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ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA DUREZA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE REVENIMENTO DE UM AÇO RÁPIDO

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Academic year: 2021

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ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA DUREZA EM FUNÇÃO DA

TEMPERATURA DE REVENIMENTO DE UM AÇO RÁPIDO

Rany Fabio Fonseca Alves, Manoel Quirino da Silva Júnior

Resumo: Neste trabalho estudou-se o comportamento da dureza do aço rápido com base na variação da temperatura de revenimento, com o intuito de apontar qual a temperatura de revenimento mais indicada para ter um aço rápido com uma maior dureza. Utilizando corpos de prova retirados de brocas de aço rápido, foi feito um tratamento térmico de têmpera a uma temperatura de 1000°C e cinco temperaturas de revenimento 600°C, 500°C, 400°C, 300ºC e 200ºC, além da análise de uma amostra com apenas o tratamento de têmpera. Após o ciclo de tratamento térmico os corpos de prova passaram por um processo de embutimento, lixamento e polimento. Para colher os valores de dureza, foram feito 10 ensaios de microdureza em cada corpo de prova, no qual pode se plotar uma curva em um gráfico (dureza x temperatura de revenimento), onde foi observado um comportamento incomum em uma dada faixa de temperatura comparado aos outros aços. Palavras-chave: dureza; aço rápido; temperatura; revenimento.

1. INTRODUÇÃO

O aço tem tomado o papel mais importante na indústria desde o período da revolução industrial até os dias de hoje, com a busca crescente de ferramentas que pudessem ser utilizadas por períodos mais longos com solicitações mais severas e com melhor desempenho.

Um aço que desempenha esse papel muito bem e que já é bem conhecido na indústria mecânica são os aços rápidos, basicamente empregados na fabricação de ferramentas de corte, normalmente quando se deseja corte à grande velocidade e com pesados avanço. Apesar da diversidade de composições químicas empregadas, o aço rápido tem basicamente uma composição típica de: 20% de tungstênio, 9% de molibdenio, 5% de vanádio, 0,7% de carbono e o resto de ferro[1]. Alguns ainda apresentam adição de 5 a 8% de cobalto proporcionando maior resistência ao desgaste, que são geralmente utilizadas em brocas.

Presente em grande número no setor de usinagem devido a sua característica mais comum, a capacidade de manter dureza elevada a altas temperaturas, normalmente superior a 58 HRC a 550 °C e a 55 HRC a 600 °C [2]. Com tudo essa característica pode sofrer interferência no momento da sua fabricação já que quando passado pelo revenimento, tratamento térmico posterior a têmpera que tem função de aliviar pressões internas e atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, causando diminuição na dureza à medida que a temperatura de revenimento é elevada. Porém alguns aços rápidos, principalmente os da serie M e T (aço contendo molibdênio e tungstênio), quando observados o gráfico de dureza x temperatura de revenimento apresentam um comportamento incomum, diferente dos outros aços, já que com a elevação da temperatura de revenimento esses aços podem aumentar sua dureza, esse comportamento e conhecido como endurecimento secundário [1].

Com base nesse comportamento incomum, duvidas são levantadas. Qual a faixa de temperatura que o endurecimento secundário estar mais presente? Qual seria a temperatura de revenimento onde teríamos uma maior variação de dureza?

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Ao passar pelo tratamento térmico de revenimento, para se atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, os aços tendem a reduzir sua dureza [2]. Com tudo nos aços rápidos, em certa faixa de temperatura de revenimento, essa curva dendê a subir, aumentando sua dureza. Essa característica presente nos aços rápidos é conhecida como endurecimento secundário, causado pela combinação de dois processos: a transformação da austenita retida em martensita, durante o resfriamento no revenimento e pela precipitação de uma dispersão extremamente fina de carbonetos de elementos de liga, contendo principalmente vanádio, tungstênio e molibdênio [2]. Na Figura 1 podemos notar essas características citas a cima.

