Fabio Stagetti Angelo Fernando Padilha

Clara Herrera Pulgarín

ESTUDO COMPARATIVO DO ENCRUAMENTO E DA RECRISTALIZAÇÃO DOS AÇOS RÁPIDOS

AISI M2 E ABC III

1. INTRODUÇÃO

2. MATERIAIS E MÉTODOS

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4. CONCLUSÕES

INTRODUÇÃO

Os aços rápidos mantém dureza elevada (1000 HV – 65 a 75 HRC) durante o corte de materiais em altas velocidades.

São utilizados para fabricação de ferramentas de corte (fresas, brocas, serras etc.) que necessitam de elevada resistência ao desgaste e manter a dureza elevada em altas temperaturas (48 HRC em 593ºC).

Quando temperados e revenidos apresentam microestrutura composta de carbonetos primários e uma matriz de martensita reforçada de carbonetos secundários.

Classificação AISI (American Iron Steel Institute):

•Grupo M – aços rápidos ao molibdênio ou molibdênio-tungstênioPrincipais elementos de liga: Mo, W, Cr, V, Co e C.

•Grupo T – aços rápidos ao tungstênioPrincipais elementos de liga: W, Cr, V, Co e C.

Atualmente, aços semi-rápidos, contendo menores quantidades de elementos de liga são bastante utilizados devido a sua favorável relação custo/benefício.

A produção dos aços rápidos envolve fusão, fundição, deformação plástica a quente e a frio e tratamentos térmicos.

A microestrutura bruta de fundição é constituída de dendritas de austenita e de uma rede de carbonetos primários interdendríticos.

Para otimizar a microestrutura, as propriedades e o desempenho do material, os lingotes são trabalhados mecanicamente para quebrar a rede de carbonetos.

Como resultado, o material trabalhado e recozido apresenta carbonetos dispersos numa matriz ferrítica.

Principais tipos de carbonetos:

•MC – Principalmente vanádio (pode ter Zr, Nb e Ti) São carbonetos primários. Estrutura CFC

•M6C – Principalmente tungstênio e molibdênio (pode ter Cr e V) Também são carbonetos primários. Estrutura CFC

•M23C6 - Geralmente é cromo, mas pode dissolver W e Mo São carbonetos secundários. Estrutura CFC

•M2C - Principalmente tungstênio e molibdênio São carbonetos secundários. Estrutura HC

Microestrutura do aço AISI M2 recozido

Ataque eletrolítico com 1% ácido crômicoAumento: 2000 x

Processo de laminação a frio: Produto – serra fita para metais

Durante a laminação a frio dos aços, ocorre endurecimento por deformação (encruamento), a dureza aumenta e a ductilidade diminui, dificultando a deformação.

Os aços rápidos apresentam um encruamento muito alto devido à alta quantidade de carbonetos, que dificultam a mobilidade das discordâncias.

Após a deformação a frio, com o intuito de amolecer o material encruado, é realizado um recozimento sub-crítico, abaixo da temperatura Ac1, no qual ocorre a recristalização.

As temperaturas de transformação Ac1 e Ac3, para o aço M2 são, respectivamente 810ºC e 850ºC.

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais utilizados:

Aços rápidos denominados AISI M2 e ABC III de procedência alemã.

AISI M2: espessura do material laminado a quente: 3,20 mmABC III: espessura do material laminado a quente: 2,90 mm

Especificação de composição química: DIN EN ISO 4957(% em massa)

C Mn P S Si Cr Mo V W

M2 0,86 a 0,94

0,40 máx.

0,03máx.

0,03 máx.

0,45 máx.

3,80 a 4,50

4,70 a 5,20

1,70 a 2,10

5,90 a 6,70

ABC III 0,95 a 1,03

0,40 máx.

0,03 máx.

0,03 máx.

0,45 máx.

3,80 a 4,50

2,50 a 2,90

2,20 a 2,50

2,70 a 3,00

Curvas de endurecimento por deformação:

Os aços foram laminados em temperatura ambiente, com reduções de espessura variando entre 3% e 50%, em um laminador industrial. As amostras obtidas foram usadas para determinar as curvas de endurecimento por deformação.

