Materiais Metálicos TÊMPERA BAINÍTICA EM BANHO DE SAIS DO AÇO G15 SPECIAL (AISI 3415) TRABALHO M14.92 Docente: Eng.º Jorge Lino Agradecimentos: Emília do Rosário Rocha Soares Trabalho realizado por: Filipe Giesteira Nº 201306293 António Postiga Nº 2013062
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Materiais Metálicos
TÊMPERA BAINÍTICA EM BANHO DE SAIS DO
AÇO G15 SPECIAL (AISI 3415)
TRABALHO M14.92
Docente:
Eng.º Jorge Lino
Agradecimentos:
Emília do Rosário Rocha Soares
Trabalho realizado por:
Filipe Giesteira Nº 201306293
António Postiga Nº 2013062
Trabalho M14.92 Têmpera Clássica e Austêmpera – G15 Special
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Conteúdos
1. Resumo e objectivos visados ................................................................................. 1
2. Lista de Figuras .................................................................................................. 2
3.1.1.1. Aquecimento e Austenitização ....................................................................................... 3 3.1.1.2. Temperatura de Austenitização ..................................................................................... 4 3.1.1.3. Estágio à Temperatura de Têmpera (Tempo de Austenitização) ............................... 4 3.1.1.4. Arrefecimento.................................................................................................................. 5 3.1.1.5. Temperabilidade ............................................................................................................. 5
4. Estudo do Material .............................................................................................. 8
4.1. O G15 Special ........................................................................................................ 8 4.1.1. Classificação, Composição Química e Microestrutura .................................................... 8 4.1.2. Influência dos Elementos de Liga ...................................................................................... 9 4.1.3. Normas ............................................................................................................................... 12 4.1.4. Propriedades e Características Mecânicas e Tecnológicas ............................................ 12 4.2.1. Generalidades .................................................................................................................... 12 4.2.2. Aços de Cementação.......................................................................................................... 13 4.2.3. Principais Aplicações Industriais ..................................................................................... 13
5. Previsão de Resultados ...................................................................................... 14
5.1. Pontos de Transformação .................................................................................... 14 5.1.1. Cálculo do ponto Eutectóide ............................................................................................. 14 5.1.2. Cálculo de Ac1 ................................................................................................................... 15 5.1.3. Cálculo de Ac3 ................................................................................................................... 16 5.1.4. Cálculo de MS .................................................................................................................... 17 5.1.5. Cálculo do Tempo de Estágio de Austenitização ............................................................ 17
5.2. Características do material no estado de fornecimento ........................................ 18 5.2.1. Microestrutura .................................................................................................................. 18 5.2.2. Dureza ................................................................................................................................ 19
5.3. Austêmpera ......................................................................................................... 20 5.3.1. Projeto do Ciclo Térmico da Austêmpera ....................................................................... 20 5.3.2. Características do Material após Austêmpera ................................................................ 20
5.4. Têmpera Clássica ................................................................................................ 21 5.4.1. Projeto do Ciclo Térmico da Têmpera Clássica ............................................................. 21 5.4.2. Características do Material após Têmpera Clássica ...................................................... 22
6.2. Observação Microscópica .................................................................................... 25 6.2.1. Estado de fornecimento .................................................................................................... 25 6.2.2. Após Têmpera Bainítica ................................................................................................... 26 6.2.3. Após Têmpera Clássica ..................................................................................................... 27
6.3. Medição de Durezas ............................................................................................. 27 6.3.1. Estado de fornecimento .................................................................................................... 28 6.3.2. Após Têmpera Bainítica ................................................................................................... 28 6.3.3. Após Têmpera Clássica ..................................................................................................... 28
7. Comparação entre a Dureza e Microestrutura obtida nos dois Tratamentos
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1. Resumo e objectivos visados
A correta definição do projeto do ciclo térmico consiste num dos passos mais importantes
na realização de um qualquer tratamento térmico. Aspetos como as características mecânicas e
tecnológicas finais desejadas, toleranciamentos dimensionais e custos envolvidos irão
condicionar todo o projeto do tratamento.
Com a realização deste trabalho pretendemos, para umas dadas condições finais
previamente estabelecidas, selecionar e desenvolver um projeto de um ciclo térmico que vá de
encontro a tais requisitos. O estudo das propriedades mecânicas obtidas após tratamento
térmico, bem como a microestrutura final do material serão tópicos também devidamente
abordados.
O objectivo proposto para o presente trabalho, começou por ser a obtenção de uma
estrutura 100% bainítica por austêmpera. Contudo, dadas as condições de trabalho ou
características do material (nomeadamente a composição química) rapidamente percebemos que
este nunca seria cumprido na íntegra. Reinventando um pouco o conceito de têmpera clássica,
sugerimos ao nosso orientador, o eng. Jorge Lino, a introdução de um parâmetro de estudo
definido pelo próprio tratamento térmico de têmpera. Procurou-se então recorrer a este
tratamento térmico não com intuito convencional de obter uma estrutura martensítica, mas antes
como uma forma, não muito ortodoxa, de maximizar a quantidade de bainite obtida.