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO - UFERSA CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA

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Figura 1. Gráfico de dureza x Temperatura de revenimento. [3]

2.1 AÇOS RÁPIDOS

A designação “aço rápido” se deve ao fato de, na época do seu desenvolvimento, ter proporcionado um aumento significativo nos valores de velocidade de corte e taxas de desbaste utilizadas até então pelos outros aços ferramentas. As velocidades de corte puderam ser aumentadas em uma ordem de grandeza: de 3 a 5 m/min com ferramentas de aço carbono para 30 a 35 m/min com os aços rápidos. Sua diferenciação é justificada pela característica de manter elevadas durezas normalmente superiores a 58HRC a 500°C e a 55HRC a 600°C [2]. Além disso, podem alcançar valores em torno de 1000 HV (65-70 HRC) em temperatura ambiente [5].

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Figura 2. Gráfico de Dureza X Temperatura de revenimento, com variação na temperatura de têmpera.

Com uma criação aparentemente acidental de Robert F. Mushet em 1868, quando um aço misturado ao tungstênio foi resfriado ao ar e acabou endurecendo mais que o comum. Os aços rápidos HSS foi por muito tempo o principal aço utilizado nas serras, brocas, fresa, mandris, alargadores e bits. Porém com o aumento constante da automação industrial fez com que aumentasse também o uso do carbeto de tungstênio sinterizado para o mesmo fim. Entretanto, em razão do menor custo de produção, os aços rápidos continuam ocupando um lugar de destaque no mercado mundial.

2.2 TRATAMENTOS TÉRMICOS

Tratamento térmico é um conjunto de operações de aquecimento e resfriamento, em condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de esfriamento, a que são submetidos os aços com o objetivo de mudar sua microestrutura e alterar suas propriedades mecânicas conforme seja requerida [1].

2.2.1 TÊMPERA

A têmpera consiste no aquecimento do aço ate sua temperatura de austenitizaçao, seguida de um resfriamento rápido em óleo, água ou ate mesmo pelo ar, processo esse representado na Figura 3. O seu meiode resfriamento depende da endurecibilidade do aço (teor de carbono e presença de elementos de liga) e das dimensões da amostra submetida a têmpera. Já que o importante é a obtenção da estrutura martensítica [1]. Através desse tratamento térmico o aço tem um aumento na sua dureza, porem como o resfriamento utilizado na têmpera é muito brusco, há um aumento também nas pressões internas do material além da diminuição da sua tenacidade e resistência mecânica.

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Figura 3. Transformação da microestrutura na têmpera. [2]

2.2.2 REVENIMENTO

Tratamento térmico normalmente feito após o tratamento de têmpera. O revenimento é feito para aliviar ou eliminar as pressões internas, corrigir as excessivas dureza e fragilidades do material tornando mais dúctil e resistente ao choque [1,6]. Na operação de revenimento não importa apenas sua temperatura, seu tempo de permanência no tratamento também é de extrema importância podendo modificar algumas propriedades do aço, por exemplo, a dureza, como mostrado na Figura 4.

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Figura 4. Variação da dureza em função do tempo de revenimento. (Site Mecânica de Fabricação)

2.3. ENSAIO DE DUREZA

Utilizando uma carga de no máximo 1kgf, o teste de microdureza consiste em imprimir uma cavidade utilizando um diamante muito pequeno no formato piramidal (microdureza Vickers), Figura 5 e 6, ou piramidal alongado (microdureza Knoop) sobre uma superfície de um material. Os equipamentos utilizados atualmente possuem um software de análise automática dessa cavidade, medindo suas diagonais (A) e indica diretamente os valores de dureza. O teste deve ser realizado mais de uma vez na superfície da mesma amostra, e assim ter uma média dos valores para ter maior precisão [6].

