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Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia CONTECC’ 2016 Rafain Palace Hotel & Convention Center- Foz do Iguaçu - PR 29 de agosto a 1 de setembro de 201 6
MICROESTRUTURA E MICRODUREZA DO AÇO SAE 1020 EM DIFERENTES
TRATAMENTOS TÉRMICOS
BRUNO MELLO DE FREITAS^1 *, JOSÉ COSTA DE MACEDO NETO^2 ; REGINALDO DE SOUZA DA
SILVA^3 ; ANDRÉ RICARDO BRANDÃO GUSMÃO^4 ; LUCIANO BARBOSA FREITAS^5.
(^1) Doutorando em Engenharia Mecânica, UFRJ/COPPE, Prof. em Engenharia dos Materiais UEA/EST, Manaus-AM, bfreitas@uea.edu.br (^2) Dr. Professor em Engenharia de Materiais, UEA/EST, Manaus-AM, jotacostaneto@gmail.com (^3) Graduando em Tecnologia Mecânica, UEA, Manaus-AM, rdsds.mec@uea.edu.br (^4) Graduando em Tecnologia Mecânica, UEA, Manaus-AM, arbg.mec@uea.edu.br (^5) Graduando em Tecnologia Mecânica, UEA, Manaus-AM, lbf.mec@uea.udu.br
Apresentado no Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia – CONTECC’201 6 29 de agosto a 1 de setembro de 2016 – Foz do Iguaçu, Brasil
RESUMO : Nos materiais para construção mecânica o aço SAE 1020 tem uma posição de relevo, pois possui boa resistência mecânica, trabalhabilidade, disponibilidade e baixo custo. Assim sendo, é extremamente importante nos campos da engenharia como, por exemplo, em estruturas fixas. Neste trabalho foram realizados os tratamentos térmicos de recozimento, normalização, cementação sólida, têmpera e revenimento. O ensaio metalográfico foi realizado nas amostras conforme norma ASTM E
- As caracterizações microestruturais e mecânicas foram realizadas por microscópio óptico (MO) e microdureza. As análises por MO mostraram que os tratamentos térmicos utilizados influenciaram na morfologia da ferrita apresentando-se como de contorno de grão, esferoidizada e acicular para os aços sem tratamento, (normalizada, cementada) e temperada, respectivamente. A cementita apresentou-se esferoidizada para os tratamentos térmico de normalização. O ensaio de microdureza confirmou o comportamento microestrutural sendo maior para o aço tratado por têmpera e para a superfície da amostra cementada. PALAVRAS CHAVE: Recozimento, normalização, cementação, têmpera, revenimento.
MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS STEEL SAE 1020 IN DIFFERENT THERMAL TREATMENTS
ABSTRACT : In the materials for mechanical construction the SAE 1020 steel has a prominent position, because it has good mechanical strength, workability, availability and low cost. Therefore, it is extremely important in the fields of engineering, for example, on fixed structures. In this work were performed the thermal treatments of annealing, normalizing, solid carburizing, quenching and tempering. The metallographic test was performed on the samples according to ASTM E 407. The microstructural and mechanical characterizations were performed by optical microscope (OM) and microhardness. The analysis by MO showed that the thermal treatments influenced the morphology of the ferrite is presented as of grain contour, spheroidized and acicular for steels without treatment (normalized, carburized) and tempered, respectively. The cementite presented itself spheroidized for the normalization thermal treatment. The microhardness test confirmed the microstructural behavior being higher for steel treated by quenching and to the surface of the carburized sample. KEYWORDS: Annealing, normalizing, carburizing, quenching, tempering.
INTRODUÇÃO As principais aplicações do aço 1020 são na indústria ferroviária, automobilística, naval e aeronáutica, fabricação de chapas, placas para produção de tubos, construção civil, latas de folhas de flandres (Branco, 2007). O tratamento térmico consiste em um conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a
que podem ser submetidos os materiais ferrosos, sob condições controladas (temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento) com o objetivo de alterar as suas propriedades mecânicas por meio de alterações microestruturais (Colpaert, 1974). Estes ensaios designam uma série de procedimentos normatizados que tem por objetivo conhecer ou comprovar as características e propriedades dos materiais e descobrir possíveis defeitos nas peças fabricadas (Mehi, 1973). Desta forma, este trabalho teve como objetivo realizar um estudo comparativo da microestrutura e microdureza do aço 1020 utilizando os tratamentos térmicos de recozimento, normalização, cementação sólida, têmpera e revenimento.
