Desgaste e encruamento nos aços Hadfield Siderurgia Brasil — Edição 70
O presente artigo avalia a influência dos elementos de liga na resistência ao desgaste e encruamento nos aços Hadfield.
Guilherme da Rocha Lima, Carlos Alberto Soufen, Momotaro Imaizumi, Luiz Eduardo de Ângelo Sanchez e Hamilton José de Mello*
O aço austenítico manganês, descoberto inicialmente por Robert Hadfield, em 1882, conhecido atualmente como aço Hadfield, continha em sua configuração inicial 12% de manganês e 1,2% de carbono. Apresentando grande resistência ao desgaste, provavelmente o maior na categoria de aciaria, ganhou rápida aceitação no mercado, sendo então propostas várias alterações em sua composição, como a introdução de vários elementos de liga, como o vanádio, molibdênio, titânio, enxofre, fósforo, cromo, níquel, entre outros. Este trabalho investigou a influência dos elementos de liga na resistência ao desgaste e no encruamento sofrido por esse material, em quatro composições que se diferenciam nos elementos de liga e em suas porcentagens. A resposta foi uma grande resistência ao desgaste da liga contendo titânio, entretanto esta não apresentou a maior profundidade de camada encruada.
1. Introdução
O aço Hadfield apresenta baixa resistência e alta ductilidade e uma microestrutura que consiste de austenita metaestável. É também extremamente importante sua habilidade de encruamento: de uma dureza inicial de 240 HB, atinge aproximadamente 500 HB (51 HRC). O reticulado é cúbico de face centrada (CFC) e apresenta sistemas equivalentes de deslizamento e
deformação, o qual é igualmente provável em toda a estrutura, e rapidamente causa
empilhamento das deslocações. Como o processo é continuo o aumento da dureza afeta o metal, produzindo aumento da resistência à abrasão. Então, o melhor desempenho do aço manganês é obtido quando as condições externas de uso causam extremo encruamento da superfície do componente, motivando o uso em aplicações que requerem alta resistência à abrasão e desgaste. No caso de acontecer uma trinca da camada encruada em serviço, esta será rapidamente contida porque a camada interna não é encruada, e sim tenaz.
Um teor em carbono mais baixo ajuda evitar a redução da resistência à tração e ductilidade, gerada pela dificuldade em manter todo o carbono em solução sólida. [Avery, 1954]. O ideal é que a porcentagem de carbono fique em torno de 10% da porcentagem de manganês. Este apresenta uma contribuição vital na estrutura cristalina, pois atua atrasando a austenita de forma que, na temperatura ambiente, esse material seja austenítico [Avery, 1949]. Uma
segunda consideração é a influência de substâncias químicas menores constituintes sobre a propensão à formação de fratura durante a solidificação de uma liga fundida. Normalmente, a suscetibilidade à sua formação durante a solidificação aumenta com o aumento no intervalo de congelamento da liga, como ocorre quando enxofre (S) e fósforo (P) estão presentes. No entanto, tem-se mostrado teoricamente que os elementos que formam carbonetos sólidos altamente estáveis, como por exemplo o titânio, podem ser benéficos em reduzir a fração de volume de líquido eutético residual durante o congelamento e, assim, tornar o produto menos propenso à formação de trincas [Smith, 2004].
Muitas variações do original aço austenítico manganês têm sido propostos, muitas vezes inaproveitados. Algumas foram adotadas com melhorias significativas e geralmente envolvem variações de carbono e de manganês, com ou sem outras ligas, como cromo, níquel,
molibdênio, vanádio, titânio e até bismuto.
Este trabalho tem o objetivo de verificar se as variações dos elementos de liga do aço austenítico Hadfield, especificamente em quatro composições, influenciam o encruamento produzido pelo processo de usinagem e a resistência ao desgaste.
2. Procedimento Experimental.
A tabela 01 mostra a composição do material utilizado.
Tabela 01 – Relação entre as referências das amostras com suas respectivas composições. As amostras foram submetidas aos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento. A solubilização é o aquecimento em forno do tipo mufla, nas temperaturas de 1080ºC ± 10ºC, com manutenção de duas horas e resfriamento em água agitada em temperatura ambiente. Já o envelhecimento é feito na temperatura média de 510ºC, com manutenção de três horas e o resfriamento é feito ao ambiente.
Para produzir o encruamento nos corpos de provas, estes foram submetidos ao processo de aplainamento, utilizando uma plaina comum, da marca Esztergom, de fabricação húngara, cuja retirada foi de um milímetro de material. O material usinado foi preparado para análise
metalográfica, sendo feito o corte transversal ao procedimento de aplainamento, embutimento, lixamento e polimento. Neste processo foram utilizadas lixas d’água de granulometria
decrescente, iniciando com 80 mesh e a seguir com 120, 220, 320, 400, 500, 600 e 1200 mesh. Usou-se água corrente sobre as lixas e, na mudança de granulometria, mudou-se de direção de lixamento de aproximadamente 90° em relação à direção anterior. A operação em cada lixa foi feita até o desaparecimento completo dos riscos deixados pela lixa anterior.
