33313032 - ISSUU - Acos - Ligas - Especiais - Isbn8521203829, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Mecânica

Baixe 33313032 - ISSUU - Acos - Ligas - Especiais - Isbn8521203829 e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! André Luiz V. da Costa e Silva Paulo. Roberto Mei ás + e f ! | E ) RR Note 1] Ligas- [ma | Especiais a tt pe o " E, ER] é E 29 edição revista e ampliada 1 EDITORA So, BLÚCHER y UM) L LARES M E TA 5 André Lulz V. da Costa e Silva Paulo Roperto Méi | Ligas Especiais | 2º edição revista e ampliada OUVEM ala Aços e Ligas Especiais 2º Edição Revista e Ampliada André Luiz V. da Costa e Silva Paulo Roberto Mei Lançamento 2006 ISBN: 8521203829 Páginas: 664 Formato: 17x24 cm Peso: 1.079 kg Capítulo 1 O sistema ferro-carbono 1 1.1 O elemento ferro 1 1.2 Soluções sólidas de ferro 5 1.3 Diagrama ferro-grafita 8 1.4 Diagrama ferro-cementita 9 1.5 Pontos relevantes do diagrama ferro-cementita 11 1.6 Efeito do resfriamento e aquecimento nas linhas de transformação 12 1.7 Reações invariantes 13 1.8 Observações da microestrutura 16 1.9 Determinação da fração volumétrica das fases 16 1.10 Efeito da velocidade do resfriamento na fração volumétrica da ferrita e perlita 21 Exercícios 22 Referências bibliográficas 23 Capítulo 2 Decomposição da austenita e curvas TTT 25 2.1 Ferrita e cementita 26 2.2 Perlita 34 2.3 Curvas ITT 49 2.4 Bainita e ferrita acicular 51 2.5 Martensita 57 2.6 Construção das curvas TTT 67 2.6.1 Curvas ITT 68 2.6.2 Curvas CCT ou TRC 75 Exercícios 79 Referências bibliográficas 81 Capítulo 3 Tratamentos térmicos 83 3.1 Introdução 83 3.2 Recozimento 84 3.2.1 Recozimento pleno ou simplesmente recozimento 84 3.2.2 Recozimento subcrítico 88 3.2.3 Esferoidização 89 3.2.4 Recozimento para usinabilidade 90 3.3 Proteção da superfície 90 3.4 Normalização 92 Sumário 00_abertura.p65 19/10/2006, 14:4211 3.5 Têmpera 97 3.5.1 Meios de têmpera 97 3.5.2 Tensões na têmpera 100 3.6 Temperabilidade (Hardenability) 106 3.6.1 Taxa de resfriamento crítico 106 3.6.2 Ensaio Grossmann 107 3.6.3 Ensaio Jominy 107 3.6.4 Fatores que afetam a temperabilidade 109 3.6.5 Técnicas para se revelar o contorno do grão austenítico 110 3.6.6 Crescimento do grão austenítico 118 3.7 Revenimento 121 3.7.1 Efeito nas propriedades 122 3.7.2 Transformações no revenimento de aços carbono 124 3.7.3 Revenimento múltiplo 126 3.7.4 Fragilidade do revenido 126 3.8 Martêmpera 127 3.9 Austêmpera 130 3.10 Austenita retida 132 3.11 Têmpera superficial 132 3.11.1 Aquecimento indutivo 132 3.11.2 Aquecimento por chama 136 3.12 Exemplos de microestruturas obtidas com tratamentos térmicos 138 Referências bibliográficas 145 Capítulo 4 Tratamentos termoquímicos 147 4.1 Introdução 147 4.2 Difusão e solubilidade dos elementos químicos 148 4.3 Perfil de distribuição do soluto 149 4.4 Cementação 152 4.4.1 Cementação sólida 153 4.4.2 Cementação gasosa 155 4.4.3 Cementação líquida 160 4.4.4 Cementação a vácuo 165 4.4.5 Cementação iônica ou a plasma 166 4.5 Nitretação 171 4.5.1 Nitretação a gás 172 4.5.2 Nitretação líquida 175 4.5.3 Nitretação iônica ou a plasma 177 4.6 Cianetação (carbonitretação líquida ou cianetação líquida) 183 4.7 Carbonitretação 186 4.8 Nitrocarbonetação 188 4.8.1 Nitrocarbonetação ferrítica 188 00_abertura.p65 19/10/2006, 14:4212 4.8.2 Oxinitrocarbonetação 191 4.8.3 Nitrocarbonetação austenítica 193 4.9 Boretação 196 4.10 Tratamentos termorreativos 206 4.11 Resumo dos tratamentos termoquímicos 210 4.12 Microestruturas obtidas nos tratamentos termoquímicos 212 Exercícios 213 Referências bibliográficas 214 Capítulo 5 Influência dos elementos de liga nos aços 215 5.1 Elementos estabilizadores da austenita e da ferrita 215 5.2 Influência dos elementos de liga nos aços não endurecidos 220 5.3 Efeito dos elementos de liga na formação da ferrita 221 5.3.1 Nucleação 221 5.3.2 Crescimento 222 5.3.3 Propriedades da ferrita 226 5.4 Efeito dos elementos de liga na formação da perlita 229 5.5 Efeito dos elementos de liga nos carbonetos 236 5.5.1 Distribuição 236 5.5.2 Solubilidade 237 5.5.3 Formas de precipitação 239 5.5.4 Composição dos carbonetos 240 5.5.5 Cinética da precipitação e coalescimento dos carbonetos 242 5.5.6 Efeito da precipitação dos carbonetos finos nos aços 245 5.5.7 Efeito dos carbonitretos na laminação 252 5.6 Efeito das inclusões não-metálicas 275 5.7 Efeito dos elementos de liga nos compostos intermetálicos 275 5.8 Efeito de partículas metálicas dispersas 278 5.9 Efeito dos elementos de liga na formação da austenita 278 5.10 Efeito dos elementos de liga na têmpera 282 5.10.1 Temperaturas MI e MF 283 5.10.2 Dureza da martensita 283 5.10.3 Temperabilidade 284 5.11 Efeito dos elementos de liga no revenimento 286 5.11.1 Formação dos carbonetos de ferro 286 5.11.2 Endurecimento secundário 288 5.11.3 Aços com V, Cr, Mo e W 291 5.11.4 Propriedades mecânicas 292 5.11.5 Aços maraging 294 5.12 Efeitos dos elementos de liga na formação da bainita 295 5.12.1 Temperatura de início da formação bainítica (BI) 295 5.12.2 Aços bainíticos de alta resistência 295 00_abertura.p65 19/10/2006, 14:4213 9.3 Forno de indução sob vácuo (VIM) 547 9.4 Processos de refusão 549 9.4.1 Refusão sob escória eletrocondutora (ESR) 551 9.4.2 Refusão a arco sob vácuo (VAR) 552 9.4.3 Forno de refusão por feixe eletrônico 553 9.5 Metalurgia do pó para aços ferramenta 554 9.6 Conformação por spray (spray forming) 558 Referências bibliográficas 559 Capítulo 10 Conformação mecânica 561 10.1 Introdução 561 10.2 Efeito da temperatura – trabalho a quente e trabalho a frio 562 10.3 Trabalho a quente 563 10.3.1 Conformação a quente – tratamentos termomecânicos 569 10.3.2 Aquecimento 570 10.3.3 Temperatura 571 10.3.4 Seqüência de deformação 572 10.3.5 Resfriamento 574 10.4 Inclusões não-metálicas e anisotropia 575 10.5 Trabalho a frio 581 10.6 Forjamento 582 10.7 Laminação 583 10.8 Extrusão 583 Referências bibliográficas 584 Capítulo 11 Controle da qualidade 585 11.1 Introdução 585 11.2 Tipos de testes e ensaios no controle da qualidade 587 11.3 Ensaios empregados na produção de aços e ligas especiais 588 11.3.1 Inspeção por ultra-som 589 11.3.2 Testes de trincas superficiais 593 11.3.3 Radiações ionizantes (Raios-X e Raios gama) 595 11.3.4 Ensaios mecânicos 597 Referências bibliográficas 613 Apêndice I – Curvas Jominy de alguns aços para construção mecânica 615 Apêndice II – Tabelas de dureza 621 Apêndice III – Sistema Internacional de unidades (SI) 629 Índice remissivo 637 00_abertura.p65 19/10/2006, 14:4216 O sistema ferro-carbono Capítulo 1 1.1 O ELEMENTO FERRO O ferro apresenta as seguintes transformações (Figura 1.1): Figura 1.1 Mudanças de fase do ferro puro [1]. Te m p er at ur a (º C ) Vapor Líquido Ferro δ (CCC) Ferro γ (CFC) Ferro α (CCC) Não-ferromagnético (Ferro β) Ferromagnético 2875 1538 1394 912 770 01_Capitulo 01_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:191 O SISTEMA FERRO-CARBONO 5 em que: n = número de átomos inteiros dentro da célula Va = volume do átomo (= 4/3 π r 3) Vc = volume da célula (= a 3 no caso de células cúbicas) Calculando-se o fator de empacotamento para estruturas cúbicas, encontra-se: FE = 0,68 CCC FE = 0,74 CFC ou seja, na estrutura cúbica de corpo centrado, 68% do volume é ocupado por átomos, já na estrutura cúbica de face centrada, 74% do volume é ocupado por átomos, sendo vazio o restante. 1.2 SOLUÇÕES SÓLIDAS DE FERRO Quando dois metais se misturam para formar uma solução sólida, os átomos do soluto podem substituir uma fração dos átomos da matriz (solução sólida substitucional) – Figura 1.5 – ou se alojar nos espaços vazios da matriz (solução sólida intersticial) – Figura 1.6. Para que uma solução sólida substitucional seja formada, além de compatibilidade eletroquímica, é necessário que o tamanho dos átomos do soluto seja próximo do tamanho dos átomos da matriz (mais ou menos 15% de variação no raio ou diâmetro atômico) [8]. O ferro apresenta vãos octaédricos e tetraédricos em suas estruturas CCC e CFC [9] (Figuras 1.7 e 1.8). Para elementos de estrutura cúbica, como o ferro, as relações entre o raio (r) do átomo, que se alojaria em um vão tetraédrico ou octaédrico, e o raio (R) da matriz são apresenta- das na Tabela 1.1: Na Tabela 1.1, observa-se que, além de a estrutura CFC ser mais compacta que a CCC, ela apresenta vãos maiores, embora, obviamente, em menor número. Tabela 1.1 Relações entre o raio do átomo intersticial (r) e o raio do átomo de matrizes (R) com estrutura cúbica [10]. Estrutura Relação FE Octaédrico Tetraédrico CFC 0,414 0,225 0,74 CCC 0,154 0,291 0,68 r R 01_Capitulo 01_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:195 Aços e ligas especiais16 1.8 OBSERVAÇÕES DA MICROESTRUTURA Para se observar as fases presentes em um aço, faz-se o polimento da amostra até que ela fique “como espelho”, seguindo-se um ataque com um reagente químico apropriado. Um dos reagentes químicos mais empregados para aços carbono é o nital, que consiste em uma mistura de 0,5 a 2% de ácido nítrico em álcool etílico. A amostra apenas polida e não atacada pode revelar descontinuidades, como trincas, poros, inclusões etc. Na amostra atacada quimicamente, consegue-se observar tanto as fases como sua distribuição, o que permite avaliar aspectos estruturais de fabricação (regiões afetadas pelo calor da soldagem, linhas de deformação ocorridas no forjamento) e características, como segregações etc. Na Figura 1.15, observa-se uma amostra de aço 1020 antes e depois do ataque químico. Nota-se que a peça possui inclusões; foi conformada por deformação (e não fundida); apresenta bandas de segregação de carbono; possui ferrita e perlita na estrutura; sua granulação é fina (grãos pequenos); e ainda que o teor de carbono do aço deve ser de 0,2% (o que será explicado no próximo item). Estas observações indicam a importância do exame metalográfico, pois um ensaio simples como este pode fornecer uma série de informações importantes sobre a estrutura e o processamento de uma determinada peça. Ainda na Figura 1.15, observa-se que o ataque químico revela o contorno de grão da ferrita, e diferencia, por coloração, a ferrita da perlita. Com o nital, a ferrita aparece “bran- ca” e a perlita “preta”, o que não significa que este ataque químico tenha colorido de manei- ra distinta as duas fases, ou o contorno de grão da ferrita, mas sim que o reagente químico corroeu mais uma fase do que outra, produzindo diferenças de altura em relação à superfí- cie, refletindo, com isto, mais ou menos luz para a ocular do microscópio. No contorno de grão, o processo é semelhante: como os contornos de grão são regiões mais desordenadas que as suas regiões centrais, é mais fácil para o ácido remover os átomos do contorno, e essa corrosão química mais profunda no contorno de grão formará uma região mais escura durante a observação no microscópio (Figura 1.16). Na Figura 1.17, observam-se aços hipoeutetóides e hipereutetóides. Em algumas regiões, a perlita apresenta-se como uma massa escura homogênea e em outras conseguimos notar que ela é formada por lamelas alternadas de ferrita e cementita. Isto se deve à inclinação das lamelas em relação à superfície de observação e à ampliação empregada, que será discutido no Capítulo 2. 