1 UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul HENRICO PAZINI PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA DE AÇO DAMASCO SAE 5160 + UHB 15N20 Panambi, 2011 2 HENRICO PAZINI PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA DE AÇO DAMASCO SAE 5160 + UHB 15N20 Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães Panambi, 2011 3 Aos meus queridos pais, meu irmão, familiares e amigos pelo amor, carinho e estímulo que me ofereceram, dedico-lhes essa conquista como gratidão. 4 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus pela oportunidade de desfrutar deste momento e também, por poder contar com o apoio de pessoas especiais que estiveram comigo nesta caminhada e que de alguma forma contribuíram para a realização deste sonho. Aos meus pais, pelo apoio e carinho; Ao meu irmão, pelo carinho e incentivo; Ao professor orientador Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães; Ao meu tio Nego pelo apoio e motivação; Aos meus amigos e familiares pela contribuição na realização desta conquista; Ao meu primo Leandro Pazini, por despertar meu interesse pelos estudos da arte do aço damasco. MUITO OBRIGADO! 5 "Estar decidido, acima de qualquer coisa, é o segredo do êxito". Henry Ford 6 RESUMO O aço damasco é a união de dois ou mais aços de características diferentes, unidos pelo método de caldeamento. Uma barra de damasco pode ter várias camadas que também podem ser chamadas de linhas, sendo que uma barra pode conter entre 50 a 600 linhas. A grande vantagem do damasco, além da beleza da superfície, é a flexibilidade que ele proporciona, pois geralmente o cuteleiro, que forja damasco, alterna a liga entre uma lâmina de alto teor de carbono com uma de médio a baixo teor de carbono. É um material de difícil obtenção, o que faz encarecer o produto, porém é muito valorizado por colecionadores. Este trabalho é dividido em três partes, sendo que na primeira parte são descritos os processos realizados para a obtenção do aço damasco. Na segunda parte são descritos os ensaios mecânicos realizados com o aço obtido. Na terceira parte, por fim, são apresentados os resultados obtidos e possíveis aplicações do aço damasco em peças especiais. Palavras-chave: caldeamento, aço damasco, cutelaria. 7 ABSTRACT The Damascus steel is the union of two or more steels of different characteristics, united by the brazing method. A bar of Damascus may have multiple layers that can also be called lines. A bar can contain between 50 and 600 lines. The great advantage of apricot, besides the beauty of the blade, is the flexibility it provides, because usually the cutler, who forges damask, the league alternates between a blade of high carbon with a medium to low carbon. It is difficult to obtain, which makes the product more expensive, but is highly prized by collectors. This work is divided into three parts. The first part describes the procedures used to obtain the Damascus steel. In the second part will describe the mechanical tests obtained with steel. In the third part will be finally presented the results and possible applications of Damascus steel in pieces. Keywords: fusing, damascus steel, knives. 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Forja a Gás .......................................................................................................... 18 Figura 2 - Feixe de Aço Aquecido com Adição de Fluxo...................................................... 19 Figura 3- Marcação de Cortes .............................................................................................. 20 Figura 4 - Cortes nas Faces Feitos com Disco ...................................................................... 20 Figura 5 - Processo de Prensagem do Damasco Leadder ...................................................... 21 Figura 6 - Lâmina Antes de Entrar em Contato com o Óleo .................................................. 22 Figura 7 - Faca de Aço Damasco Padrão Leadder ................................................................ 23 Figura 8 - Imagem Ilustrando a Torção do Billet .................................................................. 24 Figura 9 - Damasco Padrão Turkish ..................................................................................... 24 Figura 10 - Montagem do Sanduíche de Aços Intercalados ................................................... 25 Figura 11 - Primeira Etapa do Processo de Caldeamento ...................................................... 27 Figura 12 - Limpeza da Superfície e Aplicação de Fluxo de Solda ....................................... 27 Figura 13 - Assentamento Feito com Marreta e Bigorna ....................................................... 28 Figura 14 - Caldeamento Realizado com Martelete .............................................................. 29 Figura 15 - Corte da Barra com Formão e Marreta ............................................................... 30 Figura 16 - Imagem Ilustrando Uma das Dobras do Aço ...................................................... 31 Figura 17 - Billet de Damasco Pronto para ser Usinado ...................................................... 31 Figura 18 - Corpos de Prova Utilizados nos Ensaios Mecânicos ........................................... 32 Figura 19 - Curva Tensão - Deformação Convencional ........................................................ 33 Figura 20 - Imagem 2D Corpo de Prova Ensaio Tração ........................................................ 34 Figura 21 - Curva Tensão - Deformação Damasco SAE5160 + UHB15N20 ......................... 35 Figura 22 - Descrição do Processo Ensaio de Dureza ........................................................... 37 Figura 23 - Representação Esquemática Penetrador Cônico.................................................. 38 Figura 24 - Desenho 2D Corpo de Prova Ensaio Charpy ...................................................... 39 Figura 25 - Detalhe Corpo de Prova Charpy ......................................................................... 40 Figura 26 - Corpo de Prova Embutido a Frio ........................................................................ 