MATERIAIS E MÉTODOS Todas as 6 amostras foram seccionadas nas dimensões de 9,525 mm x 12 mm do aço SAE 1020 (comercial) Trefilado à frio, numa cortadora metalográfica de marca Arotec, com disco abrasivo. Na amostra 1 amostra não foi realizado tratamento térmico, para o comparativo com as demais amostras. A amostra 2 foi aquecida à uma temperatura de 845ºC no forno mufla (Quimis, Q- 318 D 24) durante um período de 30 minutos para a realização do recozimento do aço, seguido de um resfriamento ao forno (retirada no outro dia). Na amostra 3 foi feita uma normalização seguida de resfriamento ao ar. Anteriormente a amostra foi aquecida à uma temperatura de 908ºC durante um período de 120 minutos. Como se trata de um aço não recomendado para o processo de têmpera, na amostra 4 foi realizada a cementação numa mistura carbonizante formada de carvão vegetal e pó para cementação (cimentox, Oxigen) composto por fundentes e ativadores da reação, em uma caixa fechada. Após atingir a temperatura de 950ºC, deixou-se por 120 minutos de permanência à temperatura constante a fim de formar uma camada com certa profundidade de penetração de carbono e formação de carbonetos de ferro que elevassem a dureza da amostra. E, após esse tempo de permanência, a amostra foi resfriada ao ar livre. A têmpera, amostra 5, foi realizada na amostra cementada à uma temperatura de 900ºC, por um período de 120 minutos, seguido de resfriamento rápido à óleo. O revenimento foi feito na amostra 5 temperada, de mesma dimensão, aquecida à uma temperatura de 300ºC no forno tipo mufla, durante um período de 90 minutos, seguido de resfriamento ao ar livre (designou-se amostra 6). Resumidamente, os parâmetros dos tratamentos térmicos e termoquímicos realizados nas amostras estão demonstrados na Tabela 1.
Tabela 1. Parâmetros utilizados nos tratamentos térmicos e termoquímico.
Amostra Tratamento
Temperatura (°C)
Tempo (min.) Meio^ de resfriamento 1 Sem tratamento - - - 2 Recozimento 845 30 No forno 3 Normalização 908 120 Ao ar livre 4 Cementação 950 120 Ao ar livre 5 Têmpera 900 120 Ao óleo 6 Revenimento 300 90 Ao ar livre
Após os tratamentos térmicos, as amostras foram embutidas a quente, utilizando-se resina fenólica em pó (Arotec) e Embutidora Metalográfica (Arotec, PRE 30 Mi). Após o embutimento, as amostras foram submetidas ao processo de lixamento, utilizando-se uma Lixadeira Metalográfica manual (Prazis, Modelo ALM4) e lixas de carbeto de silício com sete granulações distintas. Após o lixamento e análise da superfície, foi realizado o polimento utilizando uma politriz (Arotec, aropol 2V) e pano apropriado com a adição de alumina com granulações de 1μm, 0,3 μm e 0,05 μm. O ataque químico foi realizado com Nital 5% por 10 segundos. Utilizou-se o Microscópio Metalográfico Óptico THS-200 Olympus e um microcomputador com um software de capitação de para a obtenção da imagem da microestrutura. Os valores da microdureza foram obtidos por um microdurômetro (Mitutoyo, HM- 100), com uma carga de endentação de 0,5 Kgf durante 30s. Os ensaios foram baseados na ASTM E
- 11 em que foram mesurados 10 pontos, sendo que o ponto 1 e 10 são referentes a superfície da peça e os demais estão em turno do núcleo.