Ensaio de dilatometria:

Objetivo foi determinar as temperaturas de transformações dos aços. A partir das tiras laminadas a quente, foram usinados corpos-de-

prova com formato cilíndrico. Cada amostra foi aquecida até 1050°C, permanecendo por 1 minuto e, em seguida resfriada ao ar. Foi utilizada taxa de aquecimento de 1°C/s para cada amostra.

Curvas de recozimento isotérmico:

Foram determinadas curvas de recozimento isotérmico, onde as amostras com 25% de redução foram recozidas a 750°C, com duração de 15, 30, 60, 120, 240 e 480 minutos.

Curvas de amolecimento:

Amostras com 25% de redução foram submetidas a recozimentos com duração de 1 hora, em temperaturas entre 100ºC e 750ºC. Foi utilizado forno mufla de laboratório com aquecimento resistivo e o resfriamento foi em água.

Caracterização microestrutural:

Foram realizadas com o auxílio de microscopia eletrônica de varredura, onde foram utilizados elétrons secundários (SE) e retro-espalhados (BSE). Foram realizadas também análise por dispersão de energia (EDS) para caracterização dos carbonetos e (EBSD) para verificar detalhes microestruturais da evolução da recristalização.

Ensaios mecânicos:

Foi realizado ensaio de tração para caracterização das amostras no estado “como recebido”. O ensaio de dureza foi realizado na determinação das curvas de endurecimento por deformação e na avaliação das amostras após recozimento. A carga utilizada foi de 10 kg.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Composição química: (% em massa)

O aço AISI M2 apresenta maiores teores de Mo e W, enquanto que o aço ABC III apresenta maior teores de C e V.

Demais elementos apresentam teores similares.

C Mn P S Si Cr Mo V W

AISI M2 0,904 0,365 0,026 0,001 0,294 4,310 4,500 1,780 6,710

ABC III 0,950 0,473 0,022 0,002 0,319 4,090 2,720 2,280 2,810

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Microscopia eletrônica de varredura: AISI M2 e ABC III

ABC III – Nital 3% - Aumento: 3000x

AISI M2 - Nital 3% - Aumento: 3000x

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Microscopia eletrônica de varredura (SE e BSE) : AISI M2

BSE – Nital 3% - Aumento: 3000x

SE – Nital 3% - Aumento: 3000x

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Identificação dos carbonetos (EDS): AISI M2

Carbonetos constituídos principalmente por V (tipo MC)

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Identificação dos carbonetos (EDS): AISI M2

Carbonetos constituídos principalmente por W (tipo M6C)

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Microscopia eletrônica de varredura (SE e BSE) : ABC III

BSE – Nital 3% - Aumento: 3000x

SE – Nital 3% - Aumento: 3000x

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Identificação dos carbonetos (EDS): ABC III

Carbonetos constituídos principalmente por V (tipo MC)

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Identificação dos carbonetos (EDS): ABC III

Carbonetos constituídos principalmente por W (tipo M6C)

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Propriedades mecânicas:

Observa-se grande similaridade nos resultados encontrados.

Dureza Vickers (HV10)

Limite Resistência (MPa)

Limite Escoamento (Mpa)

Alongamento % (A080)

AISI M2 249,8 781 398 14,6

ABC III 242,6 795 421 14,9

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Ensaio de dilatometria: AISI M2 e ABC III

0 200 400 600 800 1000-40

0

40

80

120

160

Material: Aço ABCIIIl0=11,52mmTaxa de aquecimento: 1°C/s

200°C

880°C

815°C

Dila

taçã

o (

m)

T (°C)

0 200 400 600 800 1000-40

0

40

80

120

160

Material: Aço M2l0=11,94mmTaxa de aquecimento: 1°C/s

Dila

taçã

o (

m)

T (°C)

250°C

880°C

825°C

Caracterização das amostras no estado “laminado a quente”:

Ensaio de dilatometria:

Resumo

Tx. Aq. (ºC/s) Ac1 (ºC) Ac3 (ºC) Ms (ºC)

AISI M2 1 825 880 250

ABC III 1 815 880 200

Endurecimento por deformação: Laminação a frio

Curvas de Endurecimento por Deformação

235

245

255

265

275

285

295

305

315

325

335

345

355

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Redução (%)

Dureza (HV10)

ABC III

M2

Curvas de amolecimento:

Nota-se na etapa final de amolecimento uma maior resistência do aço

ABC III.

