ESTUDO COMPARATIVO DO ENCRUAMENTO
E DA RECRISTALIZAÇÃO DOS AÇOS RÁPIDOS
AISI M2 E ABC III
Fabio Stagetti
Angelo Fernando Padilha
Clara Herrera Pulgarín
1. INTRODUÇÃO
2. MATERIAIS E MÉTODOS
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4. CONCLUSÕES
INTRODUÇÃO
Os aços rápidos mantém dureza elevada (1000 HV – 65 a 75 HRC)
durante o corte de materiais em altas velocidades.
São utilizados para fabricação de ferramentas de corte (fresas,
brocas, serras etc.) que necessitam de elevada resistência ao desgaste
e manter a dureza elevada em altas temperaturas (48 HRC em 593ºC).
Quando temperados e revenidos apresentam microestrutura
composta de carbonetos primários e uma matriz de martensita reforçada
de carbonetos secundários.
Classificação AISI (American Iron Steel Institute):
•
Grupo M – aços rápidos ao molibdênio ou molibdênio-tungstênio
Principais elementos de liga: Mo, W, Cr, V, Co e C.
•
Grupo T – aços rápidos ao tungstênio
Principais elementos de liga: W, Cr, V, Co e C.
Atualmente, aços semi-rápidos, contendo menores quantidades de
elementos de liga são bastante utilizados devido a sua favorável relação
custo/benefício.
A produção dos aços rápidos envolve fusão, fundição,
deformação plástica a quente e a frio e tratamentos térmicos.
A microestrutura bruta de fundição é constituída de dendritas de
austenita e de uma rede de carbonetos primários interdendríticos.
Para otimizar a microestrutura, as propriedades e o desempenho
do material, os lingotes são trabalhados mecanicamente para quebrar a
rede de carbonetos.
Como resultado, o material trabalhado e recozido apresenta
carbonetos dispersos numa matriz ferrítica.
Principais tipos de carbonetos:
•
MC – Principalmente vanádio (pode ter Zr, Nb e Ti)
São carbonetos primários. Estrutura CFC
•
M6C – Principalmente tungstênio e molibdênio (pode ter Cr e V)
Também são carbonetos primários. Estrutura CFC
•
M23C6 - Geralmente é cromo, mas pode dissolver W e Mo
São carbonetos secundários. Estrutura CFC
•
M2C - Principalmente tungstênio e molibdênio
São carbonetos secundários. Estrutura HC
Microestrutura do aço AISI M2 recozido
Ataque eletrolítico com 1% ácido crômico
Aumento: 2000 x
Processo de laminação a frio: Produto – serra fita para metais
Durante a laminação a frio dos aços, ocorre endurecimento por
deformação (encruamento), a dureza aumenta e a ductilidade diminui,
dificultando a deformação.
Os aços rápidos apresentam um encruamento muito alto devido à
alta quantidade de carbonetos, que dificultam a mobilidade das
discordâncias.
Após a deformação a frio, com o intuito de amolecer o material
encruado, é realizado um recozimento sub-crítico, abaixo da temperatura
Ac1, no qual ocorre a recristalização.
As temperaturas de transformação Ac1 e Ac3, para o aço M2 são,
respectivamente 810ºC e 850ºC.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais utilizados:
Aços rápidos denominados AISI M2 e ABC III de procedência alemã.
AISI M2: espessura do material laminado a quente: 3,20 mm
ABC III: espessura do material laminado a quente: 2,90 mm
Especificação de composição química: DIN EN ISO 4957
(% em massa)
C
Mn
P
S
Si
Cr
Mo
V
W
M2
0,86 a
0,94
0,40
máx.
0,03
máx.
0,03
máx.
0,45
máx.
3,80 a
4,50
4,70 a
5,20
1,70 a
2,10
5,90 a
6,70
ABC III
0,95 a
1,03
0,40
máx.
0,03
máx.
0,03
máx.
0,45
máx.
3,80 a
4,50
2,50 a
2,90
2,20 a
2,50
2,70 a
3,00
Curvas de endurecimento por deformação:
Os aços foram laminados em temperatura ambiente, com reduções
de espessura variando entre 3% e 50%, em um laminador industrial. As
amostras obtidas foram usadas para determinar as curvas de
endurecimento por deformação.