O polimento foi feito utilizando uma solução de alumina de 1 μm e um pano para polimento modelo com 200 mm, durante aproximadamente três minutos, ou até o desaparecimento
completo dos riscos deixados pela lixa 1200. Após o polimento, cada peça foi lavada em água corrente, e sua superfície aspergida com álcool etílico 98% e secada com um secador de cabelo comum.
A preparação final para a microscopia foi o ataque da superfície com um reagente químico. Utilizou-se nesse processo uma solução de 40 ml de ácido clorídrico (HCl), com 5 g de ácido pícrico sólido dissolvido em 20 ml de água destilada. Cada peça foi mergulhada nesta solução por um tempo entre 20 e 25 segundos e, posteriormente, lavada em água corrente, e sua superfície atacada foi aspergida com álcool e secada.
A metalografia foi executada em duas etapas: na primeira, foram extraídas imagens através de um microscópio óptico e, na segunda, as imagens foram obtidas através da microscopia
eletrônica de varredura.
Os ensaios de desgaste aconteceram com os corpos de prova em formato cilíndrico, cuja altura e diâmetro são de dez milímetros cada. Para este ensaio, as amostras foram submetidas ao processo de pino sobre disco, obtendo-se como resultado a perda de massa em cada minuto do processo.
O ensaio foi realizado utilizando três corpos de prova de cada uma das quatro composições do aço manganês austenítico e mais dois tipos de aços de composições diferentes daquela do material do qual estava sendo analisado: aço 4340 e aço 8640. Esse procedimento foi adotado para se obter um parâmetro de comparação entre o aço Hadfield e estes dois aços citados. O disco, contendo uma lixa de granulometria de 80 mesh, apresentava giro com frequência de 50 rpm, tendo um raio de 10,6 cm. O braço utilizado no movimento das amostras apresentava um raio de 8 cm e período de translação de 2 s, movimentando a amostra sobre o disco. Dessa forma a velocidade linear média das amostras é 33,3 m/min (metros por minuto).
3. Resultados e discussão
As figuras de 01 a 04 são resultados da microscopia óptica das amostras do aço Hadfield nas quatro composições estudadas. A figura 05 mostra a perda de massa em função do tempo para o ensaio de desgaste do aço Hadfield nas quatro composições estudadas e nas duas composições adotadas como parâmetro de comparação. As figuras de 06 a 09 são resultados da microscopia eletrônica de varredura, realizada nas quatro composições estudadas.
Uma característica importante, que pode ser discutida através dessas imagens, é o tamanho de grão de cada referência. Dentre as amostras em questão, as referências 610 e 710
apresentam os maiores tamanhos de grãos, seguidas pela 520, que apresenta tamanho de grão menor que as duas anteriores, embora essa diferença não seja tão acentuada. Por fim, a referência 720 destaca-se apresentando tamanho de grão bastante reduzido em relação às demais. Comparando-a com a referência 520, que é a mais próxima em tamanho de grão, o aço Hadfield 720 apresenta certa homogeneidade em tamanho e formato dos grãos, de acordo com a figura 04.
É sabido que o tamanho do grão influencia as propriedades mecânicas do material [Yan, 2007]. Assim, um material com grãos mais finos possui maior resistência mecânica e tenacidade do que um material com grãos grosseiros, pois os primeiros possuem maior número de contornos de grão. Sendo assim, pode-se concluir que o aço Hadfield 720 apresenta maior dureza
superficial em relação às quatro composições analisadas, seguido de longe pelo 520, cujos tamanhos de grãos são significativamente maiores. As composições cujas referências são 710 e 610 apresentam tamanhos de grãos muito próximos entre si, tornando-se difícil estabelecer uma relação entre eles, utilizando como único parâmetro de análise o recurso visual.
A figura 05 e a tabela 02 mostram de forma geral os resultados obtidos no ensaio de desgaste. A análise gráfica expõe um comportamento bastante diferenciado entre os aços Hadfield e os de referência (4340 e 8640), como era esperado. As amostras do aço Hadfield, nas quatro composições, apresentaram uma curva de desgaste bem menos acentuada do que a dos aços utilizados como parâmetro de comparação, evidenciando a característica de resistência ao desgaste do material. Ainda na análise gráfica, é fácil notar que as quatro referências do material trabalhado apresentaram comportamento muito próximo com relação ao desgaste abrasivo. Entretanto já é visível que a referência 720 destaca-se das demais, apresentando-se como a mais resistente ao desgaste abrasivo.
