Análise microestrutural do tratamento térmico dos aços para facas industriais planas e circulares de corte a frio de chapas de aço – Parte I

Análise microestrutural do tratamento térmico dos aços para facas industriais planas e circulares de corte a frio de chapas de aço – Parte I

A dureza e tenacidade ao impacto após tratamento térmico em forno a vácuo do tradicional ferramenta de alto cromo similar a norma AISI D2 (ou DIN WNr.1.2379), e dois aços ferramentas de última geração com 8%Cr 2%Mo 1.6%V, e outro aço produzido por metalurgia do pó, com 7.5%Cr 1.3%Mo 2.7%V foram investigadas. Os resultados obtidos podem influenciar a escolha mais vantajosa para o usuário de ferramentais para trabalho a frio

Os aços ferramentas são extensivamente utilizados na indústria na fabricação de facas industriais planas e circulares para cortar e processar materiais metálicos ferrosos e não ferrosos, materiais poliméricos, materiais compósitos, papel, tecidos, entre tantos outros.

Em função da espessura, do tipo, das características físicas e químicas do material cortado, em conjunto com vários outros fatores, tais como: volume processado, geometria, acabamento da faca, equipamento usado no corte, manutenção e estabilidade do processo, uma diversidade de aços ferramenta pode ser utilizada. A escolha do aço, no entanto, acaba gerando vida útil e produtividade bastante variada e, às vezes, deixa de ser vantajosa para o usuário da ferramenta.

Dentro do importante setor “slitting” de corte de chapas e bobinas a frio de aproximadamente 4 a 4,5 mm de espessura, é muito utilizado o aço ferramenta para trabalho a frio de alto cromo e alto carbono, similar à norma AISI D2 ou DIN WNr. 1.2379. Para espessuras de até 6,5 mm, os aços ferramenta para trabalho a frio mais tenazes, tais como o aço similar à norma AISI A2 ou DIN WNr. 1.2363, é a opção mais adequada. Para espessuras superiores são utilizados aços com resistência ao desgaste inferior, porém bem mais tenazes como os similares à norma AISI A9, S1, S5, S6 e S7 e à norma DIN WNr. 1.2550. Nos casos cujo requisito de tenacidade é ainda mais alto, são muito utilizados os aços similares à norma AISI H13 (ou DIN WNr. 1.2344) e o aço AISI H11 (ou DIN WNr. 1.2343). Embora ambos tenham sido projetados para aplicações em ferramentais para trabalho a quente, eles são bastante utilizados em facas industriais circulares e planas devido a sua elevada tenacidade, conciliada com boa resistência ao desgaste. Porém, existe a limitação com relação à dureza, ou seja, aproximadamente 54-56 HRC. Vale lembrar que os aços para trabalho a quente são utilizados como matrizes de extrusão, forjamento a quente, moldes para fundição sob pressão de ligas de alumínio e outras não ferrosas.

O uso do aço AISI D2 com aproximadamente 1,5%C , 11%Cr, e 0,8%V possui elevada resistência ao desgaste, mas limitada tenacidade. Em contrapartida, o aço AISI H13 com aproximadamente 0,4%C, 5%Cr, 1,4%Mo e 1%V possui elevada tenacidade e limitada resistência ao desgaste. Assim, na aplicação das facas industriais há necessidade de se conciliar propriedades antagônicas, tais como elevada dureza e resistência ao desgaste, além de adequada tenacidade. A elevada dureza, como a resistência ao desgaste, é mais facilmente atingida com o aumento do teor de carbono e de outros elementos de liga no aço. Por sua vez, a elevada tenacidade está associada à diminuição do teor de carbono, dos elementos de liga e da dureza, e a outras variáveis, tais como: a espessura do material que será cortado, o tipo de aço de que é constituída a chapa a ser cortada, geometria da faca e a fatores intrinsecamente relacionados ao processo (velocidade, folgas, controle e estabilidade de processo de corte). Recentemente, outro fator complicador apareceu ligado à clara tendência de mercado, referente ao aumento da oferta de aços baixo carbono microligados. Devido às necessidades crescentes da indústria, estes aços baixo carbono microligados estão sendo fabricados visando à elevada resistência mecânica. Com isso é esperada maior solicitação nas facas rotativas e planas quanto ao desgaste, porém, mantendo ainda níveis adequados de tenacidade.