1.9 DETERMINAÇÃO DA FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DAS FASES Quando um lingote de aço solidifica, observa-se pelo diagrama de fases que este sofre uma série de transformações, desde o estado líquido até a temperatura ambiente. Analisemos, como exemplo, o resfriamento de uma liga Fe-0,25% C a partir do seu estado líquido (1600 °C), até a temperatura ambiente (Figura 1.18). A análise desta figura indica que, em duas ocasiões, a liga é monofásica, ou seja, apresenta uma única fase (no estado líquido e no campo austenítico). Neste caso, é óbvio que a amostra tem 100% líquido ou 100% γ (austenita). Existem situações, entretanto, em que a amostra se apresenta bifásica (δ + L, L + γ, γ + α, α + “P”). Podemos, entretanto, calcular a fração volumétrica de cada fase utilizando a “regra da alavanca” (Figura 1.19), considerando que as densidades das fases 01_Capitulo 01_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:1916 O SISTEMA FERRO-CARBONO 21 Por exemplo: % P = 100.C0 0,77 ou C0 = 0,77.(%P) 100 (1-i) Assim, se microscopicamente observamos que o aço tem 40% de perlita e 60% de ferrita, pela equação (1-i) estimamos a seu teor de carbono em: C0 = 0,77 (40) 100 ≅ 0,3% C0 ≅ 0,3% C 1.10 EFEITO DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO NA FRAÇÃO VOLUMÉTRICA DA FERRITA E PERLITA O teor de carbono do aço carbono só pode ser avaliado em função de suas áreas de ferrita e perlita se o resfriamento for muito lento (no forno, por exemplo). Se o resfriamento for mais rápido, mesmo que a microestrutura seja ainda de ferrita e perlita, a quantidade de ferrita será menor que a prevista pelo diagrama de fase, pois a perlita começa a se formar antes de finalizar a formação da ferrita, interrompendo o seu processo de crescimento (Figuras 1.20 e 1.21). Figura 1.20 Redução da fração volumétrica da ferrita com o aumento da taxa de resfriamento (°C/min) α = Ferrita γ = Austenita P = Perlita α + γγ α + P Pγ α P α α + γ + Pγ α + P Resfriamento lento Resfriamento rápido α 01_Capitulo 01_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:1921 Decomposição da austenita e curvas TTT Capítulo 2 Um aço resfriado muito lentamente a partir do campo austenítico apresen- tará, à temperatura ambiente, uma ou mais das fases: ferrita, perlita e cementita, dependendo de seu teor de carbono. Porém, se o resfriamento do aço a partir da região austenítica for muito rápido (por exemplo, resfriando-se diretamente em água), aparecerão outros constituintes metaestáveis, como a bainita e a martensita, que não são previstos no diagrama de fases ferro-cementita. Para se acompanhar a formação desses constituintes, utilizam-se curvas TTT (temperatura, tempo e transformação), as quais serão estudadas posterior- mente. Antes de se passar à utilização dos diagramas TTT, entretanto, é neces- sário caracterizar melhor as fases que neles aparecem. A transformação da austenita em outro constituinte pode ocorrer por difu- são, cisalhamento ou uma mistura dos dois mecanismos [1], conforme pode ser observado na Figura 2.1. Figura 2.1 Mecanismos operantes na decomposição da austenita. Austenita Ferrita, Cementita, Perlita Ferrita acicular Bainita Martensita Cisalhamento Difusão 02_Capitulo 02_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:1125 DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA E CURVAS TTT 51 Observando-se a curva ITT da Figura 2.26, nota-se que com o abaixamento da temperatura de transformação o tempo de incubação diminui, chegando a um valor mínimo no “nariz” da curva. A partir deste ponto, se a temperatura for abaixada, o tempo de incubação volta a aumen- tar. Isso ocorre devido a dois fatores com efeitos antagônicos na cinética de transformação. Com o abaixamento da temperatura, a partir de 727 ºC, haverá um aumento da supersaturação ∆T (727 – Ttransf.), que é a força motriz da decomposição da austenita, e a reação começará a ocorrer mais rapidamente. Porém, como o processo ocorre por difusão, ao se abaixar a temperatura da transformção, vai ficando mais difícil ocorrer a movimentação dos átomos para formar a nova fase, e o processo fica mais lento. De forma simplificada, pode-se dizer que entre a temperatura eutetóide (727 ºC) e o nariz da curva (x), o efeito dominante é o de supersaturação; abaixo do “nariz” da curva, o efeito dominante é o da difusão. Em um diagrama ITT completo de um aço eutetóide (Figura 2.27), observam-se consti- tuintes não previstos pelo diagrama de fases Fe-Fe3C, que são a bainita e a martensita. Estes constituintes serão analisados a seguir. Figura 2.27 Representação esquemática da curva ITT de um aço eutetóide (C ≅ 0,8%). Te m p er at ur a Inferior Tempo A1 Ml MF A A + P Perlita + Grossa + Fina Martensita A + B Bainita Superior 2.4 BAINITA E FERRITA ACICULAR Quando um aço carbono é resfriado rapidamente para temperaturas abaixo do nariz da curva ITT e mantido nessa temperatura, ocorre a formação de uma estrutura denominada 02_Capitulo 02_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:1151 DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA E CURVAS TTT 67 2.6 CONSTRUÇÃO DAS CURVAS TTT Para se acompanhar a formação dos constituintes estudados, utilizam-se as curvas TTT (temperatura, tempo, transformação), as quais são subdivididas em: a) ITT (Isothermal Time Transformation): transformação isotérmica. b) CCT (Continuous Cooling Transformation): transformação por resfriamento con- tínuo ou TRC (Transfomação em Resfriamento Contínuo). Para se obter curvas TTT, utiliza-se, normalmente, o dilatômetro, um equipamento bas- tante sensível que mede a variação do comprimento da amostra provocada por mudança de temperatura ou por transformação de fase. As transformações de fase implicam a formação de novas fases, normalmente com densidades diferentes da fase original, e isto ocasiona “contração” ou “expansão” da amostra por diferenças estruturais, as quais são detectadas pelo dilatômetro. Como analogia, poderíamos citar a transformação da água, do estado líquido para sólido, com uma diminuição de densidade, ocasionando aumento significativo de volume. Obviamente, o dilatômetro só detecta transformações no estado sólido, ou seja, todas as fases envolvidas devem ser sólidas. Na Figura 2.47, observa-se a representação esquemática de um dilatômetro. A amostra é aquecida por indução, com um termopar soldado nela para detectar as variações de tempe- raturas. Uma extremidade da amostra é fixa e a outra ligada a um extensômetro (strain gage), que detecta as variações em seu comprimento (∆L). A amostra é furada para que o seu resfriamento por meio de jato de hélio ou de argônio possa ser o mais rápido possível, quando se deseja uma queda brusca de temperatura. Na Figura 2.48, observa-se um dilatômetro normalmente utilizado. Figura 2.47 Representação esquemática do dilatômetro. Espiras R.F. (aquecimento indutivo) Amostra Saída He Termopar (medida de temperatura) Hélio Sensor ∆L 02_Capitulo 02_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:1167 DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA E CURVAS TTT 75 2.6.2 CURVAS CCT OU TRC As transformações dos aços nos processos industriais ocorrem majoritariamente por res- friamento contínuo e não isotermicamente. Em vista disso, foram desenvolvidas as curvas CCT (Continuous Cooling Transformation) ou TRC (Transformação por Resfriamento Contínuo). A construção das curvas CCT é feita no dilatômetro de maneira análoga à das curvas ITT. Austenitiza-se o aço e faz-se o resfriamento com uma taxa de resfriamento (ºC/min) constante, observando-se as inclinações na curva do comprimento da amostra (∆L). Para um aço eutetóide, quando a inclinação da curva ∆L = f (T) muda, é porque começa a ter uma transformação. Quando a inclinação volta a mudar, existe a indicação de que a transforma- ção terminou (Figura 2.58). Figura 2.58 Levantamento da curva CCT de um aço eutetóide (C ≅ 0,8%). TA Tl, 1 TF, 1 Te m p er at ur a/ co m p rim en to t = 0 tl, 1 tF, 1 Tempo T X oC/min TA Tl, 2 TF, 2 Te m p er at ur a/ co m p rim en to t = 0 tl, 2 tF, 2 Tempo Y oC/min T Y > X TF, 2 Te m p er at ur a tF, 2 Tempo I Te m p er at ur a Tempo M I F F B P Y oC/min X oC/min ∆L ∆L X X X X X X X X X X X X 02_Capitulo 02_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:1175 TRATAMENTOS TÉRMICOS 97 3.5 TÊMPERA Uma das características mais importantes dos aços como materiais de construção mecâ- nica é a possibilidade de desenvolver ótimas combinações de resistência e tenacidade (medi- da pela resistência ao impacto). A estrutura que classicamente permite tais combinações é a estrutura martensítica revenida. A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade suficiente- mente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça em questão. Deste modo, obtém-se estrutura metaestável martensítica. Como os diferentes aços apresentam curvas ITT distintas, a taxa mínima de resfriamento necessário (denominada velocidade crítica) para evitar as transformações perlítica e bainítica varia em uma faixa bastante larga. Na Figura 3.8, por exemplo, são apresentadas as curvas ITT de dois aços com diferentes características de transformações de fase. Enquanto no aço 4340 (Figura 3.8.b), as transformações perlítica e bainítica têm seu início retardado pela presença de elementos de liga, facilitando a têmpera, no aço 1050 (Figura 3.8.a), é mais difícil obter-se uma estrutura 100% martensítica, mesmo com resfriamento extremamente rápido, pois o “nariz” da curva ITT situa-se muito próximo ao eixo vertical. Deve-se ainda observar que, aumentando-se o teor de carbono do aço, diminui-se a temperatura para início e fim da formação da martensita (Figura 3.9). Também a dureza martensítica aumenta com o teor de carbono (Figura 3.10). Em vista disso, os aços carbo- no para têmpera apresentam um teor de carbono maior que 0,3%, pois abaixo deste teor o efeito endurecedor provocado pela têmpera seria muito pequeno. 