REFORÇO DE SUPERFÍCIES PELA ADIÇÃO DE CARBONETOS DE TUNGSTÊNIO POR PLASMA POR ARCO TRANSFERIDO (PTA).
Tigrinho, J. J.* D’Oliveira, ASCM
* Mestrando PIPE/UFPR - joaotigrinho@ig.com.br Universidade Federal do Paraná
LaMaTS - Setor de Tecnologia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica Centro Politécnico – Caixa Postal 19011 CEP 81531-990 – Curitiba – Paraná – Brasil
RESUMO
A necessidade de prolongamento de campanha de componentes de equipamentos sujeitos ao desgaste ou, ainda, a necessidade de adaptações específicas de equipamentos levaram ao desenvolvimento de técnicas de endurecimento superficial (hardfacing) que envolvem deposição de materiais com composição química distinta em um material de substrato. Entre os processos utilizados com este propósito pode-se destacar a deposição a plasma com arco transferido (PTA) tem-se destacado ao produzir revestimentos de alta qualidade, com mínima diluição e baixa deformação do material. Por esta técnica, o emprego de material de adição na forma de pó, permite a obtenção de revestimentos de materiais de elevada dureza, incluindo materiais cerâmicos.
Através deste processo podem-se obter revestimentos de ligas disponíveis comercialmente ou produzir ligas in- situ, isto é quando da deposição, permitindo obter propriedades especificas para cada aplicação. Em qualquer um dos casos, as partes mecânicas que são sujeitas a intenso atrito têm a sua vida útil ampliada. Como resultado obtém-se superfícies extremamente eficazes na proteção do componente contra abrasão, desgaste e corrosão.
O trabalho em desenvolvimento tem por objetivo determinar os parâmetros de processamento por PTA e avaliar superfícies reforçadas por carbonetos de tungstênio. Estes carbonetos serão depositados diretamente na superfície de componentes e misturados com ferro. Após avaliação geral (acabamento e nível de diluição), as superfícies serão caracterizadas quanto às suas propriedades mecânicas, como dureza e resistência ao desgaste, e microestrutura através de microscopia ótica e eletrônica de varredura para avaliação do papel dos carbonetos e sua distribuição, já que através da técnica a PTA, vários ensaios comprovam que a resistência ao desgaste do revestimento é função da quantidade, da dureza e distribuição dos carbonetos formados durante o processo de deposição
Palavras-Chave: Hardfacing, PTA, carbonetos
Porto Alegre - RS de 28 de novembro a 02 de dezembro de 2004
INTRODUÇÃO:
A necessidade de prolongamento de campanha de componentes sujeitos ao desgaste e de garantir reforços localizados de partes específicas de equipamentos levaram ao desenvolvimento e aperfeiçoamento de uma série de técnicas de obtenção de superfícies endurecidas (hardfacing). Entre as técnicas de endurecimento superficiais desenvolvidas, pode-se destacar aquelas que se baseiam na deposição, através de processos de soldagem, de um material com maior dureza e elevada resistência ao desgaste sobre um substrato (Foltran, B - 2000), que não atende os requisitos estruturais do componente.
Entre os processos utilizados com este propósito pode-se destacar a deposição por plasma com arco transferido (PTA). Esta técnica, vem tomando posição de liderança nos últimos 25 e se firmando como um processo largamente utilizado na aplicação de revestimentos duros tanto na fabricação de peças resistentes ao desgaste, como em componentes de equipamentos de processos industriais (Chen, Lui e Chen - 1992) por produzir revestimentos de alta qualidade, com mínima diluição e baixa deformação do material (Tocallo - 1996).
Por esta técnica, o emprego de material de adição na forma de pó, permite a obtenção de revestimentos de materiais de elevada dureza, incluindo materiais cerâmicos (Tocallo - 1996). A aplicação deste tipo de revestimento em peças e componentes sujeitos a intenso atrito e desgaste, amplia sua vida, pois permite aliar as características dúteis de uma matriz ferrosa do tipo austenítica, por exemplo, com a elevada resistência mecânica, estabilidade térmica e excelente resistência ao desgaste dos carbonetos (Rong, Yehua, Dehong – 2003)
Os revestimentos a base de carbonetos de tungstênio tem se destacados, e já são vistos como alternativa para materiais tradicionalmente utilizados em bombas de mistura sujeitas à erosão, com elevada resistência ao desgaste, como ferros fundidos brancos e aços inoxidáveis. O sucesso do emprego do revestimento nesta aplicação, pode ser explicado pela resistência ao desgaste do tipo abrasivo e boa molhabilidade dos carbonetos de tungstênio em materiais ferrosos (Rong, Yehua, Dehong – 2003).