Recentemente [1-3] foi desenvolvida uma nova geração de aços ferramentas para trabalho a frio com 8% Cr e teores mais baixos de C e adições de Molibdênio, Vanádio e Nióbio, entre outros elementos. Esta classe de aços, quando comparada com o aço AISI D2, apresenta tenacidade superior e similar resistência ao desgaste. Um trabalho ainda mais recente [4], investigando vários aços ferramentas com 8%Cr, confirmou a superior tenacidade e resposta ao tratamento térmico desses aços, porém mostrou também que dependendo do teor de carbono e da temperatura de austenitização, a tenacidade decai de forma substancial, igualando-se ao AISI D2 e que os aços mais tenazes são aqueles que apresentaram teores de carbono máximo em torno de 1%.

Alternativamente, há mais de 40 anos, foram desenvolvidos em escala industrial os aços ferramenta produzidos por metalurgia do pó. Devido à solidificação rápida, os pós metálicos apresentam dimensões micrométricas (<50 µm), são esféricos e suas microestruturas não apresentam segregação ou carbonetos primários massivos. Os carbonetos primários de grande volume aparecem nos aços ferramenta convencionais, os quais solidificam lentamente em lingotes e, portanto, a cinética é favorável ao seu crescimento dos mesmos. Pelo fato do processo da metalurgia do pó promover partículas diminutas, os carbonetos massivos não estão presentes nos aços produzidos por esta tecnologia. Vale lembrar que os carbonetos têm natureza cerâmica. Assim, a ausência dos carbonetos massivos de grande volume promove nos aços PM uma tenacidade muito superior, quando comparada àquela apresentada pelos aços ferramenta convencionais. Há também uma melhor resposta ao tratamento térmico, as propriedades mecânicas são isotrópicas e, portanto, menores distorções [3] são obtidas. Com o ganho de tenacidade, ligas com teor mais elevado de vanádio e outros elementos tais como Mo, W, Cr, Nb, podem ser produzidas obtendo-se assim um balanço favorável e simultâneo de elevada tenacidade e resistência ao desgaste. Inúmeras aplicações de aços ferramentas produzidos por metalurgia do pó são encontradas hoje na indústria de ferramentas para usinagem, fresas caracol, brochas, machos, brocas, punções e matrizes para conformação e extrusão a frio, compactação de pós etc.

Este trabalho tem como objetivo comparar a tenacidade do tradicional aço ferramenta para trabalho a frio AISI D2 com dois outros dois aços, sendo o primeiro o aço ferramenta de última geração com 8%Cr, apresentando teor máximo de carbono, em torno de 1%, e o outro um aço ferramenta produzido por metalurgia do pó de última geração. Todos eles foram tratados termicamente a vácuo para faixas de durezas típicas, utilizadas em ferramentais para trabalho a frio.

Procedimento Experimental

Materiais e Métodos

A composição química dos aços investigados pode ser vista na Tabela 1. Pode ser observado que a composição química do aço D2 é típica para este aço tradicional, usualmente aplicado na confecção de ferramentas para trabalho a frio. O aço com aproximadamente 1%C e 7,57%Cr é de última geração e foi o escolhido dentro de uma família de outros aços com 8%Cr, pois apresentou a melhor combinação de tenacidade e dureza, conforme investigação anterior [4]. O aço com 0,85%C foi produzido por metalurgia do pó e apresenta teores de cromo e molibdênio próximos ao do aço 7,57%Cr, porém possui 3% de vanádio, ou seja, o mais elevado teor dentre os aços investigados. Por simplificação, os aços foram denominados de D2, 8%Cr e PM3V e esta nomenclatura será utilizada em todo o texto. Para análise química, foi utilizada a técnica de combustão (LECO) para os elementos carbono e enxofre e a espectrometria por emissão ótica para os outros elementos. Os valores encontrados correspondem à média de três medições.A análise foi realizada em laboratório qualificado, em São Paulo, SP.