Ensaio de dilatometria:
Objetivo foi determinar as temperaturas de transformações dos aços.
A partir das tiras laminadas a quente, foram usinados corpos-deprova com formato cilíndrico. Cada amostra foi aquecida até 1050°C,
permanecendo por 1 minuto e, em seguida resfriada ao ar. Foi utilizada
taxa de aquecimento de 1°C/s para cada amostra.
Curvas de recozimento isotérmico:
Foram determinadas curvas de recozimento isotérmico, onde as
amostras com 25% de redução foram recozidas a 750°C, com duração
de 15, 30, 60, 120, 240 e 480 minutos.
Curvas de amolecimento:
Amostras com 25% de redução foram submetidas a recozimentos
com duração de 1 hora, em temperaturas entre 100ºC e 750ºC. Foi
utilizado forno mufla de laboratório com aquecimento resistivo e o
resfriamento foi em água.
Caracterização microestrutural:
Foram realizadas com o auxílio de microscopia eletrônica de
varredura, onde foram utilizados elétrons secundários (SE) e retroespalhados (BSE). Foram realizadas também análise por dispersão de
energia (EDS) para caracterização dos carbonetos e (EBSD) para
verificar detalhes microestruturais da evolução da recristalização.
Ensaios mecânicos:
Foi realizado ensaio de tração para caracterização das amostras no
estado “como recebido”. O ensaio de dureza foi realizado na
determinação das curvas de endurecimento por deformação e na
avaliação das amostras após recozimento. A carga utilizada foi de 10 kg.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Composição química: (% em massa)
C
Mn
P
S
Si
Cr
Mo
V
W
AISI M2
0,904
0,365
0,026
0,001
0,294
4,310
4,500
1,780
6,710
ABC III
0,950
0,473
0,022
0,002
0,319
4,090
2,720
2,280
2,810
O aço AISI M2 apresenta maiores teores de Mo e W, enquanto que o
aço ABC III apresenta maior teores de C e V.
Demais elementos apresentam teores similares.
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Microscopia eletrônica de varredura: AISI M2 e ABC III
AISI M2 - Nital 3% - Aumento: 3000x
ABC III – Nital 3% - Aumento: 3000x
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Microscopia eletrônica de varredura (SE e BSE) : AISI M2
SE – Nital 3% - Aumento: 3000x
BSE – Nital 3% - Aumento: 3000x
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Identificação dos carbonetos (EDS): AISI M2
Carbonetos constituídos principalmente por V (tipo MC)
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Identificação dos carbonetos (EDS): AISI M2
Carbonetos constituídos principalmente por W (tipo M6C)
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Microscopia eletrônica de varredura (SE e BSE) : ABC III
SE – Nital 3% - Aumento: 3000x
BSE – Nital 3% - Aumento: 3000x
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Identificação dos carbonetos (EDS): ABC III
Carbonetos constituídos principalmente por V (tipo MC)
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Identificação dos carbonetos (EDS): ABC III
Carbonetos constituídos principalmente por W (tipo M6C)
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Propriedades mecânicas:
Dureza Vickers
(HV10)
Limite Resistência
(MPa)
Limite Escoamento
(Mpa)
Alongamento %
(A080)
AISI M2
249,8
781
398
14,6
ABC III
242,6
795
421
14,9
Observa-se grande similaridade nos resultados encontrados.
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Ensaio de dilatometria: AISI M2 e ABC III
160
120
815°C
Dilatação (mm)
880°C
80
40
0
Material: Aço ABCIII
l0=11,52mm
Taxa de aquecimento: 1°C/s
200°C
-40
0
200
400
600
T (°C)
800
1000
Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:
Ensaio de dilatometria:
Resumo
Tx. Aq. (ºC/s)
Ac1 (ºC)
Ac3 (ºC)
Ms (ºC)
AISI M2
1
825
880
250
ABC III
1
815
880
200
Endurecimento por deformação: Laminação a frio
Curvas de Endurecimento por Deformação
Dureza (HV10)
355
345
335
325
315
305
ABC III
295
M2
285
275
265
255
245
235
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Redução (%)
Curvas de amolecimento:
Curvas de Amolecimento - 1 hora
Dureza (HV10)
340
330
320
310
300
ABC III
290
M2
280
270
260
250
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Tem peratura (ºC)
Nota-se na etapa final de amolecimento uma maior resistência do aço
ABC III.
