MECANISMOS DE AUMENTO DE TEMPERABILIDADE EM AÇO AO BORO PL22

MECHANISMS OF HARDENABILITY INCREASE IN BORON STEEL PL22

Cássio Aurélio Suski1 Carlos Augusto Silva de Oliveira2

RESUMO: Este trabalho teve como objetivo principal estudar o mecanismo de aumento de temperabilidade de aços com adição de boro – PL22 – através da análise das propriedades

mecânicas e da precipitação durante a têmpera destes aços. Foram utilizadas três temperaturas de austenitização, T2 (870

˚C), T3 (1050

˚C) e T4 (1200

˚C), com posterior resfriamento em óleo a 80

˚C. Os

aços foram analisados através de ensaios mecânicos de tração e dureza, bem como análise microestrutural óptica, eletrônica de varredura e de transmissão. Os resultados mostram a variação

das propriedades mecânicas e microestruturas em função da temperatura de austenitização e da presença de precipitados. PALAVRAS-CHAVE: Boro. Precipitação. Mecanismo.

ABSTRACT: The research studies the mechanism of hardenability increase of the boron steel – PL22

– through the analysis of the mechanical properties and precipitation during the Quenching. Three

temperatures of austenitization had been used, T2 (870˚C), T3 (1050˚C) and T4 (1200˚C), with

cooling in oil 80˚C. Strength and hardness tests had been carried through, as well as the optics,

scanning electron and transmission electron microstructure. The results show the variation of the

mechanical properties and microstructure as the austenitization temperature and the precipitated

vary.

KEY-WORDS: Boron. Precipitation. Mechanism. INTRODUÇÃO

Os aços para construção mecânica foram desenvolvidos para as mais diversas

aplicações, como na indústria automobilística, moveleira, eletrodomésticos, etc. Dentro destes

aços encontram-se os aços carbono e ligados, que continuam evoluindo para atender o

mercado que necessita de aços de menor custo e com melhores propriedades mecânicas.

A utilização dos diversos aços para construção mecânica está diretamente relacionada

aos processos de tratamento térmico, que por sua vez depende, em parte, da presença de

determinados elementos de liga para obtenção das propriedades mecânicas necessárias ao

produto final.

1 Doutorando em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC. Coordenador do Curso de Engenharia de Produção e Docente do Centro Universitário de Brusque – SC. E-mail: cassio_suski@hotmail.com 2 Doutor em Ciências. Docente do Departamento de Engenharia Mecânica – UFSC.

Entre os principais tratamentos térmicos destacam-se a têmpera e o revenimento, os

quais aliados podem apresentar excelentes combinações de propriedades, tais como

resistência mecânica e tenacidade.

Uma das características importantes dos aços temperados, que define marcadamente

sua aplicação, é a sua temperabilidade. A temperabilidade por sua vez é bastante influenciada

pela adição de elementos de liga.

O boro apresenta excelente capacidade em elevar a temperabilidade dos aços de baixo

e médio carbono e está sendo bastante estudado nas últimas décadas. Sua utilização iniciou de

forma mais intensa nos Estados Unidos da América durante a segunda guerra mundial,

visando à substituição total ou parcial dos elementos de liga utilizados nos aços, tais como

cromo, vanádio, níquel, molibdênio e manganês, pelo boro, devido à escassez dos mesmos

durante a segunda guerra (DIGGES apud BARBOZA et al, 1996).

Desde então os aços tem sido estudados com a finalidade de identificar o mecanismo

de aumento de temperabilidade. No entanto percebe-se que a avaliação da segregação e

precipitação de boro, que se relacionam com a variação de temperabilidade se mostra bastante

difícil devido ao boro apresentar um baixo número atômico (Z = 5).

A segregação do boro nos contornos de grãos da austenita, por exemplo, pode ser

observada principalmente através de técnicas como o PTA – autoradiografia de aderência de

partículas, espectroscopia iônica secundária e microscopia eletrônica de transmissão (MET).

No entanto, o mecanismo de aumento de temperabilidade de aços baixo carbono com adição

de boro é apresentado na literatura com algumas divergências (inconsistências). Observam-se

citações onde a segregação de boro para os contornos de grãos é o mecanismo atuante e outras

onde a precipitação de borocarbonetos nos contornos de grãos que determina o mecanismo

que prevalece. Desta forma, o objetivo geral deste trabalho será o estudo do mecanismo de

aumento de temperabilidade de um aço com adição de boro através da análise da precipitação

durante a têmpera deste aço.

Os objetivos específicos deste trabalho são: Estudar a influência de diferentes

temperaturas de austenitização do aço ao boro PL22 - BELGO (ABNT 10B22 modificado) na

variação das propriedades mecânicas dos aços, bem como a segregação e a precipitação de

borocarbonetos nos contornos de grãos.

PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

As amostras foram recebidas com a microestrutura constituída predominantemente de

ferrita com carbonetos coalescidos e austenitizadas em temperaturas T2 (870˚C), T3 (1050˚C)

e T4 (1200˚C), com posterior resfriamento em óleo a 80˚C.

A composição química dos aços PL22 que foi estudado está mostrada na tabela 1.

AÇO C(%) Mn(%) P (%) S (%) Si (%) Al (%) Cr (%) B (%)

PL22 0,20 1,088 0,011 0,007 0,240 0,036 0,156 0,0027

Tabela 1- Composição química do aço PL22 (Belgo)

Foram realizados ensaios de tração a temperatura ambiente, segundo a norma ASTM

A-370, em máquina universal de ensaios, marca EMIC, modelo DL-20000. Foram ensaiados

três corpos de prova de cada amostra, sendo obtidos valores médios de limite de escoamento,

limite de resistência, limite de ruptura, alongamento e módulo de elasticidade.

Os ensaios de dureza foram realizados em escala Rockwell (HRC), cone de diamante

120 ˚C e carga de 150 Kgf, em durômetro de bancada, marca Galileo. Foram realizadas três

impressões de dureza em um corte de seção transversal em relação a direção de laminação

para cada corpo de prova a ser ensaiado.

A microestrutura foi analisada através de microscopia óptica (MO), eletrônica de

varredura (MEV) e de transmissão (MET). Para o caso do MET as amostras foram preparadas

através de réplica de carbono e posterior retirada do filme de carbono para análise.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

CONDIÇÕES INICIAIS

A microestrutura dos aços PL22 na condição de como recebida (microestruturas após

laminação e trefilação industrial) é constituída predominantemente de ferrita com carbonetos

coalescidos com alto teor de coaslescimento. A figura 1 mostra esta microestrutura, observada

por microscopia ótica.

Figura 1 - Microestrutura típica das amostras de aço PL22 como recebidas, observada por MO.

RESULTADOS DOS ENSAIOS MECÂNICOS

Tração e Dureza

A tabela 2 mostra os resultados dos ensaios de tração e dureza das amostras de aços

PL22 nas temperaturas de austenitização T2 (870˚C), T3 (1050˚C) e T4 (1200˚C).

Percebe-se que as amostras do aço PL22 na condição T3 e, principalmente, T4 tem

menores limites de escoamento e de resistência do que a amostra T2.

Aço Amostra σy(MPa) σr rup Al σy Al σr Al σrup E HRC

PL22

T2 1260 1442 985 3,1 5,2 7 12728 39,5 T3 1249 1471 1009 5,0 4,6 7 14701 40,5 T4 1166 1374 984 3,1 4,6 7 14031 41

Tabela 2 - Resultados de tração e dureza para as amostras de aço PL22

As figuras 2 e 3 mostram os limites de escoamento e de resistência, respectivamente,

para as amostras da tabela 2. Para as condições T2 e T3 os limites de escoamento e de

resistência são superiores, pois as temperaturas de austenitização estão próximos a

temperatura de dissolução dos precipitados ocorrendo maior concentração de boro segregado

e/ou finos borocarbonetos estão presentes nos contornos de grãos da austenita, gerando maior

temperabilidade (BARBOZA et al., 1997; GONZALES et al., 1984).

Na condição T4 há uma maior queda para o limite de escoamento e de resistência. Esta

redução pode ocorrer devido à temperatura de austenitização estar acima da temperatura de

dissolução dos precipitados e o boro está no seu estado atômico. Neste caso, mais boro está

solúvel na matriz, ou seja, menos boro segrega-se nos contornos de grãos, diminuindo a

temperabilidade (BARBOZA et al., 1997; GONZALES et al., 1984).

Esta queda nas propriedades mecânicas pode ser analisada mais especificamente através de microscopias a fim de comprovar se a mesma está relacionada à dissolução dos borocarbonetos nas temperaturas de austenitização ou a formação de outros precipitados durante a têmpera.

Figura 2 – Limite de escoamento das amostras nas condições T2, T3 e T4.

Figura 3 – Limite de resistência das amostras nas condições T2, T3 e T4.

RESULTADOS DA ANÁLISE MICROESTRUTURAL

As figuras 4 e 5 mostram microestruturas típicas obtidas, respectivamente, por

microscópio óptico e eletrônico de varredura, das amostras PL22 como resfriadas nas

condições T2, T3 e T4. Na condição T2 (figura 4), temperaturas comuns de têmpera para aços

PL22, percebe-se a presença de pequenas regiões com ferrita. Já na condição T3 existe a

predominância de martensita, porém com propriedades mecânicas (limite de escoamento e de

resistência) similares. Em T4 existe a predominância de martensita, porém ocorre a redução

das propriedades mecânicas do aço. Esta redução pode ser analisada através de microscopia

eletrônica de transmissão.