3.5.1 MEIOS DE TÊMPERA Para o controle da taxa de resfriamento, utilizam-se diversos meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de calor (severidade). Os meios de têmpera mais co- muns são: água (pura, com adição de sal ou com adição de polímeros), óleo e ar, embora outros meios gasosos possam ser empregados (nitrogênio, hêlio, argônio, etc.). A têmpera em meio líquido ocorre em três estágios à proporção que a peça esfria (Figura 3.11): A) Formação de filme contínuo de vapor sobre a peça. A taxa de resfriamento é baixa, pois o filme de vapor atua como isolante térmico. A adição de mais de 5% de KCl, LiCl, entre outros sais, pode suprimir este estágio. Este estágio não é observado quando o meio de resfriamento é não volátil como banho de sal fundi- do. A água apresenta um estágio de filme contínuo particularmente longo. Para aliviar este problema, pode-se agitar a peça durante o início da têmpera para romper o filme de vapor. B) Durante este estágio, o filme de vapor colapsa e a taxa de resfriamenta aumenta, com nucleação de bolhas de vapor sobre a superfície da peça. Neste estágio, tam- bém é importante a agitação do meio de têmpera para se evitar a permanência de bolhas sobre os mesmos locais por tempos longos, causando pontos resfriados mais lentamente, chamados pontos moles. 03_Capitulo 03_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:1297 Aços e ligas especiais106 3.6 TEMPERABILIDADE (HARDENABILITY) O conceito de temperabilidade é associado à capacidade de endurecimento do aço duran- te o resfriamento rápido (têmpera), ou seja, sua capacidade de formar martensita a uma determinada profundidade em uma peça. Os métodos utilizados para avaliar a temperabilidade são: – Taxa de resfriamento crítico – Ensaio Grossmann – Ensaio Jominy 3.6.1 TAXA DE RESFRIAMENTO CRÍTICO Corresponde à menor taxa de resfriamento que pode ser utilizada para que toda a estrutura obtida ainda seja martensítica. É um método simples e pode ser utilizado direta- mente na curva CCT do aço (Figura 3.19). A dificuldade de se empregar este método é que na literatura a quantidade de curvas CCT encontradas é pequena, bem como o levantamen- to destas curvas requer equipamento sofisticado e caro (dilatômetro), além de pessoal bastante especializado. Optou-se então, na prática, pelo desenvolvimento de outros ensaios mais simples, como o de Grossmann e o de Jominy. Na realidade, o ensaio de Grossmann foi idealizado em 1940, muito antes do aparecimento dos dilatômetros comerciais mais sofisticados. Figura 3.19 Diagrama de resfriamento contínuo do aço 1045. A taxa de resfriamento crítico para esse aço seria de 7000 ºC/min ou 110 ºC/segundo [10]. Te m p er at ur a (º C ) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10000 5000 2000 1000 500 200 100 50 20 10 5 2 1 7000 °C/min B A Início Fim 10% 50% 90%F P M A3 A1 0,45% C Taxa de resfriamento a 700 ºC 03_Capitulo 03_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:12106 TRATAMENTOS TÉRMICOS 121 3.7 REVENIMENTO A martensita como temperada é extremamente dura e frágil. Peças deixadas permanecer nesta condição de alto tensionamento interno correm grande risco de trincar, exceto quando apresentam teor de carbono extremamente baixo. No entanto, a baixa tenacidade torna estas estruturas sem emprego prático. Para se atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, deve-se, logo após a têmpera, proceder ao revenimento. Este tratamento consiste em aquecer uniforme- mente até uma temperatura abaixo daquela de austenitização, mantendo o aço nesta tem- peratura por tempo suficiente para equalização de temperatura e obtenção das propriedades desejadas (Figura 3.34). Figura 3.34 Ciclo de têmpera + revenimento. Tabela 3.6 Efeito do tamanho de grão nas propriedades mecânicas dos aços carbono [18]. Aço Diâmetro do Limite de Alongamento Redução de área (ABNT/AISI) grão austenítico resistência (%) (%) (µm) (MPa) 1020 20 580 30 65 1020 400 520 25 65 1040 20 700 20 50 1040 150 700 17 35 1080 30 1000 17 30 1080 300 1070 3 5 Tempo Te m p er at ur a Revenimento Têmpera 03_Capitulo 03_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:13121 Aços e ligas especiais152 4.4 CEMENTAÇÃO [6, 7, 8] Consiste na introdução de carbono na superfície do aço, de modo que este, depois de temperado, apresente uma superfície mais dura. Para se produzir uma combinação de uma superfície dura com núcleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo carbono (C < 0,30%) e aquecê-lo, geralmente, entre 815 e 950 °C. Tabela 4.2 Valores da função-erro [5]. Z erf (Z) Z erf (Z) Z erf (Z) Z erf (Z) 0,00 0,00000 0,26 0,2869 0,52 0,5379 0,78 0,7300 0,01 0,01128 0,27 0,2934 0,53 0,5465 0,79 0,7361 0,02 0,02256 0,28 0,3079 0,54 0,5549 0,80 0,7421 0,03 0,03384 ,029 0,3183 0,55 0,5633 0,81 0,7480 0,04 0,04511 0,30 0,3286 0,56 0,5716 0,82 0,7538 0,05 0,05637 0,31 0,3389 0,57 0,5798 0,83 0,7595 0,06 0,06762 0,32 0,3491 0,58 0,5879 0,84 0,7651 0,07 0,07886 0,33 0,3593 0,59 0,5959 0,85 0,7707 0,08 0,09008 0,34 0,3694 0,60 0,6039 0,86 0,7761 0,09 0,1013 0,35 0,9794 0,61 0,6117 0,87 0,7814 0,10 0,1125 0,36 0,3893 0,62 0,6194 0,88 0,7867 0,11 0,1236 0,37 0,3992 0,63 0,6270 0,89 0,7918 0,12 0,1348 0,38 0,4090 0,64 0,6346 0,90 0,7969 0,13 0,1459 0,39 0,4187 0,65 0,6420 0,91 0,8019 0,14 0,1569 0,40 0,4284 0,66 0,6494 0,92 0,8068 0,15 0,1680 0,41 0,4380 0,67 0,6566 0,93 0,8116 0,16 0,1790 0,42 0,4475 0,68 0,6638 0,94 0,8163 0,17 0,1900 0,43 0,4569 0,69 0,6708 0,95 0,8209 0,18 0,2009 0,44 0,4662 0,70 0,6778 0,96 0,8254 0,19 0,2118 0,45 0,4755 0,71 0,6847 0,97 0,8299 0,20 0,2227 0,46 0,4847 0,72 0,6914 0,98 0,8342 0,21 0,2335 0,47 0,4937 0,73 0,6981 0,99 0,8385 0,22 0,2443 0,48 0,5027 0,74 0,7047 1,00 0,8427 0,23 0,2550 0,49 0,5117 0,75 0,7112 1,10 0,8802 0,24 0,2657 0,50 0,5205 0,76 0,7175 1,20 0,9103 0,25 0,2763 0,51 0,5292 0,77 0,7238 1,50 0,9661 04_Capitulo 04_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 11:55152 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS 171 4.5 NITRETAÇÃO [6, 8] Nitretação é o processo de introdução superficial de nitrogênio no aço, pelo aquecimen- to dele entre 500 e 570 °C, para formar uma camada dura de nitretos. Nesta faixa de tempe- ratura, o aço encontra-se na condição ferrítica (Figura 4.25). Por utilizar temperaturas menores que as da cementação, a nitretação produz menor distorção e tem menor tendência a causar trincas no material. Após a nitretação, não é necessária têmpera para produzir o endurecimento na camada nitretada. As principais razões para se utilizar a nitretação são: – Obter altíssima dureza superficial (em torno de 70 RC) e alta resistência ao desgaste. – Melhorar a resistência à fadiga e à corrosão (exceto para aços inoxidáveis). – Obter superfície resistente ao amolecimento por aquecimento até temperaturas próximas à de nitretação. Figura 4.24 Esquema de um sistema de cementação iônica (ou a plasma) [8]. Aquecedor Peça a ser cementada (catodo) Pressão (1-20 torr) Entrada do gás cementante Sistema de vácuo 0-1000 Vdc R Contra-eletrodo (anodo) 04_Capitulo 04_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 11:55171 Aços e ligas especiais188 A Figura 4.39 apresenta os efeitos da temperatura e do tempo na profundidade da camada carbonitretada de aços carbono e baixa liga. 4.8 NITROCARBONETAÇÃO [8] 4.8.1 NITROCARBONETAÇÃO FERRÍTICA Envolve a adição conjunta de carbono e nitrogênio, estando o aço no campo ferrítico. O objetivo principal deste tratamento é o de produzir uma região branca como na nitretação e melhorar a resistência ao desgaste. Ele tem sido aplicado com sucesso em aços carbono e ligados, inoxidáveis e ferros fundidos. Até 1970, o processo era feito com sal de cianeto fundido, mas posteriores desenvolvimentos tecnológicos levaram ao uso de sais não-tóxi- cos, de meios gasosos e, mais recentemente, de plasma. Nitrocarbonetação a gás A nitrocarbonetação é realizada em temperatura próxima de 570 °C por um período de uma a três horas. Após o tratamento, o aço é resfriado rapidamente em óleo para manter o nitrogênio em solução sólida e aumentar a resistência à fadiga. A região branca possui uma série de nitretos, carbonetos e carbonitretos. Sua composi- ção é função dos elementos de liga do material e da composição do meio usado para transfe- rir nitrogênio e carbono (Figura 4.40). Uma experiência sobre a carbonitretação de ferro Figura 4.39 Efeito do tempo e da temperatura na profundidade da camada carbonitretada [6]. P ro fu nd id ad e d a ca m ad a (m m ) 0,75 0,50 0,25 0 Tempo (horas) 0 1 2 3 4 870 a 885 °C 845 a 860 °C 775 a 790 °C 800 a 830 °C 04_Capitulo 04_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 11:55188 Influência dos elementos de liga nos aços Capítulo 5 Os efeitos dos elementos de liga nos aços e ligas especiais envolvem não apenas alterações nas fases ou constituintes presentes em equilíbrio, mas tam- bém na maneira e velocidade com que estas fases se formam. Naturalmente, a presença de elementos de liga pode, além disso, alterar as próprias caracterís- ticas das fases presentes. É evidente, portanto, que a análise do efeito dos elementos de liga nos aços é uma tarefa complexa. Neste capítulo, são apresentados, de forma sis- tematizada, conhecimentos básicos sobre os principais modos de ação dos ele- mentos de liga. Sempre que possível, exemplos baseados em experiências simples, com teores controlados de um determinado elemento de liga, são apresenta- dos, visando a favorecer a compreensão dos efeitos mais complexos. 5.1 ELEMENTOS ESTABILIZADORES DA AUSTENITA E DA FERRITA [1, 2] Os elementos de liga dos aços podem ser classificados em dois tipos, de acordo com o diagrama de equilíbrio binário com o ferro: estabilizadores da austenita (tipo A) e estabilizadores da ferrita (tipo B). Um estabilizador da auste- nita, por exemplo, tende a aumentar a faixa de temperatura na qual a austenita é estável. Isso pode ser mais bem visualizado com a ajuda da Figura 5.1. Tipo A1 (ou campo austenítico aberto) São elementos de liga que aumentam a faixa de temperatura para a austenita estável, pela diminuição da temperatura de transformação γ → α e aumento da temperatura de transformação γ → δ. A este grupo pertencem importantes elementos de liga nos aços, como o níquel, o manganês e o cobalto. No caso de Ni e Mn, se adicionados em alta concentração, eliminam totalmente a ferrita, formando só austenita na temperatura ambiente (Figura 5.2). 