Curvas de recozimento isotérmico após 25% de deformação:
Recozimento Isotérmico - 750 ºC
Dureza (HV10)
325
320
315
310
305
300
295
ABC III
290
M2
285
280
275
270
265
260
255
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Tem po (m in.)
Nota-se que o aço AISI M2 apresenta recuperação e recristalização
levemente mais rápidas em comparação ao aço ABC III.
Análise com difração de elétrons retroespalhados : Microtextura
Aço ABC III – recozido a 750 ºC por 1 hora
Nota-se a presença de precipitados (regiões
escuras) de grãos recristalizados e de subgrãos.
Evidências de recristalização incompleta.
Análise com difração de elétrons retroespalhados : Mesotextura
Aço ABC III – recozido a 750 ºC por 1 hora
Presença de contornos de alto ângulo (linhas
escuras) e contornos de baixo ângulo (linhas
vermelhas).
Evidências de recristalização incompleta.
Efeito da presença de partículas na recristalização:
O comportamento da recristalização de uma liga contendo
precipitados indeformáveis plasticamente depende basicamente do
diâmetro médio das partículas e do espaçamento interpartículas.
Durante a deformação de uma liga com partículas grosseiras
(maiores do que 1 µm) e indeformáveis, ocorre uma deformação
acentuada nas vizinhanças dos precipitados, pois a deformação é
acomodada somente na matriz. A nucleação da recristalização é
favorecida nessas regiões devido à alta desorientação do reticulado.
Partículas com diâmetro médio inferior a 1 µm e homogeneamente
distribuídas, causam maior homogeneidade na distribuição de defeitos e
ancoramento dos sub-contornos. Esses dois efeitos podem dificultar a
nucleação da recristalização.
Efeito da presença de partículas na recristalização:
Outro parâmetro importante na análise do efeito de dispersões de
partículas na recristalização é a distância média entre precipitados.
Partículas maiores tem efeito retardador quando é pequeno o
espaçamento entre elas, sendo que, a medida que o espaçamento
aumenta, o efeito passa a ser acelerador.
Pode-se concluir que o único caso em que a presença de soluto ou
impurezas acelera a recristalização é quando eles estão presentes na
forma de partículas grosseiras (suficientemente espaçadas) antes da
deformação e do recozimento. Dispersões finas de precipitados
presentes antes da deformação ou precipitação durante a recuperação
ou a recristalização atrasam a recristalização.
Efeito da presença de partículas na recristalização
Pode-se supor que os carbonetos primários presentes nas
microestruturas dos dois aços estudados neste trabalho podem, devido
às suas dimensões, atuar como estimuladores da recristalização ao seu
redor. Por outro lado, o pequeno espaçamento entre precipitados e a
eventual precipitação durante o recozimento após a deformação a frio
podem contribuir para atrasar a recristalização.
A maior resistência ao amolecimento apresentada pelo aço ABC III,
em comparação com o aço AISI M2, pode ser explicada pelo seu teor
mais alto de carbono. Conforme foi mencionado anteriormente, o menor
espaçamento entre partículas e a ocorrência de precipitação durante a
recuperação podem atrasar a recristalização.
CONCLUSÕES
As análises microestruturais dos aços ABC III e AISI M2 no estado
“como recebido” mostram que, tanto a morfologia quanto a distribuição
dos carbonetos são diferentes entre os dois aços.
Os dois aços apresentaram curvas muito similares de endurecimento
por deformação.
Durante o recozimento das amostras encruadas, verifica-se que o
aço AISI M2 apresenta recuperação e recristalização levemente mais
rápidas quando comparado com o ABC III.
A análise das curvas de amolecimento mostrou que na etapa final do
amolecimento, ou final de recristalização, os dois aços apresentam
diferenças significativas.
Utilizando-se análises por difração de elétrons (microtextura e
mesotextura) observou-se que o aço ABC III apresenta recristalização
incompleta, quando recozidas a 750 ºC por 1 hora.
Muito obrigado pela
atenção!
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