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    1. Introduo

    Este texto tem por objetivo discutir importantes aspectos da seleo de

    temperaturas de tmpera e revenimento das diferentes marcas para o ao AISI 420

    em funo das propriedades mecnicas que se desejaria alcanar, ou

    potencializar, tais como: dureza, resistncia corroso, tenacidade e

    tenso residual.

    Moldes, matrizes, ou ferramentas podem ser construdos em ao-ferramenta

    inoxidvel martenstico com a denominao genrica de ao 420. Os

    fabricantes de aos oferecem o ao AISI 420 com algumas variaes na

    composio qumica para reforar uma, ou mais, propriedades, tais como:

    resistncia corroso, polibilidade, tenacidade e dureza. Cada um dos

    aos produzidos com variaes na composio qumica indicada pela norma AISI

    recebe um determinado nome do respectivo fabricante. A Tabela 1 apresenta 12

    diferentes composies qumicas de marcas do ao AISI 420 de alguns fabricantes

    de aos que foram desenvolvidas para atender a determinadas condies de

    aplicao, desempenho, etc...

    Tabela 1 Composio qumica (%) e marcas de fabricantes do ao AISI 420

    Marcas C Cr Mo Outros

    AISI 420 0,15 -.0,40 12,0 -14,0

    1 VC150 0,35 13,0

    2 VP420IM 0,40 13,5 0,25 V

    3 420 0,15 min 12,0 14,0

    4 420 F 0,15 min 12,0 14,0 0,60 max

    5 420 FSe 0,30 0,40 12,0 14,0 Se 0,15 min

    6 M310 0,41 14,3 0,60 0,20 V

    7 M333 0,28 13,5 - N

    8 STAVAX ESR 0,38 13,6 0,30 V

    9 STAVAX SUP 0,25 13,3 0,3 Ni 1,4; V 0,3 + N

    10 THY 2190 0,40 13,50 0,25 V

    11 THY 2316 0,36 16,0 1,2

    12 ESKYLOS 2083 0,35-0,45 12,50-13,50 Si e V

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    O usurio do ao AISI 420, muitas vezes, se refere a este ao, por comodidade e,

    ou, simplicidade, apenas e genericamente como 420. O distribuidor de ao que

    compra este de vrios fabricantes teria por hbito tambm adotar a fcil e

    genrica classificao de 420, ou Inox 420, mas se solicitado pelo usurio

    deveria informar o nome do fabricante e respectivo certificado de qualidade

    com a descrio completa de composio qumica. Essa seria a melhor maneira

    de se prevenir contra no conformidades nos processos de usinagem e, ou,

    trmicos posteriores.

    O no compromisso (involuntrio!) com a origem (fabricante do ao) e

    composio qumica impacta no momento da seleo dos parmetros do

    processo trmico de tmpera e, principalmente, revenimentos. O principal e

    desagradvel efeito seria no alcanar a dureza desejada na etapa de tmpera,

    ou a seleo da temperatura de revenimento no corresponder a dureza

    esperada.

    As propriedades que se busca alcanar para o ao inoxidvel AISI 420 so

    atendidas com a realizao de um correto tratamento trmico. A dureza do ao

    uma propriedade que pode ser avaliada de maneira rpida e eficiente depois do

    tratamento trmico e se situar, dependendo da aplicao do ao, numa ampla

    faixa de 40 at, aproximadamente, 58 HRC. A busca de propriedades como

    polibilidade, resistncia corroso, tenacidade e menor tenso residual

    no poderia levar em considerao apenas a dureza do ao, pois, como se

    pretende mostrar aqui, no seria possvel compatibilizar, por exemplo, mxima

    resistncia corroso e menor dureza, ou menor tenso residual e mxima

    tenacidade. O concurso simultneo dessas propriedades no possvel e

    escolhas devem ser feitas na seleo da propriedade de maior interesse, sem

    comprometer o melhor, ou o bom desempenho da ferramenta construda em ao

    inoxidvel martenstico [1].