05_Capitulo 05_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:26215 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS 221 Deve-se observar ainda que um mesmo elemento de liga pode se apresentar sob diversas formas no aço. O nióbio, por exemplo, poderá estar parcialmente: dissolvido na ferrita, na forma de carbonetos ou carbonitretos, e formando óxidos; tudo isso em uma mesma amostra de aço. Tabela 5.1 Tendência geral de distribuição dos elementos de liga nos aços recozidos [4]. ↑↑↑ – Forte ↑↑ – Média ↑ – Fraca Dissolvido Combinado na Na forma de Na forma de No na forma de inclusões compostos estado ferrita carbonetos não metálicas intermetálicos elementar Ni (↑↑↑) – – Ni3Al – Si (↑↑↑) – SiO2 – – Al (↑↑↑) – Al2O3, AlxNy – – Zr (↑↑↑) – ZrO2, ZrxNy – – Cu (↑↑↑) – – – p/Cu>0,8% P (↑↑↑) – – – – Mn (↑↑↑) Mn (↑) MnS, MnO – – Cr (↑↑) Cr (↑) CrxOy – – W (↑↑) W (↑↑) – – – Mo (↑↑) Mo (↑↑) – – – V (↑) V (↑↑) VxOy, VxNy – – Ti (↑) Ti (↑↑) TixOy, TixNy – – Nb (↑) Nb (↑↑↑) NbxOy, NbxNy – – 5.3 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NA FORMAÇÃO DA FERRITA Os elementos de liga dissolvidos na austenita podem atrasar tanto a nucleação como o crescimento da ferrita. 5.3.1 NUCLEAÇÃO Os elementos de liga poderiam atrasar a nucleação da ferrita por [5]: a) Formação de um filme fino de precipitados de MXCYNZ (família dos nitretos, carbonetos e carbonitretos de um metal M), os quais recobririam o grão austenítico [6]. Esses precipitados seriam, no início, coerentes com a austenita, dificultando a nucleação da ferrita. Com o passar do tempo, esses precipitados cresceriam ou 05_Capitulo 05_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:26221 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS 229 Durante a transformação isotérmica, a ferrita também pode ser endurecida pela precipi- tação de carbonetos. Na Figura 5.14, observa-se o aumento da dureza provocada pela precipita- ção do NbC na ferrita obtida isotermicamente a 600 e 700 °C. Aumentando-se temperatura do tratamento, o coalescimento do NbC é acelerado e a dureza cai. Também quanto maior o tempo em uma determinada temperatura, maiores são o crescimento e o coalescimento das partículas de NbC com conseqüente diminuição da dureza. 5.4 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NA FORMAÇÃO DA PERLITA Os elementos de liga dissolvidos na austenita podem atrasar tanto a nucleação como o crescimento da perlita, pelos mesmos motivos já discutidos sobre a ferrita. Na Figura 5.15, observa-se que no aço 0,8% C, austenitizado a 900 °C, praticamente não houve atraso na formação da perlita provocado pelo nióbio. Isto porque a 900 °C apenas 3% do nióbio é solubilizado e 97% do nióbio continua na forma de NbC (vide Figura 5.12). Porém, aumentando-se a temperatura para 1350 °C, consegue-se solubilizar todo o nióbio neste aço, e o tempo para iniciar a transformação perlítica é aumentado em dez vezes. O maior tempo para formação da perlita em aços sem nióbio, quando a temperatura de austenitização passa de 900 para 1350 ºC é devido ao crescimento do grão austenítico.O atraso na formação da perlita e ferrita aumenta a temperabilidade dos aços, o que é eviden- ciado na Figura 5.16. Na Figura 5.17, observa-se o efeito relativo dos elementos de liga sobre a temperabilidade dos aços. Figura 5.14 Dureza da ferrita obtida isotermicamente a 600 e 700 ºC em aço 0,20% C com e sem adição de 0,03% Nb. As amostras foram austenitizadas a 1200 ºC por duas horas [30]. D ur ez a V ic ke rs 200 150 Tempo (min.) 10 20 30 Nb-600 Nb-700 C-600 e 700 1 05_Capitulo 05_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:26229 INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS 295 5.12 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NA FORMAÇÃO DA BAINITA 5.12.1 TEMPERATURA DE INÍCIO DA FORMAÇÃO BAINÍTICA (BI) A temperatura de início da formação bainítica (BI) é reduzida pela adição de elementos de liga, segundo a equação empírica [2]: BI (°C) = 830 – 270 (% C) – 90 (% Mn) – 37 (% Ni) –70 (% Cr) – 83 (% Mo) (5-i) % = Porcentagem em peso Como visto anteriormente, os elementos de liga atrasam a formação da ferrita e da perlita. Também como estes mesmos elementos abaixam a temperatura de início da forma- ção bainítica, o resultado é que as “baias” de ferrita + perlita e a de bainita são mais separadas nos aços ligados (vide item 2.4, Capítulo 2). Um dos elementos mais efetivos em separar a reação bainítica é o boro, mesmo em pequenas adições (0,002%). Com isso, pode-se obter aços totalmente bainíticos, mesmo em resfriamento contínuo. A vantagem destes aços é que aliam uma boa resistência mecânica à ductilidade sem a necessidade de se empregar tratamentos térmicos posteriores. Essa característica é importante em peças que serão soldadas, pois haverá formação de bainita e não de martensita na Zona Afetada pelo Calor (ZAC). 5.12.2 AÇOS BAINÍTICOS DE ALTA RESISTÊNCIA Recentemente, Gorni e Mei [68–71] apresentaram um estudo sobre o desenvolvimento de aços bainíticos com limite de resistência entre 700 e 800 MPa para substituir aços de alta resistência temperados e revenidos com médio teor de liga, como o HY-80 (Tabela 5.6). Tabela 5.6 Composição e propriedades mecânicas típicas de chapas grossas do aço HY-80 [71]. Propriedades Espessura LE LR Alongamento total Energia absorvida a (mm) (MPa) (MPa) (%) -18 °C (J) 9,5 644 762 32 – 50 616 731 25 214 Composição química do aço (% em peso) C Mn Si P S Ni Cr Mo Cu A l Ceq 0,15 0,26 0,23 0,014 0,003 2,65 1,55 0,38 0,010 0,050 0,756 05_Capitulo 05_Aços e Ligas.p65 19/10/2006, 12:26295 Os Capítulos 6 e 7 tratam da classificação e da seleção de aços e ligas especiais. Alguns aspectos comuns da classificação, da seleção e da especificação de materiais em geral são tratados a seguir, antes de se analisar a classificação e seleção dos aços em particular. 6.1 CLASSIFICAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE MATERIAIS A importância de especificações bem elaboradas para produtos industriais não pode ser subestimada. Especificações corretas conduzem à economia por parte dos produtores e dos compradores, prazos mais curtos de entrega e, prin- cipalmente, melhor entendimento entre produtor e cliente. Uma especificação bem elaborada deve deixar claro o que se espera e o que se aceita do produto. Por este motivo, muito esforço é dedicado por diversas entidades, privadas ou não, tanto nacionalmente como internacionalmente, no sentido de padronizar as especificações de produtos industriais, especialmente os materiais. Aços e ligas especiais têm sido classificados de diferentes maneiras. São métodos usuais de classificação: – Classificação baseada em características do aço ou liga. Exemplo: pro- priedades mecânicas, composição química etc. – Classificação baseada no emprego do aço ou liga. Exemplo: aços para ferramentas, para construção mecânica etc. Estas classificações não são excludentes, e um dos problemas que é en- contrado, ao tentar compreendê-las e aplicá-las, decorre da freqüente super- posição entre as classificações. Dois aspectos importantes devem ser ressalta- dos: Em primeiro lugar, tais classificações não constituem critérios definitivos e imutáveis e são estabelecidas visando a ajudar o processo de seleção. Aços clas- sificados como “para ferramentas”, por exemplo, podem ser a melhor solução em determinadas aplicações em peças de equipamentos mecânicos. Em segundo lugar, determinados aços podem estar incluídos, simultaneamente, em mais de uma classificação, em especial quando os critérios de classificação são diferentes: Classificação e seleção de aços Capítulo 6 06_Capitulo 06_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:20315 CLASSIFICAÇÃO E SELEÇÃO DE AÇOS 325 6.5 AÇOS ESTRUTURAIS PARA CALDEIRAS, VASOS DE PRESSÃO E TUBULAÇÕES Por aços estruturais entendem-se, basicamente, vergalhões para reforço de concreto, barras (normalmente em aplicações estáticas), bem como chapas e perfis para aplicações estruturais. Uma grande parte dos aços empregados para a fabricação de equipamentos industriais, tais como caldeiras, vasos de pressão e tubulações, é equivalente aos aços estruturais, espe- cialmente para aplicações a temperaturas inferiores a 350 °C, quando a fluência não é uma propriedade determinante na seleção. Por este motivo, é conveniente discutir aqui a seleção destes materiais. Para estruturas e aplicações de maior responsabilidade, aços de alta resistência e baixa liga vêm sendo extensivamente desenvolvidos nas últimas décadas, como será discutido a seguir. Além disso, existem aplicações especiais que requerem aços de baixa ou média liga, como aços para reatores nucleares, vasos de alta pressão, mísseis, submarinos etc. Naturalmente, a discus- são detalhada da seleção de materiais para tais aplicações especiais foge ao objetivo deste texto, e é encontrada em publicações especializadas. Nesta classe, está o consumo maciço de aços e a relação resistência/preço é, normalmente, fator decisivo na seleção. Em geral, são produtos laminados, em função das grandes quantidades produzidas, mas podem ser obtidos também sob a forma de forjados e fundidos, aproveitando as vantagens da produção de formas próximas à da peça acabada (near net shape). No passado, aplicavam-se aços efervescentes e semi-acalmados para os produtos com requisitos menos exigentes em Figura 6.5 Faixas de propriedades típicas dos modernos aços planos de alta resistência. A nomenclatura faz referência, em geral, ao mecanismo de aumento da resistência. A lo ng am en to ( % ) Limite de escoamento (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 Painéis Componentes estruturais IF IF-AR AA-DQ BH C-Mn TRIP ARBL DP Martensita 06_Capitulo 06_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:20325 Aços ferramenta, inoxidáveis e ligas especiais Capítulo 7 7.1 AÇOS PARA FERRAMENTAS 7.1.1 INTRODUÇÃO Aços para ferramentas constituem uma das bases do desenvolvimento dos processos industriais. Com a Revolução Industrial e sua evolução ao longo do século XIX, acelerou-se a busca por ferramentas que pudessem ser utilizadas por períodos mais longos com solicitações mais severas e com melhor desempenho. Naturalmente, as características e a qualidade do material empregado na confec- ção de uma ferramenta definem, em grande parte, o seu desempenho. Iniciou-se, portanto, uma busca acelerada de materiais para ferramentas. Como as relações entre solicitações, características e desempenho em uma ferramenta são extre- mamente complexas, o desenvolvimento de materiais e aços para ferramentas foi completamente empírico até o final da primeira metade do século XX. Exem- plos típicos são o desenvolvimento dos aços rápidos, por Taylor, em 1900 e o desenvolvimento da série de aços D, para trabalho a frio, inicialmente