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ESTUDO DO TEOR DE CARBONO E ELEMENTOS DE LIGA NA
CONFORMABILIDADE DOS AÇOS
Jacson Roberto da Maia Jonathan Watzko Luis Gustavo Janjacomo Osvaldo Sauer Neto Departamento de Engenharia Mecânica – DEM Centro de Ciências Tecnológicas – CCT Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC Campus Universitário Avelino Marcante, 89223-100, Joinville – SC – Brasil
Resumo : Dentre todos os processos de fabricação, a conformação de metais é uma que se destaca. O entendimento deste processo e sua otimização passa obrigatoriamente pela compreensão das suas variáveis. Entre estas, duas delas são a porcentagem de carbono e os tipos de elementos de liga encontrados nos aços hipoeutetóides. Este trabalho busca o entendimento de como estas variáveis influenciam neste processo através da experimentação de três tipos de aços carbono e dois tipos de aços ligados e sua análise com a teoria.
1. INTRODUÇÃO
Os processos de conformação mecânica tem sua origem na pré-história. Antes de 4000AC os homens das cavernas empregavam ouro, cobre nativos e meteoritos ricos em ferro, sem fundi-los, para a confecção de pequenos artefatos metálicos. Este metais eram martelados para adquirirem a forma desejada e endurecerem (encruarem). Deste tempo até a atualidade os processos de conformação mecânica evoluíram muito e estão presentes em praticamente tudo que utilizamos. Atualmente, são fabricados desde pequenas peças como agulhas e pregos até navios, onde as chapas utilizadas são feitas por conformação mecânica. O número dos diferentes processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação. Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em:
- Forjamento: conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo.
- Laminação: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos.
- Trefilação: redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando- se” a peça através de uma ferramenta (fieira ou trefila) com forma de canal convergente.
- Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo.
- Estampagem: o processo de transformação mecânica, geralmente realizado a frio, onde através de ferramentas adequadas à prensa, submetemos os materiais ao processo de moldagem de formas geralmente propostas a chapas
ferros fundidos, como, por exemplo, ferro fundido cinzento, ferro maleável, ferro fundido branco, ferro fundido ao silício.
2.2 Tipos de aços
Os aços carbono podem ser classificados em cinco tipos conforme sua porcentagem de carbono e dureza:
- Menos de 0,15% C – aço extra doce;
- Entre 0,15 e 0,30% C - aço doce. Estas duas categorias representam os aços estruturais, em geral recozidos ou normalizados
- Entre 0,30 e 0,50% C – aço meio duro; Nesta categoria, os aços são geralmente temperados e revenidos para peças estruturais de alta solicitação mecânica.
- Entre 0,50 e 1,40% C – aço duro;
- Entre 1,40 e 2,00% C – aço extra duro. Estas duas últimas categorias representam os aços para ferramentas de corte e matrizes temperados. Ainda, podem-se classificar os aços somente pelo seu teor de carbono:
- Aços de baixo carbono: contendo de 0,10 a 0,30% C;
- Aços de médio carbono: contendo de 0,30 a 0,85%C;
- Aços de alto carbono: contendo de 0,85 a 1,5% C.
2.3 Denominação dos aços
As diversas qualidades do aço são obtidas por meio de rigorosa seleção e dosagem dos elementos de liga e por tratamentos térmicos adequados. Os aços podem ter duas denominações: aços carbono e aços liga. Os aços carbono, teoricamente, não possuem elementos de liga. Como o aço é basicamente uma liga de ferro e carbono, qualquer outro elemento existente pode ser classificado como elemento de liga. Isto, porém, não é verdade: sempre existem elementos residuais presentes no aço que ficam retidos durante o processo de fabricação. Esses são o manganês, silício, fósforo e enxofre. Em geral, considera-se um aço como sendo aço carbono quando não contem mais de 1,65% Mn, 0,30%
Si, 0, 040% P e 0, 050% S. Se a porcentagem de manganês ou silício for maior que esses teores máximos, eles exercerão funções especiais no aço e são considerados como elementos de liga. Os aços carbono são usados quando não existem requisitos de resistência mecânica e resistência a corrosão muito severos, ou quando a temperatura de utilização dos aços não seja muito elevada. As vantagens de se utilizar os aços carbono são custo relativamente baixo e pouca exigência de tratamentos elaborados para a sua produção. Os aços liga contem porcentagens mais elevadas de vários elementos químicos, tais como: cromo, níquel, molibdênio, tungstênio, manganês, silício e cobre. Existem outros elementos que são incorporados mesmo em pequenos teores para melhorar ainda mais a qualidade do aço, como o vanádio, nióbio, boro e titânio. Entretanto, o carbono é o elemento principal para o ferro, pois as propriedades mecânicas da liga dependem essencialmente deste elemento. Os demais servem para aumentar e melhor distribuir as propriedades mecânicas ou de conferir outras propriedades (à corrosão, oxidação ou abrasão etc.), quando em porcentagens elevadas.
