UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA SETOR DE CINCIAS AGRRIAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

ANGELA FARIAS

AOS FERRAMENTA SRIE M

PONTA GROSSA 2014

ANGELA FARIAS

AOS FERRAMENTA SRIE M Trabalho apresentado na disciplina de Materiais Metlicos, como avaliao parcial referente ao 2semestre do curso de Engenharia de Materiais. Prof. Selauco Vorubi Junior

PONTA GROSSA 2014

1. AOS FERRAMENTA Aos ferramenta de alta velocidade como so classificados os da srie M, so utilizados na

usinagem de materiais em altas velocidades. Em geral so usados como ferramentas de corte tais como brocas, mandris e fresas . Esses aos so ligas com complexas combinaes entre uma base de ferro-carbono e molibdnio, como principal elemento de liga. Os teores de carbono (0,80 a 1,50% em peso) juntamente com os elementos de liga conferem alta resistncia abraso, dureza (60 a 70 HRC) em altas temperaturas e boa tenacidade. Eles so endurecidos to profundamente ao longo de sua seo que possuiro nveis uniformes de dureza do centro superfcie. Os aos ferramenta da srie M esto apresentados na Tabela 1.1, abaixo. Para seu melhor entendimento necessrio saber que o nmero aps a letra M serve apenas para distinguir um ao de outro e no tem qualquer indicao de suas propriedades [1][2] [3].

Tabela 1.1: Composio de aos ferramenta da srie M.

Fonte: Bayer, Alan M.; Becherer, Bruce A. High Speed Tools Steels, ASM Metals Handbook Machining, Volume 16. ASM International 1992 p. 109 127. PDF

O teor de molibdnio como pode ser visto varia de aproximadamente 3,5 a 10% em peso, ele responsvel pela formao de carbetos. O carbono ir conferir um aumento na dureza e resistncia a abraso, a qual ir persistir mesmo em altas temperaturas. O silcio no exerce grandes influncias, sua atuao se restringe em um pequeno aumento na dureza do material e na morfologia dos carbetos. Cromo por sua vez ir atuar tanto na dureza como na tenacidade, e tambm responsvel pela reduo da oxidao durante o tratamento trmico. A funo do vandio reside na purificao do metal e tambm melhorando a eficincia das ferramentas de corte. O vandio remove a escria e reduz os teores de nitrognio na operao de fuso. Sendo tambm responsvel pela formao de carbetos bastante duros e estveis o que significativamente aumenta a resistncia ao desgaste da liga. Os contedos de tungstnio contribuem para a formao de carbetos de ferro, carbono e tungstnio que comprovadamente aumentam a resistncia abraso. Ele causa o endurecimento secundrio e confere resistncia ao revenido. E por fim o cobalto, tem sobressalente influncia na dureza a quente, isto faz que ferramenta possua alta eficincia de corte mesmo quando altas temperaturas so alcanadas [1].

De forma resumida, podemos classificar os aos da srie M da seguinte forma: aqueles com baixo teor de carbono como M1, M2 e M10, M30, M33, M34 e M36 os quais possuem dureza usual de 65 HRC; aos de alto teor de carbono como M3, M4, M7 com dureza mxima de 66 HRC; e aos de alto teor de carbono na presena de cobalto tais como M41, M42, M43, M44 e M46 onde durezas mximas de 69 a 70 HRC so alcanadas [2].

Em geral os aos descritos podem ser tanto produzidos por fundio ou por metalurgia do p. Sendo que neste ltimo se tem a vantagem de uma produo mais uniforme nos tamanhos dos carbetos e melhor distribuio em peas de grandes sees. Sendo tambm vlido ressaltar que possvel de se produzir composies especiais que so difceis ou impossveis pelo processos de fuso e fundio. Uma ltima aproximao para aos M3 foi conseguida atravs da conformao por spray, onde se possvel de obter microestruturas mais finas com altas tenacidades em um nico passo. Esse processo consiste de usar gs de N2 para atomizar o fundido e espalh-lo dentro de uma cmara. Depois de formado o tarugo ele forjado quente ou laminado para eliminar a porosidade remanescente, conduzindo uma barra completamente densa. Quando comparado com o processo tradicional de fundio a distribuio de carbetos obtida por conformao via spray apresentou-se mais fina e uniformemente distribuda. Houve tambm melhores propriedades na seo transversal e isso proporciona uma alta isotropia nas propriedades mecnicas [2] [4].

Aos ferramenta da srie M ainda podem ser expostos a um tratamento trmico superficial com nitreto de titnio ou carbeto de titnio por deposio de vapor (CVD) tendo em vista um aumento de sua vida til pela preveno de descarburizao [1].

