Aços Ferramentas da Série M

July 9, 2017 | Autor: Angela Farias | Categoria: Metallurgical Engineering, Metallurgy, Steel, Thermal Treatments
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA SETOR DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

ANGELA FARIAS

AÇOS FERRAMENTA SÉRIE M

PONTA GROSSA 2014

ANGELA FARIAS

AÇOS FERRAMENTA SÉRIE M

Trabalho apresentado na disciplina de Materiais Metálicos, como avaliação parcial referente ao 2°semestre do curso de Engenharia de Materiais. Prof°. Selauco Vorubi Junior

PONTA GROSSA 2014

1. AÇOS FERRAMENTA Aços ferramenta de alta velocidade como são classificados os da série M, são utilizados na usinagem de materiais em altas velocidades. Em geral são usados como ferramentas de corte tais como brocas, mandris e fresas . Esses aços são ligas com complexas combinações entre uma base de ferrocarbono e molibdênio, como principal elemento de liga. Os teores de carbono (0,80 a 1,50% em peso) juntamente com os elementos de liga conferem alta resistência à abrasão, dureza (60 a 70 HRC) em altas temperaturas e boa tenacidade. Eles são endurecidos tão profundamente ao longo de sua seção que possuirão níveis uniformes de dureza do centro à superfície. Os aços ferramenta da série M estão apresentados na Tabela 1.1, abaixo. Para seu melhor entendimento é necessário saber que o número após a letra M serve apenas para distinguir um aço de outro e não tem qualquer indicação de suas propriedades [1][2] [3]. Tabela 1.1: Composição de aços ferramenta da série 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 molibdênio como pode ser visto varia de aproximadamente 3,5 a 10% em peso, ele é responsável pela formação de carbetos. O carbono irá conferir um aumento na dureza e resistência a abrasão, a qual irá persistir mesmo em altas temperaturas. O silício não exerce grandes influências, sua atuação se restringe em um pequeno aumento na dureza do material e na morfologia dos carbetos. Cromo por sua vez irá atuar tanto na dureza como na tenacidade, e também é responsável pela redução da oxidação durante o tratamento térmico. A função do vanádio reside na purificação do metal e também melhorando a eficiência das ferramentas de corte. O vanádio remove a escória e reduz os teores de nitrogênio na operação de fusão. Sendo também responsável pela formação de carbetos bastante duros e estáveis o que significativamente aumenta a resistência ao desgaste da liga. Os conteúdos de tungstênio contribuem para a formação de carbetos de ferro, carbono e tungstênio que comprovadamente aumentam a resistência à abrasão. Ele causa o endurecimento secundário e confere resistência ao revenido. E por fim o cobalto, tem sobressalente influência na dureza a quente, isto faz que ferramenta possua alta eficiência de corte mesmo quando altas temperaturas são alcançadas [1].

De forma resumida, podemos classificar os aços da série 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; aços de alto teor de carbono como M3, M4, M7 com dureza máxima de 66 HRC; e aços de alto teor de carbono na presença de cobalto tais como M41, M42, M43, M44 e M46 onde durezas máximas de 69 a 70 HRC são alcançadas [2]. Em geral os aços descritos podem ser tanto produzidos por fundição ou por metalurgia do pó. Sendo que neste último se tem a vantagem de uma produção mais uniforme nos tamanhos dos carbetos e melhor distribuição em peças de grandes seções. Sendo também válido ressaltar que é possível de se produzir composições especiais que são difíceis ou impossíveis pelo processos de fusão e fundição. Uma última aproximação para aços M3 foi conseguida através da conformação por spray, onde se é possível de obter microestruturas mais finas com altas tenacidades em um único passo. Esse processo consiste de usar gás de N2 para atomizar o fundido e espalhá-lo dentro de uma câmara. Depois de formado o tarugo ele é forjado à quente ou laminado para eliminar a porosidade remanescente, conduzindo à uma barra completamente densa. Quando comparado com o processo tradicional de fundição a distribuição de carbetos obtida por conformação via spray apresentou-se mais fina e uniformemente distribuída. Houve também melhores propriedades na seção transversal e isso proporciona uma alta isotropia nas propriedades mecânicas [2] [4]. Aços ferramenta da série M ainda podem ser expostos a um tratamento térmico superficial com nitreto de titânio ou carbeto de titânio por deposição de vapor (CVD) tendo em vista um aumento de sua vida útil pela prevenção de descarburização [1].

2. TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA AÇOS FERRAMENTA Aços ferramentas em geral estão sujeitos a grandes solicitações mecânicas que são aplicadas rapidamente. Para isso, praticamente sem exceção, eles precisam ser sujeitos a tratamentos térmicos a fim de se melhorar suas propriedades mecânicas. O principal objetivo é transformar uma estrutura completamente recozida que consiste principalmente de ferrita e carbetos de liga numa estrutura martensítica endurecida e revenida contendo os carbetos . Como uma característica principal temos que a série M em especial não sofre tratamento de normalização. Os tratamentos consistem de uma sequência de: pré-aquecimento, austenitização, têmpera e revenimento. Sendo estes realizados usualmente após a usinagem da peça [1] [3]. O pré-aquecimento será responsável pela redução do choque térmico, pelo alívio de tensões adquiridas durante a usinagem, redução dos níveis de descarburetação e também diminuição o tempo de austenitização. Durante o processo de austenitização é necessário que se dissolvam carbetos de liga de natureza bastante complexa o que requer temperaturas entre 1150 a 1290°C. A têmpera visa a formação da estrutura martensítica e a taxa de resfriamento varia de aço para aço, aços de alta velocidade como é o caso da série M podem ser temperados em duas etapas. Primeiramente em um banho de sal fundido mantido à aproximadamente entre 540 e 595°C com um subsequente resfriamento ao ar até temperatura ambiente. Esta têmpera a quente minimiza as distorções sem afetar a dureza [1] [3]. O digrama TTT da Figura 2.1 ilustra as curvas de resfriamento para os tratamentos já citados.

Figura 2.1: Diagrama TTT para um aço ferramenta de alta velocidade M2, com temperatura de austenitização de 1230°C  

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 revenimento será responsável por um aumento da tenacidade, pelo alívio de tensão, providenciará um endurecimento secundário e transformação da austenita retida em uma nova martensita. O aço será reaquecido até um temperatura intermediária e posterior resfriamento ao ar. É necessário de duas a quatro têmperas para aços dessa qualidade a cerca de 540°C durante no mínimo duas horas, isso não só providenciará o transformação da austenita retida, como citado acima, bem como irá revenir o teor de martensita formado a cada ciclo. O endurecimento secundário se deve a formação de carbetos em escala nanométrica finamente dispersos na matriz martensítica, que irão formar um bloqueio efetivo ao movimento das discordâncias e consequentemente dificultar a deformação plástica do metal. E também por sua natureza mais dura irão conferir resistência à abrasão. Sendo estes formados pelos constituintes principais da liga: vanádio, molibdênio, tungstênio e cromo [3] [5] [6].

A presença de carbetos não só melhora as propriedades mecânicas, mas também melhora a uniformidade da matriz devido à adição de uma fonte de carbono [7] 3. MICROESTRUTURA Devido aos tratamento térmicos realizados a microestrutura dos aços ferramentas são constituídas basicamente de um particulado de escala micro e nanométrica dispersa na matriz martensítica, embora esta última estrutura seja impossível de ser vista (Figuras 3.1 A e 3.1 B). A principal diferença entre os aços é quantidade de carbetos residuais não dissolvidos que irão influenciar na formação das placas de martensita. Os quais são tanto precipitados secundários quanto precipitados primários não-dissolvidos [7] [8]. Figura 3.1A: AISI M2 recozido e esferoidizado revelado com Picral 4%. Figura 3.1 B: AISI M1 temperado em óleo e triplamente recozido a 480°C, revelado com Nital 2%.