Seguindo uma ordem racional de trabalho, é lógico proceder previamente à correta
definição do background, do aço em estudo, a nível metalúrgico: composição química;
microestrutura inicial; tratamentos térmicos, mecânicos ou ainda químicos a que foi submetido;
bem como a sua classificação e comparação com outros materiais do mesmo grupo. Esta análise
prévia de diversos diagramas de arrefecimento e quadros de propriedades relativos ao material
culminará com a previsão dos resultados esperados.
Como forma de conclusão do presente trabalho, iremos proceder a uma interpretação e
fundamentação teórica dos resultados obtidos experimentalmente e conjeturar acerca de
pequenos afastamentos do plano prático em relação ao plano teórico.
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2. Lista de Figuras
Figura 1 - Projeto de ciclo térmico genérico de uma têmpera clássica. ___________________ 6 Figura 2 - Projeto de ciclo térmico genérico de uma têmpera bainítica. ___________________ 7 Figura 3 - Composição química do aço G15 Special para diferentes qualidades, consoante a
norma referenciada (Ramada, 2009). _____________________________________ 8 Figura 4 - Percentagem de cada elemento para que possa ser considerado elemento de liga
(Soares, 2009). _______________________________________________________ 8 Figura 5 - Esboço da estrutura de um aço ligado hipoeutectóide com baixo teor em carbono
(Ferreira, 2012). ______________________________________________________ 9 Figura 6 - Efeito do Cr e do Ni no domínio austenítico, para valores percentuais escalonados de
cada elemento (Barralis, Maeder, Silva, 2005). ______________________________ 9 Figura 7 - Influência de cada elemento de liga na temperatura Ae1 (para condições de
histerese, é considerada uma aproximação relativamente boa de Ac1) (Barralis,
Maeder, Silva, 2005). _________________________________________________ 10 Figura 8 - Influência de cada elemento de liga na translação horizontal do ponto eutectóide
(Barralis, Maeder, Silva, 2005). _________________________________________ 10 Figura 9 - Tendência para a formação de carbonetos (Barralis, Maeder, Silva, 2005). _______ 11 Figura 10 - Influência do Ni e do Cr nas propriedades mecânicas (Soares, 2009). __________ 11 Figura 11 - Normas que regem o aço G15 Special (Ramada Aços, 2015). _________________ 12 Figura 12 - Principais propriedades mecânicas do aço G15 Special (Ramada Aços, 2015). ___ 12 Figura 13 - Comparação entre as composições químicas dos aços em questão. ___________ 14 Figura 14 - Deslocação horizontal do ponto eutectóide devido aos elementos de liga. ______ 15 Figura 15 - Gráfico do ensaio dilatométrico do aço G15 Special (Ferreira, 2012). __________ 16 Figura 16 - Esquema da microestrutura no estado de fornecimento (Ferreira, 2012). _______ 19 Figura 17 - Projeto do ciclo térmico de Têmpera Bainítica aplicado à amostra 14.92.2. _____ 20 Figura 18 - Projeto do Ciclo Térmico de Têmpera Clássica aplicado à amostra 14.92.3. _____ 21 Figura 19 - Foto da amostra antes do desbaste. ____________________________________ 23 Figura 20 - Imagem comparativa entre a superfície da amostra já polida (direita) e uma
superfície resultante do corte do provete (esquerda). _______________________ 23 Figura 21 - Fotografia metalográfica da amostra 14.92.1 observada no microscópio ótico. __ 25 Figura 22 - Fotografia metalográfica da amostra 14.92.3 observada ao microscópio ótico. __ 26 Figura 23 - Fotografia metalográfica da amostra 14.92.2 observada ao microscópio ótico. __ 27 Figura 24 - Medições de dureza no estado recozido. ________________________________ 28 Figura 25 - Medições de dureza após austêmpera. __________________________________ 28 Figura 26 - Medições de dureza após têmpera clássica. ______________________________ 28 Figura 27 - Dureza máxima em função da percentagem de Carbono (Soares, 2009). _______ 29 Figura 28 - Comparação de durezas após tratamentos. ______________________________ 30
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3. Revisão Bibliográfica
3.1. Tratamentos Térmicos
O tratamento de um aço pode ser definido como o conjunto de operações e processos
físicos a que este é sujeito de modo a melhorar as suas propriedades mecânicas e tecnológicas.
Existindo uma panóplia apreciável de tratamentos, estes podem ser divididos consoante a
natureza do seu processo físico (Soares, 2009).
Mecânicos a quente:
Forjamento
Laminagem
Estampagem
Mecânicos a frio:
Estiragem
Térmicos:
Recozido
Têmpera
Revenido
Termomecânicos:
Ausforming
Marsforming
Marforming
Termoquímicos:
Cementação
Nitruração
Carbonitruração
Sulfonação
Superficiais:
Cromagem Dura
Niquelagem
PVD
CVD
Apenas serão abordados os tratamentos térmicos efectuados no âmbito deste relatório
(têmpera clássica e austêmpera).
3.1.1. Têmpera
À semelhança dos restantes tratamentos térmicos, a têmpera apresenta três etapas
fundamentais: aquecimento; estágio e arrefecimento. De seguida, abordaremos cada uma destas
fases detalhadamente.