No presente trabalho estudou-se o comportamento de superfícies ferrosas reforçados por carbonetos de tungstênio (WCoC) obtidos pela técnica de deposição por plasma com arco transferido, utilizando mistura de pós de Fe com diferentes concentrações de carbonetos de tungstênio, e variando os parâmetros de processo, sobre um substrato de aço carbono SAE 1020. Como característica para avaliação da resistência ao desgaste dos revestimentos, foi levantado o perfil de microdureza Vickers, na seção transversal de cada amostra processada. E, para avaliar a correlação entre microestrutura e o
comportamento mecânico dos revestimentos foi realizada análise em microscópio óptico e eletrônica das amostras, após ataque químico.
METODOLOGIA
Materiais e Equipamentos Utilizados
Misturas de pós de Fe (óxido de ferro) - 90 a 150 µm - e WCoC (W-17%Co-5%C) - 35 µm -, nas proporções de 5% e 35% de carbonetos, foram depositados pelo processo de soldagem a plasma por arco transferido. Foram obtidos revestimentos duas intensidades de corrente: 150A e 170A.
Como material de substrato foi escolhida uma chapa de 5 mm de espessura de aço carbono SAE 1020.
O baixo teor de carbono do substrato garante a não influência nas propriedades dos revestimentos.Antes da deposição as chapas de aço foram decapadas, para remoção de impurezas e, ainda, aquecidas à chama de maçarico para garantir a ausência de umidade.
A deposição foi feita de maneira contínua com uma velocidade de avanço da tocha de 100 mm/min.
Foram depositados 4 cordões com aproximadamente 70 mm de comprimento, onde se utilizou os pós com 5% e 35% de WCoC e faixas de correntes de 150A e 170A.
Os demais parâmetros empregados no processamento foram:
· fluxo do gás plasma – Argônio: 2,0 l/min
· fluxo do gás de proteção – Argônio/ Hidrogênio: 15 l/min
· fluxo do gás de alimentação – Argônio: 2,0 l/min
· faixa de tensão: 20,6 a 23 V - distância da tocha à peça: 10 mm
Após a deposição as amostras foram mantidas ao ar livre para resfriamento.
Caracterização
Para o levantamento do perfil de microdureza do revestimento, as amostras foram cortadas para a retirada de uma seção transversal, e preparadas de acordo com os padrões de embutimento, lixamento e polimento.
O perfil de microdureza foi levantado com um identador Vicker (pirâmide de diamante de 136o) e uma carga de 500g (HV 0,5). Neste procedimento é feita inicialmente a focalização da interface revestimento/baquelite pelo sistema óptico do microdurômetro e, em seguida, promovido um deslocamento de 125 µm no sentido do revestimento para o substrato. Neste ponto é feita a primeira identação do grupo de 10 a 13 identações espaçadas de 125 µm cada uma. Ainda são executados mais dois grupos de identações, ambos espaçados em 125 µm do primeiro grupo, conforme pode ser visto na Figura 1. É considerada a microdureza de cada posição do perfil, a média das microdurezas obtidas na mesma linha dos três grupos (ABNT NBR 6672/81).
Figura 1 – Esquema da seqüência de identações para levantamento do perfil de microdureza das amostras.
Após a medição da microdureza as amostras foram atacadas quimicamente por uma solução de NITAL a 2% por um tempo em torno de 8 segundos e submetidas a ensaio metalográfico em microscópio óptico.
O ensaio permitiu uma caracterização geral da microestrutura do revestimento, em função do pó e da corrente utilizada na deposição. Para uma melhor definição da estrutura as amostras ainda foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura.
RESULTADOS:
Após a deposição pode-se observar um cordão bastante uniforme e com acabamento superficial comparável aos obtidos nos processos de soldagem TIG, conforme pode ser visto na Figura 2. As amostras com concentração de 5% e 35% de WCoC resultaram em cordões com mesma altura, mas os cordões das amostras com menor concentração são mais estreitos, 9 mm de largura contra 11 mm dos cordões obtidos com pó de WCoC a 35%. Isto pode ser explicado, pela molhabilidade característica do WCoC em aços e ferros fundidos (Rong, Yehua, Dehong – 2003).
1o grupo de endentações
10 a 13 endentações que avançam na direção do substrato.
A microdureza da posição é a média das três microdurezas alinhadas horizontalmente
o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o
(a) (b)
(c) (d)
Figura 2 – Aspecto dos cordões das amostras após a deposição por PTA:
a) 35% WCoC – 150A ; b) 35% WCoC – 170A; c) 5/% WCoC - 150A; d) 35% WCoC - 170A.
O perfil de dureza levantado para cada uma das amostras pode ser observado na Figura 3 no gráfico da “Distância da superfície x Dureza Vickers”. A visualização deste gráfico auxiliará a interpretar como variam as propriedades do revestimento ao longo da sua seção transversal. Como já sugerido (Antony - 1983), a resistência ao desgaste do material é função direta de sua dureza.