2.4 Conformabilidade
A conformabilidade plástica pode ser definida como a capacidade do metal poder ser processado por deformação plástica, por estampagem, ou por forjamento ou por outro processo específico, sem apresentar defeitos ou fraturas nas peças. Pode-se afirmar que quanto maior a ductilidade do material, associada a uma resistência mecânica mínima para suportar os esforços de conformação, maior será a capacidade de este ser processado com deformação plástica. Os principais fatores de influência na conformabilidade dos aços, para todos os tipos de qualidade, são: composição química, microestrutura, acabamento superficial e encruamento. O método mais seguro de verificar a conformabilidade plástica de um produto metálico é ensaiá-lo nas condições normais de fabricação onde estão presentes todos os fatores de influência do corpo metálico e do processo. Porém, esse método pode representar custos muito elevados. Em decorrência desenvolveram-se ensaios de laboratório, que podem ser divididos em dois grupos: ensaios mecânicos convencionais e de fabricação. Através de um ensaio de compressão pode-se estabelecer algumas correlações significativas entre os seus valores e o comportamento para a conformação.
Por outro lado, as propriedades da perlita dependem muito da espessura de suas lamelas e esta, por sua vez, da velocidade de sua formação. A sua espessura é, entretanto, limitada pela distância através da qual o carbono, no tempo disponível, se difunde. Outro fato importante a ressaltar é o seguinte: num aço hipoeutetóide, com teor de carbono, portanto, inferior a 0,77%, o resultado do resfriamento lento é, como se viu, a formação de uma certa quantidade de ferrita (chamada primária ou proeutetóide) até que a austenita remanescente se transforme em perlita. Assim a estrutura resultante contém quantidades de ferrita e perlita que podem ser previstas. A distribuição desses micro constituintes depende do tamanho de grão de austenita, porque a nucleação da ferrita primária ocorre nos contornos dos grãos. A ferrita forma um “rendilhado” nos contornos de grãos de austenita, em cujo interior se forma a perlita. Se o resfriamento, entretanto, se acelerar, de modo a se atingir uma temperatura mais baixa antes que ocorra nucleação da ferrita primária, a perlita pode se formar até com teores de carbono da ordem de 0,4%, o que pode ser compreendido pelo exame da figura 1. De fato, considere-se um aço com teor de carbono dado pela reta S , sendo na figura, E o ponto eutetóide. Acima TA , a fase estável é a austenita; de TA a TB existe equilíbrio entre a austenita e ferrita; entre TB e TC a cementita é menos estável do que a austenita e, portanto, não pode nuclear a partir dela; assim, forma-se ferrita até que a composição da austenita cruze a linha EC’ , linha essa que define as condições para a cementita estar em equilíbrio com a austenita. Se a temperatura estiver abaixo de TC , a cementita pode nuclear imediatamente e então se forma a perlita, a qual, desse modo, terá mais ferrita e menos cementita do que rigorosamente deveria ter (ou seja, do que a perlita eutetóide que teoricamente deveria ter-se formado) e será mais mole.
Figura 1 – Limite para formação da perlita.