41 Figura 27 - Imagem Micrografica ......................................................................................... 43 9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Composição do Aço SAE 5160. .......................................................................... 26 Tabela 2 - Composição do Aço UHB 15N20 ........................................................................ 26 Tabela 3 - Resultados Obtidos no Ensaio de Tração ............................................................. 35 Tabela 4- Média de Dados de Dureza HRc Coletados........................................................... 38 Tabela 5 - Propriedades Mecânicas Individuais dos Aços em Estudo.................................... 44 10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 11 1.1 OBJETIVOS ............................................................................................................. 11 1.1.1 Objetivo Geral.................................................................................................... 11 1.1.2 Objetivos Específicos ......................................................................................... 12 2. REVISÃO TEÓRICA ................................................................................................... 13 2.1 HISTÓRICO ............................................................................................................. 13 2.2 AÇO DAMASCO E SUAS DIFERENÇAS ............................................................... 14 2.3 CALDEAMENTO E FORJAMENTO ....................................................................... 17 2.4 FACAS DE AÇO DAMASCO .................................................................................. 19 2.4.1 Damasco Leadder .............................................................................................. 19 2.4.2 Damasco Turkish ............................................................................................... 23 3. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 25 3.1 MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS .............................................................. 25 3.2 ENSAIOS MECÂNICOS .......................................................................................... 32 3.2.1 Ensaio de Tração ............................................................................................... 32 3.2.2 Ensaio de Dureza ............................................................................................... 36 3.2.3 Ensaio de Impacto (Charpy) ............................................................................... 38 3.2.4 Metalografia ...................................................................................................... 40 3.2.5 Ensaio Micrográfico ou Micrografia .................................................................. 40 4. RESULTADOS E ANÁLISES ...................................................................................... 44 5. CONSIDERAÇÕES ...................................................................................................... 46 6. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 47 11 1. INTRODUÇÃO Quando o processo de fundição foi inventado, o homem criou moldes para reproduzir objetos que ele necessitava. Com o passar do tempo a técnica de fundição avançou e estes novos procedimentos tornaram-se indispensáveis para a construção de peças maiores e complexas. Contudo, chegou o tempo em que foi necessário aplicar essas novas técnicas de fundição para facas e espadas utilizadas em confrontos da época. Desde então começaram a surgir diferentes ligas de aços caldeados entre si em que o objetivo era encontrar uma liga de aço bastante dura e tenaz, ou seja, a liga desejada era aquela com bastante dureza e grande capacidade de absorver impacto a ponto de não quebrar em batalhas. Portanto, este trabalho visa ressaltar a importância da técnica do caldeamento de metais. No trabalho serão definidos os conceitos do aço damasco, procedimentos e apresentação das propriedades mecânicas de uma liga forjada em especial. 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo Geral Medir e avaliar os resultados obtidos por ensaios as propriedades mecânicas de um aço damasco forjado, compostas por dois diferentes tipos de materiais, sendo eles aço SAE 5160 e UHB 15N20. A grande expectativa deste trabalho é encontrar no aço damasco propriedades mecânicas diferenciadas dos aços comerciais, pelo fato do damasco possuir a união de um aço à base de cromo e manganês, com alta liga de carbono, alta resistência à tração e outro com alto teor de níquel. 12 1.1.2 Objetivos Específicos Realizar pesquisas sobre a origem do aço damasco; Definição dos tipos de aço damasco existentes; Descrever o processo de obtenção de forma detalhada; Conhecer os tipos de aço damasco; Descrição e realização do ensaio de Tração; Descrição e realização do ensaio Charpy; Descrição e realização do ensaio de Dureza; Apresentar os resultados obtidos; Encontrar possíveis aplicações em peças especiais se os estudos apontarem resultados satisfatórios em suas propriedades mecânicas; 13 2. REVISÃO TEÓRICA 2.1 HISTÓRICO O processo de soldagem padrão ou Damascening foi visto pela primeira vez na Pérsia, por volta de 500 a.C, na cidade antiga de Damasco. Esse processo originou-se da diferenciação dos procedimentos convencionais utilizados pelos ferreiros da época para confecção de espadas e artigos cortantes. O nome da cidade Damasco, uma das cidades mais antigas do mundo, esconde um mistério e várias versões sobre seu histórico. Alguns acreditam que a palavra Damasco vem de “barragem shaq”, que em essência significa “Uma cidade construída sobre a rocha onde o sangue de Mash, o filho diante de Aram Bin Bin Sam Noé, fluiu depois que ele tomou uma grave pancada na cabeça pelo próprio irmão”. Outros acreditam que a cidade foi nomeada em homenagem a Damashaq, bisneto de Sam, filho de Noé que foi o responsável por realmente construir a cidade. Ainda outros acreditam que o nome foi dado pela origem da palavra “damashaq”, que significa camelo veloz. O termo em si “Damascus steel”, ou aço damasco, vem das cruzadas, onde os europeus entraram em contato com essas armas superiores comercializadas na cidade de Damasco. Quando essa tecnologia se espalhou por toda a Ásia e Índia foi chamada de Wootz. A composição de um laminado de aço damasco é atingida quando as camadas alternadas de ferro maleável, considerado macio, e camadas de aços temperáveis com alto teor de carbono são caldeadas. O objetivo dos ferreiros persas era fazer com que a parte do aço rico em carbono fosse capaz de dar dureza suficiente para manter um excelente gume, enquanto o ferro seria responsável por fornecer tenacidade suficiente para a espada não quebrar. 