Corpos de prova (CP’s) retangulares, medindo 7 x 10 x 55 mm foram preparados de acordo com a norma alemã “Stahl-Eisen-Prufblatter” (SEP 1314) “German Standard” e foram retirados no sentido longitudinal das barras laminadas, com diâmetro de 100 mm, conforme mostrado no Quadro 1. Com objetivo de evitar irregularidades superficiais, as quais poderiam gerar pontos concentradores de tensão, todos os corpos de prova foram fresados e retificados com precisão ± 0,1 mm, nas três dimensões 7,0 x 10 x 55 mm. Tomou-se o cuidado de manter os lados adjacentes, perpendiculares, 90º ± 10 minutos e rugosidade superficial Ra = 0,5µm. Todos os corpos de prova foram numericamente identificados, na superfície da face medindo 7 x 10 mm e, pelo menos, 03 (três) CP’s foram utilizados. Todos os testes de impacto foram realizados em uma máquina Shimadzu de 300 joules e temperatura de 20 ± 1ºC.

Um forno a vácuo, da marca Abar Ipsen, com capacidade de até 10 bar de pressão foi utilizado no tratamento térmico dos aços investigados. Os CP’s foram carregados, simultaneamente, dentro do forno, sendo a temperatura e o tempo monitorados continuamente, via computador. O ciclo térmico consistiu de 03 pré-aquecimentos a 600, 850 e 980ºC com tempo de encharque de 15, 39 e 17 minutos, respectivamente, seguido de austenitização por 36 (trinta e seis) minutos. A etapa de austenitização diferenciou cada um dos ciclos térmicos realizados, pois foram escolhidas 03 (três) temperaturas: 1030, 1060 e 1120ºC. A escolha dessas 03 (três) temperaturas foi baseada nos seguintes critérios:

A) A temperatura de 1030ºC é a mais utilizada e recomendada tanto para o aço AISI D2 assim como para os aços 8%Cr, conforme a literatura e catálogos dos fabricantes de aços;
B) A temperatura de 1060ºC é a mais elevada e recomendada tanto para o aço D2 como para os aços 8%Cr. Ela é escolhida quando se objetiva maior dureza e resistência ao desgaste, aliada ainda com boa tenacidade;
C) A temperatura de 1120ºC é muito elevada para estes aços, raramente utilizada, porém escolhida com intuito de avaliar sua influência na dureza e tenacidade dos aços investigados.

Imediatamente após a austenitização, os CP’s foram resfriados com 10 bar de pressão de nitrogênio, seguido de tratamento criogênico. Em seguida, todos os corpos de prova foram revenidos 03 (três) vezes por 02 (duas) horas à 520ºC cada.

Para caracterização microestrutural dos corpos de prova, tanto no estado recozido quanto após a realização do tratamento térmico, foram utilizadas as técnicas de microscopia ótica e eletrônica de varredura. Foram usadas as imagens obtidas via elétrons secundários e retroespalhados. Foi efetuada, também, a caracterização química via microssonda. Além disso, foram feitas medições de dureza em durômetros calibrados. O tamanho dos grãos, após o tratamento térmico, foi caracterizado por microscopia ótica. Tanto a microscopia ótica quanto as medições de dureza foram realizadas em laboratório especializado, enquanto a microscopia eletrônica foi realizada no centro de pesquisa da Deutsche Edelstahl Werke (DEW), Alemanha, e no Laboratório do Departamento de Geologia da Universidade de São Paulo (USP).

Resultados e Discussão

Embora a microscopia ótica tenha sido utilizada como suporte, somente através de microscopia eletrônica foi possível identificar os tipos de carbonetos encontrados nas microestruturas em cada um dos aços investigados. O resultado pode ser visto nas Fig. 1 a 3.