3.1.1.1. Aquecimento e Austenitização
A austenitização é a operação na qual o produto ferroso é levado a uma temperatura tal
que a constituição se torne austenítica (NF EN 10052). Para uma correta austenitização de uma
dada peça é necessário ter em consideração:
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Condutibilidade Térmica do aço constituinte Aços muito ligados apresentam valores de condutibilidade térmica baixos. Durante o seu
aquecimento criam-se gradientes de temperatura significativos que causam tensões internas.
Estas podem mesmo levar a distorções e até fracturas. Com o intuito de diminuir este efeito
nefasto, geralmente procede-se ao aquecimento em degraus da peça.
Massividade e Geometria da Peça
Peças de grandes volumes e geometrias complexas potenciam gradientes de temperatura e
austenitizações não uniformes. Para além disso, incrementam o risco de sobreaquecimento em
arestas e convergências ou concordâncias vivas de material (com consequente crescimento
exagerado do grão e fragilização da estrutura). Para temperaturas de austenitização
excessivamente elevadas o aço pode mesmo queimar. Tal fenómeno ocorre quando as
impurezas e precipitados fundem, formando finas camadas de vidro aquando da sua
solidificação. Estas películas frágeis não apresentam qualquer coesão com o grão.
Descarborização da peça
Devido às altas temperaturas de trabalho (as temperaturas de austenitização podem ir
desde os 850ºC, para aços pouco ligados ou sem liga, até temperaturas superiores a 1000ºC,
para aços de difícil austenitização) a atmosfera do forno torna-se altamente oxidante. Ora, esta
atmosfera, quando não controlada, leva à descarborização mais ou menos profunda da superfície
da peça. Existem várias formas de controlar o processo de descarborização (Soares, 2009).
Opções económicas:
Embrulho da peça em papel de jornal
Empacotamento da peça em caixas cheias de coque queimado
Fornos de atmosfera controlado:
Banho de sais
Leito Fluidizado
Fornos a vácuo
3.1.1.2. Temperatura de Austenitização
A temperatura de austenitização difere para os aços hipoeutectóides e aços
hipereutectóides. Esta diferença verifica-se uma vez que o objectivo da austenitização em cada
um dos casos difere também. Os aços hipoeutectóides, regra geral, são aços de baixa dureza
devido à sua baixa percentagem de carbono. É então mais vantajoso realizar-se uma
austenitização total da peça, de modo a maximizar a quantidade de martensite (constituinte mais
duro do que a ferrite ou a perlite) após arrefecimento. Resulta então que a temperatura de
austenitização (Tɣ) é geralmente dada por Tɣ = Ac3+50ºC para os aços hipoeutectóides. A
constante que faz com que Tɣ difira de Ac3 é introduzida com o intuito de assegurar uma
austenitização total e a dissolução de carbonetos precipitados que provoca o enriquecimento em
carbono da austenite e consequente aumento da dureza da martensite final.
Ao contrário dos aços hipoeutectóides, os aços hipereutectóides para além do constituinte
eutectóide ou perlítico, apresentam na sua constituição cementite proeutectóide (constituinte
cuja dureza pode chegar aos 2000HV). Ora, sendo a cementite mais dura do que a própria
martensite, é de todo o interesse que esta fique como constituinte final. Surge então a
necessidade de realizar uma austenitização parcial, de modo a que seja apenas ultrapassado o
limite de estabilidade da perlite. A temperatura de austenitização é então dada por Tɣ = Ac1
+50ºC (Soares, 2009).
3.1.1.3. Estágio à Temperatura de Têmpera (Tempo de Austenitização)
O tempo de austenitização, ou estágio à temperatura de têmpera, é essencialmente função
da massividade da peça. Este estágio tem como objectivo a homogeneização da temperatura em
toda a peça e assegurar que a peça, em todo o seu volume e não apenas na superfície, foi
austenitizada. Tal como a temperatura de austenitização, o tempo de estágio influencia o
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crescimento de grão da austenite bem como o grau de descarborização da peça (caso não se
proceda ao controlo da atmosfera do forno) podendo assim, em caso de estágios excessivos,
provocar a fragilização da peça (Soares, 2009).
3.1.1.4. Arrefecimento
O arrefecimento, ou têmpera, corresponde à etapa que confere o nome ao próprio
tratamento térmico, realçando desde já importância desta fase. O arrefecimento mais ou menos
brusco permite a transformação da austenite em condições mais ou menos afastadas das
condições de equilíbrio (descritas pelos diagrama de equilíbrio). Consoante o objectivo seja a
obtenção de martensite ou bainite, esta velocidade de arrefecimento terá que ser
respectivamente superior ou inferior à velocidade crítica superior de têmpera (VCST). A
velocidade crítica superior de têmpera pode ser entendida como a velocidade de arrefecimento
de uma peça, a partir da qual se dá a formação de 100% de martensite após têmpera. Este
arrefecimento, ou velocidade de arrefecimento, é função da massividade e geometria da peça,
bem como do meio de arrefecimento utilizado.
A partir da teoria da condução térmica, facilmente entende-se que peças com maiores
dimensões sofrem menores variações da sua temperatura num mesmo intervalo de tempo.
Consoante a complexidade geométrica da peça, as leis de arrefecimento para cada ponto da peça
ou os gradientes de temperatura na peça serão mais ou menos marcados. Tal como no
aquecimento, a fase de arrefecimento também origina tensões internas provocadas por
gradientes de temperatura. Admitindo que a possibilidade de alterar o design da peça, bem como
as suas dimensões, é restrita ou quase nula, a velocidade de arrefecimento vai ser manipulada
precisamente pelo meio de arrefecimento.
