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FACULDADE DE TECNOLOGIA
SENAI “NADIR DIAS DE FIGUEIREDO”
RÔMOLO HERNANDES DE MORAES
WAGNER FAUSTINO VITOR
INFLUÊNCIA DO ALUMÍNIO NA CARBONITRETAÇÃO DO
AÇO BAIXO CARBONO
OSASCO
2011
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RÔMOLO HERNANDES DE MORAES
WAGNER FAUSTINO VITOR
INFLUÊNCIA DO ALUMÍNIO NA CARBONITRETAÇÃO DO
AÇO BAIXO CARBONO
Projeto
apresentado
à
Faculdade de Tecnologia SENAI
“Nadir Dias de Figueiredo” em
Processos Metalúrgicos para
inscrição do Trabalho de
Conclusão de Curso sob a
orientação técnica do Prof.
Paulo Sérgio de Freitas e
orientação metodológica do
Prof. Roberto Sanches Cazado
OSASCO
2011
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RESUMO
Será investigada a influência de teores residuais do elemento químico alumínio nos
resultados obtidos na carbonitretação dos aços baixo carbono, quando submetidos a
diferentes ciclos. Recentemente, dificuldades têm sido encontradas, pelas empresas
prestadoras de serviços de tratamentos termoquímicos, devido aos teores elevados
de alumínio, na composição química dos aços. A pesquisa justifica-se, pois diversos
itens de segurança no setor automotivo, automobilístico e construção civil, por
exemplo, são fabricados com este tipo de material, onde uma falha pode acarretar
acidentes catastróficos. A metodologia utilizada para análise dos resultados foi à
comparação por meio de ensaio de dureza superficial e de núcleo. Também se
aplicou a microscopia ótica, para a medição da espessura das camadas obtidas e
análise microestrutural. A realização deste experimento possibilita identificar as
variações ocasionadas no processo, e encontrar parâmetros que podem minimizar o
efeito prejudicial causado pelo alumínio na carbonitretação do aço baixo carbono,
como por exemplo, o refinamento dos grãos, perda da temperabilidade e queda na
dureza. As melhorias dos parâmetros encontrados trarão efeitos significativos das
propriedades mecânicas do produto final.
Palavras - chave: Carbonitretação. Alumínio residual. Aço baixo carbono.
Refinamento dos grãos. Perda da temperabilidade.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ......................................................5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................7 2.1. USO DO ALUMÍNIO NA FABRICAÇÃO DO AÇO ........................7 2.2. AS VANTAGENS DO ALUMÍNIO NO AÇO.................................10 2.3. EFEITOS DO ALUMINIO NO AÇO..............................................10 3. OBJETIVO GERAL ............................................................................12 3.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................12 4. PLANO DE TRABALHO E CRONOGRAMA.....................................13 5. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................14 6. FORMA DE ANÁLISE DOS RESULTADOS .....................................16 7. REFERÊNCIAS ..................................................................................17 5
1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
Recentemente, dificuldades têm sido encontradas pelas empresas prestadoras de
serviços de tratamentos termoquímicos, devido aos teores elevados do elemento
químico alumínio na composição química dos aços. Com isto é observado que o
nitreto de alumínio se precipita nos contornos dos grãos, colaborando com a
formação de um produto de transformação indesejável na têmpera da camada
carbonitretada, ao invés da promoção preferencial da martensita, este produto
indesejado é a perlita fina.
Esta martensita, de elevada dureza, confere a resistência ao desgaste das camadas
cementadas e carbonitretadas. A limitação dos teores de alumino no aço visa
restringir a formação do nitreto de alumínio, sendo os teores indicados para que a
influência não se faça sentir, inferiores a 0,012% em peso.
Logo, torna-se importante a realização desta pesquisa, pois diversos itens de
segurança no setor automotivo, automobilístico e construção civil, por exemplo, são
fabricados com este tipo de material, onde uma falha pode acarretar acidentes
catastróficos.
Esperamos identificar as variações ocasionadas no processo, servindo de base para
estudos futuros de parâmetros que podem minimizar o efeito prejudicial causado
pelo alumínio na carbonitretação do aço baixo carbono, como por exemplo, o
refinamento dos grãos, perda da temperabilidade e queda na dureza.
A adição de alumínio, durante a fabricação do aço, tem a principal finalidade de
desoxidá-lo e desnitrogená-lo, é um desoxidante eficiente e de baixo custo, que
confere efeitos benéficos nos processos de conformação mecânica.
Porém, vale lembrar que teores residuais de alumínio permanecem no aço na forma
de nitreto de alumínio insolúvel, causando um efeito prejudicial às propriedades
metalúrgicas do aço, como por exemplo, a formação de perlita fina na camada
carbonitretada, refinamento de grão, causando variação de dureza superficial,
ocasionando redução significativa da qualidade e durabilidade do produto final.