Analisando a tabela 02, que foi construída utilizando-se a média de desgaste de cada amostra ensaiada, verifica-se que a taxa de desgaste das amostras ensaiadas é realmente muito próxima. Entretanto pode-se destacar que o material Hadfield 610 apresentou a maior taxa de desgaste, sendo o menos resistente, enquanto que a referência Hadfield 720 apresenta a maior. As referências 520 e 710 apresentaram (através da taxa média) desgastes muito próximos, que na aproximação dos resultados apresentaram valores iguais. Os resultados obtidos eram parcialmente esperados, uma vez que, durante a preparação das amostras a serem ensaiadas, era notória a dificuldade em efetuar o corte e a usinagem da referência 720 em relação às demais. Espera-se que esse comportamento seja função de sua composição. A referência 720, apresenta 0,15 % de titânio em sua composição, o que pode ter contribuído para a formação de carbonetos que possivelmente tenham tornado o aço mais resistente ao desgaste e a tração [Bellon et al., 1992]. Além disso, essa composição também apresenta a mais alta porcentagem de manganês em relação às demais, o que pode ter influência nesse comportamento, através da estabilização da austenita. Todavia, espera-se que essa influência seja pequena, pois teores acima de 14% não apresentam alterações significativas em relação aos demais [Avery, 1949].
Utilizando-se da mesma figura, pode-se agora fazer uma análise entre as composições estudadas. Vê-se que, das quatro referências, duas apresentaram comportamento muito próximo, 520 e 710, enquanto a 720 e 610 ocuparam os extremos, sendo, respectivamente, a mais e a menos resistente ao desgaste.
Dos corpos de prova que demonstraram comportamentos muito próximos, a referência 520 apresenta molibdênio em sua composição, o que justifica sua baixa resistência ao desgaste, uma vez que esse elemento pode aumentar a tenacidade e a resistência à fratura, como também para valores próximos de 1%, pode aumentar a susceptibilidade à fusão incipiente, [Bain, 1956]. A referência 710, cujo comportamento é semelhante à anterior, apresenta alta taxa de manganês, em torno de 18 %, o que pode ter aumentado o limite de resistência e ductilidade, [Avery, 1954].
Já o aço, que apresentou a maior resistência ao desgaste, a referência 720, apresenta em sua composição o titânio, que pode reduzir o carbono na austenita, formando carbonetos muito estáveis, que justificam seu comportamento, tanto na resistência ao desgaste como no refino dos grãos, o que pode ser observado na figura 04 [Bellon et al., 1992].
Através das análises das imagens das figuras de 06 a 09, pode-se claramente verificar que a composição 720 apresentou a menor profundidade de camada encruada. Esse fato era
esperado em função de sua composição. Nessa composição está presente o titânio, elemento que se agrega ao carbono, formando grande quantidade de carbonetos. São estruturas
estáveis e altamente resistentes ao desgaste e que trabalham travando os possíveis
movimentos das discordâncias [Bellon et al., 1992]. As demais composições apresentaram profundidades de camada encruada muito próximas.
4. Conclusões
Das quatro composições estudadas, 520, 610, 710 e 720, a referência 720 foi a que
apresentou maior resistência ao desgaste, sendo seguida pela 710 e 520, que apresentaram taxas de desgaste idênticas e, por fim, a referência 610. Essa última foi a que apresentou menor resistência ao desgaste em comparação com as demais.
A microscopia óptica mostrou a grande influência da composição no tamanho dos grãos. A referência com maior resistência ao desgaste, a 720, apresentou menores tamanhos de grão. As demais composições apresentaram tamanhos médios de grãos, visualmente muito
próximos. Pode-se concluir que a composição influencia o tamanho de grão, mas faltam dados sobre quais elementos não geram influência, e como a porcentagem também é significativa nesse processo. Pode-se concluir também que a profundidade da camada encruada não tem relação com a resistência ao desgaste do material pois a referência que apresentou maior resistência ao desgaste não foi a que teve a maior profundidade de camada encruada.
Referências
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*Guilherme da Rocha Lima: é graduado em física pela Unesp, com pós-graduação em Usinagem de Materiais, atualmente é professor de física no ensino médio e pré-vestibular. Carlos Alberto Soufen: graduado em engenharia mecânica e civil pela Unesp, com doutorado em ciências e engenharia de materiais, atualmente é professor assistente da Unesp. Momotaro Imaizumi: graduado em engenharia mecânica pela USP, com doutorado em física, atualmente é professor assistente da Unesp. Luiz Eduardo de Angelo Sanchez: graduado em engenharia mecânica EESC-USP com doutorado em engenharia mecânica, atualmente é professor adjunto (livre-docente) da Unesp. Hamilton José de Mello: graduado em física pela Unesp, com
mestrado em engenharia mecânica, atualmente é assistente de suporte acadêmico IV na Faculdade de Engenharia da Unesp.