Os meios de arrefecimento apresentam diferentes poderes de arrefecimento ou níveis
energéticos. Quanto maior o nível energético de um dado meio, maior será a capacidade de
retirar calor da peça, logo maior será a velocidade de arrefecimento. Os meios mais comuns são
a água, o óleo de têmpera e o ar atmosférico parado, ordenados por ordem decrescente de poder
de arrefecimento. É de notar que tanto a composição como a temperatura de cada meio se
encontram devidamente tabeladas e normalizadas. Possíveis variações a estes meios base, com o
intuito de criar condições de arrefecimento intermédias, são perfeitamente aceitáveis. A adição
de 5% de soda cáustica (NaOH), ou 10% de sal à água, permitem aumentar o poder de
arrefecimento. No entanto, a adição de sabão tem precisamente o efeito contrário. Estes são
apenas alguns exemplos destas variações (Soares, 2009).
3.1.1.5. Temperabilidade
A temperabilidade pode ser definida como a maior ou menor facilidade em obter uma
estrutura 100% martensítica após têmpera. Dito por outras palavras, consiste na aptidão que
uma liga apresenta para, sendo sujeita a arrefecimentos cada vez mais lentos, continuar a ser
possível a obtenção de 100% martensite e necessitar de um menor esforço técnico para evitar a
formação de agregados ferrite-carbonetos.
Factores como a composição química da liga e as condições de austenitização
influenciam a temperabilidade de um aço.
A presença em abundância de elementos de liga em solução na austenite (com a exceção
do Co, que potencia a germinação de carbonetos) dificulta a nucleação dos carbonetos,
aumentando assim a temperabilidade.
Os precipitados e inclusões consistem em pontos favoráveis para a germinação de ferrite,
diminuindo assim a temperabilidade.
O tamanho de grão é determinado essencialmente pela temperatura de austenitização,
bem como o tempo de austenitização. Quanto maior o tamanho de grão, menor será o
número de grãos por unidade de área, bem como menor será a área ou espaço das juntas
de grão. Ora, a germinação da ferrite ocorre precisamente nos limites de grão, se há um
menor espaço para a sua nucleação a temperabilidade aumenta com o tamanho de grão. É
importante notar que o tamanho de grão da austenite não deve nem é um factor de
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controlo da temperabilidade. Isto porque o seu aumento implica uma diminuição de todas
as propriedades mecânicas da liga (Alves, Marques, Silva, 2013).
A quantificação da temperabilidade é materializada por:
Diagramas TRC
Curvas de penetração ou Diagramas em U
Diâmetro Crítico
Ensaio Jominy
Apenas será desenvolvida a análise de diagramas TRC como quantificação da
temperabilidade, uma vez que foi a única utilizada. A sobreposição de transparentes de curvas
de arrefecimento sobre o diagrama TRC permite obter diretamente, caso a curva de
arrefecimento seja exatamente tangente ao nariz da curva em C de início de transformação, ou
por interpolação de dois feixes de arrefecimento vizinhos, a velocidade crítica superior de
têmpera. Esta pode ser expressa pelo intervalo de tempo que decorre desde o arrefecimento do
aço de 700ºC a 300ºC. Quanto maior for o intervalo, maior será a temperabilidade.
Nota: Todos os parâmetros relacionados com a temperabilidade, e até o próprio conceito,
têm embebido o objectivo de obtenção de martensite após têmpera. Numa têmpera clássica, é o
que geralmente se sucede. Já numa têmpera bainítica ou austêmpera, o objectivo é a obtenção de
uma maior quantidade de bainite. Contudo é importante realçar que o objectivo pretendido com
a aplicação de uma têmpera clássica no âmbito deste projeto será precisamente a obtenção de
bainite.
O projeto térmico genérico de uma têmpera clássica é representado de forma esquemática
no gráfico seguinte.
Figura 1 - Projeto de ciclo térmico genérico de uma têmpera clássica.
3.1.2. Têmpera Bainítica
Todos os conceitos e parâmetros iniciais de definição do ciclo térmico como
aquecimento, temperatura e tempo de austenitização são automaticamente transferíveis para o
projeto da austêmpera. A particularidade da austêmpera tem início com a introdução de um
banho de sais isotérmico, logo após a austenitização (completa ou parcial, dependendo de se
tratar de um aço hipoeutectóide ou hipereutectóide respectivamente).
A temperatura de banho de sais é imediatamente superior à temperatura MS de modo a
maximizar quantidade de bainite obtida bem como de garantir uma bainite inferior com
melhores características mecânicas. Facilmente se conclui que a definição da temperatura de
estágio isotérmico está intimamente relacionada com a correta previsão da temperatura MS. Já
que a escolha de uma temperatura de estágio abaixo de MS real, provocará a formação de
martensite, inviabilizando todo o tratamento térmico.