concebidos como uma evolução dos aços para trabalho a quente. Presentemente, a grande evolução do conhecimento da inter-relação entre características e desempenho dos aços para ferramentas permite que seu de- senvolvimento, seleção e produção se façam de forma bastante científica. Em especial, a compreensão da importância do processamento como fator limitante do desempenho levou ao desenvolvimento e a aplicação de técnicas de elabora- ção e produção como refusão sob vácuo (VAR), refusão e sob escória (ESR) e metalurgia do pó, que permitem alargar os limites de desempenho destes aços. 7.1.2 CLASSIFICAÇÃO Uma definição exata de aço ferramenta, satisfatória tanto para o usuário como para o produtor, é praticamente impossível. Enquanto, para o leigo, qual- AÇOS FERRAMENTA, INOXIDÁVEIS E LIGAS ESPECIAIS 407 7.1.10 REVESTIMENTOS As demandas crescentes sobre aços para ferramenta fizeram que, nas últimas décadas, o uso de revestimentos de alta dureza passassem a ser empregados sobre aços ferramenta em algumas das aplicações mais rigorosas. As composições à base de TiC e TiN demonstra- ram ter excelente potencial para aumento da resistência ao desgaste e à oxidação. A dureza do nitreto de titânio é de 2000 HV e pode chegar até a 3200 HV por meio da modificação com Al, formando (Ti, Al)N. Estes compostos são extremamente estáveis (o ponto de fusão do TiN é de cerca de 2800 °C), de modo que os revestimentos são inertes quimicamente e resistem muito bem à oxidação. Além das propriedades do material do revestimento em si, os processos e composições empregados para o revestimento devem ser compatíveis com os aços e seus tratamentos térmicos. Assim, por exemplo, os processos de CVD (Chemical Vapor Deposition), para depositar TiC ou TiN, são realizados a temperaturas elevadas, que afetam a microestrutura do substrato (aço ferramenta). É necessário realizar novo tratamen- to térmico, em forno a vácuo, após o processo de deposição por CVD, com os riscos inerentes a esta operação sobre uma ferramenta pronta. Este fato deve ser considerado na seleção da técnica de revestimento. PVD (Physical Vapor Deposition) tem sido um dos processos preferidos para a deposição. A Tabela 7.16 apresenta alguns exemplos de aplicação em aços ferramenta. Tabela 7.16 Alguns exemplos de aplicação de revestimento em aço ferramenta [21] Aço (substrato) Aplicação Aço rápido M2 Ferramentas de corte e brocas Aço para trabalho a quente Matriz para extrusão de alumínio Aço D2 Matriz para conformação a frio Na conformação a frio (estampagem e embutimento) dos novos aços de alta resistência para a indústria automobilística discutidos no Capítulo 6, por exemplo, o uso revestimento tem se mostrado essencial para a obtenção das vidas desejadas pela indústria [7]. Na extrusão a quente de alumínio, o desgaste de matrizes de aço H13 é reduzido significativamente pelo uso de revestimento. Também na injeção de plástico reforçado por fibras, o uso de aço D2 revestido por TiN levou a uma redução significativa do desgaste da ferramenta. 7.2 AÇOS INOXIDÁVEIS 7.2.1 INTRODUÇÃO Adições de cromo aumentam a resistência à oxidação e à corrosão do aço. Aços com teores de cromo superiores a 12% têm grande resistência à oxidação e são comumente designados como aços inoxidáveis. Estes aços são de grande interesse para a engenharia, em AÇOS FERRAMENTA, INOXIDÁVEIS E LIGAS ESPECIAIS 443 Em casos extremos de temperatura, principalmente, superligas à base de níquel, como Nimonic 80 (VAT 80 A) ou Inconel 751 (VAT 751), discutidas no item 7.5, podem ser a melhor solução. Em algumas aplicações, especialmente em válvulas de admissão, válvulas “compostas” podem ser usadas. Assim, a haste da válvula pode ser produzida em aço para construção mecânica (principalmente AISI 1541, 1547, 4140 ou 8645 – Capítulo 6) e solda- da a uma cabeça de aço resistente à corrosão. Assim, uma haste martensítica, com boa resistência à fadiga e ao desgaste, pode ser soldada a uma cabeça austenítica, com melho- res características para resistir a temperaturas elevadas e à corrosão. O emprego de revestimentos nas superfícies de contato do assento das válvulas ajuda a reduzir o desgaste nessas regiões. Normalmente, utiliza-se deposição de revestimentos com ligas à base de cobalto. 7.3 AÇOS MARAGING 7.3.1 INTRODUÇÃO Em contraste com a maioria dos aços analisados no Capítulo 6, aços maraging são aços endurecidos por uma reação que não envolve o carbono, como no caso dos aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (item 7.2.7). Esses aços são endurecidos pela precipitação de compostos intermetálicos (durante um tratamento de envelhecimento) em uma matriz martensítica de baixo carbono. O nome maraging deriva de “MARtensite + AGE hardening”. Estes aços são projetados para atingir limites de escoamento na faixa de 1400 a 2400 MPa. Do ponto de vista da aplicação, a característica mais importante dos aços maraging é atingir elevadíssimas propriedades de resistência com tenacidade à fratura notável, bastante superior à dos aços de Ultra-Alta Resistência (Capítulo 6), como mostra a Figura 7.36. Figura 7.36 Tenacidade a fratura para diversos aços estruturais em função do limite de escoamento [54]. 103 Ibs.in-3/2 100 80 60 40 20 Limite de escoamento 150 175 200 225 250 275 300 103 psi 1030 1210 1370 1550 1730 1890 2070 MPa Kgfmm-3/2 354 283 212 142 71 N.mm–3/2 3470 2780 2080 1380 694 18% Ni Maraging 4340 H11 300 M Te na ci d ad e K IC Aços e ligas especiais466 7.8 METAIS REFRATÁRIOS E SUAS LIGAS Os metais dos grupos VB e VIB da tabela periódica são, normalmente, considerados metais refratários, em função de seus elevados pontos de fusão (Tabela 7.38). Entre estes, os mais importantes são nióbio e tântalo (grupo VB) e molibdênio e tungstênio (grupo VIB). Durante muitos anos, as aplicações destes metais e suas ligas limitaram-se a filamentos de lâmpadas e outras resistências elétricas para temperaturas elevadas, grades de válvulas eletrônicas e contatos elétricos [56]. Atualmente, importantes aplicações para metais refratários e suas ligas têm sido encontra- das nas indústrias nuclear, aeroespacial e na produção de componentes eletrônicos. Além das características inerentes à aplicação, a capacidade de ser fabricado é decisiva na seleção de um material refratário. Neste ponto, nióbio e tântalo têm sensível vantagem sobre os elementos do grupo VIB. A elevada solubilidade dos intersticiais C, N, O e H nestes metais é uma das causas importantes da sua boa ductilidade em temperatura ambiente. O nióbio metálico, por exemplo, pode sofrer 90% de redução a frio antes de ser necessário um trata- mento térmico para a recuperação da ductilidade [72]. Como o molibdênio e o tungstênio têm baixa solubilidade destes intersticiais, cuidados adicionais são requeridos em seu refino e fabricação [68]. 7.8.1 NIÓBIO E TÂNTALO Nióbio e tântalo ocorrem associados em diversos minerais na natureza. O nióbio (ou colúmbio) foi descoberto em 1801 e o tântalo, em 1802 [73]. Suas propriedades químicas são tão semelhantes que, naquela época, sua separação e caracterização apresentavam sérias dificuldades. Metal Densidade (g/cm3) Ponto de fusão Grupo da (ºC) tabela periódica Ni 8,9 1.453 VIII B Co 8,85 1.495 VIII B V 6,1 1.900 V B Cr 7,19 1.875 VI B Nb 8,57 2.468 V B Mo 10,22 2.610 VI B Ta 16,6 2.996 V B W 19,3 3.410 VI B Tabela 7.38 Características de alguns metais para aplicação à temperatura elevada [68]. Processos de elaboração de aços Capítulo 8 8.1 INTRODUÇÃO A metalurgia extrativa do ferro apresenta um dos roteiros menos intuitivos sob aspectos termodinâmicos e de composição química e, ao mesmo tempo, um dos mais bem estabelecidos e desenvolvidos entre todos os metais. O desafio de produzir da ordem de 1000 Mt/ano (produção mundial em 2004) de aços conten- do pelo menos cinco elementos controlados em níveis de precisão de até deze- nas de ppm (partes por milhão em peso), a custos razoáveis e a temperaturas nas quais os revestimentos dos equipamentos terminam por participar dos proces- sos, faz que esta seja, possivelmente, uma das indústrias químicas mais avança- das atualmente [1]. Entre as diversas matérias-primas necessárias à produção de ferro e aço, a mais importante é o minério de ferro, tanto em quantidade, quanto em custo. O ferro ocorre, na natureza, sob diversas formas de minerais. Entretanto, apenas alguns destes têm valor comercial como fontes de ferro. Entre estes, os minerais formados por óxidos de ferro representam a grande maioria das fon- tes de ferro para a indústria siderúrgica. São eles [2]: – Magnetita (Fe3O4) – Corresponde a aproximadamente 72% Fe/28% O em peso, de coloração cinza-escura a preta e densidade 5,16g/cm3. É altamente magnética, permitindo sua separação fácil de resíduos in- desejáveis do minério (ganga). A magnetita é minerada principalmente na Suécia e na Rússia e tem a vantagem da facilidade de concentração decorrente de suas propriedades magnéticas. – Hematita (Fe2O3) – Corresponde à composição aproximada de 70% Fe/ 30% O em peso: sua coloração varia de cinzenta a avermelhada, tendo densidade de 5,26g/cm3. É o minério de maior emprego na siderurgia, sendo o Brasil um dos maiores produtores mundiais. Em muitas jazidas, há certa proporção de material friável, que se desagrega facilmente, produzindo finos que não podem ser usados diretamente no alto-forno ou nos processos de redução. Também na moagem e classificação da hematita ocorre a formação de finos. A existência destes finos levou ao desenvolvimento dos 08_Capitulo 08_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22475 Aços e ligas especiais484 Eliminação do enxofre O enxofre entra no alto-forno principalmente por meio do coque – este é o principal problema do emprego do carvão brasileiro na produção de coque metalúrgico: seu alto teor de enxofre. A eliminação do enxofre requer o uso de escórias básicas (alta relação CaO/SiO2), com alta razão de distribuição do enxofre (% S na escória/% S no metal, em equilíbrio), uma vez que o processo ocorre durante o gotejamento do ferro líquido pela escória. Para escórias com 45-55% de SiO2, 4% de A12O3, a razão de distribuição é de 20-40, e para escórias de alta basicidade, pode atingir 60-80. Se as matérias-primas carregadas contêm alto teor de enxofre, o gusa produzido pode ter até 0,2% deste elemento. Em geral, o alto-forno não é otimizado para obter remoção do enxofre. Assim, tratamento posterior do gusa e/ou dessulfuração na aciaria tornam-se necessários. Vazado o metal do alto-forno, este é transportado, líquido, em carros-torpedo, para a aciaria na própria usina (ver item 8.4). Nas usinas não-integradas, é fundido em “pães”, pequenos lingotes, para posterior utilização por fundições ou aciarias externas. É interessante observar que o alto-forno é um processo contínuo. Problemas diversos surgem na partida e nas paradas deste equipamento, que podem requerer semanas e de- vem ser evitadas ao máximo, razão pela qual muita ênfase é colocada na melhoria dos re- vestimentos (refratários ou mais recentemente, placas de cobre refrigerado, chamadas “staves”) dos altos-fornos e na correta operação destes equipamentos para se obter o máxi- mo de produtividade. 