Curvas de Amolecimento - 1 hora

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura (ºC)

Dureza (HV10)

ABC III

M2

Curvas de recozimento isotérmico após 25% de deformação:

Nota-se que o aço AISI M2 apresenta recuperação e recristalizaçãolevemente mais rápidas em comparação ao aço ABC III.

Recozimento Isotérmico - 750 ºC

255

260

265

270

275

280

285

290

295

300

305

310

315

320

325

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (min.)

Dureza (HV10)

ABC III

M 2

Análise com difração de elétrons retroespalhados : Microtextura

Aço ABC III – recozido a 750 ºC por 1 hora

Nota-se a presença de precipitados (regiões escuras) de grãos recristalizados e de sub- grãos.

Evidências de recristalização incompleta.

Análise com difração de elétrons retroespalhados : Mesotextura Aço ABC III – recozido a 750 ºC por 1 hora

Presença de contornos de alto ângulo (linhas escuras) e contornos de baixo ângulo (linhas vermelhas).

Evidências de recristalização incompleta.

Efeito da presença de partículas na recristalização:

O comportamento da recristalização de uma liga contendo precipitados indeformáveis plasticamente depende basicamente do diâmetro médio das partículas e do espaçamento interpartículas.

Durante a deformação de uma liga com partículas grosseiras (maiores do que 1 µm) e indeformáveis, ocorre uma deformação acentuada nas vizinhanças dos precipitados, pois a deformação é acomodada somente na matriz. A nucleação da recristalização é favorecida nessas regiões devido à alta desorientação do reticulado.

Partículas com diâmetro médio inferior a 1 µm e homogeneamente distribuídas, causam maior homogeneidade na distribuição de defeitos e ancoramento dos sub-contornos. Esses dois efeitos podem dificultar a nucleação da recristalização.

Efeito da presença de partículas na recristalização:

Outro parâmetro importante na análise do efeito de dispersões de partículas na recristalização é a distância média entre precipitados.

Partículas maiores tem efeito retardador quando é pequeno o espaçamento entre elas, sendo que, a medida que o espaçamento aumenta, o efeito passa a ser acelerador.

Pode-se concluir que o único caso em que a presença de soluto ou impurezas acelera a recristalização é quando eles estão presentes na forma de partículas grosseiras (suficientemente espaçadas) antes da deformação e do recozimento. Dispersões finas de precipitados presentes antes da deformação ou precipitação durante a recuperação ou a recristalização atrasam a recristalização.

Efeito da presença de partículas na recristalização

Pode-se supor que os carbonetos primários presentes nas microestruturas dos dois aços estudados neste trabalho podem, devido às suas dimensões, atuar como estimuladores da recristalização ao seu redor. Por outro lado, o pequeno espaçamento entre precipitados e a eventual precipitação durante o recozimento após a deformação a frio podem contribuir para atrasar a recristalização.

A maior resistência ao amolecimento apresentada pelo aço ABC III, em comparação com o aço AISI M2, pode ser explicada pelo seu teor mais alto de carbono. Conforme foi mencionado anteriormente, o menor espaçamento entre partículas e a ocorrência de precipitação durante a recuperação podem atrasar a recristalização.

CONCLUSÕES

As análises microestruturais dos aços ABC III e AISI M2 no estado “como recebido” mostram que, tanto a morfologia quanto a distribuição dos carbonetos são diferentes entre os dois aços.

Os dois aços apresentaram curvas muito similares de endurecimento por deformação.

Durante o recozimento das amostras encruadas, verifica-se que o aço AISI M2 apresenta recuperação e recristalização levemente mais rápidas quando comparado com o ABC III.

A análise das curvas de amolecimento mostrou que na etapa final do amolecimento, ou final de recristalização, os dois aços apresentam diferenças significativas.

Utilizando-se análises por difração de elétrons (microtextura e mesotextura) observou-se que o aço ABC III apresenta recristalização incompleta, quando recozidas a 750 ºC por 1 hora.

Muito obrigado pela atenção!

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