ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA APLICAÇÃO DE UMA CAMADA DE GRAFITA NO
TRATAMENTO TÉRMICO SUPERFICIAL DO AÇO AISI M2 COM LASER DE CO2
DE BAIXA POTÊNCIA
J. L. dos Reis1, G. de Vasconcelos2, L.C.M. Lavras2, OD. Abreu2, A.F. Ferreira1
1Instituto Tecnológico de Aeronáutica
ITA-CTA
2Instituto
de Estudos Avançados IEAV-CTA
São José dos Campos - SP
RESUMO
Neste trabalho apresenta-se a utilização de um laser de CO2 (50W) para tratar termicamente a superfície de aços AISI M2. Um inconveniente neste processo,
é que a superfície do aço reflete cerca de 90% da radiação incidente (10,5µm). Para minimizar esta reflexão, aplicou-se na superfície do aço, um material que atua
como um absorvedor da radiação incidente, para em seguida, transferir parte do calor absorvido a superfície do aço. As alterações micro-estruturais, ocorridas no
aço, em conseqüência da transferência de calor a partir da camada absorvedora, foram avaliadas através de microscopia ótica (MO) e análise de microdureza
(MD). Por MO observou-se na secção transversal da região tratada por laser a presença de uma camada mais clara que o núcleo da amostra, com espessura da
ordem de 30µm e por MD constatou-se que esta camada possui dureza cerca de 30% maior que as regiões sem tratamento com o laser.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
INTRODUÇÃO
Na Fig. 4, a parte escura corresponde a resina de baquelite utilizada no embutimento, logo após, começa a
delinear uma região mais clara , correspondente a região afetada pelo processamento a laser e a região em
seguida, levemente mais escura corresponde ao interior da amostra de AISI M2, respectivamente.
O tratamento térmico de metais e ligas baseia-se no aquecimento local da superfície de interesse pela exposição
a uma determinada radiação, seguido de um rápido resfriamento desta superfície. O tratamento térmico de aços com
laser por analogia a outros tipos de tratamentos térmicos consiste na formação de uma estrutura austenítica no estágio de
aquecimento e sua subseqüente transformação em martensita em um estágio de resfriamento [1]. Para aumentar a dureza
e a absorção de energia, diversos recobrimentos de materiais absorvedores da radiação incidentes são comumente
utilizados, tais como grafite e disiliceto de molibdênio sob a forma de uma fina camada de pintura sobre a superfície a
ser tratada termicamente. A aplicação de uma fina camada destes absorvedores, fazem com que cerca de 90% da
radiação incidente do laser seja absorvida pelo aço, contribuindo sensivelmente para a redução da potência do
equipamento necessário ao processamento de interesse. O presente trabalho avalia o comportamento de uma superfície
de um aço AISI M2, previamente recoberta com uma camada da ordem de 200 micrometros de uma solução de grafita
diluído em álcool etílico, irradiada por um laser CW de CO2 de 50W e diâmetro de feixe de 30 micrometros. Neste
trabalho a microdureza superficial será correlacionada as alterações de fases estruturais, através de ensaios em um
microdurômetro e em um difratômetro de raios-X, respectivamente.
A Figura 5 apresenta o
resultado da aná
análise de
microdureza.. Os resultados
microdureza
indicam um aumento da
ordem de 30% da dureza
superficial na camada de 30
micrometros apó
após aplicaç
aplicação
da soluç
solução de grafite atravé
através
do laser de CO2.
PRINCIPAIS VANTAGENS DO TRATAMENTO SUPERFICIAL A LASER
Permite obter a combinação de altas resistências ao desgaste e dureza na superfície, com
ductilidade e tenacidade no núcleo da peça,
1400
Controle exato da região sobre a qual deseja-se trabalhar, minimizando a amplitude dos efeitos
térmicos ou termoquímicos,
1200
Dureza em Vickers ( Hv 0,01 )
Reduz a quantidade de resíduos poluentes,
Favorece a criação de processo automatizado para aplicação,
Velocidade do processo,
Viabiliza o tratamento de materiais diferentes (cerâmica/metal).