A identificação destas variáveis torna-se viável, pois possibilitam a melhoria contínua
dos parâmetros de processo de tratamentos térmicos, que é de fundamental
importância para o setor e podem ser traduzidas em maior qualidade e confiança ao
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serviço prestado, consequentemente, as propriedades mecânicas do produto final
serão alcançadas, garantindo maior competitividade no crescente mercado de
prestação de serviços.
Conforme a norma DIN 17014, “A carbonitretação é um tratamento termoquímico
que, associado à têmpera, visa o endurecimento superficial do aço através da
difusão conjunta de carbono e de nitrogênio”.
Segundo MARTINEZ (2004), “O processo de
carbonitretação consiste na modificação da
composição química do material, na superfície
das
amostras,
visando
temperabilidade
nesta
a
aumento
da
região
e,
conseqüentemente, aumento da dureza que se
traduz em aumento da resistência ao desgaste
superficial dos componentes metálicos.
Os aços carbono contendo elevados teores de
alumínio podem sofrer refinamento dos grãos,
perda da temperabilidade e queda na dureza”.
Segundo NETTO, (1995), o alumínio tem efeito benéfico na performance durante a
estampagem, laminação a quente e laminação a frio, aumentando sua ductilidade.
Segundo HIRSCHHEIMER (1981), o efeito percebido, ao microscópio óptico, é a
presença de perlita fina na camada cementada e, conseqüentemente, uma dureza
superficial não uniforme, muitas vezes fora das especificações do projeto.
Vale lembrar que o produto esperado na têmpera, posterior ao enriquecimento de
carbono superficial que caracteriza a carbonitretação, é a martensita e que os
produtos de transformação indesejáveis, tais como perlita e ferrita nucleiam nos
contornos de grão.
Dessa forma, pode-se entender o porquê de um material com granulação mais
grosseira possuir temperabilidade maior do que outro com granulação mais fina,
exatamente por possuir menor número de interfaces entre os grãos.
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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. USO DO ALUMÍNIO NA FABRICAÇÃO DO AÇO
Há mais de 70 anos o alumínio tem sido utilizado por fabricantes de aço para a
desoxidação e, adicionalmente, muitos aços com baixo teor de carbono e acalmados
ao alumínio tem sido conhecidos por apresentar um aumento na resistência ao
envelhecimento após
deformação e incremento na capacidade de sofrer
estampagem profunda (MARTINEZ, 2004).
A adição de alumínio, durante a fabricação do aço, tem a principal finalidade de
desoxidá-lo e desnitrogená-lo. A presença residual de alumínio não é suficiente para
classificar o aço como aço ligado, porém, sua presença como “desnitrogenante”
reduz, sensivelmente, o fenômeno conhecido por “envelhecimento do aço”.
Os
produtos,
finamente
dispersos,
da
desoxidação
e,
principalmente
da
desnitrogenação do aço, têm grande influência sobre o tamanho dos grãos a altas
temperaturas (até cerca de 1000 °C), atuando como se fossem bloqueios
mecânicos, que limitam seu crescimento, (HIRSCHHEIMER, 1981).
O alumínio usado como desoxidante forma alumina, a qual pode tanto flotar no metal
líquido em forma de escória como permanecer no aço após solidificar-se. Esta última
pode ser reportada como alumínio insolúvel, mas algumas partículas de nitreto de
alumínio, formadas pelo excesso de alumínio, podem também aparecer como
alumínio insolúvel e o remanescente juntamente com o alumínio livre aparecem
como alumínio solúvel, (NETTO, 1995).
Nos aços acalmados, o teor de alumínio é mantido abaixo de 0.01%, enquanto nos
aços de granulação fina (5 a 8 ASTM) seu teor varia entre 0,02% e 0,06%.
Genericamente, o alumínio determina o estreitamento do campo de existência da
austenita no aço (figura 1 e 2). Em consequência disto, as temperaturas A1 e A3 são
deslocadas para valores mais altos, a solubilidade do carbono na austenita diminui e
a ferrita original permanece estável a temperaturas onde um aço isento de alumínio
já estaria sofrendo a transformação α ' γ.
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Figura 1: Diagrama Ferro-Alumínio (Fe-Al)
9
Figura 2: Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C)
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A temperabilidade dos aços contendo cerca de 1% C e baixos teores de alumínio
(até cerca de 0,1% Al) diminui sensivelmente, devido à granulação fina do aço e a
ação nucleante dos nitretos de alumínio finamente dispersos. Com teores de
alumínio mais altos, a temperabilidade aumenta novamente, alcançando, a partir de
0,5% Al e temperaturas de austenitização superiores a 800° C, praticamente a
mesma temperabilidade dos aços isentos de alumínio, (HIRSCHHEIMER, 1981).