A Fig. 1 (a, b) mostra a microestrutura típica do aço D2 no estado recozido. Observa-se a matriz ferrítica e a presença de carbonetos massivos de cromo medindo aproximadamente 20 a 30µm. Estes são os maiores carbonetos quando comparados com aqueles presentes nos aços investigados. Aparecem também carbonetos esféricos e bem menores, medindo cerca de 2 a 5 µm. A microanálise via espectrometria de raios-X, por energia dispersiva (EDS) desses carbonetos, mostra que os carbonetos maiores são carbonetos complexos de Cr, do tipo M7C3. Estes carbonetos contêm, aproximadamente, 13% de C, 40% de Cr, 6% de V, 3% de Mo e 38% de Fe. Os carbonetos menores e mais claros são também carbonetos complexos de Cr, também do tipo M7C3, porém mais ricos em Mo e apresentando aproximadamente 11% de C, 34% de Cr, 7% de Mo, 1% de V e 47% de Fe. A Fig. 2 (a,b) mostra a microestrutura típica do aço 8%Cr no estado recozido. Quando comparado com o aço D2, o aço 8%Cr também apresenta uma matriz ferrítica, porém os carbonetos são bem menores e possuem outra estequiometria, indicado por 3 (três) colorações distintas. Há os carbonetos complexos de cromo de coloração cinza clara, identificado como do tipo M7C3 contendo aproximadamente 12% de C, 36% de Cr, 7% de Mo, 10% de V e 38% de Fe de. O seu tamanho é de aproximadamente 5 a 10 µm.

Há também os carbonetos com coloração preta, medindo entre 2 e 10 µm. Estes últimos são do tipo MC possuindo cerca de 18% de C,10% de Cr, 8% de Mo e 63% de V. Os carbonetos com coloração branca tipo M6C, esféricos e bem pequenos, medem entre 1 e 2 µm. Estes carbonetos são ricos em Mo e possuem aproximadamente 10% de C, 5% de Cr, 45% de Mo, 3% de V, 3% de Si e 34% de Fe. A Fig. 3 (a,b) mostra a microestrutura típica do aço PM3V, produzido por metalurgia do pó, no estado recozido. Como pode ser observada a microestrutura apresenta também uma matriz ferrítica, porém os carbonetos são menores, medindo entre 1 e 3 µm. Eles estão mais homogeneamente distribuídos quando comparados com a distribuição dos carbonetos nos outros aços investigados. Dois tipos principais de carbonetos são observados, nos aço PM3V:

A) Aqueles que possuem a maior fração volumétrica têm coloração preta, são esféricos e são os carbonetos primários de vanádio do tipo MC, contendo aproximadamente 16 % de C, 9% de Mo e 67% de V;

B) Os carbonetos mais claros são do tipo M7C3, ricos em Cr e Fe, contendo aproximadamente 10% de C, 38% de Cr, 6%Mo, 1%V e 45%Fe.

As durezas encontradas nos aços D2, 8%Cr e PM3V, no estado recozido, foram de 226, 230 e 190HB respectivamente, e são compatíveis com o teor de liga dos aços investigados. As durezas dos aços D2 e 8%Cr são praticamente as mesmas enquanto a dureza do aço PM3V é um pouco inferior.

As microestruturas obtidas após austentização a 1030ºC e têmpera a vácuo, processo criogênico, e três revenimentos de 2 horas à 520ºC, assim como as micrografia anteriores no estado recozido (Fig. 1-3 para comparação), podem ser vistas na Fig. 4 para os três aços investigados:

A Fig. 4 mostra a matriz composta de martensita, típica para os aços ferramenta estudados, assim como evidencia os pequenos e esféricos carbonetos de vanádio de coloração escura. Estes carbonetos são típicos e abundantes somente no aço PM3V e permaneceram não solubilizados após a têmpera. O mesmo ocorreu com os carbonetos massivos de cromo, no caso do aço D2. No caso do aço 8%Cr, os carbonetos de vanádio também não solubilizaram, mas mostra que houve precipitação mais abundante de carbonetos, durante o primeiro revenimento e que coalesceram após os dois revenimentos seguintes.

A dureza dos aços D2, 8%Cr e PM3V após austenitização à 1030ºC, 1060ºC e 1120ºC, seguido de tratamento criogênico e três revenimentos de duas horas cada à 520ºC, pode ser vista na Tabela 2.

Como pode ser observado acima, os valores médios de dureza do aço 8%Cr foram, em média, dois pontos HRC superiores aos alcançados com os aços AISI D2 e PM3V. Os aços D2 e PM 3V atingiram valores de dureza bem similares quando submetidos às temperaturas de austenitização investigadas. A correlação entre os valores médios de dureza dos aços AISI D2, 8%Cr e PM3V e a temperatura de austenitização pode ser vista na Fig. 5.

Os valores médios de resistência ao impacto alcançados pelos aços D2, 8%Cr e PM3V, após austenitização à 1030ºC, 1060ºC e 1120ºC, seguido de tratamento criogênico e três revenimentos de 2 horas cada à 520ºC pode ser vista na Tabela 3.