14 Existem também histórias de que os ingleses descobriram billets de um aço estranho com padrões diferentes para a época. Os billets desse aço eram produzidos maciçamente na cidade de Damasco, onde eram usados desde o tempo que inventaram a posição de rezar pra fazer espadas, conhecidas por sua resistência e flexibilidade. Os ingleses, no tempo da colonização, passaram a utilizá-lo para fabricar canos de mosquetes, depois de observar que esse aço damasco, ao contrário dos outros, não produzia estilhaços dos canos de armas, mas sofria deformação quando ocorria algum incidente de tiro, pois tal era a sua flexibilidade. O aço damasco era de difícil obtenção. Com a melhora do processo metalúrgico, os aços comuns foram ficando mais confiáveis, tornando menos dispendiosa a produção dos fuzis. A perda do conhecimento da obtenção do aço damasco deve-se também à desocupação pela Inglaterra. Essa tecnologia de obtenção do damasco sírio se perdeu com o tempo, pois fica difícil imaginar como fazer um aço damasco sem martelete ou prensa hidráulica, aparelho de solda e sem o fluxo de solda que é indispensável para efetuar o caldeamento. 2.2 AÇO DAMASCO E SUAS DIFERENÇAS Em relação ao aço damasco, é necessário primeiramente conhecer as diferenças, devidas aos métodos e procedimento distintos utilizados para sua obtenção. São três os métodos conhecidos e utilizados atualmente, sendo eles Damasco Sírio, Japonês ou Contemporâneo. Dando ênfase ao modelo atual de aços para trabalho a frio, ou seja, aços destinados à fabricação de ferramentas utilizadas em variados processos de operações de corte, estampagem, trabalhos em madeira, e até prensagem, destaca-se algumas propriedades mecânicas a seguir relacionadas: Elevada resistência ao desgaste do fio de corte: nesse caso em especifico ele se destaca por ter a capacidade de produzir um bom número de cortes entre as retificações e é particularmente importante em facas, estampos e punções. Alta tenacidade: em um aço é necessária boa capacidade elástica, pois se submetido a esforços mecânicos é indispensável se recuperar das tensões exercidas, 15 absorvendo qualquer tipo de impacto, evitando assim que ocorra fadiga na estrutura do material. Grande estabilidade dimensional: é fundamental que o aço não se deforme quando submetido a tratamentos térmicos, para que assim siga sem alterações dimensionais da peça final. Atualmente busca-se, em uma ferramenta de corte, alto rendimento, elevada dureza e boa elasticidade. O aço damasco se destaca justamente no quesito estrutural, pois se baseia no princípio de junção de duas estruturas de diferentes características. Sendo assim, será conjugado o alto teor de dureza ao grande poder de elasticidade. Geralmente usa-se isto na junção de ligas que tenham teor de carbono entre 0.70% a 1.00% na estrutura, adicionando a ela no processo de caldeamento uma liga exatamente contrária, ou seja, de baixo teor de carbono. Pode-se dar como exemplo uma série de 0.10% até 0.50% de carbono, ou utilização de aços mola acrescentando assim ótima maleabilidade estrutural. É possível ainda a utilização de uma liga de alta dureza, excepcional retenção de fio, mas de baixa maleabilidade. Um exemplo é a utilização do aço O1 + VCO onde se destaca a dureza final de até 63 HRc e alto contraste estrutural pela diferença do elevado teor de níquel do VCO somado ao alto carbono do O1. Nesse exemplo tem-se um aço destinado a ferramentas de pequeno porte com alta resistência ao desgaste, permitindo cortes contínuos. As vantagens do aço damasco são inúmeras, desde custo de produção, aspecto visual e alto poder de corte acrescentado de maleabilidade. Os diferentes tipos e processos de aço damasco são descritos a seguir: Modelo sírio – Obtido através do processo de purificação de carbonos do ferro gusa, vários linguetes de aços com teores variados. Após isto, monta-se um bloco em que são sobrepostos esses diferenciados linguetes de aço, até que os mesmos atinjam na forja uma temperatura igual ou superior a 1000 °C. Sobre os mesmos são derramados grãos de vidro moído e exaustivamente se repete o processo até que o vidro se torne uma estrutura líquida suficiente para manter as diversas barras em uma temperatura homogênea. Em seguida, a temperatura da barra deve ser mantida acima de 1100 °C e então submetida ao forjamento manual. A barra é dobrada sobre si mesma várias vezes a fim de purificar e homogeneizar a 16 estrutura. Em alguns casos se busca um resultado final de 20 dobras em sentidos diversos resultando assim em desenhos de inúmeros formatos após pronta a barra final do aço. Modelo Japonês “Tamahagane” - De longe o mais complexo e técnico, esse processo busca a construção de uma cova de aproximadamente 1800 mm de profundidade por 2000 mm de largura e 2500 mm de comprimento. Essa cova é composta por cinco entradas de varas em ambas as laterais e duas em cada ponta. As varas geralmente ficam sobre a terra apenas com a ponta dentro da cova que posteriormente é recapada com argila ou terra refratária. Na outra extremidade são adaptados foles para que assim operários não cessem a operação de sopro. A vala é completamente preenchida por carvão cortado uniformemente em tamanhos de uma polegada quadrada. Já em estado incandescente são despejados grandes pedaços de minério de ferro moído com camadas de gravetos e folhas verdes, sempre realimentando essa cova de compostos como minério de ferro, carvão e