2.2. AS VANTAGENS DO ALUMÍNIO NO AÇO
Nos aços conformados a frio, o alumínio tem seu maior efeito benéfico, no
desempenho durante a estampagem;
O alumínio também possui um efeito benéfico tanto na laminação a quente como na
laminação a frio de chapas de aço, pois confere maior plasticidade se comparado
com um aço efervescente;
Em aços laminados a frio e recozidos, a precipitação do nitreto de alumínio promove
o desenvolvimento de uma textura favorável para estampagem profunda;
A presença do nitreto de alumínio nos aços laminados faz aumentar a ductilidade e
evitar o envelhecimento após deformação ou encruamento a frio, o qual pode
aumentar a tendência de formação de fissuras e uma superfície com aparência
insatisfatória após a conformação a frio.
Vale lembrar que a cinética de precipitação do nitreto de silício é muito lenta para
indicar o silício como inibidor do processo de envelhecimento após deformação. Esta
é uma das razões pela qual o aço acalmado ao alumínio tem maior preferência que
o aço acalmado ao silício, (NETTO, 1995).
2.3. EFEITOS DO ALUMINIO NO AÇO
Basicamente, a teoria e os dados pertinentes ao nitreto de alumínio e ao
crescimento dos grãos tem sido usados para indicar os limites dos teores de
alumínio e nitrogênio que deverão ser requeridos para permitir um tamanho de grão
da ordem de 4 ASTM, que pode ser considerado um tamanho de grão grosso para
efeito de temperabilidade do material.
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O tamanho de grão de um aço, que caracteriza a granulação como grosseira e fina,
está relacionado com os parâmetros de austenitização tais como:
Ð
Tempo e;
Ð
Temperatura.
Tais parâmetros são importantes para controlar a fração volumétrica e o tamanho
das partículas de nitreto de alumínio.
Para entender os efeitos do alumínio na temperabilidade da camada carbonitretada
é necessário que se conheça duas classes de fenômenos que tem influência sobre
ele, ou seja:
Ð
O controle do tamanho de grão por partículas - a redução da área dos
contornos dos grãos e a energia da interface entre os grãos influenciam no
seu crescimento e;
Ð
A solubilidade do alumínio na matriz - a precipitação de uma segunda face em
contorno, o número de partículas precipitadas por unidade de área e o
tamanho das mesmas inibem o seu crescimento.
Outro fator importante é a solubilidade do alumínio na matriz e a precipitação do
nitreto de alumínio na interface entre os grãos. O teor de alumínio dissolvido, o teor
de nitrogênio dissolvido e a temperatura do processo têm grande influência na
solubilidade do alumínio na matriz metálica e sobre a precipitação do nitreto.
Além disso, a presença de elementos químicos residuais no aço, tais como, cromo,
molibdênio e níquel podem ser o divisor de águas entre uma transformação
satisfatória ou insatisfatória, quando se trata da carbonitretação de materiais com
elevados teores de alumínio.
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3. OBJETIVO GERAL
Identificar a influência de teores residuais do elemento químico alumínio na
carbonitretação dos aços baixo carbono.
3.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Ð
Realizar ciclos distintos de tratamento termoquímico de carbonitretação em
amostras de aço baixo carbono acalmado ao alumínio.
Ð
Analisar os resultados por meio de ensaio de dureza superficial e de núcleo,
medição de camada e análise microestrutural através de microscopia ótica.
Ð
Identificar as variações ocasionadas no processo, com base nos resultados
obtidos.
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4. PLANO DE TRABALHO E CRONOGRAMA
A realização deste cronograma obedece às etapas estipuladas em conjunto com os
orientadores Paulo Sérgio de Freitas e Roberto Sanches Cazado:
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5. MATERIAIS E MÉTODOS
O tratamento termoquímico de carbonitretação é realizado, usualmente, em
temperaturas que variam entre 820°C e 880°C, de acordo com a geometria,
profundidade da camada e características dos componentes.
O processo consiste na introdução de carbono e nitrogênio, sendo o primeiro
oriundo do gás propano (C3H8) e o segundo da amônia (NH3), ambos os gases
injetados nos fornos de atmosfera gasosa controlada. No caso dos banhos de sais,
os elementos químicos, necessários ao processo, são provenientes da composição
química dos sais fundidos. À medida que a peça é exposta ao meio carbonitretante,
o tempo e a temperatura controlam a profundidade da camada carbonitretada, uma
vez que, este processo se dá por difusão atômica. O endurecimento da camada
ocorre pela têmpera da camada, ou seja, pela transformação martensítica.
A introdução de nitrogênio confere à periferia das peças tratadas algumas
características que as diferem daquelas apenas carbonetadas:
Ð
Aumento da temperabilidade;
Ð
Maior resistência à perda de dureza pela ação do revenimento;
Ð
Aumento do teor de austenita retida após a têmpera;
Ð
Diminuição da tenacidade.