Como pode ser observado nessa Tabela, os valores médios de impacto alcançados pelo aço PM3V, produzido por metalurgia do pó, foram significantemente superiores aos valores obtidos nos aços D2 e 8%Cr, produzidos de forma convencional. Entre o PM3V e o D2, a diferença de energia absorvida no ensaio de impacto é superior a 500%, 400% e 100% à 1030ºC, 1060ºC e 1120ºC, respectivamente. Entre o PM3V e o aço 8%Cr o aumento é menor, porém, ainda considerável, ou seja, 300%, 180% e 100%, à 1030ºC, 1060ºC e 1120ºC, respectivamente. Por sua vez, o aço 8%Cr apresentou valores de impacto superiores ao D2, ou seja, 64%, 100% e 33%, após autenitização à 1030ºC, 1060ºC e 1120ºC, respectivamente. A correlação entre os valores médios obtidos no ensaio de impacto dos aços D2, 8%Cr e PM3V e a temperatura de austenitização, pode ser vista na Fig. 6 (a). Devido à grande diferença nos valores de impacto do aço PM3V em relação aos outros dois aços, na Fig. 6 (b) é mostrado a correlação entre valores médios de impacto em função da temperatura de austenitização somente entre os aços D2 e 8%Cr.

Parte deste artigo foi extraído do trabalho apresentado em congresso realizado conjuntamente com a feira ‘Corte & Conformação de Metais’, em 2011, São Paulo/SP.

Para mais informações, contate: Eliana B. M. Netto, mestre em engenharia de materiais pela Poli/USP, gerente de negócios da Menegon Assessoria Empresarial, especialista em gestão, tratamentos térmicos e engenharia de superfície, eliana.bmnetto@yahoo.com.br ou Francisco Arieta, engenheiro metalurgista, PhD, gerente técnico da Schmolz-Bickenbach do Brasil Ltda, f.arieta@schmolzbickenbach.com.br.

Referências

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[2] YOKOI, D.; TSUJIII, N.; ISOMOTO, T.: Effect of Carbide Size on Mechanical Properties of Cold Work Tool Steels. In: JEGLITSCH, Franz; EBNER, Reinhold; LEITNER, Harald (ed.): Tools in the Next Century, Proceed. 5th Int. Conference on Tooling, University of Leoben, Austria, September 29th-October 1st, 1999, p 103-113;
[3] NETTO, ELIANA B. M, ARIETA, FRANCISCO; SILVA, DOUGLAS; ERNST, CLAUDIA; PANNES, WOLFGANG: Microestructure and Distortion after Vacuum Treatment of Conventional and Recently developed Cold Work Tool Steels. In: ROSSO, M; ACTIS GRANDE, M; UGUES, D (ed): Toolig Materials and Their Applications from Research to Market, Proced. 7th Int Tooling Conference, Torino, Italy, May 2nd-5th, 2006, vol I, p 21-28;
[4] NETTO, ELIANA B. M., ARIETA, FRANCISCO; BEUTLER, EWE, VON SOEST FRANK ERNST, CLAUDIA; PANNES, WOLFGANG: Tool Steels – Deciding Factor in Worldwide Production. Beiss, P., Broeckmann, C., Franke, S., e Keysselitz, B. (editors) Proceedings of the 8th Intern. Tooling Conference, Aachen , Alemanha, June 2-4, 2009, RWTH AACHEN UNIVERSITY Press, 2009, vol II, p 833-845;
[5] JESPERSON, H.: Toughness of Tool Steels, ibid [2];
[6] HEMPHILL, R.M., e WERT, D.E.: Impact and Fracture Toughness Testing of Common Grades of Tool Steels: Tool Materials for Molds and Dies. Krauss, G., e Nordberg, H. (editors)Proceedings of Int Conference St Charles, Illinois, USA, Sept 30 October 2, 1987, Colorado School of Mines Press , p 66-91;
[7] DIXON, ROBERT B; STASKO W., PINNOW K.E.,: Particle Metallurgy Tool Steels, ASM HANDBOOK, Vol. 7;
[8] TOTH, L. E. em “Transition Metal Carbides and Nitrides”; Academic Press: New York, 1971.

 

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