Devido às características mecânicas dos constituintes dos aços, as propriedades mecânicas destes quando esfriados lentamente, variam de acordo com a proporção daqueles constituintes. Assim, ferro comercialmente puro, constituído só de ferrita, apresenta-se mole, dúctil, pouco resistente à tração e com alta resistência ao choque; à medida que o teor de carbono cresce, aumentam os valores representativos da resistência mecânica, isto é, o limite de escoamento, o limite de resistência à tração e à dureza, ao passo que caem os valores relativos à ductilidade, como alongamento, estricção e resistência ao choque. A Tabela I dá valores obtidos para algumas propriedades mecânicas, em função do teor de carbono de aços no estado recozido, isto é, esfriados lentamente de temperaturas acima da zona crítica.
Tabela I – Propriedades mecânicas de aços esfriados lentamente em função do teor de carbono.
2.6 Influência dos elementos de liga
A introdução de elementos de liga nos aços carbono é feita quando se deseja alterar uma ou diversas propriedades dos aços, conforme demonstrado na tabela II.
Tabela II – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços.
Tabela II – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (continuação).
Tabela II – Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (continuação).
3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Nesse experimento foram avaliados cinco tipos de aços, sendo três aços-carbono com diferentes teores de carbono (1010, 1020 e 1045), e dois aços-liga (4340 e 8620). Foram utilizados corpos de prova com a forma de um cilindro de dimensões 20 mm de altura e 10 mm de diâmetro. Foi realizada a análise química dos aços. Esse procedimento é de suma importância para se conhecer exatamente a porcentagem de carbono e a dos outros elementos que constituem os aços analisados. Para completar a caracterização dos aços, foram tomadas medidas das durezas dos aços. A escala de dureza utilizada foi Rockwell-B (HRB). Após essa primeira parte, os corpos de prova foram submetidos a um tratamento térmico de recozimento, com o objetivo de obter a recristalização da microestrutura e eliminar qualquer traço de encruamento proveniente do processo de fabricação. O recozimento foi realizado colocando-se os corpos de prova no forno a 950°C por 45 minutos. A existência de encruamento nos corpos de prova poderia prejudicar os resultados obtidos, levando a conclusões não verdadeiras. Logo após, foi realizado o ensaio de compressão, em uma máquina universal de ensaios mecânicos. Os corpos de prova foram submetidos a uma única compressão com a carga máxima em torno de 29 toneladas-força. Foram medidas as alturas finais de cada corpo de prova. Com esse valor e a altura inicial, calculou-se a taxa de conformação, segundo a equação:
(Porcentagem de trabalho a frio em compressão)
Novamente foram medidas as durezas dos corpos de prova, para uma comparação dos materiais conformados e não-conformados. Para realizar as análises metalográficas, as amostras foram embutidas em resina (baquelite), com a sua seção longitudinal à mostra. Durante a preparação de superfícies, foram empregadas lixas para o desbaste mais grosseiro, e em seguida, um polimento abrasivo com alumina. E por fim, para poder revelar a microestrutura, foi usado nital 1%, com diferentes tempos de ataque para cada aço. As metalografias comprovaram o perfil encruado da microestrutura após a conformação.
4. RESULTADOS E ANÁLISES
4.1 Análise Química
Através da analise química foi possível determinar o teor de carbono e elementos de liga nas amostras. O resultado é demonstrado na tabela III :
Tabela III – Composição química das amostras.
Elemento
C 0,099 0,14 0,45 0,22 0,
Fe 99,33 98,49 98,53 97,33 95, Ni 0,025 0,050 0,034 0,50 1, Cr 0,026 0,067 0,043 0,51 0,
Mo 0,009 0,015 0,012 0,14 0,
A literatura [1], indica que as séries 43XX e 86XX possuem como elementos de liga, níquel, cromo e molibdênio. O que é comprovado pela análise química, onde é perceptível a presença dos referidos elementos de liga, ao passo que nos aços ao carbono estes não aparecem de forma significativa. Pela classificação da SAE-AISI para os aços ligados (séries 43 e 86), segue que os mesmos devem possuir:
- 43xx – 1,83% Ni, 0,50 a 0,80% Cr e 0,25% Mo
- 86xx – 0,55% Ni, 0,50 a 0,65% Cr e 0,20% Mo
Dureza em função teor de carbono para aços encruados
92
94
96
98
100
102
104
106
108
110
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Teor de Carbono
Dureza [HRB]
Figura 4 – Influência do teor de carbono na dureza de aços conformados.