    2. Propriedades

    O tratamento trmico deve ser executado obedecendo s recomendaes dos

    fabricantes dos aos e s condies especificas da tecnologia de aquecimento e

    resfriamento utilizados neste processo. A literatura tcnica especializada e o

    fabricante de ao fornecem diagramas que retratam as propriedades e as

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    temperaturas recomendveis para se obter a melhor combinao de

    propriedades, tais como a resistncia a corroso, tenacidade, tenso residual

    e a dureza e que sero discutidas a seguir.

    As Figuras 1 e 2, por exemplo, mostram os diagramas que relacionam dureza

    versus temperaturas para o tratamento trmico de revenimento dos aos

    Stavax ESR e M310 [2] [3]. interessante observar o comportamento desse ao

    temperatura de revenimento que, medida que a temperatura sobe at 300 C,

    aproximadamente, a dureza decresce, porm sofre um incremento desta para

    temperaturas maiores at a ordem de 480 C. A partir dessa temperatura (480 C),

    a dureza experimenta queda abrupta para mnimos incrementos desta.

    Figura 1 Curva de dureza para o revenimento do ao Stavax ESR [2]

    A zona de temperatura compreendida entre 300 e 500 C resulta em diferentes

    propriedades mecnicas que podem afetar o desempenho da pea construda em

    ao AISI 420. Portanto, fundamental conhecer aspectos da aplicao da pea

    e, principalmente, as etapas de finalizao de construo desta, em termos de

    operaes como corte a fio, eletroeroso, nitretao e revestimento duro tipo

    PVD, para reduzir o risco, ou mesmo no produzir, eventos no-conformes tais

    como trincas, baixa qualidade de polimento, menor resistncia corroso,

    tenso residual elevada, etc...

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    A Figura 2 mostra o comportamento da dureza para o ao M310 temperado

    de diferentes temperaturas de austentiizao (temperatura de tmpera) [3].

    Nesses casos, semelhante ao comportamento do ao mostrado na Figura 1, uma

    maior temperatura de austenitizao eleva a curva de dureza para as

    temperaturas de revenimento.

    Figura 2 Curva de dureza para o revenimento do ao M310 [3]

    Importante salientar que a modificao da superfcie por nitretao deve

    ocorrer em temperatura inferior a 450 C nos casos em que a aplicao da

    superfcie pode se tornar interessante, ou at uma exigncia.

    A Figura 3 mostra o comportamento da propriedade resistncia corroso para

    o ao Stavax ESR. Observa-se nesse grfico que a resistncia corroso sofre

    reduo com o aumento da temperatura, porm a partir de 500 C inicia um

    processo de recuperao lenta dessa propriedade.

    Figura 3 Resistncia corroso versus temperatura de revenimento do ao Stavax

    ESR [2]

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    O ao inoxidvel martenstico apresenta alterao dimensional conforme se

    eleva a temperatura do revenimento. A partir de 300 C o ao experimenta

    considervel alterao dimensional como mostrado na Figura 4 em ensaios

    realizados para o ao Stavax ESR.

    Observa-se que essa variao dimensional crescente conforme se eleva a

    temperatura de revenimento, alcanando o valor mximo na faixa de temperatura

    de 500 a 550 C, justamente a faixa utilizada para quando se deseja obter dureza

    inferior a 50 HRC. Em decorrncia disso, deve-se prever adequado sobremetal para

    as peas, ou ferramentas, construdas em ao inoxidvel martensitico e na situao

    de projeto em que a dureza deve se manter inferior a 50 HRC.

    Figura 4 Alterao dimensional em funo da temperatura de revenimento [2]

    A Figura 5 mostra todas as propriedades do ao 420F obtidas em ensaios

    destrutivos de corpos de prova para as propriedades resistncia trao, limite

    de escoamento, tenacidade e dureza [4].