O tempo do estágio isotérmico está relacionado com a composição química do próprio
aço e com o objectivo final pretendido. A composição química do aço determina a extensão
horizontal do domínio bainítico, definido no diagrama TTT específico do aço, que influencia
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diretamente o tempo que é necessário sujeitar a peça, para que a transformação isotérmica da
austenite se processe. Um outro parâmetro que convém referir, consiste no facto de a
austêmpera poder ser total ou parcial. Na austêmpera total a transformação isotérmica é levada
até ao fim (ponto determinado pelo diagrama TTT). Caso se pretenda a obtenção de uma
estrutura bainite + martensite (que irá conferir à peça um aumento ligeiro de dureza com a
consequente perda de alguma tenacidade) reduz-se o tempo de estágio. Levando assim à
formação de martensite a partir da austenite não transformada isotermicamente. O balanço das
quantidades destas duas estruturas será mediado precisamente pelo tempo em banho de sais.
Ao contrário da têmpera convencional, em que o arrefecimento constitui o parâmetro
fundamental do projeto do ciclo térmico, uma vez que geralmente trabalhamos com
transformações isotérmicas (exceptuando o caso da austêmpera parcial) este não será um fator
tão preponderante. Contudo convém salientar que a passagem do estágio de austenitização para
o banho de sais acarreta um arrefecimento que pode provocar o aparecimento de estruturas
ferrítica, situação que afectará aços com tempos de incubação mais reduzidos. O arrefecimento
posterior ao banho de sais não tem qualquer influência na transformação bainítica, pelo que
normalmente se processa ao ar (Alves, Marques, Silva, 2013).
3.1.2.1. Transformação Bainítica
Com o abaixamento da temperatura de estágio isotérmico, o processo de difusão atómica
é cada vez mais lento, levando à substituição da transformação perlítica pela transformação
bainítica. A fase nucleante neste tipo de transformação (especialmente para aços
hipoeutectóides) é a ferrite.
Existem dois tipos de bainite, quanto à sua estrutura e propriedades.
Bainite Superior
Forma-se na zona superior do domínio bainítico, por ripas de ferrite alternadas com
precipitados de carbonetos de ferro orientados de forma paralela. Estes precipitados conferem à
bainite superior uma resiliência reduzida.
Bainite Inferior
Em oposição à bainite superior, esta forma-se em zonas do domínio bainítico próximas da
temperatura MS. A temperaturas cada vez mais baixas, a ferrite forma-se agora com uma
estrutura acicular. Este abaixamento de temperatura de estágio isotérmico tem também como
consequência uma diminuição do processo de difusão do Carbono, o que leva agora à sua
precipitação no interior das agulhas ferrítica sob a forma de plaquetas finas semicoerentes com a
matriz. Ao contrário do que acontecia na bainite superior, a precipitação destes carbonetos leva
a um endurecimento do constituinte bainítico, sem a caraterística de perda de resiliência e
tenacidade das bainites superiores.
Figura 2 - Projeto de ciclo térmico genérico de uma têmpera bainítica.
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4. Estudo do Material
4.1. O G15 Special
4.1.1. Classificação, Composição Química e Microestrutura
O aço, a ser estudado quanto ao seu teor em carbono, pode ser classificado como
Quanto à quantidade de elementos de liga é classificado como um aço pouco ligado ou de
baixa liga (%EL <5%) (Soares, 2009). Contudo, como apresenta um valor fronteira de
elementos de liga (%ELmax <4.75 %) no limite pode ser considerado como um aço de média
liga. A sua composição química típica é dada, em percentagem mássica, pela tabela seguinte.
%C 0.10 – 0.18
%Si <0.40
%Mn 0.40 – 0.70
%Cr 0.60 – 0.90
%Mo —
%Ni 3.00 – 3.50
%P <0.035
%S <0.035
Figura 3 - Composição química do aço G15 Special para diferentes qualidades, consoante a norma referenciada (Ramada, 2009).
Como é possível verificar, estamos na presença de um aço ligado ao Crómio e ao Níquel
(aço ao Crómio-Níquel), já que os restantes elementos (elementos normais de elaboração) não
ultrapassam os valores limite das percentagens admissíveis para que possam ser considerados
aços com liga. A tabela seguinte dá as percentagens mínimas no aço, de cada elemento, para que
esse possa ser considerado elemento de liga.
Elemento químico
Silício (Si) 0.50%
Manganês (Mn) 1.65%
Crómio (Cr) 0.30%
Níquel (Ni) 0.30%
Molibdénio (Mo) 0.08%
Vanádio (V) 0.10%
Tungsténio (W) 0.10%
Cobalto (Co) 0.10%
Titânio (Ti) 0.05%
Cobre (Cu) 0.40%
Alumínio (Al) 0.10%
Fósforo (P) + Enxofre (S) 0.12%
Figura 4 - Percentagem de cada elemento para que possa ser considerado elemento de liga (Soares, 2009).
Devido ainda à sua baixa percentagem de carbono, e alguma adição de elementos de liga,
este aço pode ser enquadrado no subgrupo dos aços de cementação (Soares, 2009), sendo assim
ideal para tratamento termoquímico de cementação da sua superfície e posterior têmpera e
revenido. Obtém-se assim uma peça com o núcleo bastante tenaz, e uma envolvente com dureza
assinalável. O facto de possuir alguns elementos de liga melhora a sua temperabilidade (um dos
efeitos da adição de elementos de liga é precisamente deslocar o nariz das curvas nos diagramas
TRC para a direita), permitindo muitas vezes um arrefecimento a óleo (para uma peça de
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massividade média), o que por si só implica um melhor toleranciamento dimensional
(arrefecimentos em meios mais energéticos causam piores acabamentos superficiais com
possíveis distorções) e uma peça mais sã (com menores tensões residuais).