Como existe uma grande variação na geometria da seção transversal de cada cordão depositado, o número de impressões sobre cada camada variou entre 10 e 13. Como era esperado, os perfis de microdureza permanecem quase constante na região do revestimento e caem bruscamente no substrato.
Figura 3 – Gráfico: Variação da dureza Vickers x Distância da Superfície
A Figura 4 apresenta as estruturas metalográficas resultantes para cada uma das amostras, obtidas por microscopia óptica. Os revestimentos com concentração de 35% de WCoC apresentam estrutura dendrítica característica dos processos de solidificação (Porter - 1980), já os revestimentos com 5% de WCoC apresentam uma estrutura distinta. Correlação com dados da literatura sugere que possa se tratar de uma estrutura tipo Widmanstätten (Porter - 1980). Como W e Co são elementos alfagêneos que favorecem a estabilização da ferrita (Callister – 1996), sugerindo que para as menores concentrações de WCoC, qualquer dissolução que ocorra irá favorecer a formação de uma solução sólida ferrítica, justificando a presença de uma estrutura de Widmanstätten. Para maior detalhamento será necessário realizar difração de R-X.
Nas amostras com maior concentração de WCoC observa-se uma frente plana de solidificação junto à linha de fusão, seguido por uma estrutura celular dendrítica, sugerindo que inicialmente o gradiente de temperatura entre o substrato e o fundido controla a cinética de solidificação. Posteriormente, a segregação do soluto passa, então, a controlar a solidificação resultando na estrutura celular dendrítica.
Perfil de microdureza
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Distância da superfície (um)
HV 0,5
5% WCoC - 150A 5% WCoC - 170A 35% WCoC - 150A 35% WCoC - 170A
(e) (f) (g)
Figura 4 – Características e microestruturas das seções transversais das amostras observadas em microscópio ótico a) 35% WCoC – 150A – 50x; b) 35% WCoC – 170A – 50x; c) 5% WCoC – 150A – 100x d) 5% WCoC – 170A – 100x -
Mudança no refino da estrutura em função da distância da superfície:
e) na interface com substrato f) no centro do cordão g) na superfície
(a) (b)
(c) (d)
Para uma melhor caracterização das microestruturas desenvolvidas nos cordões em função da concentração de carbonetos, duas amostras ainda foram submetidas à análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV). Na Figura 5 pode-se observar as imagens obtidas em MEV das seções transversais das amostras com 35% e 5% de WCoC depositadas com corrente de 150A.
(a)
( b)
(c) (d)
Figura 5 – Características e microestruturas das seções transversais das amostras observadas em microscópio eletrônico de varredura - a) 35% WCoC – 150A – 500x; a) 35% WCoC – 150A – 2500x; c) 5% WCoC – 150A – 2500x
d) 5% WCoC – 150A – 5000x
Através das imagens obtidas pelo MEV, pode-se verificar que os revestimentos com 35% de WCoC formam uma estrutura eutética nas regiões interdendríticas, com distribuição homogênea de carbonetos.
DISCUSSÕES E ANÁLISES
Os resultados obtidos demosntraram ser possível modificar a resistência de superfícies de componentes ferrosos, pela deposição de misturas ricas em carbonetos de tungstênio. Destacam-se as elevadas durezas obtidas para as maiores concentrações de WCoC, que podem ser comparadas as durezas resultantes de tratamentos térmicos de cementação (em torno de 800HV). Mesmo para as menores concentrações de carbono observou-se um aumento na dureza na ordem de 100 HV.
Este procedimento permite que sejam melhoradas propriedades estruturais e na superfície simultaneamente, oferecendo uma alternativa aos tratamentos convencionais de endurecimentos de superfícies.
A faixa de corrente não influenciou na microdureza dos revestimentos, visto que a dureza dos revestimentos com mesmas concentrações, depositados com faixas de corrente de 150A e 170A tiveram variações muito pequenas. A microestrutura obtida também não variou em função da corrente de deposição.
Existem inúmeros parâmetros que podem ser ajustados com o objetivo de alterar as propriedades do revestimento para cada processo em particular. Um levantamento mais apurado da influência de cada um deles nas propriedades dos revestimentos depositados por PTA requer estudos mais intensos e aprofundados no assunto.
CONCLUSÕES
Após os ensaios e análises dos resultados obtidos, pode-se destacar que:
1. O processo de deposição por Plasma com Arco Transferido (PTA) é uma técnica de endurecimento superficial, que permite a deposição de carbonetos de materiais refratários, como o tungstênio, de difícil processamento por outros métodos de deposição.
