metal de base (MB) Creq= 14,6 e o Nieq= 4,77
Metal de adição (MA) Creq= 23,2 e o Nieq= 14,7
A Figura 4 mostra como fica a distribuição dos pontos, correspondentes ao metal de
base (MB) e o metal de adição (MA), no diagrama de Schaeffler, considerando uma diluição
de solda de 30%. Para este exemplo a zona fundida (ZF) vai ter aproximadamente 10% de
ferrita e 90% austenita.
Figura 4 - Diagrama de Schaeffler, da chapa de aço AISI 410 com metal de adição AISI 309[12].
Fonte - http://migal.co/english/service/welding-stainless-steels/schaeffler-diagram-for-standard-analysis/
3.3 - Tratamento térmico: Tempera / Revenimento
O conjunto de operações de aquecimento do aço sob controladas temperaturas, tempo,
atmosfera e velocidade de resfriamento é chamado de tratamento térmico. Existem diversos
MA
ZF 10%F
MB
10
tipos de tratamentos, onde cada um no seu método possui o objetivo de modificar as
propriedades do aço ou conferir determinadas características ao metal.
O processo de tempera ocorre com a austenitização do material que ocorre a uma
temperatura pouco acima da linha A1 do diagrama de fase Ferro-Carbono, de acordo com a
quantidade de carbono existente na liga como mostrado na figura 5[8].
Figura 5 - Diagrama Fe-C mostrando as zonas de cada tratamento térmico
Fonte - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAhaYAE/pfa-influencia-conformabilidade
O objetivo da tempera esta a obtenção de uma microestrutura que proporcione ao aço
propriedades elevadas de dureza e resistência mecânica. Consequentemente, com o aumento
da dureza, ocorre a redução da ductilidade e da tenacidade, além de tesões internas que podem
causar deformações, empenamentos e fissurações. Devido a isso, é recomendável que esse
material passe por um processo de revinimento.
O revenimento é um tratamento realizado após a realização da tempera, tem com
objetivo, reduzir a dureza do material de modo controlado, e também reduzir as tensões
internas do material. Desse modo ao reduzir a dureza do material acaba aumentado a
ductilidade do material, esse fenômeno pode ser observado na figura 6.
11
Figura 6 - Gráfico demonstrativo da relação de diminuição da dureza e aumento da ductilidade
Fonte - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgaNAAL/tempera-revenido
Esse tratamento consiste em aquecer o material a uma temperatura abaixo da zona
crítica do material, quanto maior a temperatura maior a redução da dureza e aumento da
ductilidade[8].
3.4 - Processo de Soldagem TIG
O processo de soldagem GTAW (Gás tungsten arc weld), conhecido também com
TIG (tungstênio inerte gás), é um processo que necessita da utilização de um gás inerte para
que ocorra a proteção da poça de fusão, podem ser utilizados os gases Argônio, Hélio ou uma
mistura entre esses gases. O arco elétrico é formado na ponta de um eletrodo de tungstênio
não consumido durante o processo, porém é preciso deixa a ponta dele com um formato de
cone, e sempre bem afiado para garantir melhor controle do arco elétrico o que acaba o
consumindo. Por conta disso o arco elétrico fica mais concentrado, reduzindo a zona afetada
pelo calor, transformações de microestrutura e distorções no metal base. É um processo que
pode ser utilizado para quase todos os materiais, podendo ser automatizada ou manual, com
ou sem adição de material. Quando necessário é feita a deposição de um metal de adição junto
a poça de fusão, é utilizado um arame de soldagem nu (ou vareta) com a composição química
desejada, essa vareta se funde junto ao metal de base. Esse processo permite que se tenha um
excelente controle da quantidade de material depositado, isso faz com que seja muito
empregado em diversas áreas, como, petroquímica, papel e celulose, naval, aeronáutica,
12
alimentação, entre outras, possibilitando assim um ótimo acabamento, porém com uma
velocidade de soldagem baixa[13].
Na Figura 7(a) podemos ver de forma esquemática o equipamento utilizado no
processo TIG, com a fonte, cilindro de gás e tocha. E a Figura 7(b) é o detalhe da tocha com o
arco elétrico aberto com adição de material para a poça de fusão.