folhas. O trabalho é exaustivamente repetido sem nunca deixar que a temperatura baixe de 1200 graus Celsius no interior da cova, sendo que esse processo pode variar de 72 a 96 horas sem intervalos. Após lacrar o topo da cova com várias demãos de minério de ferro, é deixado resfriar por sete dias para que assim toda a estrutura interna da cova esteja já compacta e resfriada. Finalizada essa etapa, o mestre forjador e seus assistentes, munidos de marretas e punções, começam a quebrar, selecionar e excluir as diversas formas de cristais formados pela fusão de ambos os materiais. São separados pela análise de formação de bainitas de carbonetos, e posteriormente forjados um a um os diversos pedaços, buscando-se assim diminuir e aliviar a formação extremamente dura desses cristais, para que depois de normalizadas as estruturas possam ser sobrepostas e reaquecidas a 1200 °C, bem como mergulhadas em um banho de argila e palha até que toda a estrutura esteja maleável suficientemente para que se pudesse forjar. Essa estrutura, em muitos casos, tem seu teor de carbono aproximado a 1%, o que torna muito difícil a expansão estrutural. Mesmo assim, após pronta e submetida a usinagens manuais que variavam os grãos de pedras de 36 até 15000, mergulhadas em banho de ácido cítrico repetidas vezes, demonstrava em alguns casos até 36.000 camadas de diversas estruturas de aço de inúmeros teores de carbono. Damasco de pó - É o estilo mais utilizado pelos europeus atualmente, em que se monta uma caixa fechada que é preenchida com pó de determinado aço escolhido 17 e são adicionadas pequenas figuras ou estruturas de outro aço determinado. Essa caixa é selada com um tampo e soldada para que o pó e as estruturas internas não vasem, e depois é aquecida a 1100 °C e submersa diversas vezes em um banho de fluxo de soldas, sendo eles trincal, trincalox, ou outros. Sempre aquecida à temperatura igual ou superior a 1100 °C, compactada através de utilização de marretas, prensas, ou martelo pneumático. Depois de forjada e normalizada, a estrutura pode ser trabalhada normalmente como os demais procedimentos. 2.3 CALDEAMENTO E FORJAMENTO Pode-se definir o processo de caldeamento como soldagem de duas peças metálicas, em geral de aço, através de aquecimento e choque mecânico. As peças são aquecidas a uma temperatura próxima ao seu ponto de fusão, e então aproximadas e golpeadas repetidas vezes, como num processo de forjamento, até que se unam. O caldeamento é o processo de soldagem mais antigo conhecido, havendo registros de sua utilização no primeiro império egípcio. Esse processo é o principal responsável pela obtenção do aço damasco, pois é ele que faz a união dos diferentes tipos de metais, podendo também ser combinados metais ferrosos e não ferrosos. Para que haja, de fato, o processo de caldeamento, é necessário elevar a temperatura do feixe de barras com diferentes materiais até aproximadamente o seu ponto de fusão. Para o caso específico do damasco, a temperatura do feixe de aço é elevada na forja, utilizada pela grande maioria dos cuteleiros que participam da arte de produzir o aço damasco. A Figura 1 mostra a forja utilizada para realizar o procedimento. 18 Figura 1 - Forja a Gás Fonte: Autor A forja a gás é de simples funcionamento e é capaz de elevar a temperatura do feixe a seu ponto de fusão em pouco tempo. Para o funcionamento da forja, é conjugado o fluxo de gás GLP ao fluxo de ar gerado por uma ventoinha. Com essa mistura de fluxos ocorre a queima do gás elevando a temperatura. Para que haja um caldeamento seguro e uniforme, é fundamental que o feixe esteja quente e tambem é indispensável a adição do ácido bórico, também chamado fluxo de solda, principal agente responsável por inibir a presença de oxigênio e auxiliar a união dos materiais. A Figura 2 ilustra a adição de fluxo de solda ao billet. Billet é a denominação utilizada pelos americanos que, se traduzido, quer dizer sanduíche. É geralmente soldado a uma barra de ferro comprida denominada espigão. 19 Figura 2 - Feixe de Aço Aquecido com Adição de Fluxo Fonte: Autor Por fim, deve-se levar o feixe quente e com o fluxo já adicionado ao processo de união, podendo o mesmo ser esmagado por uma prensa hidráulica, martelete ou com o método convencional: martelo e bigorna. 2.4 FACAS DE AÇO DAMASCO Após concluir a obtenção do billet de aço Damasco com número de linhas de dobras entre trezentos e setecentos, chega o momento de criar os padrões de desenhos, se a aplicação for para cutelaria ou outras áreas que exijam a aparência diferenciada. Neste trabalho será feita a aplicação do aço damasco em duas facas com desenhos distintos em suas lâminas. O grande objetivo dessa aplicação é descrever dois dos inúmeros métodos e técnicas para a obtenção de desenhos na superfície do damasco. 2.4.1 Damasco Leadder Para fazer os desenhos no damasco com o padrão Leadder, basta realizar cortes com padrão linear ao longo do billet em ambos os lados. Os cortes não devem transpassar o centro do billet e deve ser intercalado o posicionamento entre a face de um lado e outro. Como é possível analisar na Figura 3, antes de realizar os cortes da seção é 20 indispensável marcar os posicionamentos para que os cortes sigam um padrão, evitando assim que haja diferença entre os distanciamentos dos desenhos. Figura 3- Marcação de Cortes Fonte: Autor Feita a marcação em ambos os lados, continua-se a realizar o padrão de cortes cuidadosamente para não ultrapassar o limite desejado, como mostrado na Figura 4. Figura 4 - Cortes nas Faces Feitos com Disco Fonte: Autor É importante notar que depois de feitos os cortes é indispensável a quebra das quinas para auxiliar na conformação do material durante o processo de forjamento. Feito esse procedimento, o billet é levado novamente à forja para que sua temperatura seja elevada, podendo assim conformar o material, preenchendo os espaços vazios gerados pelos cortes na seção. Para esse procedimento foi utilizada uma prensa hidráulica de quarenta e cinco toneladas. Esse processo pode ser feito tanto com martelete, martelo e bigorna, rolos cilíndricos ou prensa. A grande vantagem da