2. TRATAMENTOS TRMICOS PARA AOS FERRAMENTA

Aos ferramentas em geral esto sujeitos a grandes solicitaes mecnicas que so aplicadas rapidamente. Para isso, praticamente sem exceo, eles precisam ser sujeitos a tratamentos trmicos a fim de se melhorar suas propriedades mecnicas. O principal objetivo transformar uma estrutura completamente recozida que consiste principalmente de ferrita e carbetos de liga numa estrutura martenstica endurecida e revenida contendo os carbetos . Como uma caracterstica principal temos que a srie M em especial no sofre tratamento de normalizao. Os tratamentos consistem de uma sequncia de: pr-aquecimento, austenitizao, tmpera e revenimento. Sendo estes realizados usualmente aps a usinagem da pea [1] [3].

O pr-aquecimento ser responsvel pela reduo do choque trmico, pelo alvio de tenses adquiridas durante a usinagem, reduo dos nveis de descarburetao e tambm diminuio o tempo de austenitizao. Durante o processo de austenitizao necessrio que se dissolvam carbetos de liga de natureza bastante complexa o que requer temperaturas entre 1150 a 1290C. A tmpera visa a formao da estrutura martenstica e a taxa de resfriamento varia de ao para ao, aos de alta velocidade como o caso da srie M podem ser temperados em duas etapas. Primeiramente em um banho de sal fundido mantido aproximadamente entre 540 e 595C com um subsequente resfriamento ao ar at temperatura ambiente. Esta tmpera a quente minimiza as distores sem afetar a dureza [1] [3].

O digrama TTT da Figura 2.1 ilustra as curvas de resfriamento para os tratamentos j citados.

3.1B

Figura 2.1: Diagrama TTT para um ao ferramenta de alta velocidade M2, com temperatura de austenitizao de 1230C

3.1A

O revenimento ser responsvel por um aumento da tenacidade, pelo alvio de tenso, providenciar um endurecimento secundrio e transformao da austenita retida em uma nova martensita. O ao ser reaquecido at um temperatura intermediria e posterior resfriamento ao ar. necessrio de duas a quatro tmperas para aos dessa qualidade a cerca de 540C durante no mnimo duas horas, isso no s providenciar o transformao da austenita retida, como citado acima, bem como ir revenir o teor de martensita formado a cada ciclo. O endurecimento secundrio se deve a formao de carbetos em escala nanomtrica finamente dispersos na matriz martenstica, que iro formar um bloqueio efetivo ao movimento das discordncias e consequentemente dificultar a deformao plstica do metal. E tambm por sua natureza mais dura iro conferir resistncia abraso. Sendo estes formados pelos constituintes principais da liga: vandio, molibdnio, tungstnio e cromo [3] [5] [6].

A presena de carbetos no s melhora as propriedades mecnicas, mas tambm melhora a uniformidade da matriz devido adio de uma fonte de carbono [7]

3. MICROESTRUTURA

Devido aos tratamento trmicos realizados a microestrutura dos aos ferramentas so constitudas basicamente de um particulado de escala micro e nanomtrica dispersa na matriz martenstica, embora esta ltima estrutura seja impossvel de ser vista (Figuras 3.1 A e 3.1 B). A principal diferena entre os aos quantidade de carbetos residuais no dissolvidos que iro influenciar na formao das placas de martensita. Os quais so tanto precipitados secundrios quanto precipitados primrios no-dissolvidos [7] [8]. Figura 3.1A: AISI M2 recozido e esferoidizado revelado com Picral 4%. Figura 3.1 B: AISI M1 temperado em leo e triplamente recozido a 480C, revelado com Nital 2%.

Fonte: Vander Voort, George. Microstructures of Tool Steels Metallography and Microstructure, Volume 9. ASM Metals Handbook. ASM International 1992 p. 1538-1582

Fonte: Bayer, Alan M.; Becherer, Bruce A. High Speed Tools Steels, ASM Metals Handbook Machining, Volume 16. ASM International 1992 p. 109 127. PDF

A quantidade de carbetos presente nos aos ferramentas maior na condio recozida que depois da austenizao e tmpera, porque os carbetos iro suprir a austenita com carbono necessrio para aumentar os nveis de dureza. O tipo de carbeto obtido tambm varia de acordo com a composio. Por exemplo, para os aos M1, M2, M4 e M10 a presena de carbetos M23C6 mais sobressalente que carbetos MC, na condio recozida [8].

