Efeitos Da Adição de Níquel Em Ligas Ferro-cromo. Parte 1 - Propriedades Mecânicas

149REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 149-154, jan. mar. 2007

Franco de Castro Bubani et al.

ResumoO objetivo desse trabalho estudar a influncia de

adies de nquel sobre as propriedades mecnicas deligas Fe-Cr. Para atender a esse propsito, foram prepara-das diversas ligas com a composio bsica 18%Cr -0,01%C - 0,2%Si - 0,4%Mn, variando-se o teor de nquel(0, 10, 20, 40 e 60 % em peso). A caracterizao das ligasfoi feita por difrao de raios X e anlise trmica. Foideterminada a dureza das ligas no estado como recebidoe aps a imposio de deformao a frio. Foram realiza-dos ensaios de trao temperatura ambiente e a 350C,para verificar o efeito da temperatura sobre o comporta-mento mecnico das mesmas. O objetivo da caracteriza-o mecnica das ligas o de associar as propriedadesmecnicas com as propriedades de usinabilidade, obti-das em estudo que est sendo desenvolvido em paralelo.

Palavras-chave: Aos inoxidveis, ligas base de nquel,propriedades mecnicas, usinabilidade.

AbstractThe aim of this work was to study the influence of

Ni additions on the mechanical properties of Fe-Cralloys. For this purpose, alloys were prepared with an18%Cr-0.01%C-0.2%Si-0.4%Mn base composition andvariable Ni content (0, 10, 20, 40 and 60 weight %).The alloys were characterized by X-Ray diffraction andthermal analyses. Their hardness was determined beforeand after cold deformation. Tension tests were carriedout at room temperature and 350C to verify the effect oftemperature on the mechanical behavior of the alloys.The mechanical characterization aim was to use thesefigures to correlate mechanical properties andmachinability (results originating from a parallelstudy).

Keywords: Stainless steels, Ni alloys, mechanicalproperties, machinability.

Efeitos da adio de nquel em ligas ferro-cromo. Parte I: propriedades mecnicas

Franco de Castro BubaniFaculdade de Engenharia Mecnica da UNICAMP, Campinas, SP. E-mail: [email protected]

Clia Cristina Moretti DecarliFaculdade de Engenharia Mecnica da UNICAMP, Campinas, SP. E-mail: [email protected]

Daniel Cirillo MarquesFaculdade de Engenharia Mecnica da UNICAMP, Campinas, SP. E-mail: [email protected]

Celso Antonio BarbosaVillares Metals , Sumar, SP. E-mail: [email protected]

Anselmo Eduardo DinizFaculdade de Engenharia Mecnica da UNICAMP, Campinas, SP. E-mail: [email protected]

Paulo Roberto MeiFaculdade de Engenharia Mecnica da UNICAMP, Campinas, SP. E-mail: [email protected]

Metalurgia Fsica

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): 149-154, jan. mar. 2007150


1. IntroduoOs aos especiais de alta liga e as

ligas especiais base de nquel so ob-jeto de grande interesse por parte deempresas, uma vez que apresentam altovalor agregado; por esse motivo, deman-dam um conhecimento profundo da suametalurgia. Os aos especiais de alta ligaso os aos com teor de elementos deliga maior que 8%, cujas caractersticase propriedades finais so fortementecondicionadas pelo processo de fabri-cao. J as ligas especiais so, em suamaioria, constitudas por ligas base denquel e possuem caractersticas especi-ais [1].

Entre as famlias desses materiais,so objeto de interesse, no presente es-tudo, os aos inoxidveis austenticos eas ligas base de nquel. Esses materiaisrepresentam uma parcela importante dasligas usadas, principalmente, nas inds-trias aeronutica, qumica, naval, alimen-tcia e biomecnica. Os aos inoxidveis,a cada dia, conquistam maior destaqueno mercado de materiais, pelas proprie-dades mecnicas adequadas aliadas elevada resistncia corroso. Entretan-to a composio requerida, para permitirtais propriedades, compromete sua usi-nabilidade, devido alta taxa de encrua-mento [2,3]. Em geral, a usinabilidade deaos inoxidveis e ligas base de Ni re-quer maior potncia, menores velocida-des de corte, mquinas e ferramentasmais rgidas e ferramentas com geome-trias e revestimentos especiais [4,5].