prensa hidráulica é a agilidade do processo. Também se deve levar em consideração que na prensa a força é constante, diferente do 21 martelete e martelo e bigorna. A Figura 5 ilustra o billet com os cortes na seção sendo esmagado na prensa hidráulica. Figura 5 - Processo de Prensagem do Damasco Leadder Fonte: Autor Após prensar o material até preencher os espaços vazios deixados pelo disco de corte, o aço está pronto para a confecção da faca ou qualquer outro tipo de peça. No caso particular da faca, é chegada a hora de usinar a lâmina conforme o modelo de faca desejado. Como visto anteriormente, a liga de aço damasco é feita de alto carbono. Após confeccionado o modelo da lâmina é necessário que seja feito o tratamento térmico adequado, contudo é indispensável a normalização da estrutura do aço. Depois de normalizada a lâmina, foi elevada a uma temperatura de aproximadamente 1100°C e em seguida resfriada no óleo, efetuando assim a têmpera. Posteriormente foi realizado o processo de revenimento onde a lâmina ficou por meia hora dentro do forno elétrico com temperatura de aproximadamente 300°C. A Figura 6 mostra a lâmina da faca antes de ser resfriada no óleo. 22 Figura 6 - Lâmina Antes de Entrar em Contato com o Óleo Fonte: Autor Na imagem anterior podem ser analisados os desenhos já formados pelas linhas de carbono ao longo da lâmina. Esse desenho só ficará perfeitamente visível quando toda a superfície for limpa e em seguida levada ao banho de percloreto de ferro para que ocorra a revelação das linhas de carbono posicionadas na lâmina. A lâmina deve ser limpa com acetona antes de entrar em contato com a solução para eliminar qualquer tipo de impureza e fazer com que o ácido reaja de forma uniforme em todas as superfícies da lâmina. O banho deve ser auxiliado por um borbulhador capaz de movimentar o percloreto, fazendo-o agir de forma uniforme em todos os pontos da lâmina. Para finalizar o processo, é necessário realizar um tratamento superficial na lâmina, chamado de banho negro, para a peça ficar protegida contra corrosão. Esse banho é um processo simples, em que o fosfato de manganês é elevado a uma temperatura de 100°C em uma panela de ferro e em seguida a lâmina entra em contato por 20 minutos com a solução. Com isso o aço fica com uma textura negra, sendo preciso então lixar a superfície para dar o acabamento final da peça. A Figura 7 mostra uma faca de aço damasco com o padrão Leadder. 23 Figura 7 - Faca de Aço Damasco Padrão Leadder Fonte: Rodrigo Quevedo 2.4.2 Damasco Turkish Esse tipo de damasco apresenta uma textura pouco semelhante ao damasco Leadder, descrita anteriormente. Isso se dá devido ao modo como as linhas de carbono se alocam ao longo da peça. Para obter o damasco Turkish é necessário elevar a temperatura do billet, posicioná-lo de forma fixa em uma das suas extremidades e na outra exercer o esforço de torção como demonstrado na Figura 8, fazendo com que o billet fique em forma de hélice. 24 Figura 8 - Imagem Ilustrando a Torção do Billet Fonte: Autor Depois do processo de torção são executados os processos de esmagamento, usinagem, têmpera, revenimento, lixamento da superfície, revelação das linhas de carbono no ácido, limpeza da lâmina na acetona e banho negro. Tais processos são os mesmos descritos anteriormente para o damasco Leadder. A imagem apresentada na Figura 9 mostra um punhal com damasco padrão Turkish. r Figura 9 - Damasco Padrão Turkish Fonte: Autor 25 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS E MÉTODOS UTILIZADOS Como salientado anteriormente, o aço damasco é a união de dois aços com propriedades mecânicas muito distintas. Portanto, a liga de aço que será descrita a seguir mantém o mesmo padrão em que serão caldeadas as barras chatas de aço SAE 5160, intercaladas com barras chatas de aço UHB15N20, formando uma espécie de sanduíche, também chamado de billet. Esse sanduíche de barras é completamente soldado em suas extremidades para manter os diferentes aços unidos evitando que haja espaçamento entre eles durante o processo de caldeamento. Em uma das extremidades deste é soldado um ferro comprido também chamado de espigão, utilizado para manusear o billet da forja até a bigorna e martelete. A Figura 10 a seguir mostra como é realizado o posicionamento do sanduíche dos materiais sobrepostos e o espigão. Figura 10 - Montagem do Sanduíche de Aços Intercalados Fonte: Autor 26 Antes de continuar com os procedimentos para a obtenção da liga de damasco SAE 5160 com UHB15N20 são definidas as propriedades mecânicas de cada um dos aços empregados na liga. Aço SAE 5160 – É um dos melhores aços-carbono do mundo para aplicação de cutelaria fina, possui bons níveis de dureza na escala HRc após têmpera, possui bom polimento e níveis máximos de dureza entre 57 e 59 HRc, conforme ficha técnica da Gerdau. Tabela 1 – Composição do Aço SAE 5160. Designação Carbono Cromo Manganês Níquel Molibdênio Vanâdio Tungstênio C Cr Mn Ni Mo V W SAE 0,56 – 0,64 0,70 – 0,90 0,75 – 0,10 ----- ----- ----- ----- 5160 (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Fonte: Catálogo Comercial Gerdau Aço UHB15N20 – A liga de níquel em sua composição permite uma têmpera mais profunda nas espessuras grossas, resultando em uma boa combinação de dureza e tenacidade. Tabela 2 - Composição do Aço UHB 15N20 Designação Carbono Cromo Manganês Silício Níquel Vanâdio Tungstênio C Cr Mn Si Ni V W UHB 0,75 ------ 0,4 0,3 2 ----- ----- 15N20 (%) (%) (%) (%) (%) Fonte: Catálogo Bohler e Uddeholm Como pode ser visto nas tabelas anteriores, existem elementos químicos presentes em um aço que não estão presentes ou possuem menor taxa de porcentagem no outro. Pode-se perceber que o aço UHB 15N20 possui uma quantidade considerável de níquel agente responsável por melhorar a resistência do aço e sua capacidade de resistir aos ataques químicos. Ressalta-se também a importância do cromo presente no aço SAE 5160, agente químico extremamente duro capaz de protegê-lo aço da oxidação. Com essas definições esclarecidas pode-se dar continuidade ao segundo passo que é demonstrado na Figura 11, para a obtenção do aço damasco, que é