    A curva de tenacidade obtida mostra uma variao em funo da temperatura

    de revenimento, ou seja, alcana um valor mximo em temperaturas na faixa de

    250 a 300 C para, em seguida, sofrer declnio at a temperatura prxima de 500 C

    e, a partir desta temperatura a curva sofre uma inflexo na direo de crescentes

    valores conforme incrementa a temperatura. Em contrapartida, a curva de dureza

    a partir de 500 C, como mostrado nesse diagrama, experimenta reduo para

    pequenos incrementos da temperatura. Assim, tambm nesse caso, devem se

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    utilizar temperaturas superiores a 500 C quando se deseja obter dureza inferior a 50

    HRC.

    Figura 5 Principais propriedades do ao 420 F [4].

    A Figura 6 mostra o comportamento das propriedades dureza e tenacidade

    para o ao M333 [3]. Esse ao mostra o mesmo comportamento para as

    propriedades tenacidade e dureza do ao 420F em funo da temperatura de

    revenimento, porm com valores diferentes destas.

    Figura 6 Propriedades de tenacidade versus dureza do ao M333 [3]

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    A Figura 7 apresenta a propriedade tenacidade em funo da temperatura

    de revenimento utilizada para o ao M333. O fabricante desse ao sugere que

    para peas compactas, ou de pequenas dimenses, estas poderiam ser utilizadas

    com a dureza de 54 HRC (dureza obtida na faixa de temperatura de revenimento

    de 200 a 300 C), obtendo-se a condio de melhor resistncia a corroso e

    tenacidade. Para peas complexas, grandes, como o caso de algumas

    matrizes para injeo de plstico com cavidades, canais de refrigerao, brusca

    mudana de forma e dimenses, a dureza recomendvel, conforme sugere o

    fabricante desse ao, seria na ordem de 48 a 52 HRC (dureza obtida para

    temperaturas de revenimento superior a 500 C) e menor quadro de tenso residual.

    A tenso residual o resultado das tenses desenvolvidas durante o tratamento

    trmico de tmpera e revenimento e que, neste caso, so tenses de trao na

    superfcie do ao [5]. O melhor tratamento trmico busca reduzir ao mximo essas

    tenses de trao na superfcie. Dessa forma, para um dado tipo de pea, ou

    matriz, as operaes finais de construo eletroeroso, corte a fio, aplicao de

    revestimento duro tipo PVD condicionariam a seleo da melhor temperatura

    do tratamento trmico da etapa de revenimento.

    Figura 7 Comparao das propriedades resistncia corroso e tenso

    residual para o ao M333 [3]

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    3. Tratamento Trmico

    O tratamento trmico seleciona os parmetros de processo para atender

    principal especificao dos aos e mede, a priori, o sucesso deste atravs do

    ensaio no destrutivo de dureza. Entretanto, como se depreende da observao

    das Figuras 5, 6 e 7 acima, nem sempre a propriedade dureza pode espelhar o

    melhor resultado para propriedades como resistncia a corroso, tenacidade e

    tenso residual. Nas situaes de pequenos componentes em que se busca

    polibilidade e resistncia a corroso a temperatura de revenimento deve se

    situar entre 250 e 300 C. Porm mesmo para pequenos componentes onde existem

    etapas posteriores tais como eletroeroso, corte a fio e, ou, revestimento

    duro, deve-se utilizar temperaturas de revenimento acima de 500 C e, neste caso,

    no deve privilegiar a propriedade dureza. Para se obter a melhor combinao

    de resistncia corroso e tenacidade, o revenimento deve ser executado na

    temperatura prxima de 250 C, conforme mostrado na Figura 5 e 7, entretanto a

    dureza resultante ser de, no mnimo, 50 HRC, o que poderia causar dificuldades na

    operao de usinagem posterior dependendo do equipamento a ser utilizado e

    aumentar, vale novamente, e insistentemente, lembrar, o risco de se produzir

    trincas caso o ao da pea, ou matriz, ainda seja submetido a operaes finais

    de eletroeroso e, ou, corte a fio.