Figura 7 - Ilustração do equipamento utilizado para a soldagem e a poça de fusão [14]
Fonte - http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_tig_gtaw.cfm - Acessado 29/05/2017
3.5 - Soldagem do Aço Inoxidável
O processo de soldagem de uma maneira geral causa uma modificação na
microestrutura do material, devido a sua elevada temperatura, e essa modificação afeta
diretamente as características do material, como diminuição da resistência mecânica,
resistência a corrosão, ductilidade, entre outras. Entre tanto, independente das modificações
ocorridas o principal objetivo da soldagem, é de proporcionar juntas soldadas com a mesma
característica do metal de base ou superior. Observando esquematicamente uma peça soldada
possui 3 áreas, zona fundida (ZF), zona afetada pelo calor (ZAC) e o metal de base (MB)
como pode ser visto na Figura 8[15].
Figura 8 - Esquema das zonas formadas durante processo de soldagem [16]
Fonte - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgxbIAA/versao-final-encadernacao-paginacao?part=3
(a) (b)
13
Os aços inoxidáveis possuem um comportamento metalúrgico similar aos aços
carbono possíveis de serem temperados. Pelo fato de também poder ser austenitizados quando
aquecidos a uma determinada temperatura. E durante o resfriamento desses aço pode ocorrer a
transformação dessa austenita em outros produtos, dependendo da velocidade desse
resfriamento. Quando em velocidade de resfriamento baixa, obtém-se ferrita e alguns
carbonetos, para velocidades elevadas o produto formado é a martensita. Na soldagem desse
material, ocorre a solidificação da poça de fusão na forma de ferrita δ, que se transforma em
austenita durante o resfriamento. A transformação dessa ferrita δ ocorre somente se os teores
de Cr, C e outros elementos estiverem corretamente ajustados. Si, Mo e Al por exemplo,
estabilizam a ferrita δ, enquanto que o Nb e o V, formam finos carbonetos muitos estáveis.
Porém mesmo que a liga esteja corretamente ajustada pode ocorrer de nem toda a ferrita δ se
transformar em austenita, isso acontece em velocidade de resfriamento elevada, como ocorre
comumente a soldagem. Por causa desse fato, em geral, é indesejável a presença de muita
ferrita na zona fundida[7].
O aço martensítico possui um elevado teor de cromo na sua composição química,
deste modo ele possui uma ótima temperabilidade, podendo até ser resfriado ao ar, em
temperaturas superiores a 820°C, exceto para peças com espessuras grandes. Devido a esta
características, ele são muito empregados na condição temperada e revenida. A tempera induz
a formação de um estrutura muito dura e frágil, que em seguida é "amaciada" pelo
revenimento, reduzindo um pouco a sua fragilidade, mantendo a dureza devido a formação de
finos carbonetos que ficam distribuídos dentro da matriz[7].
3.6 - Pré-Aquecimento
O pré-aquecimento é um método muito simples e que pode auxiliar na prevenção de
trincas que possam surgir na soldagem dos inoxidáveis martensíticos. Que tem como principal
objetivo reduzir o velocidade de resfriamento do material, impossibilitando a formação da
martensita. É muito comum que sejam empregadas temperaturas de pré-aquecimento de 200-
315°C onde o teor de Carbono em porcentagem de massa é um fator extremamente
importante para definir se há necessidade ou não do pré-aquecimento. De modo bem genérico
pode-se dizer que para teores de C menores a 0,10% não necessita de pré-aquecimento (tendo
que ficar atento se o mesmo esta acima de no mínimo 15°C), para teores de C entre 0,10 e
14
0,20% é necessário pré-aquecimento de o máximo 260°C e mínimo de 205°C, acima de
0,20%C pré-aquecer acima de 260°C[7].
Além disso, tem-se a norma, Petrobras N133 revisão M que, salienta que para o aço
inoxidável martensítico 410 (material muito semelhante ao estudado), na soldagem similar,
deve ser realizado um pré-aquecimento de no mínimo 200°C.
Uma terceira maneira para se determinar a temperatura do pré-aquecimento foi
desenvolvida por BÉRES, e baseia-se em toda a composição química do material, e não
apenas no teor de carbono, calculando a temperatura de inicio de formação da martensíta
pode-se calcular a temperatura de pré-aquecimento, como é mostrado pelas equações (1) e (2).