2. Os revestimentos a base de WCoC apresentam dureza comparável a materiais tradicionalmente empregados em aplicações que exijam elevada resistência ao desgaste, como os ferros fundidos brancos.
3. As características geométricas do cordão não variaram com correntes de deposição de 150A e 170A.
4. A geometria do cordão variou com a concentração dos carbonetos, quando foram mantidos fixos os parâmetros de processamento. Sendo que as deposições com 35% de WCoC resultaram em cordões mais largos.
5. A dureza do revestimento aumenta com a concentração de carbonetos no cordão depositado. A dureza desejada para determinada aplicação pode ser conseguida variando-se a concentração de WCoC no pó empregado na deposição.
6. O refino da microestrutura diminui quando se desloca da superfície para o substrato, devido as diferentes taxas de resfriamento. Os valores de dureza não variaram significativamente com a variação do refinamento da microestrutura.
7. As microestruturas obtidas são as características de processos de solidificação com elevadas taxas de resfriamentos, sendo que os carbonetos estão uniforme e finamente distribuídos por toda a estrutura formada.
AGRADECIMENTOS
Ao Departamento de Engenharia Mecânica de Universidade Federal do Paraná pela disponibilização do Laboratório de Materiais – LaMaTS e pelo auxílio dos funcionários, bolsistas e professores. A Robert Bosch pela preparação das amostras.
REFERÊNCIAS
1. ANTONY, K. C. Wear Resistant Cobalt Base Alloys. Journal of Metals 35, 1983.
2. ASM Handbook. Heat Resistant Casting Alloys. In: ASM Handbook - Metallography and Microstructures, Vol. 9. 5th ed. OH: ASM Metals Park, 1992.
3. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Materiais Metálicos – Determinação da Dureza Vickers (Método de Ensaio), NBR 6672/81. 1981.
4. CALLISTER, W. Materials for Science and Engimeering, 4a Edition, The University of Utah, 1996.
5. CHEN, T. M.; LUI, T.S.; CHEN, L.H. Overlaying of Stellite 6 Superalloy on Austenitic Manganese Steel by PTA Method. Conference: Surface Modification Technologies VI, Chicago, Illinois, United States, 1992
6. FOLTRAN, B; D’Oliveira, ASM. Comparação dos revestimentos de superligas à base de cobalto (Co-Cr- W - C) depositados por eletrodo revestido, plasma por arco transferido, PIPE-UFPR, 2000.
7. GERMAN, R. M. Powder Metallurgy Science, New Jersey, 1994.
8. Porter, D. A.; Easterling, K. E. Phase Transformations in Metasl and Alloys, University of Luleå, 1980.
9. Rong, Z.; Yehua, J; Dehong, L. The effect of volume fraction of WC particles on erosion resistance of WC reinforced iron matrix surface composites, Wear 255 / 2003 - 134–138, China, 2003.
10. Tocallo, M. Plasma Transferred Arc, Applications to extend part life, 1996.
REINFORCED SURFACES WITH ADITTIONED CARBIDES TUNGSTEN BY PLASMA TRANSFERRED ARC
Tigrinho, J. J.* D’Oliveira, ASCM
* Mestrando PIPE/UFPR - joaotigrinho@ig.com.br Universidade Federal do Paraná
LaMaTS - Setor de Tecnologia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica Centro Politécnico – Caixa Postal 19011 CEP 81531-990 – Curitiba – Paraná – Brazil
ABSTRACT
The necessity of campaign prolongation in components and equipment or, still, the a specific necessity of equipment adaptations had led to the development of techniques of superficial hardening (hardfacing) that involve deposition of materials with distinct chemical composition in a substratum material. The processes used with this intention includs the deposition with plasma transferred arc (PTA), that has been distinguished when producing coverings of high quality, with minimum dilution and low deformation of the material. In this technique, the addition material is processed in the dust form, that allows the covering attainment of materials with raised hardness, including ceramics materials.
Through this process can be gotten coverings of available commercially leagues or be produced in-situ, that is when of the deposition, allowing to get properties specified for each application. In any of the cases, the mechanical parts that are citizens the intense attrition has its extended useful life. As result extremely efficient surfaces in the protection of the component against abrasion, consuming and corrosion. The work in development has for objective to determine the parameters of processing for PTA and to evaluate surfaces strengthened for tungsten carbides. These carbides will be deposited directly in the surface and mixed with iron. After general evaluation (finishing and level of dilution), the surfaces will be characterized to its mechanical properties, as hardness and resistance to the consuming, and microstructure through microscopy optics and electronics for evaluation the carbonetos and its distribution., since through the technique the PTA, the resistance of the covering is function of the amount, of the carbides hardness and distribution during the deposition process
Keywords: Hardfacing, PTA, tungsten carbides.