4. TCNICAS METALOGRFICAS

Aos ferramentas de alta velocidade como os da srie M so preparados para anlise macro e microscpicas usando os mesmos princpios bsicos usados para aos liga e aos carbono, apenas com mnimas diferenas. Para macrografia comum de se usar partes iguais de cido hidroclordrico e gua 70 ou 80C, de 15 ou 45 minutos, quando se quer revelar segregaes, trincas, porosidades, incluses, descarburizao na superfcie e variaes de dureza. E para macrografias em temperatura ambiente usa-se uma soluo aquosa de cido ntrico (Nital) 10% em volume, afim de se revelar descarburizao, nitretao e camadas de dureza. Durante o ataque para micrografia o Nital continua a ser o reagente mais utilizado, porm desta vez em uma soluo aquosa que varia de a 5 a 10% em volume. O Nital ser mais eficaz tanto em revelar a estrutura temperada, martensita, e a austenita retida. Uma alternativa bastante vlida para os aos ainda na condio recozida a utilizao de Picral (4% de cido prico em lcool), visto que ele ir atacar a interface entre a matriz ferrtica e os carbetos[9].

5. COMPARAO COM UM AO-CARBONO DE MESMO TEOR DE CARBONO

Dado que as quantidades de carbono presente nos aos ferramentas de alta velocidade variam de 0.80 a 1.50%, podemos classific-los como hipereutetides. Com essa informao podemos construir um perfil de comparao com aos de alto teor de carbono. Aos de alto teor de carbono possuem de 060 a 1.00% de carbono em peso com adio de mangans. Estes ltimos, so usualmente utilizados como material para molas e arames de alta resistncia. Sua microestrutura tambm controlada por tratamento trmico porm com um maior leque de possibilidades. na composio eutetide, por exemplo, possvel de se obter 100% de estrutura perltica. Devido ao alto teor de carbono esse tipo de ao assim como os aos ferramentas possui alta capacidade para endurecibilidade, ou seja ele pode ser facilmente temperado para obteno de martensita. Entretanto devido a sua alta sensibilidade a fratura, ele deve ser imediatamente revenido para que as tenses induzidas sejam aliviadas afim de se minimizar a chance de formao de trincas. Se o ao de alto teor de carbono estiver na condio temperada a resistncia a abraso, principal caracterstica de aos ferramenta da srie M, ser bastante aprecivel tambm [10].

6. CONSIDERAES FINAIS

Atravs do estudo desenvolvido pode-se conhece melhor os aos ferramenta de alta velocidade da srie M. Foi verificado que o principal fator responsvel pelas propriedades do ao a presena de carbetos dispersos na matriz martenstica. Carbetos esses obtidos a partir dos elementos de liga presentes e subsequentemente moldados por tratamentos trmicos que permitem que eles possuam forma e composio adequada para que o ao resista esforos mecnicos em altas temperaturas.

7 . REFERNCIAS BIBLIOGRFICA

[1] Bayer, Alan M.; Becherer, Bruce A. High Speed Tools Steels Machining, ASM Metals Handbook Vol. 16. ASM International 1992 p. 109 127. PDF

[2] Bayer, Alan M.; Vasco, Teledyne; Walton, Lee R. Wrought Tool Steels Properties and Selection of Irons Steels and High Performance Alloys. ASM Metals Handbook Vol. 1. ASM International 1992 p. 1765 -1838

[3] Becherer, Bruce A.; Witheford, Thomas J.; Vasco, Teledyne. Introduction to Heat Treating of Tool Steels- Heat Treating. ASM Metals Handbook Vol. 4. ASM International 1992 p. 1544 -1589

[4] Mesquita, Rafael A.; Barbosa, Celso A.; Spray Forming High Speed Steel Properties and Processing . Villares Metals R&D Centre, Sumar, SP, Brazil. Materials Science and Engineering A 383 (2004) 8795

[5] Wisti, Michael; Hingwe, Mandar. Tempering of Steel Heat Treating. ASM Metals Handbook Vol. 4. ASM International 1992 p. 291-321

[6] Akr, J.; Danoix, F.; Leitner, H.; Auger, P. The Morfology of Secondary-Hardening Carbide in a Martensitic Steel at the Peak Hardness by 3DFIM. Department of Physical Metallurgy and Materials Testing, Montanuniversitat Leoben, A-8700 Leoben, Austria. Ultramicroscopy 109 (2009) 518523.

[7] Herranz, G.; Romero, A.; de Castro, V.; Rodrgruez, G. P.; Processing of AISI M2 High Speed Steel Reinforced with Vanadium Carbide by Solar Sintering. Univesidad de Castilla-La-Mancha, ETSII-UCLM. Ciudad Real, Spain. Universidad Carlos III de Madrid, Madrid, Spain. Materials and Design 54 (2014) 934946

[8] Vander Voort, George. Microstructures of Tool Steels Metallography and Microstructure. ASM Metals Handbook Vol. 9. ASM International 1992 p. 1538-1582

[9] Vander Voort, George. Metallographic Techniques for Tool Steels. Metallography and Microstructure. ASM Metals Handbook Vol. 9. ASM International 1992 p. 1527 1579

[10] Blair, Malcolm. Steel Casting. Properties and Selection of Iron Steels and High Performance Alloys. ASM Metals Handbook Vol. 1. ASTM International 1992 p. 959 - 992