Ms=454-210⋅%C+ 4.2
%C-27⋅%Ni-7.8⋅%Mn-9.5⋅(%Cr+%Mo+%V+%W+1.5⋅%Si )-21⋅%Cu Equação 1
Tp=(Ms-60)±10° C Equação 2
A não realização do pré-aquecimento pode causar trincas na junta soldada, essas
trincas normalmente se propagam na zona afetada pelo calor, pois é nessa região pelo fluxo de
calor forma-se a martensita e ocorre o efeito de contração/expansão durante a soldagem. É na
ZAC onde vão ocorrer as modificações da microestrutura, passado de ferrita δ, para austenita,
e com o resfriamento rápido da solda a austenita se transforma em martensita, um estrutura
muito dura, causando um aumento nas tensões internas do material[17].
4 - Materiais e Métodos
O metal de base utilizado foi o aço inoxidável AISI 420, foram cortados 6 corpos de
prova, com dimensão de 110mm x 70mm x 19,5mm. A composição química em porcentagem
em peso, esta apresentada na Tabela 1
C Mn Si Cr Mo V Nb
0,15 a 0,20 Máx 1,0 1,0 12 a 14 - - -
Tabela 1 - Composição química em porcentagem em peso para o Aço Inoxidável martensítico AISI 420
15
A análise de composição química do aço inoxidável AISI 420 foi feita por
espectroscopia óptica. Foram feitas três queimas, ou seja, três análises, para se ter um valor
médio.
De acordo com a literatura técnica para consumíveis de soldagem, o metal de adição
mais indicado para a soldagem do aço inoxidável martensítico AISI 420 é o 410, como
observado na Tabela 2
Tabela 2 - Tabela indicativa para a seleção do metal de adição a ser utilizado para diferentes combinações de
metal de base [7]
Entretanto, como podemos encontrar no comercio a um baixo custo da vareta ER420,
do que a ER 410, optou-se por utilizá-la, pois a sua composição química é a mais próxima do
metal de base. Segundo o fabricante Tecbrás a composição química em porcentagem em peso,
está apresentada na Tabela 3.
C Cr Ni S P Si Mo Cu Mn
0,25 -
0,40 12 -14
0,6
máx
0,03
máx
0,03
máx
0,5
máx
0,75
máx
0,75
máx
0,6
máx
Tabela 3 - Composição química em porcentagem em peso da vareta ER 420 fornecida pelo fabricante Tecbrás
Como um dos objetivos deste trabalho, é determinar um melhor procedimento de
processo de reparo, analisando a influência de cada parâmetro envolvido o processo de
soldagem TIG com o pré-aquecimento e o tipo de resfriamento a ser feito após a soldagem.
Deste modo foi realizado a soldagem em diferente condições como é apresentado no
fluxograma da Figura 9.
16
Figura 9 - Fluxograma esquemático da sequência de trabalho desenvolvida nesse trabalho
Fonte - próprio autor
O pré-aquecimento foi realizado com auxílio de um maçarico, na região a ser soldada
até atingir a temperatura correta. Como método de controle da temperatura de pré-
aquecimento foi utilizado um termopar acoplado a um multímetro digital ilustrado a Figura
10(a), assim como um lápis térmico, ilustrado na Figura 10(b).
Figura 10 - A figura (a) controle da temperatura com o termopar e (b) feito com o lápis térmico
Fonte - Próprio autor
(b) (a)
17
Para a realização do processo de soldagem foi utilizado o processo TIG com
polaridade direta (CC-), com corrente de 140 Amperes, gás de proteção Argônio com vazão
de 10 L/min, com tensão de 12V e uma velocidade de soldagem de 1,8 mm/s. Utilizou-se uma
máquina de solda TIG da marca Miller modelo Dynasty 200.
Para deixar os corpos de prova na condição de matriz de injeção plástica temperado e
revenido, realizou-se o tratamento térmico no forno da marca EDG modelo 1800, com os
parâmetros baseados no estudo de PINEDO [9]. A temperatura de austenitização foi de
1000°C e o revenimento em 500°C realizado logo após a tempera.
Para determinar o tempo de tratamento foi utilizada a equação 3 abaixo:
𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 ( 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 ) 𝑥 0,5 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 ( ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 )
Logo: 0,75" x 0,5 = 0,375h (x60) => aprox. 25 minutos Equação 3
Dessa forma, o tempo de austenitização utilizado foi de 25 minutos.
Para a realização do resfriamento do processo de tratamento térmico foi utilizado óleo
de tempera à 80°C.
Para analisar a solda foram realizados ensaios não destrutivos nos corpos de prova
como o líquido penetrante, dureza, ultrassom e raios-X.