O cromo e o nquel so os elemen-tos de liga principais presentes na com-

posio dos aos inoxidveis: a presen-a do cromo aumenta, grandemente, aresistncia corroso; o nquel, por suavez, promove a formao e estabilizaoda austenita, promovendo um aumentoconsidervel na resistncia mecnica. Emrelao s propriedades em usinagem, apresena desses elementos prejudici-al, uma vez que uma melhor usinabilida-de est associada a uma condio debaixa dureza (e resistncia) e baixa ducti-lidade [6]. Os aos inoxidveis austenti-cos no estado solubilizado apresentamalto coeficiente de encruamento e altaductilidade.

A caracterizao mecnica das ligasvisa a observar as alteraes causadaspela deformao imposta pelo processode usinagem, assim como pelo aumentode temperatura que ocorre na interfacepea/ferramenta. Espera-se, com essa ca-racterizao, facilitar o entendimento docomportamento do material sob usina-gem e proporcionar condies de pro-mover melhorias no processo, visando aaumentar a produtividade em empresasque utilizam o processo na fabricao e/ou transformao de ligas inoxidveis.

2. Procedimentoexperimental

As ligas utilizadas nesse trabalhoforam produzidas pela Villares Metals,cujas composies encontram-se na Ta-bela 1. Os teores de nquel variaram de 0a 60%.

O material foi forjado e laminado emtemperaturas na faixa de 1150 a 1180C.

A liga com 0% de nquel foi recozida a790C por 1 hora e resfriada, rapidamen-te, com ar soprado. As demais ligas fo-ram recozidas a 1050C por 1 hora e res-friadas em gua. O material foi entreguena forma de barras de seo circular, comdimetro de 54 mm.

Os espectros de raios X foram obti-dos utilizando um difratmetro de raios-X DMAX2200, Rigaku Co. Para determi-nar o ponto de fuso das ligas estuda-das, foram realizados ensaios de anlisetrmica em um equipamento STA 409Termische Analyse, da Netzsch, que atin-ge a temperatura mxima de 1500C.

Os ensaios de trao foram realiza-dos em uma mquina MTS, utilizando-se corpos-de-prova cilndricos, comcomprimento da parte til de 30 mm edimetro de 4,95 0,05 mm. Foram reali-zados ensaios de trao temperaturaambiente (5 corpos-de-prova para cadauma das ligas) e ensaios a 350C (3 cor-pos de prova para cada uma das ligas),tentando simular o aquecimento queocorre devido ao processo de usinagem[7]. Os corpos-de-prova para os ensaiosa quente foram usinados nas mesmasdimenses, mas com roscas nas extremi-dades. O aquecimento foi feito atravsde um forno de resistncias eltricas.Atingida a temperatura de ensaio, o cor-po-de-prova era mantido a essa tempe-ratura por 5 minutos e, ento, ensaiado.

Os ensaios de dureza foram realiza-dos segundo Norma ASTM E 382-89, emum microdurmetro 1600-6300, daBuehler, utilizando carga de 1 kgf. Me-diu-se a dureza na liga recozida (como

Tabela 1 - Composies das ligas utilizadas nesse trabalho.



recebida) e, aps o ensaio de trao, natemperatura ambiente (regio prxima aolocal de rompimento do corpo-de-pro-va), nas direes transversal e longitu-dinal, conforme esquema apresentado naFigura 1, foram realizadas 5 medidas dedureza em cada uma das sees dos cor-pos-de-prova, totalizando 25 medidas dedureza para cada liga. Para o caso domaterial no estado recozido, foram reali-zadas 20 medidas ao longo do dimetrodas barras.

3. Resultados ediscusses

Os espectros de raios X, para asligas aps o recebimento, so apresen-tados na Figura 2(a) e, aps a realizaodos ensaios de trao temperatura am-biente, na Figura 2(b). Esse segundo con-junto de padres de raios X foi levanta-do com o objetivo de observar o efeitoda deformao sobre o comportamentodas ligas, no sentido de se observar aocorrncia de transformaes de fasesprovocadas pelas deformaes impos-tas. Como se pode observar na Figura2(a), obteve-se, para a liga sem adiode nquel, uma microestrutura totalmen-te ferrtica, como era esperado. As de-mais ligas, independentemente do teorde nquel, apresentaram-se totalmenteaustenticas, sem a presena de outrasfases. No segundo conjunto de espec-tros (Figura 2(b)), para a liga com 10% denquel observaram-se uma mudana naintensidade, principalmente no primeiropico, e o aparecimento de outro pico, pr-ximo a 35, sugerindo a formao de mar-tensita. Esse fato ser investigado, pos-teriormente, atravs da caracterizao mi-croestrutural das amostras e de um refi-no dos dados de difrao de raios X.