Após o tratamento térmico de cementação, houve um acréscimo de carbetos de ferro na superfície da amostra, Figura 4 (a) e (b), fazendo com que sua microdureza superficial seja aumentada até 49 HV em relação ao seu próprio núcleo, evidenciado nos pontos de medição 1 e 10 do Figura 7.
Figura 4. Micrografia do aço 1020, Cementação, 950ºC, 120min. (a) Ampliação de 40x; (b) Ampliação de 400x.
(a) (b)
Após o tratamento de cementação, foi possível realizar o processo de têmpera, evidenciado na Figura 5 (a) e (b), onde é observado a microestrutura de ferrita com morfologia acicular e primária, a qual possui uma microdureza elevada e quando comparada com a amostra base, é observado um ganho de 90,18 HV em média, Figura 7.
Figura 5. Micrografia do aço 1020, Têmpera, 900ºC, 120min. (a) Ampliação de 40x; (b) Ampliação de 400x.
(a) (b) Na peça temperada foi realizado o tratamento de revenimento, onde ocasionou uma melhor a formação de ferrita primária mais grosseiro (Albuquerque, et al., 2012), Figura 6 (a) e (b), fazendo, assim, com que a microdureza seja reduzida (em média 13,10 HV), conforme valores do Figura 7.
Figura 6. Micrografia do aço 1020, Revenimento, 300ºC, 90min. (a) Ampliação de 40x; (b) Ampliação de 400x.
(a) (b)
A Figura 7 mostra o gráfico com as variações nos níveis de microdureza dos diferentes tratamentos térmicos e, também, da amostra inicial 1 que não sofreu tratamento térmico. Observa-se que as extremidades apresentam uma maior microdureza que o centro. Observa-se que a amostra temperada e revenida apresentou uma maior microdureza que o restante este comportamento foi devido a morfologia da ferrita que se apresentou de forma acicular bem distribuídas (Figura 5) ocasionado pelo rápido resfriamento o que proporcionou um aumento das discordâncias.
Figura 7. Gráfico com os valores da microdureza (HV) das 6 amostras. Medições da superfície (P1 e P10) ao núcleo.
CONCLUSÕES
Conclui-se através da análise micrográfica, que ocorreram modificações estruturais nas amostras de aço 1020, sendo que no revenimento, normalização e recozimento houve esferoidizaçã da perlita. Na têmpera a óleo observa-se facilmente a formação da estrutura da ferrita passando de contorno de grão para acicular e, na cementação, ocorreu a formação de uma camada superficial cementada de carbonetos de ferro. Os resultados e análises foram satisfatórios e, tanto a têmpera a óleo como a cementação, poderão ser indicados para a realização do aumento de dureza em peças que necessitem maior resistência mecânica e ao desgaste.
REFERÊNCIAS Albuquerque, S. F.; Silva, R. S.; Maciel, T. M.; Almeida, D. M.; Bracarense, A. Q. Estudo do Comportamento do Aço API 5L X80 quando submetido à Soldagem por Processo Automatizado. Soldagagem e Inspeção, São Paulo, V. 17, p.137-146, 2012. Bramfitt, B. L. Structure/Property Relationships in Irons and Steels. Metals Handbook Desk Edition, Second Edition J.R. Davis, Editor, p 153-173, 1998. Branco, F. K. Influência da Microestrutura na Anisotropia de Chapas Metálicas de Diferentes Aços Estruturais. 2007. Colpaert, H., Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns, 3ª Edição, Edgard Blücher, Editora da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, 1974. Mehi, F. R., Metals Handbook – Atlas of Microestruture of Industrial Alloys, Vol. 7, 8th^ Edition, American Society for Metals, USA, 1973. Modenesi, Paulo J. Soldabilidade dos Aços Transformáveis. Belo Horizonte, abril de 2012. Rodrigues, L. M.; Santos, C. H. R.; Veloso, R. R.; Lemos, M. V.; Santos, C.; Cabral, R. F. Estudo da microestrutura e da microdureza dos aços 1020 e 1060. Cadernos UniFOA, Edição especial, 2014.