O ensaio de líquido penetrante foi realizado conforme a norma ASTM E165 - 2003.
Os corpos de prova foram limpos com solventes, e em seguida aplicado o líquido penetrante,
após 30 minutos realizou-se a remoção com água (líquido penetrante a base de água) e
também utilizou-se solvente thinner para remover o excesso que ficou sobre a superfície do
material. Estando a superfície limpa aplicou-se o revelador a base de solvente para revelar as
imperfeições superficiais.
Para os corpos de prova que não apresentaram trincas superficiais, realizou-se o ensaio
de raios-X e ultrasom, para assegurar que no interior da solda não possui trincas . Para o
ensaio de raios-X utilizou-se uma fonte de cobalto para gerar imagens do cordão de solda
conforme norma ASTM E142 - 2004. Para o ensaio por ultrassom utilizou-se o equipamento
Phasor XS com cabeçote de 4,0 MHz, passe de 0,5 mm, com largura se 9mm e a técnica de
inspeção utilizada foi a fhaser Linear.
Os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de dureza com durômetro da marca
Mitutoyo modelo HR-320MS para realizar a dureza Rockwell C para os corpos de prova
temperado e revenido antes da soldagem. Foi realizado também a analise da microdureza
18
Vickers ao longo da seção transversal do corpo de prova soldado, com o equipamento da
marca Mitutyo modelo HM-100, com a carde de 1,0kg.
As análises metalograficas foram realizadas em um microscópio óptico da marca Leica
modelo DMi8M com câmera acoplada da marca Leica DFC365 Fx com resolução de 1,4MP e
software de captura LAS com pacote Quantimet da Leica, para analisar as regiões da solda,
como zona afetada pelo calor, zona fundida e metal base. Foi utilizado também o MEV
(microscópio eletrônico de varredura) da marca HITACHI modelo TM3000. O MEV pertence
ao laboratório de caracterização da UFSCar de Sorocaba. Os corpos de prova passaram por
um processo de preparação começando com o corte, para depois serem embutidas em
baquelite. Após estarem embutidas as amostras foram lixadas, passando de forma crescente
entre as lixas (120, 240, 320, 400, 600, 1200 e 2000), seguidos de um polimento com óxido
de alumina de granulométria de 1µm e 0,5µm. Conforme estabelecido pela norma ASTM E3 -
2011. Foi realizado um ataque químico nas amostras, para revelar a microestrutura do
material, o reagente utilizado foi o Vilella (com concentração de 5ml HCl + 2gr Ácido Pícrico
+ 100ml Álcool Etílico).
5 - Resultados e Discussões
A Tabela 4 mostra a composição química que foi obtida através da realização do
ensaio no espectrômetro utilizando um espectrômetro da marca Ametex modelo Spectromax.
C Mn Si Cr Mo V
0,195 0,75 0,72 13,5 0,04 0,198 Tabela 4 - Resultado do ensaio de análise química do material
Conforme mostrado nas equações 4 e 5, baseando-se na composição química do
material na Tabela 4, podemos ter os valores de Ms e Tp.
Ms=454-210⋅0,1950+ 4.2
0,195-27⋅0-7.8⋅0,75-9.5⋅(13,5+0,04+0,198+1.5⋅0,72 )-21⋅0 Equação 4
Ms=287,96°C
𝑇𝑝 = (287,96 − 60) ± 10°𝐶 Equação 5
𝑇𝑝 = 227,96°𝐶 {𝑇𝑝 max = 237,69°𝐶𝑇𝑝 min = 217,69°𝐶
19
Dessa forma, a temperatura de pré-aquecimento foi de 220°C, que é superior a
especificada na norma Petrobras N133, 200°C.
Analisando o diagrama de schaeffler do aço inoxidável AISI 420 apresentado na figura
11, utilizando a composição química mostrada na Tabela 4.
Figura 11 - Diagrama de Schaeffler para o aço inoxidável AISI 420
Fonte - http://migal.co/english/service/welding-stainless-steels/schaeffler-diagram-for-standard-analysis/
Observando ponto zona fundida(ZF), considerando uma diluição de 20%, pode-se ver
que esse ponto esta dentro do campo formado por austenita e martensita, sendo assim, com o
aumento da temperatura causado pelo processo de soldagem na zona fundida vai formar a
martensita. E assim para evitar a formação da martensita deve ser feito o pré-aquecimento de
220°C para o aço inoxidável martensítico AISI 420.