Enquanto a carbonetação a gás é perfeitamente dominada pelos parâmetros tempo,
temperatura e atmosfera carbonetante, para a carbonitretação gasosa devem-se
considerar mais duas variáveis:
Ð
Vazão de gás amônia;
Ð
Tempo de duração da adição do gás amônia.
Uma vez fixados estes cinco parâmetros, a carbonitretação gasosa poderá ser
estudada através de um modelo matemático, que na prática, significa a obtenção de
resultados repetitivos.
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Para a realização dos experimentos, utilizamos amostras de aços baixo carbono
(aço 1010) com diferentes teores de alumínio, gentilmente cedidas pelas empresas
Brasmetal Waelzholz e Aro Estamparia.
O tratamento térmico em fornos IPSEN e realização de análises laboratoriais
(insumos, equipamentos, hora/técnico), foram realizados na empresa Itaraí
Metalurgia, eliminando os custos para o estudo em questão.
Para a realização deste experimento utilizamos dois tipos de aços baixo carbono, na
forma de chapas recozidas e laminadas, com diferentes teores de alumínio em sua
composição (tabela 1):
Porcentagem em peso (%)
Liga
Espessura
Chapa (mm)
C
Si
Mn
Al
Cr
Mo
Ni
A
3,65
0,190
0,104
0,41
0,002
0,002
0,001
0,004
B
3,00
0,170
0,140
0,51
0,050
0,014
N/A
0,009
Tabela 1: Espessura das chapas e composição química (porcentagem em peso) dos aços utilizados.
Os dois aços foram carbonitretados, em forno elétrico do tipo IPSEN. A atmosfera
utilizada constituiu-se de propano, metanol e amônia. O potencial de carbono
utilizado no processo foi 1,00%.
Para determinação das temperaturas ideais do processo de carbonitretação
(temperatura de austenitização, tempo de patamar e temperatura do óleo), realizouse 14 ciclos distintos (7 ciclos para cada amostra), dos quais serão selecionados os
que apresentar maior e menor homogeneidade de camada e dureza.
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6. FORMA DE ANÁLISE DOS RESULTADOS
As amostras foram tratadas em fornos com atmosfera protetora do tipo IPSEN, com
atmosfera composta por Metanol, potencial de carbono conferido por Propano e
Nitrogênio fornecido pela adição de Amônia.
Os resultados foram analisados através dos seguintes ensaios:
Dureza superficial e de núcleo:
A dureza Vickers será utilizada na caracterização dos materiais carbonitretados.
Será utilizado equipamento modelo LEINTS, com carga de 1 kg.
Os valores serão considerados pela média de 3 resultados.
Análise metalográfica:
Camada será analisada na seção transversal.
A preparação metalográfica das amostras envolve as etapas de corte, embutimento
em resina fenólica, lixamento, polimento e ataque químico.
A microestrutura das amostras será revelada com reagente metalográfico 2%.
Esta análise será realizada com auxílio da técnica de microscopia óptica, utilizando
um microscópio óptico da marca OLYMPUS, equipado com analisador de imagens.
Também como forma de análise dos resultados, utilizamos a comparação
quantitativa dos métodos aplicados neste projeto, a fim de identificar as variações
ocasionadas no processo, que podem servir de base para encontrar parâmetros
capazes de minimizar o efeito prejudicial causado pelo alumínio na carbonitretação
do aço baixo carbono, como por exemplo, o refinamento dos grãos, perda da
temperabilidade e queda na dureza.
É importante salientar que as melhorias dos parâmetros encontrados trarão efeitos
significativos das propriedades mecânicas do produto final.
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7. REFERÊNCIAS
HIRSCHHEIMER, Luiz Roberto; Penteado, Sérgio B.. Uma visão prática da
carbonitretação a gás de peças estampadas de aço SAE 1010 comercial – a
influência do teor de alumínio do aço. São Paulo, 1981.
MARTINEZ, José Enrique Gonzales; Netto, Eliana Bezerra de Menezes. A
influência do elemento químico alumínio, presente na composição dos aços
carbono, nos resultados do processo de carbonitretação. São Paulo, 2004.
NETTO, Eliana Bezerra de Menezes. Influência do alumínio sobre a
carbonitretação de aços carbono. São Paulo, 1995.
Diagrama
Fe-Al,
disponível
em:
<http://www.infomet.com.br/diagramas-
fasesver.php?e=mostrar&id_diagrama=39&btn_filtrar=Ok>; Acesso em: 12 jun.
2011, 12:13:14.
Diagrama Fe-C, disponível em: <http://www.infomet.com.br/diagramas-fasesver.php?e=mostrar&id_diagrama=112&btn_filtrar=Ok>; Acesso em: 12 jun. 2011,
12:13:14.