8.3 PROCESSOS DE REDUÇÃO DIRETA Processos de redução direta são aqueles em que ferro metálico é produzido, por meio da remoção do oxigênio a ele associado no óxido, a temperaturas inferiores ao ponto de fusão dos materiais empregados. O produto da redução é uma massa porosa, com o formato apro- ximado da fonte de ferro carregada no equipamento, e é chamado de ferro-esponja. Os pro- cessos de redução direta têm se beneficiado também da carbonetação do ferro produzido, formando uma fração de Fe3C, que tem ponto de fusão mais baixo que o ferro metálico e agrega carbono à carga do forno elétrico, melhorando o desempenho do ferro-esponja nestes fornos. Apesar de alguns processos experimentais envolverem a produção direta do aço, esta possibilidade não é discutida aqui. Historicamente, os processos de redução direta precederam o alto-forno; entretanto, não puderam evoluir para grandes escalas de produção e foram ultrapassados pelo alto-forno. Os principais motivos que têm mantido o interesse no desenvolvimento destes processos estão relacionados ao desejo de se aproveitar carvões não coqueificáveis ou excessos de gás na- tural em regiões ricas nestes insumos. Uma importante vantagem, do ponto do vista do capital, é que os processos de redução direta são adequados à instalação de miniusinas, com volume de produção menor do que as usinas integradas e requerendo menores investimentos. Tal fato é especialmente importan- te em países pobres e de grandes áreas, de modo a atender às necessidades de produção de aço localmente, com expansões de produção mais baratas e proporcionando emprego em várias regiões. É necessário, entretanto, dispor-se de redutor/combustível em quantidade suficiente no local. 08_Capitulo 08_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22484 Aços e ligas especiais506 O aço chamado “semi-acalmado” era parcialmente desoxidado, ocorrendo, ainda, alguma reação de evolução de CO na lingoteira. Era empregado em perfis, chapas e barras estruturais. O termo “acalmado” aplica-se ao aço suficientemente desoxidado, de forma a não ocor- rer qualquer formação de CO na lingoteira. Os aços carbono, ligados, ferramenta e inoxidáveis, para aplicação de qualidade, são sempre produzidos acalmados, quando se obtém o máximo de homogeneidade possível. Como as condições necessárias para as reações de efervescência não são compatíveis com o processo de lingotamento contínuo, que é muito mais barato do que o lingotamento convencional, os aços efervescentes e semi-acalmados praticamente desapareceram no fi- nal do século XX. 8.5.2 LINGOTAMENTO CONTÍNUO Mais de 90% da produção mundial de aço é produzida pelo lingotamento contínuo. Neste sistema, o aço líquido é vazado em um molde de cobre refrigerado à água, em que uma primeira casca sólida se forma e vai sendo extraída por um sistema mecânico de rolos e suportes. Formada a casca com uma espessura suficiente para resistir à pressão ferrostática, o aço deixa o molde e passa a ser refrigerado por aspersão de água em sprays ou jatos e por radiação, até a conclusão da solidificação, como mostra o esquema da Figura 8.20. Figura 8.20 Esquema de uma máquina de lingotamento contínuo. A solidificação é concluída vários metros abaixo do nível do molde. Velocidades de lingotamento (ou do veio) na faixa de 1 m/min são típicas. Panela Distribuidor Molde Rolos de suporte Zona de resfriamento secundário Sprays de água Radiação 08_Capitulo 08_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22506 PROCESSO DE ELABORAÇÃO DE AÇOS 521 Assim, o crescimento celular ou dendrítico é possibilitado. No caso de ligas, é possível estabelecer um mecanismo que justifique a ocorrência destes fenômenos, baseado na redistribuição de soluto durante a solidificação. Este me- canismo é chamado “superesfriamento constitucional” [26, 32]. Nos casos-limite de redistribuição de soluto discutidos na seção anterior, supôs-se homogeneização completa do líquido à frente da interface. Caso esta premissa não seja adotada, e o soluto rejeitado à frente da interface não seja homogenizado instantaneamente no líquido, é possível assumir um perfil de composição à frente da interface, como o esquematizado na Figura 8.35 (b), em que o líquido estaria se homogeneizando por difusão, por exemplo [33]. Supondo que este perfil de composição do líquido exista, a temperatura liquidus do metal à frente da interface não será constante, mas dependerá da sua composição, como mostra a Figura 8.35 (c). Se o gradiente de temperatura real existente for tal que existam pontos do líquido com temperatura abaixo de sua temperatura liquidus, o líquido é instável nestes pontos. Isto é, é possível ocorrer a nucleação de sólido ou, caso uma perturbação ocorra na interface plana, ela encontrará condições em que o sólido é estável. Assim, existem condições para a ocorrência de crescimento dendrítico. É importante observar que, neste caso, o crescimento dendrítico ocorre em condições de gradiente de temperatura positivo adiante da interface, isto é, nas condições normal- mente encontradas em solidificação em escala industrial. 8.5.4 ESTRUTURA DE LINGOTES E PRODUTOS DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO Lingotes são fundidos projetados para otimizar a estrutura de solidificação, levando em consideração o trabalho mecânico posterior a que serão submetidos. A facilidade com que os lingotes podem ser conformados, bem como as propriedades do metal obtido depen- dem, freqüentemente, da estrutura do lingote, isto é: – Forma, tamanho e orientação dos grãos. – Localização e composição de eventuais heterogeneidades geradas durante a solidificação. Lingotes comerciais apresentam, em geral, três zonas de estruturas diferentes, como mostra a Figura 8.36: – Zona equiaxial fina na superfície: esta zona aparece, devido à farta nucleação que ocorre quando o metal é vazado e entra em contato com as paredes frias do molde (ou da lingoteira). Os cristais nesta região são dendríticos e equiaxiais. Seu crescimento é limitado pela presença de outros núcleos. – Zona colunar: à proporção que o crescimento da zona equiaxial prossegue em direção ao interior do metal vazado, os cristais favoravelmente orientados em re- lação ao fluxo térmico crescerão mais rapidamente, como mostra, esquematica- mente, a Figura 8.37. – Zona equiaxial central: se o líquido no interior do molde (ou do lingote) chegar a ficar superesfriado, pode ocorrer o crescimento equiaxial central. Este cresci- mento pode partir de núcleos existentes na região ou de pontas de dendritas trazidas por correntes de convecção. 08_Capitulo 08_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22521 Processos especiais de refino e obtenção de aços e ligas especiais Capítulo 9 9.1 INTRODUÇÃO A constante evolução da engenharia vem exigindo cada vez mais dos materiais. Para acompanhar as solicitações de materiais com propriedades excepcionais, foram desenvolvidos processos de refino, visando a melhorar as características dos aços e ligas especiais. A maior parte dos processos especiais de refino são processos de metalur- gia secundária, em que o aço produzido em um processo primário (forno elétrico ou conversor, basicamente) é reprocessado com objetivos específicos. Entre estes, os mais comuns são os processos que tratam o aço líquido, principalmente processos de desgaseificação e de metalurgia de panela. Existem ainda pro- cessos secundários de refusão, em que o aço já elaborado e solidificado passa por um novo refino e solidificação controlados. Por fim, existem processos primários especiais, em que se faz a primeira fusão e homogeneização de ligas especiais. O mais importante processo primário especial é a fusão por indução sob vácuo. Neste capítulo, é também discutida uma alternativa aos processos clássi- cos que envolvem solidificação de semi-acabados de grandes dimensões: a metalurgia do pó de aços ferramenta e o processo de conformação por spray. São discutidos, em especial, os aspectos ligados à obtenção dos pós com a limpeza interna necessária e as alternativas para a consolidação e o processamento des- tes pós. Processos especiais de refino, tanto primários como secundários, são em- pregados por dois motivos principais: a) quando se deseja obter e controlar condições termodinâmicas (ou cinéticas) que não podem ser obtidas nos pro- cessos primários disponíveis (exemplo: baixa pressão de gás, longos tempos em condições desoxidantes etc.) e b) quando se busca uma melhoria de eficiência 09_Capitulo 09_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22533 PROCESSOS ESPECIAIS DE REFINO E OBTENÇÃO DE AÇOS E LIGAS ESPECIAIS 549 9.4 PROCESSOS DE REFUSÃO Apesar do elevado grau de limpeza e controle de composição química obtidos com os mo- dernos processos de elaboração (Forno a Arco + VAD ou VD, Forno Elétrico + Forno Panela + VD, Forno a Arco + VOD, Forno de Indução sob Vácuo), o controle sobre a solidificação do metal (aço ou superliga) é praticamente inexistente nestes processos. Assim, a massa total do lingote é vazada no interior da lingoteira, solidificando naturalmente, ou lingotada em equipamen- to de lingotamento contínuo em que as condições de solidificação ficam limitadas pelas exigências de produtividade e estabilidade da operação. Esta solidificação dá origem a heterogeneidades (como segregação, concentração de inclusões etc.), como discutido no Capítulo 8. Obviamente, tais heterogeneidades são aceitáveis em uma grande parte dos aços nas aplicações usuais. Entre- tanto, à medida que as solicitações crescem, nota-se a tendência de as falhas se concentrarem nestes defeitos, ou surgirem em decorrência deles. Figura 9.15 Resultados de titânio e alumínio em corridas de Waspalloy produzidas em VIM. Te or d e tit ân io (% ) 3,0 2,0 1,0 Número de corridas 0 5 10 2,0 1,0 0 Teor visado Limites especificados 0 5 10 Número de corridas Te or d e al um ín io (% ) Teor visado Limites especificados 09_Capitulo 09_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22549 Aços e ligas especiais554 Uma vez que a movimentação do feixe é facilmente controlada por programação, o pro- cesso EB oferece a opção de controlar, independentemente, a taxa de fusão (em função da permanência do feixe no metal a refundir) e a temperatura e tempo de residência do metal líquido na “poça” (em função da permanência do feixe sobre a “poça”). Isto dá ao processo uma versatilidade superior aos processos ESR e VAR, em que taxa de fusão e aporte de calor na “poça” líquida não podem ser alterados independentemente. A alta densidade de potência do feixe de elétrons e a baixíssima pressão de trabalho fazem do processo a seleção ideal para o refino de metais refratários. Diferentes variantes do processo são disponíveis, assim como sua aplicação para a fun- dição de metais reativos. Figura 9.19 Esquema de um forno para refusão por feixe de elétrons (Electron Beam, EB Remelting) [14]. 