elevar a temperatura do billet às proximidades da temperatura de fusão do aço, aproximadamente 1200°C. 27 Figura 11 - Primeira Etapa do Processo de Caldeamento Fonte: Autor Após elevar a temperatura, deve-se retirar o billet e em seguida passar o escovão de aço para fazer a limpeza de toda a sua superfície. Posteriormente é despejado o fluxo de solda nas laterais do billet para auxiliar no caldeamento da primeira etapa. A Figura 12 apresenta o billet limpo e com adição do ácido bórico em seu corpo. Figura 12 - Limpeza da Superfície e Aplicação de Fluxo de Solda Fonte: Autor Depois de realizado esse procedimento, o billet é levado novamente à forja para chegar a sua temperatura de trabalho. O próximo processo deve ser rápido para evitar a 28 diminuição da temperatura do mesmo. A liga é retirada da forja e levada para a bigorna, onde o cuteleiro irá bater linearmente para que o sanduíche de barras de aço se assente um sobre o outro evitando que o aço damasco não caldeie em alguns pontos. Tal cuidado deve ser tomado principalmente quando o processo de caldeamento é feito com o auxílio do martelete, como nesse caso. A Figura 13 demonstra os cuidados que devem ser tomados quando o billet ainda não caldeou. Figura 13 - Assentamento Feito com Marreta e Bigorna Fonte: Autor Pronto o assentamento das chapas, adiciona-se o fluxo de solda e eleva-se novamente a temperatura do billet. Quando retirado da forja, deve ser levado rapidamente até o martelete para então dar continuidade ao trabalho. O martelete ilustrado na Figura 14 exerce a mesma função que a marreta e bigorna, porém, o processo ganha velocidade pelo fato de seus golpes sobre o aço terem mais força, deformando assim mais rapidamente a liga de damasco. 29 Figura 14 - Caldeamento Realizado com Martelete Fonte: Autor Esse processo é repetido sempre regado com fluxo de solda até que o sanduíche de aços caldeie e ganhe maior dimensão de comprimento e menor espessura. Quando isso acontece é chegada a hora de realizar a primeira dobra do damasco. Para realizar a dobra é necessário utilizar um formão cortante para efetuar um determinado corte no billet, sendo então realizada a dobra. Após, o processo de caldeamento inicia novamente, conforme demonstrado na Figura 15. 30 Figura 15 - Corte da Barra com Formão e Marreta Fonte: Autor Quando é montado um sanduíche ou billet de aços distintos,é vista a quantidade de linhas de caldeamento entre ambos. O billet utilizado para fins de estudo possui sete linhas iniciais e a cada dobra realizada a quantidade é somada progressivamente. Ou seja, começa-se com sete linhas, com a primeira dobra passa-se a obter quatorze linhas, na terceira dobra vinte e oito linhas e assim continuamente até obter oitocentos e noventa e seis linhas. A quantidade de linhas fica a critério do forjador. Quanto mais linhas obter o aço, maior será a homogeneidade do mesmo. Para fins de cutelaria, é interessante deixar o billet entre trezentas a setecentas linhas, pois se a liga se tornar muito homogênea o aço não apresentará grandes efeitos de desenho ao longo de seu perfil. A Figura 16 demonstra como fica o billet depois de concluída a dobra. 31 Figura 16 - Imagem Ilustrando Uma das Dobras do Aço Fonte: Autor Após concluir todos esses processos, obtêm-se um billet de aço damasco com aproximadamente oitocentas linhas de caldeamento. Utiliza-se o termo aproximadamente pelo fato de que, a cada vez que o material é levado à forja e retirado, sofre um fenômeno denominado descarburetação, diminuindo assim a quantidade de linhas existente no billet. Na Figura 17 observa-se o mesmo pronto para ser usinado. Figura 17 - Billet de Damasco Pronto para ser Usinado Fonte: Autor Com o billet de damasco pronto, chega o momento de fazer a usinagem dos corpos de prova para realizar os ensaios de tração e impacto. A usinagem foi realizada com fresa e lixa para chegar até as dimensões exigidas pelas normas dos ensaios. 32 Figura 18 - Corpos de Prova Utilizados nos Ensaios Mecânicos Fonte: Autor 3.2 ENSAIOS MECÂNICOS Neste item serão descritos os ensaios mecânicos e procedimentos realizados na liga de aço damasco SAE 5160 caldeado a um UHB15N20. Os ensaios serão realizados no laboratório CREMAT da UNIJUÍ campus Panambi, acompanhados e analisados juntamente com o Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães, engenheiro responsável. Serão realizados ensaios de Tração, Dureza, Impacto ou Charpy e Metalografia das amostras coletadas. 3.2.1 Ensaio de Tração Esse ensaio consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova especifico até a ruptura. Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido às vantagens de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção do provete, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região mais estreita do material, a menos que um defeito interno, fora dessa região, promova a ruptura do 33 mesmo, o que raramente acontece. A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos aparelhos de medida que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma precisão maior na avaliação da tensão ao invés de detectar grandes variações de deformação, causando maior imprecisão da avaliação da tensão. Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ciclo. O que interessa para a determinação das propriedades do material ensaiado é a relação entre a tensão e a deformação. A tensão corresponde à força dividida pela área da seção sobre a qual a força é aplicada. Aplicando a equação descrita acima é possível encontrar os valores da tensão e fazer o gráfico conhecido como tensão-deformação, conforme demonstrado na Figura 19. Figura 19 - Curva Tensão - Deformação Convencional Fonte: Ensaios Mecânicos - Gabrieli Bortoli Dalcin 34 Para realizar o ensaio de tração é necessária a obtenção do corpo de prova construído com o material a ser ensaiado, nesse caso, aço damasco SAE 5160 caldeado a um UHB15N20. A Figura 20 mostra o desenho com as dimensões do corpo de prova necessárias para o ensaio. Figura 20 - Imagem 2D Corpo de Prova Ensaio Tração Fonte: Autor Após concluir o ensaio de tração são conhecidas as características das propriedades mecânicas de um damasco SAE 5160 caldeado a um UHB15N20. Esses dados são encontrados na curva de Tensão – Deformação plotada na Figura 21 obtida com o auxílio da máquina de tração marca WOLPERT modelo 60TUZ-M empregada no laboratório CREMAT da UNIJUÍ – Campus Panambi. 