O aço é fornecido no estado recozido (aquecimento acima de Ac3 e arrefecimento lento
no forno, com compatibilização da microestrutura com a microestrutura do Diagrama de
Equilíbrio), apresentando cerca de 3 constituintes à temperatura ambiente. Sendo um aço
hipoeutectóide, uma análise não muito fundamentada do diagrama de equilíbrio (já que o aço,
apesar de não apresentar muita liga, continua a ser algo ligado, o que modifica o diagrama de
equilíbrio) permite prever o aparecimento de:
Ferrite (Fe α) pró-eutectóide, em grandes quantidades
Perlite (constituinte eutectóide), formado pela reação eutectóide isotérmica
Fe ɣ Fe α + Cementite (Fe3C)
Carbonetos precipitados em baixas quantidades.
Tendo ainda em conta as suas aplicações a nível tecnológico, este aço pode ser
classificado como um aço para moldes (classificação atribuída pelo próprio fornecedor). A sua
baixa percentagem de carbono possibilita uma boa maquinabilidade (característica com grande
importância na formação plástica dos moldes).
O aço em estudo, pela estrutura que apresenta à temperatura ambiente, pode ainda ser
classificado de ferrito-perlítico. Tal estrutura é evidenciada no esboço seguinte.
Figura 5 - Esboço da estrutura de um aço ligado hipoeutectóide com baixo teor em carbono
(Ferreira, 2012).
4.1.2. Influência dos Elementos de Liga
Os elementos de liga presentes no aço G15 Special, quanto à modificação da extensão do
domínio austenítico (Fe ɣ) ou ferrítico (Fe α), podem ser classificados em gamagenos e
alfagenos respectivamente. Como a própria designação sugere, os elementos gamagenos
deslocam o ponto eutectóide (Ac1) do diagrama de equilíbrio para baixo. Pelo contrário, os
alfagenos deslocam o ponto eutectóide para cima, aumentando assim o domínio ferrítico. O
Níquel é o único elemento de liga presente neste material com carácter gamageno, já o Crómio
apresenta um carácter alfagenos. Esta influência de cada elemento de liga no domínio gama (ɣ)
é bem visível na figura seguinte.
Figura 6 - Efeito do Cr e do Ni no domínio austenítico, para valores percentuais escalonados de cada elemento (Barralis, Maeder, Silva, 2005).
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Logo, apenas a partir da análise do carácter dos vários elementos de liga, não é possível
inferir uma posição média para o ponto eutectóide (ponto de grande importância para
determinar a temperatura de austenitização dos aços hipoeutectóides, como veremos de
seguida), isto porque a posição deste será definida pelo efeito ponderado de cada elemento de
liga. Ora tal como já foi referido, e é evidenciado de forma mais sintética no gráfico seguinte, o
G15 Special apresenta tantos elementos de liga gamagenos (Ni) como alfagenos (Cr).
Figura 7 - Influência de cada elemento de liga na temperatura Ae1 (para condições de histerese, é considerada uma aproximação relativamente boa de Ac1) (Barralis, Maeder, Silva, 2005).
Para determinadas condições fronteira, como percentagens de Carbono e/ou percentagens
elementos de liga compreendidas dentro de certos intervalos, foram desenvolvidas correlações
estatísticas de dados experimentais. A fórmula utilizada para prever o ponto eutectóide do aço
G15 Special será a correlação de Andrews, válida para aços fracamente ligados e com %C
<0.6%.
Nota: Para além do recurso a fórmulas estatísticas já existentes, com vista à determinação
minimamente segura do ponto eutectóide, também se recorrerá a ensaios dilatométricos do G15
Special, bem como a informações sugestivas presentes em vários catálogos do ramo
profissional.
Para além das possíveis translações verticais, os elementos de liga também provocam
uma translação horizontal do ponto eutectóide. Regra geral, esta translação do ponto eutectóide
no diagrama de equilíbrio toma o sentido da direita para a esquerda (com a exceção do Silício e
do Vanádio para percentagens mais elevadas). Esta deslocação implica uma diminuição da
percentagem de Carbono da perlite e uma diminuição da percentagem da ferrite pro-eutectóide
(Fe α), com consequente aumento da percentagem do constituinte perlítico. Por outras palavras,
o G15 Special terá uma perlite com percentagem de Carbono sempre inferior à de um aço não
ligado com a mesma percentagem de Carbono na liga, contudo uma maior percentagem de
perlite em relação ao mesmo aço. O aço G15 Special, em relação a este tópico, apresenta
elementos de liga com efeito comum, como é possível observar pelo seguinte gráfico (Alves,
Marques, Silva, 2013).
Figura 8 - Influência de cada elemento de liga na translação horizontal do ponto eutectóide (Barralis, Maeder, Silva, 2005).