9.5 METALURGIA DO PÓ PARA AÇOS FERRAMENTA Aços ferramenta processados por roteiros que envolvem solidificação convencional, mes- mo com refusão e conformação mecânica representam um desafio de processamento, em função da dificuldade de se obter uma estrutura favorável de carbonetos primários. Fre- qüentemente, as falhas por fadiga ou quebra de ferramentas estão associadas a agrupamen- tos de carbonetos primários, um fator limitante da vida das ferramentas. Os processos de fabricação de pós metálicos por atomização do metal líquido têm tempos de solidificação 1 – “Canhão” de elétrons 2 – Feixe eletrônico 3 – Sistema de vácuo 4 – Câmara 5 – Material a refundir 6 – Gotas de material refundido 7 – “Poça” líquida 8 – Lingote 9 – Lingoteira refrigerada 10 – Sistema de extração 11 – Visor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 09_Capitulo 09_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22554 Aços e ligas especiais558 9.6 CONFORMAÇÃO POR SPRAY (“SPRAY FORMING”) [20] O processo de conformação por spray (“spray forming”) é uma alternativa moderna para a obtenção de produtos, cujas composições químicas sejam difíceis de processar pelo roteiro clássico de fusão, lingotamento, solidificação e conformação. O processo foi desenvolvido desde a década de 1970. Posteriormente, a empresa Osprey Metals realizou muitos desenvolvimen- tos no processo, que, por vezes, é conhecido como Osprey forming por este motivo [20]. A concepção do processo é a atomização do metal líquido, que é acelerado sob a forma de um spray por um gás, até atingir um anteparo, em que as partículas, parcialmente líquidas, são coletadas, formando um bloco semi-acabado ou peça, dependendo da configuração adotada, do movimento e da posição do anteparo. O processo é extremamente flexível e permite, por exemplo, a introdução de partículas de reforço cerâmico dispersas no metal por pulverização simultânea. Um esquema do processo, na configuração para a produção de blocos semi-acabados (billets), é mostrado na Figura 9.24. Da etapa de elaboração até a atomização, o processo de conformação por spray é se- melhante aos processos de preparação de pós para metalurgia do pó atualmente aplicados a aços ferramenta e aços rápidos. O material atomizado é submetido a alta taxa de resfriamen- to, resultando em microestrutura refinada, próxima à obtida em metalurgia do pó. Como as partículas atomizadas são recolhidas antes da solidificação, um semi-acabado extremamente homogêneo é obtido diretamente. As características destes semi-acabados são tais que se pode dispensar a etapa de HIP – a mais cara no processamento dos aços obtidos por metalur- gia do pó [21]. Figura 9.24 Esquema do processo de conformação por spray. Tundish Sistema de atomização Exaustão Panela Billet Câmara de spray Disco coletor 09_Capitulo 09_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:22558 CONFORMAÇÃO MECÂNICA 575 10.4 INCLUSÕES NÃO-METÁLICAS E ANISOTROPIA Durante a deformação a quente, as inclusões não-metálicas podem apresentar diferente comportamento, dependendo, principalmente, de sua plasticidade em relação à plasticidade do aço. Inclusões que apresentam plasticidade elevada, nas temperaturas de conformação, alongam-se no sentido da deformação. Inclusões que não se deformam podem quebrar, sendo distribuídas ao longo do produto, como ilustra a Figura 10.13. Uma vez que diversas propriedades do aço são influenciadas por inclusões não-metálicas, é importante conhecer seu comportamento. A Figura 10.14 apresenta valores de plasticidade relativa para as inclusões mais comuns em aços. Sulfetos de manganês e silicatos são as inclusões de maior plasticidade. Conseqüentemente, são as inclusões que mais se alongam durante o trabalho a quente e, portanto, as principais responsáveis pela anisotropia dos pro- dutos conformados. A plasticidade dos silicatos varia com a temperatura, de modo que estas inclusões podem se apresentar alongadas e distribuídas em fragmentos, em função do ciclo de temperatura e deformação empregado. Figura 10.13 A plasticidade relativa da inclusão define sua deformação em relação ao aço. In- clusões plásticas se alongarão de acordo com o trabalho a quente. Inclusões du- ras podem permanecer inalteradas ou quebrarem, com redistribuição no produto. Inclusão “dura” Inclusão composta Inclusão “plástica” Antes da conformação a quente Após conformação Cavidade 10_Capitulo 10_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:23575 CONFORMAÇÃO MECÂNICA 581 A influência das inclusões não-metálicas sobre a resistência à fadiga foi apresentada no Capí- tulo 6. Para aços de resistência elevada, observa-se uma correlação bem definida entre o tamanho da maior inclusão presente no aço e a resistência à fadiga do aço. Medidas de controle de limpeza interna (Capítulos 8 e 9) são, portanto, essenciais para a produção de aços com elevada resistência à fadiga. A seleção da orientação da deformação em relação às solicitações esperadas é importante, também. Sempre que possível, deve-se considerar que solicitações no sentido “normal” à defor- mação devem ser evitadas, uma vez que, nesta direção, o efeito negativo das inclusões a- longadas sobre as propriedades mecânicas é máximo. Quando o processo de conformação é suficientemente flexível quanto à orientação da deformação (forjamento, por exemplo), é pos- sível produzir peças com o “fibramento” mais favorável, isto é, com a direção “normal” orientada de modo a sofrer o mínimo de solicitações. 10.5 TRABALHO A FRIO No trabalho a frio, por definição, os mecanismos de recuperação e recristalização não são operativos. Neste caso, à proporção que o metal é deformado, ocorre o encruamento, isto é, a resistência aumenta e a ductilidade diminui. Tal característica de deformação a frio foi abor- dada em anterior referência aos aços inoxidáveis austeníticos no Capítulo 7. O mecanismo de encruamento envolve o aumento da densidade de discordâncias (defei- tos de linha microscópicos, responsáveis pela deformação dos metais), bem como a diminui- ção de sua mobilidade o que não serão discutidos neste texto. (Para uma análise simples do problema, ver [16]. Para uma análise profunda, ver [1, 15, 11]). A Figura 10.21 apresenta a variação típica das propriedades mecânicas de metais com a deformação a frio. Figura 10.21 Variação típica de propriedades mecânicas de metais deformados a frio. P ro p rie d ad e Redução a frio (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 Limite de resistência Limite de escoamento Alongamento Redução de área 10_Capitulo 10_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:23581 Aços e ligas especiais582 Em função da deformação a frio, pode aparecer, também, anisotropia de propriedades. Em contraste com a anisotropia proveniente do trabalho a quente, esta parcela de anisotropia pode ser eliminada por tratamento térmico que restaure a microestrutura original, isotrópica, do material. Como a ductilidade diminui com o progresso da deformação, pode ocorrer ruptura antes de se atingir as dimensões finais desejadas, se a deformação for excessiva. Para evitar estas dificuldades, as operações de deformação a frio, em geral, são realizadas em etapas, com operações de recozimento intermediárias. Apesar do aumento do custo envolvido, tais operações permitem uma elevadíssima flexibilidade, na medida em que possibilitam a produção de material com diversos graus de encruamento e, conseqüente- mente, diferentes propriedades mecânicas e níveis de anisotropia. 10.6 FORJAMENTO Possivelmente, o processo mais antigo de conformação mecânica – o forjamento – é uma operação normalmente realizada a quente e é, até hoje, responsável pela produção de grande parte dos elementos mecânicos. A combinação de formas adequadas com excelentes proprie- dades obtidas com este processo tem garantido sua permanência entre os mais empregados, inclusive para aplicações aeroespaciais. Além disso, para peças de grandes dimensões, so- mente o forjamento permite a obtenção das formas e propriedades requeridas. Entretanto, com o desenvolvimento dos aços e superligas e com as exigências cada vez maiores colocadas sobre os produtos forjados, modernamente o forjamento nada retém do processo empírico desenvolvido ao longo dos séculos [17]. Operações de forjamento cobrem uma ampla faixa de dimensões e formas de produto. Taxas de deformação desde 10–1s–1 (prensas hidráulicas) até 102 s–1 (martelos de queda) são empregadas em operações normais de forjamento. Forjarias pesadas são responsáveis pelo forjamento de grandes peças, como eixos, rotores, tubos de canhão, partes para vasos de pressão e trocadores de calor, tanto para a indústria química como para a produção de energia (caldeiras, nuclear etc.) [18]. O forjamento pesado, em matriz aberta vem sendo aprimorado de modo a permitir o desenvolvimento de estados de tensões durante a conformação cada vez mais favoráveis à eliminação de defeitos internos (por exemplo: [19, 20]). Ao longo de décadas, ferramental adequado [21, 22], controle do avanço do forjamento [22] e controle de temperatura [21, 23] têm sido desenvolvidos de mo- do a forjar lingotes de até 500 t, obtendo-se peças de alta qualidade com custos compatíveis. Estes forjados são responsáveis pelo aproveitamento, com segurança, de economia de escala em várias indústrias, principalmente a de energia (por exemplo: [24]). O forjamento em matriz fechada é freqüentemente selecionado por permitir economia de material (forjado bruto próximo às dimensões do produto acabado) e, mais importante, permi- tir controle da anisotropia associada ao trabalho mecânico, de modo a orientá-la favoravelmente em relação às solicitações esperadas na utilização da peça. Flanges, conexões, discos de turbi- nas, rotores, entre outros são peças em que estas vantagens são aproveitadas. O forjamento em máquinas automáticas de forjar é capaz de produzir grande variedade de formas e dimensões de barras com grande flexibilidade, inclusive no que diz respeito aos materiais processados, sendo uma alternativa à laminação quando pequenas quantidades de produtos de diferentes dimensões são desejados. 