Figura 5. Cavidade no formato piramidal imprimida na superfície de uma amostra de aço. [8]

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Figura 6. Impressão do endentador Vickers. [9]

2.4. MÉTODO

No presente trabalho, seis corpos de provas foram cortados de uma broca de aço rápido HSS, por um disco de corte abrasivo. Com os corpos de prova cortados, um tratamento térmico de têmpera é feito, a têmpera consistiu em duas etapas: o aquecimento, que consiste em aquecer o forno até atingir a temperatura de 1000 °C e depois o corpo de prova foi colocado no forno durante um tempo de 10 minutos (B), o resfriamento rápido, onde foi utilizando um óleo para têmpera (D,E). Processo esse mostrado na Figura 7.

Figura 7. Tratamento de têmpera a 100 °C. (Autoria própria)

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Concluído a têmpera os corpos de prova são submetidos a um tratamento térmico de revenimento. Durante esse processo, cada corpo de prova passou por uma determinada temperatura, são elas, 600°C, 500°C, 400°C, 300°C e 200°C durante uma hora, resfriando rapidamente em óleo para têmpera.

Após os tratamentos térmicos, cada corpo de prova passou pelo processo de embutimento a frio, Figura 8, que consiste na colocação do corpo de prova em um molde de borracha (F), depois uma mistura de resina plástica e 25 gotas de um catalisador para resina poliéster é feita e despejada nos cincos moldes (G), depois de aproximadamente 120 minutos a mistura se solidifica e os corpos de provas embutidos são retirados dos moldes (I).

Figura 8. Embutimento dos corpos de prova. (Autoria própria)

Com o processo de embutimento realizado, a próxima etapa é o processo de lixamento. Utilizando uma politriz metalográfica e lixas de grana 180, 220, 320, 400, 500, 600, 800, 1000 e 1200 as amostras são lixadas, girando a amostra 90 graus toda vez em que a lixa era trocada, até apresentarem uma superfície perfeitamente plana e lisa. Depois foi feito o polimento em alumina 1µm.

Com os corpos de prova devidamente preparados, os testes de microdureza foram feitos seguindo a norma [10]. Utilizando um sistema para análise de microdureza, foram colhidas 10 valores de dureza para cada corpo de prova, formando uma planilha e utilizando esses valores para ser feito uma plotagem no Excel e um gráfico, que relaciona dureza do aço rápido com a temperatura de revenimento.

2.5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Com impressões piramidais bem definidas, mostrado na Figura 9, foi possível testar as durezas das seis amostras obtendo uma tabela com os deis ensaios para cada temperatura, Tabela 1. Podemos perceber que realmente um corpo de prova com apenas o tratamento térmico de têmpera tem uma elevada dureza e quando o tratamento de revenimento é feito a dureza do corpo de prova diminui ate chegara a certa faixa de temperatura de 400°C /500°C onde sua dureza é elevada, região onde acontece o endurecimento secundário. Essa característica é observada na Tabela 1, quando da temperatura 0°C a 200°C a dureza tem uma queda e a partir da temperatura de 300°C a dureza começa a aumentar ate atingir um valor de 847,9 HV (dureza na escala Vickers) na temperatura de 400°C.

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Figura 9. Imagem microscópica da impressão do endentador da microdureza Vickers. (Autoria própria)

Temperatura de Têmpera

Temperatura de revenimento

Dureza do Aço rápido (Vickers)

Ensaio Ensaio Ensaio Ensaio Ensaio Ensaio Ensaio Ensaio Ensaio 10º Ensaio Média 1000°C 0°C 882 809 833 847 898 864 890 945 938 1087 899,3 1000°C 200°C 846 799 709 701 700 621 635 731 750 683 717,5 1000°C 300°C 809 782 749 766 785 831 793 706 678 712 761,1 1000°C 400°C 914 840 850 877 926 870 801 690 816 913 849,7 1000°C 500°C 895 889 848 793 623 827 620 771 903 686 785,5 1000°C 600°C 738 669 681 726 687 694 720 708 681 764 706,8

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Figura 10. Dureza do aço rápido a diferentes valores de temperatura de revenimento.