Figura 4- Microestruturas típicas das amostras de aço PL22 como resfriadas, observadas por MO a- amostra T2,

b- amostra T3, c- amostra T4.

a c b

Figura 5- Microestruturas típicas das amostras de aço PL22 como resfriadas, observadas por MEV a- amostra T2, b- amostra T3, c- amostra T4.

A figura 6 mostra imagens obtidas através da análise de amostras através da réplica de

carbono no microscópio eletrônico de transmissão, onde se percebe um aumento da

quantidade de precipitados com o aumento da temperatura de austenitização, bem como um

acréscimo do tamanho destes precipitados. Estes precipitados podem ocorrer durante a

têmpera (auto-revenido), ou seja, os precipitados inicialmente são dissolvidos, porém

precipitam novamente durante a têmpera.

Figura 6- Imagens de amostras com réplica de carbono nas amostras de aço PL22 como resfriadas, observadas por MET; a - amostras T2; b - amostra T3; c - amostra T4.

Os precipitados para a condição T2 foram analisados através de imagem de alta

resolução em microscópio eletrônico de transmissão. A figura 7 mostra o precipitado com

tamanho aproximado de 80 nm, além de uma imagem de alta resolução onde as distâncias

entre os planos cristalinos podem ser medidas e comparadas com os padrões já existentes na

literatura. No caso deste precipitado pode-se visualizar distâncias de 2,047 Å e 2,361 Å,

c b a

a b c

correspondentes, respectivamente, aos planos 5 1 1 (d=2.037 Å) e 4 2 0 (d=2.367 Å) do

Fe23(C,B)6.

Figura 7 – Imagem de alta resolução de um precipitado de Fe23(C,B)6.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Observa-se que para o aço PL22 nas condições T3 e T4 ocorre a redução dos limites

de escoamento e de resistência. Da mesma forma pode-se verificar que há a formação de

precitados para estas condições, ou seja, em temperaturas de austenitização superiores a

1050˚C geram-se precipitados que reduzem as propriedades mecânicas do aço ao boro.

Sugere-se a continuação deste trabalho a fim de analisar estes precipitados através de

réplicas de carbono nas condições T2 e T3.

Pode-se concluir que o aço PL22 austenitizado a 870˚C e resfriado em óleo precipita

pequenos borocarbonetos Fe23(C,B)6, que permanecem nos contornos de grãos, aumentando a

temperabilidade do aço. Estes precipitados deverão ser analisados ainda através de difração

para a correta definição do real mecanismo de alteração da temperabilidade de aços ao boro.

Para o caso de temperaturas de austenitização de 1050 ˚C e 1200 ˚C existe a queda das

propriedades de limites de escoamento e de resistência e sugere-se também a análise dos

precipitados através da réplica de carbono, imagens de alta resolução e difração de elétrons.

A difração será realizada na sequência dos estudos de doutorado na Universidade

Federal de Santa Catarina.

REFERÊNCIAS

BARBOZA, J.; GARLIPP, W; CILENSE, M.Características mecânicas do aço ao boro 10B22 aplicado em parafusos de alta resistência. Congresso Anual da ABM, v.2, 1997, p.191-207.

BELLON, J.C.; MEI, P.R.; KESTENBACH, H.J. Efeito das condições de tratamento termomecânico nas propriedades de um aço baixo carbono, microligado ao Nb, Ti e B. Metalurgia & Materiais – ABM, v.48, n.412, 1992, p.742-747.

GÁRLIPP, W.; CILENSE, M.; GOMES, S.I.N. Austenite decomposition of C-Mn steel containing boron by continuos cooling, Journal of Materials Processing Technology 114, 2001, p. 71-74.

GONZALES, G.S.; PASSOS, S.R.M.; KAJITA, T.; JESZENSKI, G. Influência da adição do boro nas propriedades de um aço baixa liga. Metalurgia – ABM, v.40, n. 314, 1984, p.11-14.

LESLIE, W.C. The Physical Metallurgy of Steels. McGraw-Hill Series in Material Science and Engineering, 1981.

OLIVEIRA, C.A.S. Tempera Direta de Aços de Baixa Liga: Aspectos Cinéticos, Microestruturais e de Propriedades Mecânicas, Tese de Doutorado, COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, 1994.

PAJU, M. Effects of Boron protection methods on properties of steels. Ironmaking and Steelmking, v.19, n.10, 1992, p.495-500.

TAYLOR, K.A.; HANSEN, S.S. The boron hardenability effect in thermomechanically processed, direct queched 0.20 pct C steels. Metallurgical Transactions A, v.21A, n.6, 1990, p. 1697-1708.