EXPERIMENTAL
1000
800
I=70KW/cm²;N=3;V=200mm/s
I=20KW/cm²;N=10;V=200mm/s
I=20KW/cm²;N=15;V=200mm/s
AISI M2 sem aplicação do laser
600
400
I= Intensidade de Potência do Laser
N= Número de ciclos de aquecimento
V= Velocidade do feixe de laser
200
0
0,01 0,02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0,1 0,11
O material particulado utilizado neste trabalho, foi obtido a partir de cavacos gerados a partir da usinagem de um
tarugo de grafita, que em seguida foi triturado em moinho de bolas por via úmida. Após a secagem em forno elétrico,
efetuou-se a classificação e separação das partículas por peneiramento.
Preparou-se uma solução com as partículas maiores que 0,037mm e menores que 0,044mm, adicionando-se
carboximetilcelulose (CMC) na proporção de 1% da massa de grafite e 15ml de álcool etílico PA como solvente.
Aplicou-se, por meio de uma pistola pneumática, uma camada uniforme da ordem de 200 micrometros da solução
preparada na superfície do corpo de prova.
As amostras de AISI M2 de 7x10x30 mm3 (Fig. 2) recobertas com esta fina camada de grafita foram irradiadas com
um feixe de laser de CW de CO2 marca SYNRAD J48-50W (Fig. 1). Os principais parâmetros do processo são:
Intensidade do feixe de laser em W/cm2, velocidade de varredura do feixe em mm/s e tempo de exposição a radiação laser
em segundos.
--
Profundidade (mm)
O patamar no gráfico está associado a camada
de maior dureza gerada pela ação laser.
Intensidade ( Unidades Arbitrárias)
5000
Desenho esquemático
do processo.
Revestimento
de carbono
Sem tratamento com laser
Tratado com laser de CO 2
4000
3000
Fe Fe C
3
Fe
Fe, C
2000
Revestimento
de carbono
1000
Figura 1: Laser de CO2 utilizado para irradiar as amostras
metálicas.
Fe
Fe
Fe3C
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
2θ (Graus)
DRX da região tratada com laser, identificando as principais fases cristalográficas
Figura 2: Corpo de Prova de AISI M2 após a aplicação da
solução de grafite.
Após irradiadas, conforme apresenta a Fig. 3, as amostras foram embutidas em resina de baquelite, polidas
manualmente através de lixas e solução de diamante até 3micrometros e em seguida, fez-se medidas de microdureza na sua
secção transversal à superfície irradiada. Os resultados da análise de microdureza antes e após o tratamento com laser são
apresentados na Figura 5.
Figura dos cps
A Figura 3 apresenta:
02 corpos de provas com grafita aplicada em toda sua
extensão,
01 corpo de prova sem aplicação e
01 corpo de prova apresentando a região irradiada com o
feixe de laser.
CONCLUSÃO
A aplicação de revestimentos absorvedores da radiação incidente, possibilitou o uso de um equipamento de
baixa potência e de baixo custo, para promover tratamento térmico do aço AISI M2.
O tratamento térmico com laser proporcionou um aumento da dureza da superfície do AISI M2 da ordem
de 30% quando comparado ao núcleo da amostra. Associa-se a têmpera o principal mecanismo de elevação da
dureza superficial por não ocorrer sensível aumento de intensidade da fase Fe3C.
BIBLIOGRAFIA
1)
MEI , P.R. & BRESCIANI Fº , E. – Metalurgia , ABM, vol. 40 , nº 323, Outubro de 1984, p. 565.
2)
L.ªDobrzanskia , M.Boneka, E. Hajduczeka - Journal of Materials Processing Technology 164-165 (2005) 1014-1024
3)
Aços e ligas especiais – André Luis da Costa e Silva e Paulo Roberto Mei – ELETROMETAL
4)
Descobrindo os Tratamentos Superficiais – Marcos Vskevicius – Editora Komedi