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Quanto à sua afinidade termodinâmica com o carbono, os elementos de liga podem
classificar-se em carborígenos e não carborígenos. Os elementos carborígenos apresentam maior
afinidade termodinâmica com o carbono formando quer cementites ligadas ((Fe,X)3C), quer
carbonetos especiais ((Fe,X)mCn). Os elementos de liga não carborígenos reagem
essencialmente com a ferrite, dissolvendo-se nesta. É então possível definir um coeficiente de
repartição de um dado elemento, consoante este tenha uma dupla afinidade ou uma afinidade
mais exclusiva para uma dada fase. O coeficiente de repartição bem como a(s) fase(s) a ligar são
apresentadas na tabela seguinte para os três elementos de liga do G15 Special (Barralis,
Maeder, Silva, 2005).
Fases a ligar
Elementos Coeficiente de repartição Ferrite Carbonetos
Ni Nulo Sim Não
Cr Intermédio Sim Sim (forte tendência para formar
cementites ligadas)
Figura 9 - Tendência para a formação de carbonetos (Barralis, Maeder, Silva, 2005).
Como é possível observar, o Níquel não forma carbonetos, encontra-se pois dissolvido na
matriz ferrítica (quer no estado recozido, quer no estado temperado). O efeito de dissolução do
Níquel tem como consequência um aumento da resistência mecânica do aço e uma elevação da
temperatura de transição frágil-dúctil. Tem ainda uma ação indireta na temperatura de transição
frágil-dúctil ao controlar a formação de precipitados fragilizantes. O facto de ser um elemento
altamente gamageno (diminuição da percentagem de Carbono da ferrite), aliado ao efeito de
diminuição da solubilidade de Carbono e Nitrogénio na ferrite, diminui o envelhecimento do
aço por encruamento (resistência ao encruamento, propriedade com pouco interesse prático para
a realização deste projeto) (Barralis, Maeder, Silva, 2005).
Os elementos de liga também influenciam a forma e estrutura dos diagramas TTT e TRC.
Todos os elementos de liga à exceção do Cobalto promovem uma translação na horizontal das
curvas em “S” do diagrama TTT e das curvas em “C” do diagrama TRC para a direita. Em
termos de translação vertical da linha MS, todos os elementos de liga à exceção do Cobalto
fazem baixar a temperatura de Martensite Start (MS). Para além do efeito de translação
horizontal e vertical, os elementos de liga podem modificar a forma em “S” característica dos
diagramas TTT dos aços ao carbono em duas curvas em “C”, separando assim, de forma clara,
os domínios perlíticos e bainíticos. Os elementos carborígenos (neste caso o Cr) promovem a
separação dos domínios perlíticos e bainíticos. Já os elementos não carborígenos (neste caso o
Ni), ao contrário dos carborígenos, não provocam uma modificação apreciável da forma das
curvas dos diagramas. A própria percentagem de carbono também influencia.
A presença de certos elementos de liga de forma individual, como temos observado,
altera as propriedades mecânicas do material. A tabela seguinte apresenta de uma forma
resumida e meramente indicativa (já que a combinação de elementos de liga pode potenciar ou
inibir os efeitos que cada elemento provocaria individualmente) o contributo de cada elemento
de liga para a alteração das propriedades mecânicas do aço G15 Special.
Elementos de Liga
Propriedade Mecânica Ni Cr
Dureza ↑ ↑↑
Resistência à tração (Rp) ↑ ↑↑
Limite de elasticidade (σE) ↑ ↑↑
Alongamento (ε) ≈ ↓
Tenacidade ao Choque ≈ ↓
Resistência ao Desgaste ↓ ↑
Figura 10 - Influência do Ni e do Cr nas propriedades mecânicas (Soares, 2009).
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4.1.3. Normas
As normas que regem a composição química do G15 Special, bem a suas conversões e
equivalências internacionais são dadas pela tabela.
EURONORM AISI DIN UNE
— 3415 14 NiCr 14 F-1540
Figura 11 - Normas que regem o aço G15 Special (Ramada Aços, 2015).
4.1.4. Propriedades e Características Mecânicas e Tecnológicas
As propriedades mecânicas do material, como se depreende, serão um reflexo da sua
composição química e efeito dos elementos de liga presentes, bem como da sua microestrutura.
Não deixa de ser importante realçar que a veracidade da afirmação anterior apenas está
assegurada pelo facto de o aço G15 Special ser fornecido no estado recozido, próximo do estado
indicado por uma análise do diagrama de equilíbrio da liga (caso a elaboração de tal documento
fosse praticável). Segundo o catálogo do fornecedor da amostra em estudo, o aço é fornecido no
estado recozido com uma dureza média de 250HB (≈263HV). Devido à sua baixa percentagem
de carbono, é considerado um aço de baixa resistência, pelo que após têmpera o núcleo não
temperado apresenta grandes níveis de tenacidade ao choque e ductilidade considerável. Este
conjunto de propriedades mecânicas possibilita uma boa maquinabilidade (propriedade
tecnológica) que antecede a cementação da superfície. Esta maquinabilidade, em termos
práticos ou industriais, traduz-se num melhor acabamento superficial bem como num menor
desgaste da ferramenta. Uma suma das principais propriedades mecânicas mencionadas segundo
o fornecedor da amostra, empresa Ramada, está representada na tabela seguinte.