Os dados obtidos, nos ensaios deanlise trmica, so apresentados na Fi-gura 3, onde se observa uma ligeira ten-dncia diminuio do ponto de fusodas ligas, medida que se aumenta oteor de nquel das mesmas. Esse resulta-do era esperado e previsto pelo diagra-ma ternrio Fe-Cr-Ni, ilustrado na Figura4 [8]. Observa-se, ainda, que os valores

Figura 2 - Espectros de raios X para as diferentes ligas em estudo. (a) materialrecozido, (b) material aps os ensaios de trao temperatura ambiente.

Figura 1 - Esquema mostrando as regies de medidade dureza.

obtidos esto coerentescom os valores disponveisna literatura. A liga com 0%de Ni no fundiu at a tem-peratura de 1500C, o queest de acordo com o dia-grama, que indica mudanade estado a aproximada-mente 1520C para essacomposio.

Os resultados dos en-saios de trao tempera-tura ambiente e a 350C soapresentados nas Figuras 5a 7.



Na Figura 5, observa-se o efeito do teor de nquel no LE(limite de escoamento) das ligas estudadas. Como se pode ob-servar, a liga ferrtica (0% Ni) apresentou o maior valor de LE(271 MPa temperatura ambiente e 170 MPa a 350C). As amos-tras austenticas apresentaram menores valores para essa pro-priedade (160 a 185 MPa para as ligas ensaiadas na temperaturaambiente e de 120 a 150 MPa para as ligas ensaiadas a 350 C). Ofato de a liga ferrtica (0%Ni) apresentar valores mais altos paraessa propriedade, nas duas condies de ensaio, pode ser asso-ciado sua estrutura cristalina, uma vez que materiais com es-trutura cbica de corpo centrado, como a ferrita, oferecem umamaior resistncia ao deslizamento de planos cristalinos do que aaustenita, que tem estrutura cbica de face centrada [9]. Da Fi-gura 5, observa-se, ainda, que os valores obtidos nos ensaios a350C so sempre menores que os obtidos na temperatura ambi-ente. Esse comportamento esperado, uma vez que o aumentoda temperatura do ensaio facilita o deslizamento de planos at-micos. Aumentando-se o teor de nquel, ocorre uma elevaocontnua no LE a 350C. No ensaio temperatura ambiente, ocorreuma reduo do LE, quando o valor de nquel aumentado de 10para 20 e 40%, sendo que o LE volta a aumentar para 60% denquel.

Por outro lado, observa-se, na Figura 6, que o LR (limite deresistncia trao) da liga ferrtica (0% Ni) menor que o dasligas austenticas. Na temperatura ambiente, o LR da liga ferrti-ca foi 430 MPa contra 507 a 580 MPa das ligas austenticas. Natemperatura de 350C, o LR da liga ferrtica foi de 310 MPa contra380 a 480 MPa das austenticas. O aumento do nquel nas ligasaustenticas provocou uma variao no LR anloga detectadano LE: aumentando-se o teor de nquel ocorre uma elevaocontinua no LR a 350C. No ensaio temperatura ambiente, ocorreuma reduo do LR, quando o valor de nquel aumentado de 10para 20 e 40%, sendo que o LR volta a aumentar para 60% denquel. Segundo Choudhury [10], a adio de nquel eleva aresistncia mecnica e a tenacidade da liga. As ligas austenti-cas apresentam alta capacidade de absorver trabalho a frio, porencruamento e formao de martensita [9]. Foi realizado um tes-te magntico em cada uma das ligas: no estado recozido, apsensaio de trao temperatura ambiente e aps ensaio de traoa 350C. Para as ligas no estado recozido, apenas a liga semnquel (ferrtica) apresentou carter magntico, o mesmo ocor-rendo nos testes feitos nas ligas aps trao a 350C, indicandoque as ligas com nquel eram totalmente austenticas. Na ligatotalmente ferrtica, esse resultado era esperado, uma vez que afase ferrita magntica. Aps ensaio de trao temperaturaambiente, as ligas com 0%Ni e com 10%Ni responderam ao tes-te, indicando a presena de uma fase magntica. Tendo em vistaos dados do teste magntico e o alto valor de LR obtido para aliga 10%Ni aps trao a frio, pode-se supor que, nessa liga,houve transformao de austenita em martensita, induzida peladeformao imposta. No ensaio a 350C, no houve formao demartensita e o LR foi bastante reduzido. Assim, os dados, apsensaio de trao a 350C, indicam o efeito do nquel em aumentaro LR das ligas por soluo slida, livre do efeito de formao demartensita.