MB
ZF
MA
20
5.1 - Análise do ensaio de líquido penetrante
Analisando os corpos de prova, como ilustra a Figura 12 após a realização o líquido
penetrante, obteve os resultados mostrados na Tabela 5
Corpo de prova Visual do Cp Resultado
Sem tratamento térmico e sem
pré-aquecimento
Apresentou trincas superficiais na
ZAC Reprovado
Sem tratamento térmico, com
pré-aquecimento e resfriado ao ar Livre de trincas superficiais Aprovado
Sem tratamento térmico, com
pré-aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas superficiais Aprovado
Com tratamento térmico e sem
pré-aquecimento
Apresentou trincas superficiais na
ZAC Reprovado
Com tratamento térmico, com
pré-aquecimento, resfriado ao ar Livre de trincas superficiais Aprovado
Com tratamento térmico, com
pré-aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas superficiais Aprovado
Tabela 5 - Resultado da analise do líquido penetrante nos Cps
A analise de líquido penetrante é importante, pois é um ensaio de fácil execução e de
baixo custo. Além disso, é um método muito eficaz para a visualização de trincas superficiais.
Desse modo, sendo detectada alguma trinca na superfície já pode se eliminar ensaios
posteriores, como raios x e ultrasom, por exemplo, que possuem um custo muito mais elevado
e com maiores dificuldades para a sua execução. A Figura 12 apresenta as imagens obtidas
após a realização dos ensaios nos corpos de prova. A Figura 12(a) e 12(d) apresentam linhas
vermelhas no revelador. Essas linhas são trincas na zona afetada pelo calor
21
Figura 12 - Ensaio de líquido penetrante (a) sem tratamento térmico e sem pré-aquecimento; (b) sem tratamento,
com pré-aquecimento, resfriado ao ar; (c) sem tratamento, com pré-aquecimento, resfriado em cal; (d) com
tratamento térmico, sem pré-aquecimento; (e) com tratamento, com pré-aquecimento, resfriado ao ar; (f) com
tratamento, com pré-aquecimento, resfriado em cal
Fonte - Próprio autor
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
22
A Figura 12(b), 12(c), 12(e) e 12(f) apresentam um ponto na saída do cordão de solda
como indica as setas. Estes pontos são trincas de solidificação. Para evitar a formação desse
tipo de defeito deve-se fazer a rampa de descida ao termino do cordão de solda (a amperagem
vai reduzindo constantemente até zerar, e consequentemente fechar o arco elétrico).
Logo após a realização do ensaio de líquido penetrante observou-se que deve-se
realizar o pré-aquecimento no aço inoxidável AISI 420 à 220°C, para não ocorrer as trincas
das Figura 12(a) e 12 (d), que foi soldada sem pré-aquecimento. As trincas ocorrem devido a
velocidade de resfriamento do cordão de solda favorecendo a formação da martensita. A
martensita que não é dúctil ao sofrer os esforços de expansão/contração d ciclo térmico,
causadas pelo ciclo térmico da região soldada, acaba trincando. Nos corpos de prova que
passaram pelo processo de pré-aquecimento, não ocorreu a formação de trincas superficiais
devido a velocidade de resfriamento ser mais lenta, evitando assim a formação da
martensita[3].
5.2 - Ensaio de ultrasom e Raio-X
Após a realização do ensaio de líquido penetrante, os corpos de prova aprovados,
foram submetidos ao ensaios de ultrasom e raios-X. A Tabela 6 apresenta os resultados para
as diferentes condições de soldagem.
Corpo de prova Observações Resultado
Sem tratamento térmico e sem pré-
aquecimento - Não avaliado
Sem tratamento térmico, com pré-
aquecimento e resfriado ao ar
Apresentou trincas na ZAC e na zona
fundida Reprovado
Sem tratamento térmico, com pré-
aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas e defeitos Aprovado
Com tratamento térmico e sem pré-
aquecimento - Não avaliado
Com tratamento térmico, com pré-
aquecimento, resfriado ao ar
Apresentou trincas na ZAC e na zuna
fundida Reprovado
Com tratamento térmico, com pré-
aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas e defeitos Aprovado
Tabela 6 - Resultados dos ensaios de raios x e ultrasom
Os corpo de prova com pré-aquecimento e com resfriamento ao ar, apresentam trincas.
Desde modo, além de controlar o pré-aquecimento necessita-se também controlar a
velocidade de resfriamento do cordão de solda.