10_Capitulo 10_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:23582 CONTROLE DA QUALIDADE 587 11.2 TIPOS DE TESTES E ENSAIOS NO CONTROLE DA QUALIDADE Os testes e ensaios empregados na avaliação e controle das propriedades e característi- cas de aços e ligas especiais são classificados, basicamente, em ensaios destrutivos e ensaios não-destrutivos. O sentido da classificação é bastante óbvio, se bem que diversos casos ocor- ram em que a classificação se torna difícil, como no ensaio de dureza, que, dependendo do estado, tamanho e posição na peça, pode ser destrutivo ou não. Como discutido no item anterior, a definição dos testes e ensaios a executar em determi- nado item a ser fornecido deve ser realizada na etapa de especificação. Escopos mais extensos de testes e exames conduzem, em geral, à maior garantia quanto ao atendimento dos requisi- tos especificados. No entanto, a extensão dos controles estabelecidos influi fortemente no custo do produto. Forjados para determinadas indústrias (como nuclear e aeronáutica, por exemplo) podem ter mais de 50% do custo devido a testes e controles realizados. Uma vez que a efetiva qualidade de um item ou produto não é afetada pela extensão da inspeção realizada sobre ele, é conveniente que o comprador ou especificador analise, judicio- samente, quais características do produto deseja, efetivamente, comprovar nas etapas de controle e, mais importante, com que objetivo. Ensaios destrutivos, de forma geral, medem propriedades mecânicas relativas a determi- nada posição em uma peça ou produto. Como discutido no Capítulo 6, o requisito estabelecido para as propriedades medidas nesses testes pode derivar diretamente de propriedades empre- gadas no projeto do item propriamente dito, ou resultar de medidas indiretas de características estabelecidas por ocasião da homologação do material para a aplicação em questão. Ensaios não-destrutivos visam, basicamente, à localização e dimensionamento de descon- tinuidades nos produtos. Além disso, existem técnicas não-destrutivas para identificar e se- parar aços por composição química e/ou microestrutura e, em fase muito próxima à aplicação tecnológica, técnicas capazes de avaliar propriedades mecânicas e tecnológicas de forma não-destrutiva. Para garantir a confiabilidade dos resultados dos ensaios não-destrutivos, é comum exigir que os responsáveis pelo planejamento, execução e avaliação destes ensaios sejam adequadamente qualificados, normalmente por instituições independentes. Os requisitos de aceitação para ensaios não-destrutivos podem ser fixados seguindo dois critérios básicos: padrão de qualidade de uma boa fabricação (good workmanship) ou padrão de adequação ao uso (fitness for purpose) [3, 4]. A maior parte das normas tradicionais de ensaios não-destrutivos, tanto para forjados quanto para laminados, fundidos ou itens soldados, estabelece critérios de aceitação baseados no que se considera o padrão atingido por uma fabricação criteriosa, segundo práticas técnicas adequadas (good workmanship). Este tipo de critério é perfeitamente adequado quando se deseja controlar o padrão médio de qualidade de determinado item ou peça. A segurança no uso é obtida, em geral, com base no aspecto histórico, isto é, na experiência acumulada em aplica- ções equivalentes. Critérios baseados em adequação ao uso, por sua vez, são derivados de conceitos de mecânica da fratura [5, 4, 6] e permitem definir, para as solicitações aplicadas ao item e considerando as propriedades do material empregado, um critério de aceitação para descontinuidades, de tal forma que não comprometam o desempenho do item. Naturalmen- te, é raro ocorrer a coincidência dos dois critérios. Em casos específicos, entretanto, a aplica- ção de critérios baseados em “adequação ao uso” pode justificar a aceitação, com segurança, de descontinuidades que excedam os limites da “fabricação criteriosa”. Análises deste tipo 11_Capitulo 11_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:26587 CONTROLE DA QUALIDADE 589 Ensaio Objetivo Vantagens Limitações 6. Raios X Inspeção quanto a defei- Ensaio não-destrutivo Custo elevado. Risco de tos internos. com alta sensibilidade radiação. Limitação quan- para descontinuidades to ao tamanho da peça e internas. orientação do defeito. 7. Partículas magnéticas Inspeção quanto a Indicação direta sobre a Aplicável apenas a mate- defeitos superficiais e peça, não há limitação riais ferro-magnéticos. subsuperficiais. quanto ao tamanho e for- Limpeza pode ser traba- ma da peça. lhosa após a inspeção. Interpretação pode ser difícil. Desmagnetização pode ser necessária. 8. Correntes parasitas Identificar condições e Teste extremamente ver- A própria versatilidade po- propriedades como: pro- sátil, com possibilidade de confundir as indicações. priedades magnéticas, de controlar diversas ca- Necessidade de equipa- tamanho de grão e trata- racterísticas do material. mento adequado e mento térmico. Detectar padronizações. falhas, como dobras, inclusões etc. 9. Ensaios mecânicos Caracterizar as proprie- Garantia do atendimento Ensaio destrutivo. Requer, dades mecânicas; resis- aos valores exigidos no em geral, prolongamento tência, ductilidade, tena- projeto em testes destru- das peças ou semi-aca- cidade, resistência à tivos, similares às condi- bados para a retirada fadiga, resistência à pro- ções de emprego. dos CPs. Custo médio a pagação de trincas etc. elevado, dependendo dos ensaios selecionados. 11.3.1 INSPEÇÃO POR ULTRA-SOM [7, 8] A inspeção por ultra-sons é um método não-destrutivo em que ondas de ultra-som (l- 25 MHz) são introduzidas no material para detectar descontinuidades. Na forma mais clás- sica do ensaio, um pulso de onda sonora é introduzido em uma superfície da peça, propaga-se pelo material, sendo as ondas refletidas em interfaces. O feixe refletido é detectado e analisado para definir a presença e localização das falhas. Freqüentemente, emprega-se um transdutor único (cabeçote), capaz de introduzir um pulso de ultra-som e de detectar o eventual feixe refletido. Trincas, flocos, poros, cavidades de solidificação, e interfaces metal-gás são facilmente detectáveis. Inclusões e outras heterogeneidades no metal podem também ser detectadas por causarem reflexão parcial ou espalhamento das ondas de ultra-som. Uma vez que este pro- cesso só dá indicação das reflexões das ondas emitidas, não é possível, em escala industrial, precisar o tipo de defeito que dá origem a determinada indicação. Da mesma forma, complexidades geométricas da peça a examinar podem dar origem a indicações “falsas”, isto é, que não são provenientes de defeitos reais. A detecção satisfatória do feixe refletido depende da orientação relativa da descontinuidade e do feixe incidente, que definem a direção do feixe refletido. A introdução de ondas de compressão perpendiculares à superfície da peça (cabeçote “normal”) permite a detecção ótima de defeitos orientados Tabela 11.1 Principais ensaios e controles empregados na produção de aços e ligas especiais (continuação). 11_Capitulo 11_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:26589 CONTROLE DA QUALIDADE 593 Desvantagens – Requer técnicos com elevada experiência e treinamento na execução do ensaio e avaliação de seus resultados. O fator humano é muito importante, especialmente na execução do ensaio “clássico” manual. Para aplicações extremamente críticas (sol- das em reatores nucleares por exemplo), a “validação” das técnicas empregadas e a qualificação das equipes de inspeção em peças contendo “defeitos” conhecidos tem sido adotada [10]. Adicionalmente, o uso de técnicas digitais tanto para a movimen- tação do cabeçote como para o registro dos resultados vem sendo adotado, permi- tindo a aceitação da técnica em substituição a outros exames. – Requer superfície regular. – Descontinuidades logo abaixo da superfície podem não ser detectadas, se não fo- rem tomadas as precauções devidas na definição do procedimento de inspeção. Aplicações típicas – Cilindros de laminação, colunas de prensa e eixos. – Forjados para turbinas de geradores, tubulação de pressão. – Soldas. – Forjados para turbinas a jato e discos de engrenagens. – Ferramentas – blocos para matrizes e aços ferramenta. – Peças para aplicações ferroviárias: eixos, rodas e trilhos. – Peças de automóveis: forjados, fundidos e peças soldadas. A propagação das ondas de ultra-som no material é também afetada pelas tensões residuais presentes. Desta forma, técnicas para a medição de tensões residuais, de forma não-destrutiva, têm sido propostas, aplicando a inspeção por ultra-som. Atualmente, a maior dificuldade no emprego da técnica é a correta calibração do efeito das tensões presentes no material sobre os sinais medidos no exame por ultra-som [11]. 11.3.2 TESTES DE TRINCAS SUPERFICIAIS [12] Freqüentemente, em itens mecânicos, as maiores solicitações se localizam na região superficial das peças. A capacidade de detectar descontinuidades superficiais tem, portanto, grande importância. Duas técnicas principais são empregadas para a detecção de desconti- nuidades superficiais: ensaio por líquido penetrante e ensaio por partículas magnéticas. Líquido penetrante O teste por líquido penetrante é um ensaio não-destrutivo para detectar descontinui- dades abertas para a superfície de materiais não-porosos. O ensaio por líquido penetrante pode indicar falhas na superfície de peças, independen- temente de composição química, tratamento térmico, estrutura interna etc. Tal processo é muito empregado na inspeção de produtos forjados, laminados, fundidos, plásticos etc. Detecta trincas superficiais de todos os tipos, dobras, porosidade (aberta à superfície), laminações etc. 11_Capitulo 11_Aços e Ligas.p65 6/10/2006, 10:26593 André Luiz V. da Costa e Silva [ge R o ade R . I | ul | o O Pa o) Ligas+ | R$119,00 Especiais, ss) | PP me za h 8 - 2º edição revista e ampliada AMOR IRS Este livro está à venda nas seguintes livrarias e sites especializados: EDITORA saraiva BLUCHER “com.br livrariacullvra (9) Livrarias Curitiba EDITORA "50 BLUCHER anos EXCELÊNCIA E INOVAÇÃO EM EGENHARIA METALÚRGICA EDITORA 50 BLUCHER anos