Dureza <250 HB
Tensão Limite de Elasticidade (σE ou σ0.2) >75 MPa
Tensão após Rotura (σR) 90 a 135 MPa
Extensão após Rotura (ε) 9%
Figura 12 - Principais propriedades mecânicas do aço G15 Special (Ramada Aços, 2015).
O facto de possuir alguma liga confere ao G15 Special uma temperabilidade razoável,
propriedade tecnológica com grande importância no tratamento por cementação, já que permite
um arrefecimento após carburação em meios menos energéticos, permitindo um melhor
toleranciamento dimensional, melhor acabamento superficial e uma diminuição das tensões
residuais e distorções.
4.2. Aços para Moldes para Materiais Plásticos e Vidros
4.2.1. Generalidades
O fabrico de moldes é uma etapa muito importante na produção de um qualquer produto.
As contínuas exigências de altas rentabilidades obriga à utilização crescente de aços de grande
qualidade para a concepção dos moldes, bem como das partes mais importantes das máquinas
(como cilindros, bicos, etc...). Todo o processo de concepção e fabrico envolve custos
avultados, surgindo o tratamento térmico dos moldes como uma etapa semifinal ou mesmo
final, sendo que o seu insucesso acarretaria perdas consideráveis. É então necessário submeter
estes aços a controlos apertados, como o grau de pureza, homogeneidade, aptidão para o
polimento ou texturização e propriedades mecânicas. Surgem assim diferentes subgrupos de
aços para moldes, consoante o tratamento térmico a que serão sujeitos bem como à natureza
(corrosiva, abrasiva, etc...) do polímero que estarão em contacto (Soares, 2009).
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4.2.2. Aços de Cementação
Este grupo de aços para moldes apresenta como propriedades mecânicas genéricas uma
boa tenacidade ao choque no núcleo e ductilidade considerável, bem como uma boa resistência
ao desgaste e dureza superficial.
A dureza superficial é obtida essencialmente por cementação e têmpera seguida de
revenido, sendo função da composição química, e da camada cementada. A tenacidade e
ductilidade do núcleo serão essencialmente função da percentagem de carbono da liga.
Como propriedades tecnológicas que os destacam como aços para moldes temos uma
excelente aptidão para o polimento e uma boa maquinabilidade por arranque de apara e por
cunhagem a frio (apresenta coeficientes de encruamento baixos como foi referido).
Os principais aspectos negativos deste tipo de aços consistem numa excessiva variação
dimensional após tratamento térmico (típica das cementações) e fraca resistência à corrosão,
razões pelas quais a sua aplicação centra-se em moldes de pequenas dimensões e complexidade
moderada em que o polímero a moldar não apresenta uma natureza corrosiva muito acentuada
(Soares, 2009).
4.2.3. Principais Aplicações Industriais
Como o próprio nome sugere, uma das aplicações irá consistir no fabrico de moldes para
vidros e plásticos. Contudo, a sua aplicação extravasa largamente o fabrico de moldes. Como
aços de cementação, as suas aplicações industriais de um modo genérico centrar-se-ão à volta de
engrenagens de todo o tipo, sujeitas a grandes esforços e choques, sendo a resistência do núcleo
das peças o critério mais relevante na escolha destes aços de cementação (nota devidamente
evidenciada pelo próprio fornecedor como informação sugestiva). Casos particulares da
aplicação do aço em estudo serão: rodas de coroa, pinhões, satélites, cavilham, casquilhos,
rótulas de direção, cambotas, árvores de torno, cruzetas e diferenciais de cardans, sem-fins e
varas de excêntricos (Rol Metais, 2015).
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5. Previsão de Resultados
Devido à inexistência de informação específica sobre o aço G15 Special, nomeadamente
diagramas TTT e TRC, nos Atlas da especialidade ou na ficha técnica disponibilizada pelo
próprio fornecedor, foi necessário recorrer a diagramas de aços idênticos.
Como alternativa recorreu-se ao diagrama TTT (consultar figura A do anexo) do aço
12NC15 AFNOR, cuja compatibilidade, tanto em percentagem de Carbono como de Elementos
de Liga, é bastante boa.
Embora a aproximação ao aço 15NC12 fosse boa, não se tinha acesso ao seu diagrama
TRC, daí se ter recorrido ao diagrama TRC (consultar figura B do anexo) de outro aço, o
14NC11 AFNOR. A semelhança entre o G15 Special e o 14NC11 não é tão boa, principalmente
devido à discrepância em percentagens de Níquel, cuja diferença entre os aços é de 0.56%
(%Ni14NC11 = 2.69% e %NiG15Special = 3.25%), o que já é considerável.
Composição Química
%C %Cr %Ni
G15 Special 0.14 0.75 3.25
12NC15 0.13 0.86 3.42
14NC11 0.12 0.70 2.69
Figura 13 - Comparação entre as composições químicas dos aços em questão.
Como a maioria dos elementos de liga deslocam as curvas do diagrama TRC para a
direita, e como o aço G15 Special possui mais Níquel, é desde já possível inferir que o G15
Special possuirá maior temperabilidade.
5.1. Pontos de Transformação
5.1.1. Cálculo do ponto Eutectóide
Para o cálculo do ponto eutectóide vamos recorrer à fórmula de M. Aall (Alves, Marques,