23
No ensaio de ultrasom os corpos de prova do metal de base sem tratamento térmico,
com pré-aquecimento e resfriado ao ar e também o corpo de prova temperado e revenido com
pré-aquecimento e resfriado ao ar apresentam trincas na zona afetada pelo calor como ilustra a
Figura 13. Os círculos vermelhos são as trincas internas não observadas no ensaio de líquido
penetrante.
Figura 13 - Imagem do ensaio de ultrasom, os círculos em vermelho mostrando as trincas (a) sem tratamento,
com pré-aquecimento e resfriamento ao ar; (b) com tratamento, com pré-aquecimento e resfriamento ao ar
Fonte - Próprio autor
A Figura 14 apresenta a imagem dos filmes de raios-X sem apresentar nenhum defeito,
a Figura 14(a) é o corpo de prova com tratamento térmico, com pré-aquecimento e
resfriamento em cal, esta livre de defeitos, 14(b) é o corpo de prova sem tratamento térmico,
com pré-aquecimento e resfriada em cal.
Figura 14 - Imagem do filme gerado após o ensaio de raios-X. (a) com tratamento térmico,com pré-aquecimento
e resfriamento em cal; (b) sem tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriamento em cal
Fonte - Próprio autor
(a) ( b)
( b) (a)
24
5.3 - Análise da microdureza
O ensaio de microdureza é utilizado para poder associar a dureza do material com as
trincas formadas no material. Pois quanto maior a dureza do material maior vai ser a
quantidade de martensita formada na zona afetada pelo calor, e assim as trincas acabam se
propagado com maior facilidade nessa região. As Figuras 15, 16 e 17, apresentam a
microdureza para os respectivas condições de soldagem em cada região da solda metal base
(MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e zoa fundida (ZF).
Figura 15 - Gráfico de microdureza para o corpos de prova, sem e com tratamento térmico e sem pré-
aquecimento
Fonte - Próprio autor
A análise dos Cps mostra a importância de se realizar pré-aquecimento, que nesses
caso não foi realizado, proporcionando assim a elevação da dureza nas ZACs, esse aumento
da dureza é causado devido a formação da martensita, causando trincas. Esse fenômeno pode
ser visto em ambos os corpos de prova.
Figura 16 - Gráfico de microdureza
MB LD ZAC LD ZF ZAC LE MB LE
300
350
400
450
500
550
600
650
700
média da Microdureza dos corpos de prova
Du
reza e
m H
V
Região da solda
Sem TT, sem pré-aquecer
Com TT, sem pré-aquecer
25
Fonte - Próprio autor
Com os Cps tendo o pré-aquecimento e resfriamento ao ar livre, pode-se dizer que não
houve redução a dureza da ZAC, mostrando também se formou a martensita, o que causou as
trincas do material, para ambos os Cps.
MB LD ZAC LD ZF ZAC LE MB LE
300
350
400
450
500
550
600
650
700
Média de microdureza para os corpos de prova
Du
reza e
m H
V
Região da solda
Sem TT, pré-aquecido, resfriado ao ar
Com TT, pré-aquecido, resfriado ao ar
26
Figura 17 - Gráfico de microdureza
Fonte - Próprio autor
Com o método de resfriamento lendo (feito em cal), observou-se a redução da dureza
na zona afetada pelo calor, com isso é reduzida a formação da martensita, assim não ocorre a
formação de trincas. O resfriamento com cal não ocorre o pico de dureza na ZAC como ilustra
a Figura 17.
Observando os resultados da microdureza, pode-se dizer que tanto o método sem o
pré-aquecimento quanto o com pré-aquecimento e resfriamento ao ar livre, ocorre a formação
de martensita. Os mesmo por conta da martensita tiveram a nucleação e propagação de
trincas. Isso ocorre devido a contração térmica causada pela solda, ou seja, a martensita por
ser uma estrutura muito dura ela não consegue se deformar, e quando submetida a um esforço
de contração térmica, acaba passando por um cisalhamento, originando a trinca.