35 Figura 21 - Curva Tensão - Deformação Damasco SAE5160 + UHB15N20 Fonte: Autor Do gráfico acima podem ser extraídos os dados especificados na Tabela 3. Tabela 3 - Resultados Obtidos no Ensaio de Tração Fonte: Autor 36 3.2.2 Ensaio de Dureza Nesse método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois é aplicada a carga do ensaio propriamente dita. A leitura da indicação de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material. Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade). Na Figura 22 é possível analisar e melhor entender os procedimentos necessários para obter a dureza. 37 Figura 22 - Descrição do Processo Ensaio de Dureza Fonte: Ensaios Mecânicos - Gabrieli Bortoli Dalcin Quando se utiliza o penetrador cônico de diamante, a leitura do resultado é feita na escala externa do mostrador de cor preta no equipamento empregado. Ao se usar o penetrador esférico, faz-se a leitura do resultado na escala vermelha do mesmo equipamento. O valor indicado na escala do mostrador é o valor da dureza Rockwell. Esse valor corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, subtraídas a recuperação elástica do material, após a retirada da carga maior, e a profundidade decorrente da aplicação da précarga. Em outras palavras: a profundidade da impressão produzida pela carga maior é a base de medida do ensaio Rockwell. Vê-se na Figura 23 a representação esquemática da profundidade produzida por um penetrador cônico de diamante. 38 Figura 23 - Representação Esquemática Penetrador Cônico Fonte: Ensaios Mecânicos - Gabrieli Bortoli Dalcin Para esses ensaios foi utilizado o Durômetro da marca PANTEC, do fabricante PANAMBRA e modelo RBSM. Realizando nove vezes medições de dureza com um penetrador cônico de 120° e uma pré-carga de 150 kgf em um corpo de prova do material de damasco SAE 5160 caldeado a um UHB15N20, obtiveram-se os seguintes resultados de dureza: Tabela 4- Média de Dados de Dureza HRc Coletados Fonte: Autor Assim, conclui-se que a dureza média encontrada no corpo de prova do aço damasco SAE 5160 caldeado a um UHB15N20 é de 38,7HRc. 3.2.3 Ensaio de Impacto (Charpy) O teste Charpy é um dos métodos utilizados para determinar a resistência e sensibilidade dos materiais quando submetidos a certa carga de impacto. O objetivo principal é medir a quantidade de energia absorvida pelo material durante a fratura. São essenciais para 39 garantir a segurança, confiabilidade e qualidade dos mais diversos materiais. É muito utilizado no setor automobilístico, de aeronaves e em peças específicas utilizadas na indústria. A principal vantagem do teste Charpy é a simplicidade, o baixo custo e o tamanho reduzido do corpo de prova. O teste ainda pode ser executado em diversos campos de temperaturas. Além disso, o corpo de prova é adequado para medir as diferenças de comportamento para materiais de baixa resistência ao impacto como os aços estruturais. Também é frequentemente usado para fins de controle de qualidade e de aprovação de materiais. O ensaio é realizado por um pêndulo de impacto. O corpo de prova é fixado em um suporte, na base da máquina. O martelo do pêndulo - com uma borda de aço endurecido - é liberado de uma altura pré-definida, causando a ruptura do corpo em teste. A altura de elevação do martelo após o impacto, em comparação com a anterior, dá a medida da energia absorvida pelo corpo de prova. O teste pode ser conduzido em temperatura ambiente ou em temperaturas mais baixas para testar a fragilidade do material em baixa temperatura. No ensaio Charpy o corpo de prova é bi-apoiado como uma viga simples, com um entalhe central. O corpo de prova é posicionado de forma que o entalhe fique na face oposta à face de impacto. O posicionamento do entalhe é tal que o impacto ocorre na região de maior tensão - a seção transversal média do corpo de prova. O corpo de prova utilizado para o ensaio neste trabalho é composto pelo aço damasco SAE 5160 caldeado a um UHB15N20 e tem as dimensões mostradas no desenho 2D da Figura 24. Figura 24 - Desenho 2D Corpo de Prova Ensaio Charpy Fonte: Autor O teste de impacto foi realizado à temperatura ambiente na máquina de ensaios Charpy Wolpert p/w40/15, no laboratório do CREMAT da UNIJUÍ. 40 Depois de posicionado o corpo de prova, foi erguido o pêndulo de impacto de forma horizontal e realizado o ensaio. O resultado do teste apresentou um valor de absorção de impacto de 17J. Figura 25 - Detalhe Corpo de Prova Charpy Fonte: Autor 3.2.4 Metalografia Esse procedimento prescreve os conceitos gerais aplicados na preparação do corpo de prova para análise microscópica. Aplica-se a todos os materiais e produtos metálicos ferrosos. As técnicas metalográficas dos não ferrosos são, em princípio, semelhantes às utilizadas nas ligas ferrosas, por exemplo, aços e ferros fundidos. O ensaio metalográfico tem como objetivo relacionar a estrutura íntima do material com as suas propriedades físicas, com o processo de fabricação e com o desempenho de suas funções. São divididos em dois tipos, sendo eles: ensaio macrográfico ou macrografia e ensaio micrográfico ou micrografia, entretanto, neste trabalho será realizado apenas o ensaio micrográfico. 