A liga sem nquel (ferrtica) apresentou uma menor RA(Reduo de rea) que as ligas com nquel, tanto no ensaiode trao temperatura ambiente, como no ensaio a 350C. Oteor de nquel entre 10 e 60% no alterou, de maneira signifi-cativa, o RA das ligas analisadas.

Para se compararem os resultados obtidos, nos ensaiosrealizados, com os disponveis na literatura, escolheu-se oao 304L (0,03 C/ 1 Si/ 2 Mn/ 0,045 P/ 0,03 S/ 9-13 Ni e 18-20Cr, % em peso), cuja composio qumica se aproxima bas-tante da liga com 10% de nquel desse trabalho. Da literatura,tem-se que, para o ao 304L, no estado recozido, LE = 170MPa e LR = 450 MPa. Os valores obtidos, nos ensaiosrealizados, para a liga com 10% de Ni, como recebida,foram LE = 173 MPa e LR = 501 MPa, compatveis com osdados fornecidos pela literatura [11].

Figura 3 - Temperatura liquidus das ligas em estudo, obtidasnos ensaios de anlise trmica.

Figura 4 - Seo do diagrama de fases ternrio Fe-Cr-Ni,onde se pode observar a projeo da linha liquidus (8).



Na Figura 8, observa-se que todasas ligas (ferritica e austenticas), na con-dio recozida (como recebida), no apre-sentaram valores de dureza muito dife-renciados, situados na faixa de 140 a 170HV, mostrando que a variao do teor denquel no exerceu influncia significati-va na dureza. Aps o ensaio de trao,na temperatura ambiente, na regio pr-xima ao local de rompimento do corpo-de-prova, observou-se uma mudanasensvel na dureza das ligas, tendo asligas austenticas apresentado uma du-reza sempre maior que a liga ferrtica. Osvalores de dureza apresentados so re-ferentes s medidas feitas na seotransversal do corpo-de-prova. Cabe,porm, ressaltar que os valores obtidos,nas medidas realizadas, na seo longi-tudinal, so muito prximos, no justifi-cando a necessidade de apresent-los.A dureza nas ligas com nquel, aps oensaio de trao temperatura, apresen-tou um comportamento semelhante aoobservado no LR obtido temperaturaambiente (Figura 6): uma alta dureza para10 % Ni, depois uma reduo da dureza,quando o valor de nquel aumentadode 10 para 20 e 40%, sendo que a durezavolta a aumentar para 60% Ni. A liga com10% Ni apresentou um valor de durezaprximo a 350 Vickers, enquanto que, nasoutras ligas com nquel, esse valor ficouem torno de 250 Vickers, reforando ahiptese de que o encruamento sofridopode ter provocado a formao de mar-tensita. Esse aspecto continua a ser maisbem investigado atravs da caracteriza-o microestrutural da amostra.

4. ConclusesPara ligas 18Cr-0,01C-0,2Si-0,4Mn

(% em peso) com diferentes teores denquel (0, 10, 20, 40 e 60, % em peso),observou-se que:

1. A adio de nquel fez com que a es-trutura mudasse, no estado recozi-do, de totalmente ferrtica para total-mente austentica, ficando, ainda,evidente que a elevao do teor denquel provocou uma reduo noponto de fuso dessas ligas.

2. A liga ferrtica (0% Ni) apresentou osmaiores valores para o limite de es-

Figura 5 - Limite de escoamento em funo do teor de nquel.