5.4 - Metalografia e MEV
Pode-se ver a forma que a trinca se propagou, a transformação dos grãos a zona
fundida. Analisando essas imagens pode-se determinar a causa da formação da trinca. Na
MB LD ZAC LD ZF ZAC LE MB LE
300
350
400
450
500
550
600
650
700
Média da microdureza para os corpos de provaM
icro
du
reza e
m H
V
Região da solda
Sem TT, pré-aquecido, resfriado em cal
Com TT, pré-aquecido, resfriado em cal
27
Figura 18(a) e 18(b), observa-se a trinca que se propagou na zona afetada pelo calor, sendo a
amostra sem tratamento térmico e sem pré-aquecimento. Figura 18(c) e 18(d) , possui trincas
na zona afetada pelo calor, com a amostra com tratamento térmico e sem pré-aquecimento.
Figura 18 - (a) ZAC do lado direito aumento de 50X (b) ZAC lado esquerdo com aumento de 100X, ambas tiras
em microscópio óptico e sendo do corpo de prova sem tratamento térmico e com pré-aquecimento resfriado ao
ar; (c) e (d) trinca na ZAC do corpo de prova com tratamento térmico e com pré-aquecimento resfriado ao ar,
com aumento de 100X
Fonte - Próprio autor
Observado a característica da trinca fica muito claro que ela ocorreu devido a
formação de martensita, pois quando isso ocorre a mesma se propaga contornando os grãos do
material, diferente de uma trinca causada por um esforço de fadiga por exemplo, onde o
material se rompe assim que atinge o seu limite de resistência.
De modo parecido ocorre na zona fundida, onde, além das tensões do material ainda se
tem as tensões causadas pela expansão/contração, causadas pelo calor da zona fundida, e isso
(a) (b)
(c) (d)
28
não ocorre de forma regular, o que aumenta a probabilidade de se propagar uma trinca, como
mostra a Figura 19.
Figura 19 - Zona fundida da solda (a) aumento de 50X do corpo de prova com tratamento térmico e sem pré-
aquecimento e resfriada ao ar; (b) zona fundida da solda, aumento de 100X, do corpo de prova sem tratamento
térmico e sem pré-aquecimento e resfriada ao ar
Fonte - Próprio autor
Realizando uma breve análise na zona fundida, vemos que de mesmo modo a trinca se
nucleou devido a formação de martensita, e se propagou entre os grãos da estrutura do aço
inoxidável AISI 420. Pode-se ver também que toda a ZF se solidificou formando dendrítas
colunares, que é um ótimo microconstituinte para a zona fundida, melhorando a sua
resistência mecânica.
Na Figura 20(a) a mostra sem tratamento térmico e com pré-aquecimento, 20(b) com
tratamento térmico e com pré-aquecimento, podemos ver as trincas formadas na ZAC dos
materiais.
(a) (b)
29
Figura 20 - Trincas na ZAC (a) do corpo de prova sem tratamento térmico , com pré-aquecimento e resfriada ao
ar, com aumento de 500X; (b) do corpo de prova com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriada ao
ar, com aumento de 200X
Fonte - Próprio autor
Mesmo sendo realizado o pré-aquecimento no material, acorreu a nucleação de trincas,
que também são causadas por conta da formação da martensita. A diferença entre as amostra é
que nas amostras que sofreram o pré-aquecimento, as trincas formadas são menores. Devido a
baixa velocidade de resfriamento.
Os corpos de prova que foram resfriados em cal apresentam uma estrutura livre de
defeitos como ilustra a Figura 21(a) sem tratamento térmico, com pré-aquecimento e
resfriamento em cal, 21(b) com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriamento em
cal
(a) (b)
30
Figura 21 - ZAC livre de trincas e defeitos de soldagem (a) do corpo de prova sem tratamento térmico, com pré-
aquecimento e resfriada em cal, com aumento de 50X; (b) do corpo de prova com tratamento térmico, com pré-
aquecimento e resfriada em cal, com aumento de 100X
Fonte - Próprio autor
A ZAC dos corpos de prova mostrados na Figuras 21(a) e 21(b) mostra a ausencia de
trincas, A sua zona fundida é formada por dentritas celulares e a amostra (b) é formada por
dendritas colunares.
Com o auxílio do MEV, pode-se analisar com cuidado as amostras, pois ele tem uma
capacidade de ampliação muito grande. Assim é possível observar que no contorno de grão do
material formou o carboneto de cromo como ilustra a Figura 22, e as trincas formadas o corpo
de prova com tratamento térmico, soldado sem pré-aquecimento e resfriada ao ar foram
acompanhado a formação desses carbonetos nos contornos de grãos.