3.2.5 Ensaio Micrográfico ou Micrografia Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, em que podem ser observadas as fases presentes e identificadas a granulação do material (Tamanho 41 de grão), o teor aproximado de carbono no aço, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões. A Figura 26 a seguir mostra o corpo de prova embutido a frio. Figura 26 - Corpo de Prova Embutido a Frio Fonte: Autor Após realizado o embutimento do corpo de prova necessita-se que a face a ser analisada seja lixada e polida. A sequência mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é 100, 220, 320, 400, 600 e 1200. Para a obtenção de um lixamento eficaz é necessário o uso adequado da técnica de lixamento, pois de acordo com a natureza da amostra, a pressão de trabalho e a velocidade de lixamento, surgem deformações plásticas em toda a superfície por amassamento e aumento de temperatura. Esses fatores podem dar uma imagem falseada da amostra, por isso a atenção e cuidado extremos são imprescindíveis nessa etapa. A operação de polimento pós-lixamento visa um acabamento superficial polido isento de marcas, e, para esse fim, utiliza abrasivos como pasta de diamante ou alumina. Antes de realizar o polimento deve-se fazer uma limpeza na superfície da amostra, de modo a deixá-la isenta de traços abrasivos, solventes, poeiras e outros.A operação de limpeza pode ser feita simplesmente por lavagem com água, porém, aconselha-se usar líquidos de baixo ponto de ebulição (álcool etílico, fréon líquido, etc.) para que a secagem seja rápida. 42 O objetivo da micrografia é permitir a identificação (visualização) dos contornos de grãos e as diferentes fases na microestrutura. Um reagente ácido é colocado em contato com a superfície da amostra até causar a corrosão da superfície. Os reagentes são escolhidos em função do material e dos constituintes macroestruturais que se deseja contrastar na análise metalográfico microscópica. Antes de a amostra sofrer o ataque, a mesma deve estar perfeitamente limpa e seca, por isso utilizam-se líquidos de baixo ponto de ebulição como o álcool, éter, etc., os quais são posteriormente secados rapidamente através de um jato de ar quente fornecido por uma ventoinha elétrica ou secador. Uma amostra lixada e polida está pronta para o exame macro ou microscópico quando os seus elementos estruturais podem ser distinguidos uns dos outros, através da diferenciação de cor, relevo, falhas estruturais como trincas, poros, etc. Ao incidir a luz sobre a superfície metálica polida há uma reflexão uniforme, de modo que se faz necessário um contraste para distinguir os detalhes de sua estrutura. Tal contraste é obtido por meio do ataque químico, o qual pode ser efetuado através de mudanças do sistema óptico empregado ou da amostra propriamente dita. Feitos esses procedimentos, podem ser analisadas a seguir as imagens obtidas com o auxílio de um microscópio. A Figura 27 apresenta o ensaio micrográfico do Aço Damasco SAE 5160 + UHB 15N20. 43 Figura 27 - Imagem Micrográfica Fonte: Autor Podem ser observadas na micrografia que a parte mais escura possui concentração de carbono na estrutura, ou seja, naquele ponto o carbono está aglomerado. 44 4. RESULTADOS E ANÁLISES Neste item são analisadas algumas expectativas de estudo referente ao aço damasco SAE 5160 + UHB 15N20. Desde o princípio elencaram-se como conceitos básicos que esse aço, depois de forjado, teria que apresentar bastante dureza e também grande poder de absorver impactos. Essas conclusões aqui apresentadas podem ser afirmadas se analisarmos a Tabela 5. Tabela 5 - Propriedades Mecânicas Individuais dos Aços em Estudo Fonte: Catálogo Gerdau, Catálogo Bohler e Uddeholm. Analisando-se os valores de resistência à tração de ambos os materiais, conclui-se que o aço forjado apresenta um menor valor se comparado aos materiais de base, mas os resultados do limite de escoamento apresentaram resultados satisfatórios onde o aço forjado apresentou valores superiores aos comerciais. Por possuir essa vantagem de ser um aço maleável, o aço damasco, como esperado, apresentou também um valor de alongamento superior aos demais sem deixar de apresentar uma dureza considerável ao longo de sua estrutura. É necessário mencionar ainda que o valor de dureza do aço damasco aqui apresentado é uma média de todas as aferições feitas ao longo do corpo de prova. Analisando-se a Tabela 4 pode-se observar que existem algumas das aferições que possuem valores muito superiores 45 a outros, e isso se dá pelo fato de nesses pontos o aço obter algumas aglomerações de maior índice de carbono. Mesmo com elevada dureza e boa resistência à tração, o aço damasco apresentou resultados satisfatórios nos testes de impacto e isso se dá pelo seu grande poder de maleabilidade. 46 5. CONSIDERAÇÕES Neste trabalho foi possível apresentar um pouco mais sobre a técnica do aço damasco sírio, e também desvendar alguns mistérios e expectativas de suas propriedades mecânicas. O aço em estudo apresentou resultados satisfatórios como eram esperados. Pode-se ressaltar que foram surpreendentes os valores de limite de escoamento, alongamento e impacto. Com esses valores encontrados é possível afirmar que esse aço histórico é muito maleável e pode ser empregado em aplicações em que elevada dureza e tenacidade sejam indispensáveis. Além de obter propriedades mecânicas diferenciadas, não se pode deixar de mencionar a beleza que possui uma peça de aço damasco com padrões de desenhos. Peças desse material são muito valorizadas por possuírem traços marcantes em sua superfície. Para trabalhos futuros sugere-se que os mesmos testes mecânicos aqui empregados sejam realizados com corpos de prova de aço damasco obtidos com o auxílio de prensa hidráulica, mantendo assim uma maior uniformidade de caldeamento ao longo da peça. Também se pode levar em consideração que neste trabalho foram coletados dados de apenas uma unidade de cada corpo de prova em cada teste. Sugere-se que sejam feitos maior quantidade de amostras nas mesmas condições para realizar ensaios, diminuindo assim a possibilidade de falha nas aferições. 47 6. REFERÊNCIAS [1] CALLISTER W.D. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução. LTC Editoras. [2] DALCIN, B. Gabrieli. Ensaios dos Materiais, Disponível em <http://www.urisan.tche.br/~lemm/arquivos/ensaios_mecanicos.pdf> Acesso em 6 out. 2011. [3] FIGIEL, M.D., Leo, On Damascus Steel, First Edition, Flórida 1991, p108-119. Making Educated Decision Based, Damascus Steel History. Disponível em: <http://www.steelsuppliers-guide.com/damascus-steel.html> Acesso em :13 out. 2011. [4] GARCIA A. Ensaio dos materiais. Livros técnicos e científicos Editora. 2000. [5] KAPP, Leon, The Sword: The Craft, First Edition 1987, p. 61-97. [6] KRAUSE, K.P., Knives´99, 19th Annual Edition, p.35-42.