Comparando a Figura 10, obtida através dos valores colhidos nos testes de microdureza, com a Figura 2 que foi retirada da literatura. É notado o mesmo comportamento, porem uma pequena variação na temperatura onde acontece o endurecimento secundário. Na Figura 10 o endurecimento secundário acontece a 400°C já na Figura 2, ele acontece a 500°C.

3. CONCLUSÕES

Com base neste trabalho, pode-se notar que o tratamento térmico de revenimento tem influência no valor de dureza de todos os aços, ou seja, quanto maior a temperatura de revenimento menor vai ser a dureza desse aço. Com tudo, foi destacado a sua influencia nos aços rápidos, onde acontece um comportamento incomum, chamado de endurecimento secundário, que é um aumento da sua dureza em certa faixa de temperatura de revenimento.

Quando comparado o gráfico da literatura com o gerado através dos valores obtidos nos testes de micro dureza, observou que o endurecimento secundário, na literatura, acontece a 500°C aproximadamente já no experimento realizado ele aconteceu a 400°C. Uma explicação para isso é a escolha da temperatura de têmpera e o tempo de tratamento térmico, já que esses fatores influenciam no valor de dureza dos aços. Outro motivo é o tipo de aço rápido, já que existem variações na sua composição química e isso também interfere na sua dureza.

Portanto podemos concluir que a dureza do aço rápido pode ser alterada conforme seja desejada, variando simplesmente a sua temperatura de revenimento. Para ferramentas que necessitem de uma elevada dureza em altas temperaturas, por exemplo bits, serras e brocas, o ideal é que sejam revenidas a uma faixa de temperatura entre 400°C e 500°C, já ferramentas que precisem ter um uma maior tenacidade o ideal é um revenimento a 200°C. Proporcionando uma maior vida útil a ferramenta.

899,3 717,5 761,1 847,9 785,5 706,8 0 250 500 750 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 D u re za (H V) Temperatura de Revenimento (°C)

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4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CHIAVERINI, VICENTE. Aços e Ferros Fundidos. São Paulo, 2012.

[2] SILVA, A. L. V. C; MEI, P. R. Aços e Ligas Especiais. São Paulo, SP. Editora Edgard Blucher, 3ª ed. 2010.

[3] TECNOLOGIA DE CONTROLE NUMÉRICO - MATERIAIS DE FERRAMENTAS. Grima.ufsc.

Disponível em: < http://www.grima.ufsc.br/cnc/transparencias/usinagem/Aula7_MateriaisDeFerramentas_v1.pdf

>. Acesso em: 10 de março de 2019.

[4] ROBERTS, G. A.; GARY, R. A. Tool steels. 4th ed. Russel Township: Metals Park, American Society for Metals, 1980. p. 628-791.

[5] HOYLE, G. High speed steels. Cambridge, London: Butterworth & Co, 1988. 222 p.

[6] CHIAVERINI, VICENTE. Tecnologia Mecânica - Processos de Fabricação e Tratamento. São Paulo: McGarw-Hill, 2007.

[7] CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D.G. Mechanical properties of metals. In: ______, Materials Science and Engineering: an introduction. 8 ed. New Jersey: John Wiley and Sons, Inc, 2010, p.150-195.

[8] FIGURA. Researchgate.Disponível em:<

https://www.researchgate.net/figure/Figura-5-Imagens-de-microscopia-ptica-de-impresses-de-dureza-Vickers-realizadas-nas_fig4_309541520>. Acesso em 25 de março

de 2019.

[9] TESTE DE MICRODUREZA. CIMM. Disponível em:

https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6560-teste-da-microdureza#.XJlw2slKjMw. Acesso em 25

de março de 2019.

[10] NORMA TÉCNICA

ASTM D1474.

[11] AÇO RAPIDO M2. Serra Metal – Aços Especiais. Disponível em:

<http://serrametal.com.br/aco-m2/

>.

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