(a) (b)
31
Figura 22 - Carbonetos de cromo formados no contorno de grão, aumento de 400X. Ataque químico co Vilella,
corpo de prova com tratamento térmico, sem pré-aquecimento e resfriada ao ar
Fonte - Próprio autor
Na Figura 22, pode ser visto que a grande maioria dos carbonetos são formados nos
contornos de grão. Assim o cromo que deve estar diluído dentro da matriz, para realizar a
proteção contra a corrosão esta no contorno de grão junto ao carbono, aumentando a dureza
da região e diminuindo a resistência a corrosão[18].
A Figura 23 é da amostra sem tratamento térmico e soldada sem pré-aquecimento e
resfriada ao ar, apresentando carbonetos de cromo como indica as setas. Pode-se verificar que
a trinca vai se propagando onde tem a formação deste carboneto, observou-se também a
presença de agulhas de martensita.
32
Figura 23 - Trinca na ZAC com precipitados finos no contorno de grão, foto tira no MEV com aumento de
1500X. Ataque químico com Vilella, corpo de prova com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriado
ao ar
Fonte - Próprio autor
Esses carbonetos apresentados nas Figuras 22 e 23 se formam devido ao aquecimento
proveniente da soldagem, fazendo com que o carbono presente fique instável e com alta
energia, indo para o contorno de grão. Essa diferença de energia faz com que o cromo
presente na matriz vá para o contorno de grão juntando-se ao carbono, formando o carboneto
de cromo.
33
6 - Conclusões
Com equação proposta por Béres e Irmer [11], foi possível chegar a uma valor da
temperatura de pré-aquecimento de Tp = 227,96°C ± 10°C. Segundo Modenesi [7], a
temperatura de pré-aquecimento para os aço inoxidáveis martensíticos com até 0,2% de C,
pode ser de 205 - 260°C, ou seja, pouco superior a temperatura calculada. E para a N-133 [4]
da Petrobras a temperatura deve ser de 200°C.
Mesmo utilizando o pré-aquecimento na temperatura calculada utilizado a equação de
Béres, os corpos de prova sem tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriamento ao ar
e o com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriada ao ar, não obteve um resultado
satisfatório, pois os mesmos apresentaram a formação de martensíta, elevando a dureza na
zona afetada pelo calor, e desse modo o aparecimento de trincas. Porém as trincas que se
formaram podem ter sido causadas devido o ciclo de contração térmica e da taxa de
resfriamento. Causando o aumento na formação de martensíta na zona afeta pelo calor,
consequentemente aumentando a microdureza, e propagando as trincas.
Afim de validar a efetividade do processo de soldagem, foi proposto também para o
material, além do pré-aquecimento com temperatura controlada, um resfriamento lento, que
foi realizado em cal. Esse método garantiu que a quantidade de martensíta formada não é
suficiente para que ocorra o aumento da microdureza, causando as trincas no material. Deste
modo pode-se dizer que mesmo realizando o cálculo para descobrir a temperatura de pré-
aquecimento, baseando-se na composição química do material, devemos ficar atentos em
todas as etapas do processo, realizando o pré-aquecimento adequado, assim como também um
pós soldagem, evitando que o material resfrie rapidamente. Uma das variáveis mais
importantes do processo de soldagem é o seu resfriamento, pois caso ele seja muito acelerado,
ocorre a maior formação da martensíta, podendo gerar trincas.
Assim fica claro e justificado a importância de se realizar o pré-aquecimento, e
também o controle preciso da temperatura, antes de realizar a soldagem, e também o controle
da temperatura pós soldagem, pois uma pequena variação na temperatura pode alterar toda a
microestrutura do material.
Como parte do objetivo deste estudo é a de propor um procedimento de soldagem,
após os experimentos chegou-se ao seguinte procedimento:
Para a realização do reparo em matrizes de injeção plástica, observou-se que o
procedimento que ficou isento de trincas foi o que passou por pré-aquecimento e resfriamento
em cal. As matrizes devem passar por um processo de pré-aquecimento a uma temperatura de
34
220°C, soldadas de acordo com os parametros apresentados na Tabela 7, em seguida deve ser
resfriado em cal (ou com manta térmica).
Processo
soldagem
TIG
(CC-)
Corrente 140A
Tensão 12V
Gás proteção Argônio
10L/min
Velocidade
de soldagem 1,8 mm/s
Pré-
aquecimento 220°C
Resfriamento lento (em cal
ou outros) Tabela 7 - Parâmetros de soldagem parao procedimento de reparo de matrizes
35
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