3.1A

3.1B

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

A quantidade de carbetos presente nos aços ferramentas é maior na condição recozida que depois da austenização e têmpera, porque os carbetos irão suprir a austenita com carbono necessário para aumentar os níveis de dureza. O tipo de carbeto obtido também varia de acordo com a composição. Por exemplo, para os aços M1, M2, M4 e M10 a presença de carbetos M23C6 é mais sobressalente que carbetos MC, na condição recozida [8]. 4. TÉCNICAS METALOGRÁFICAS Aços ferramentas de alta velocidade como os da série M são preparados para análise macro e microscópicas usando os mesmos princípios básicos usados para aços liga e aços carbono, apenas com mínimas diferenças. Para macrografia é comum de se usar partes iguais de ácido hidroclorídrico e água à 70 ou 80°C, de 15 ou 45 minutos, quando se quer revelar segregações, trincas, porosidades, inclusões, descarburização na superfície e variações de dureza. E para macrografias em temperatura ambiente usa-se uma solução aquosa de ácido nítrico (Nital) 10% em volume, afim de se revelar descarburização, nitretação e camadas de dureza. Durante o ataque para micrografia o Nital continua a ser o reagente mais utilizado, porém desta vez em uma solução aquosa que varia de a 5 a 10% em volume. O Nital será mais eficaz tanto em revelar a estrutura temperada, martensita, e a austenita retida. Uma alternativa bastante válida para os aços ainda na condição recozida é a utilização de Picral (4% de ácido pírico em álcool), visto que ele irá atacar a interface entre a matriz ferrítica e os carbetos[9]. 5. COMPARAÇÃO COM UM AÇO-CARBONO DE MESMO TEOR DE CARBONO Dado que as quantidades de carbono presente nos aços ferramentas de alta velocidade variam de 0.80 a 1.50%, podemos classificá-los como hipereutetóides. Com essa informação podemos construir um perfil de comparação com aços de alto teor de carbono. Aços de alto teor de carbono possuem de 060 a 1.00% de carbono em peso com adição de manganês. Estes últimos, são usualmente utilizados como material para molas e arames de alta resistência. Sua microestrutura também é controlada por tratamento térmico porém com um maior leque de possibilidades. na composição eutetóide, por exemplo, é possível de se obter 100% de estrutura perlítica. Devido ao alto teor de carbono esse tipo de aço assim como os aços ferramentas possui alta capacidade para endurecibilidade, ou seja ele pode ser facilmente temperado para obtenção de martensita. Entretanto devido a sua alta sensibilidade a fratura, ele deve ser imediatamente revenido para que as tensões induzidas sejam aliviadas afim de se minimizar a chance de formação de trincas. Se o aço de alto teor de carbono estiver na condição temperada a resistência a abrasão, principal característica de aços ferramenta da série M, será bastante apreciável também [10]. 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Através do estudo desenvolvido pode-se conhece melhor os aços ferramenta de alta velocidade da série M. Foi verificado que o principal fator responsável pelas propriedades do aço é a presença de carbetos dispersos na matriz martensítica. Carbetos esses obtidos a partir dos elementos de liga presentes e subsequentemente “moldados” por tratamentos térmicos que permitem que eles possuam forma e composição adequada para que o aço resista à esforços mecânicos em altas temperaturas.

7 . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA [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, Sumaré, SP, Brazil. Materials Science and Engineering A 383 (2004) 87–95 [5] Wisti, Michael; Hingwe, Mandar. Tempering of Steel – Heat Treating. ASM Metals Handbook Vol. 4. ASM International 1992 p. 291-321 [6] Akré, 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, Montanuniversita¨t Leoben, A-8700 Leoben, Austria. Ultramicroscopy 109 (2009) 518–523. [7] Herranz, G.; Romero, A.; de Castro, V.; Rodrígruez, 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) 934–946 [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

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