Figura 6 - Limite de resistncia trao em funo do teor de nquel.

coamento (LE), tanto no ensaio de trao temperatura ambiente, como no en-saio de trao a 350C. Nas ligas com nquel, o aumento no teor desse elementoprovocou discreta elevao no LE, tanto no ensaio de trao temperaturaambiente, como no ensaio de trao a 350C.

3. A liga ferrtica (0% Ni) apresentou os menores valores para o limite de resistncia(LR), tanto no ensaio de trao temperatura ambiente, como no ensaio detrao a 350C.

4. Das ligas com nquel, a de 10% Ni foi a que apresentou o maior valor de LR noensaio de trao temperatura ambiente, alm de ser a nica a apresentar carac-tersticas magnticas aps tal ensaio, indicando que a deformao deva ter indu-zido a formao de martensita na mesma, explicando o seu maior LR e sua maiordureza (medida na regio deformada aps o ensaio de trao).



5. O ensaio de trao a 350C indicou que a elevao do teor de nquel provocou umaumento continuo no LR pelo mecanismo de endurecimento por soluo slida,visto que, aps o ensaio, a liga com 10% Ni no mais apresentava caractersticasmagnticas, indicando no haver martensita na mesma.

6. A liga sem nquel (ferrtica) apresentou uma menor RA (Reduo de rea) que asligas com nquel, tanto no ensaio de trao temperatura ambiente, como noensaio a 350C. O teor de nquel entre 10 e 60% no alterou, de maneira significa-tiva, o RA das ligas analisadas.

5. AgradecimentosAo CNPq, e Villares Metals e Bosch pelo suporte financeiro dado a esse

projeto. Aos tcnicos do DEMA e do DEF da Faculdade de Engenharia Mecnica daUNICAMP.

Figura 7 - Reduo de rea no ensaio de trao em funo do teor de nquel.

Figura 8 - Dureza Vickers em funo do teor de nquel nas ligas como recebidas eaps o ensaio de trao na temperatura ambiente (regio prxima ao local de rompimentodo corpo-de-prova).

6. Refernciasbibliogrficas1. WARBURTON, P. Iron and Steel

Institute Special Report, n. 94, p. 161,1965.

2. EZUGWU, E.O., BONNEY, J.,YAMANE, Y. An overview of themachinability of aeroengine alloys. J.Materials Processing and Engineering,v. 134, p. 233-253, 2003.

3. HUTCHINGS, I.M. Tribology: frictionand wear of engineering materials.Arnold, 1995.

4. ZUM GAHR, K.H. Wear by hardparticles. Tribology International, 31,p.587-596, 1998.

5. WILLIAMS, J.A. The laboratorysimulation of abrasive wear. TribotestJournal, 3-3, p.267-306, 1997.

6. TAKATSU, S. Recent development inhard cutting tool materials. High Temp.Mat. Proc., v. 9, p. 175, 1990.

7. MILLER, M.R., MULHOLLAND, G.,ANDERSON, C. Experimental cuttingtool temperature distributions. J.Manufacturing Science andEngineering, v. 125, p. 667-673, 2003.

8. BAKER, H. Alloy Phase Diagrams.ASM Handbook., v. 3, p. 2-153 ep. 3- 43, 1992.

9. MONTHEILLET, F., COHEN, M.,JONAS, J.J. Axial stresses and texturedevelopment during the torsion testingof Al, Cu and -Fe. Acta Metallurgica,v. 32, p. 2077-2089, 1984.

10. CHOUDHURY, I.A., EL-BARADIE,M.A. Machinability of nickel-base superalloys: a general review, J. Mat. Proc.Tech., p.278, 1998.

11.WASHKO, S.D., AGGEN, G. WroughtStainless Steels. ASM Handbook.Properties and Selection: Irons, Steels andHigh-performance Alloys., v. 1, p. 841,1990.

Artigo recebido em 30/07/2006 eaprovado em 05/10/2006.

Rem - Revista Escola de Minas71 anos divulgando CINCIA.71

2007 - Revista Escola de

Min

as -

1936 -

Efeitos Da Adição de Níquel Em Ligas Ferro-cromo. Parte 1 - Propriedades Mecânicas

Documents

Transcript of Efeitos Da Adição de Níquel Em Ligas Ferro-cromo. Parte 1 - Propriedades Mecânicas