5.2.2 Taxa de Conformabilidade
A conformabilidade pode se avaliada adequadamente através da taxa de conformação. A tabela V mostra os valores obtidos.
Tabela V – Taxa de conformação dos aços ao carbono. % de Carbono Taxa de conformação [%] 0,09904 75, 0,14307 73, 0,45104 65,
Traçando-se o gráfico da figura 5 pode-se visualizar a dependência da taxa de conformação com o teor de carbono.
Taxa de Conformabilidade Aços ao Carbono
64
66
68
70
72
74
76
78
80
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Teor de Carbono
Tx de conform. [%]
Figura 5 – Efeito do teor de carbono na conformabilidade dos aços carbono.
Analisando o gráfico é possível perceber a influência do teor de carbono na taxa de conformação. A taxa de conformação é reduzida com o aumento do teor de carbono, explicando a maior dificuldade de se conformar aços com maior teor de carbono. Este aumento de dureza e redução de conformabilidade é explicado pelo aumento da quantidade de perlita (estrutura escura nas figuras 8 a 13), variando de 0% para teor de carbono 0% e 100% para teor de carbono 0,77%. A perlita apresenta maior resistência mecânica e é menos dúctil que a ferrita. Portanto em um aço hipoeutetóide, quanto maior o percentual de perlita, mais as propriedades globais se aproximarão das propriedades da perlita, resultando em maior dureza, resistência mecânica e menor alongamento.
4.3 Influência dos Elementos de Liga
4.3.1 Dureza
Usando as porcentagens encontradas na análise química dos aços carbono, pode-se então ajustar uma equação logarítmica para a dureza em função do teor de carbono para aços recozidos, como também para aços encruados. Através deste ajuste, podemos aproximar os valores de dureza para uma comparação com os aços com elementos de liga.
Figura 7 – Influência dos elementos de liga na dureza dos aços encruados.
Segundo Souza [3], o níquel não tem tendência a formar carbonetos, e ainda aumenta a resistência mecânica e a dureza da ferrita, sem diminuir sua ductilidade e tenacidade até um valor de 5%. O cromo é um elemento que forma carbonetos estáveis muito duros com o aumento do teor de carbono, devido a presença de excesso de carboneto de cromo. O molibdênio também é formador de carboneto, podendo ficar dissolvido no carboneto de ferro ou formando um carboneto complexo (Fe-Mo-C). Nos aços de baixo carbono recozidos, o molibdênio aumenta sua resistência mecânica e sua dureza até uma porcentagem de 2%. Para baixos teores de molibdênio e enxofre, não se formam carbonetos e todo o molibdênio fica dissolvido na ferrita, aumentando então a resistência do aço recozido. Pela análise dos gráficos das figuras 5 e 6, fica comprovado que a adição dos elementos de liga NiCrMo aumenta a dureza dos aços melhorando características como por exemplo a resistência ao desgaste.
4.3.2 Taxa de Conformabilidade
Fazendo-se uma analogia à dureza dos aços ligados, pode-se através dos dados obtidos da tabela V, obter uma equação de ajuste potencial, para que se possa comparar a taxa de conformabilidade entre os aços para uma mesma porcentagem de carbono. Logo, fica que
- = 61,002.(%C)-0,094^ Alongamento Percentual
Através desta, foi obtidos os seguintes dados da tabela VII e figura 8
Tabela VII – Comparativo da taxa de conformabilidade entre os aços carbono e os aços ligados. Aço série Teor de carbono [%] Alongamento [%] 10 0,22210 70, 86 0,22210 68, 10 0,39976 66, 43 0,39976 61,
Figura 8 - Comparativo da taxa de conformabilidade entre os aços carbono e os aços ligados.
Mais uma vez, nota-se a influência dos elementos de liga sobre a conformabilidade, onde os aços ligados apresentam taxas de alongamento menores que os aços carbono com um mesmo valor de porcentagem de carbono.