    Dessa forma, e resumidamente, as seguintes consideraes poderiam ser

    utilizadas como critrios na determinao da melhor temperatura de revenimento,

    ou mesmo da melhor rota de tratamento trmico, tendo em vista alcanar o melhor

    desempenho da ferramenta em trabalho, ou potencializar adequadas

    propriedades:

    a) Seria possvel a usinagem na dureza acima de 50 HRC?

    b) Estaria prevista alguma operao de eroso / corte a fio depois do

    tratamento trmico?

    c) A superfcie do ao deve sofrer modificao por nitretao e, ou, aplicao

    de revestimentos duros tipo PVD depois da tmpera e revenimento?

    d) A propriedade resistncia corroso no seria relevante?

    e) A condio de tenso residual menor no teria muita importncia?

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    Se a resposta sim para todas as questes acima o revenimento deveria ser

    realizado, indubitavelmente, em temperatura acima de 500 C. A temperatura de

    revenimento somente poderia estar na faixa de 200 a 300 C se a resposta fosse

    no para os itens b e c. Assim, na seleo da melhor temperatura de

    revenimento de suma importncia o operador do equipamento de tratamento

    trmico conhecer as informaes citadas acima. Harmonizar todas as propriedades

    como dureza, resistncia corroso, mxima tenacidade e menor tenso

    residual no ser possvel e uma escolha deve ocorrer, em termos de qual

    propriedade se desejaria privilegiar para o ao.

    A Figura 8 mostra um fluxograma com a sugesto de possveis rotas de

    tratamento trmico para os aos inoxidveis martensticos do tipo AISI 420. A rota

    de tratamento trmico que contemplaria dois (2) revenimentos (mandatrio)

    temperatura, igual, ou maior a 500 C pode tornar necessrio acrescentar

    (recomendvel) um tratamento trmico de alvio de tenso (~ 500 C) se para

    concluir a construo do molde ainda ser necessrio operaes de retfica,

    eletroeroso e, ou corte a fio. Nesse caso recomendvel a realizao desse

    tratamento de alivio de tenso em forno a vcuo para preservar a superfcie

    acabada do ao da pea, matriz, ou ferramenta.

    A utilizao da rota com o tratamento trmico sub-zero e, ou criogenia,

    apesar de mais interessante em funo da reduo zero do microconstituinte

    austenita que no sofreu transformao martenstica na etapa de tmpera, para

    harmonizar as propriedades de resistncia corroso e tenacidade com o

    revenimento na faixa de 250 a 300 C, deve ser objeto de acurada anlise, caso a

    caso, em funo de elevados riscos envolvidos (trincas) nesta operao.

    (Minha recomendao: molde para injeo de plstico a melhor opo seria

    aos da classe trabalho a quente. Se necessrio melhorar polibilidade e

    resistncia a corroso, introduza a Nitretao na construo do molde).

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    Figura 8 Fluxograma de rotas possveis de tratamento trmico para o ao AISI 420.

    Molde / Matriz

    Corte a Fio, Eletroeroso Nitretao,

    PVD depois do TT?

    2 Revenimentos >

    = 500 C

    Revenimento <

    300 C

    Possvel Sub-Zero?

    Sim

    No

    Revenimento

    < 300 C

    No

    Sim

    Sub-Zero

    FIM

    Alvio de Tenso aps Corte a Fio, ou Retifica,

    ou Eletroeroso

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    4. Concluso

    Esta breve exposio de motivos tcnicos para a seleo do melhor ao e

    corretas temperaturas de tmpera e revenimentos com o objetivo de se alcanar

    as melhores e adequadas propriedades mecnicas do ao inoxidvel martenstico

    para a aplicao em moldes, matrizes, ou peas, permite concluir:

    A dureza, a priori, no seria a principal propriedade a ser considerada no

    projeto da ferramenta.

    A mxima resistncia corroso condicionaria a realizao do

    revenimento na faixa de temperatura de 200 a 300 C, o que resultaria em

    dureza final acima de 50 HRC e maior tenso residual.

    A faixa de temperatura de 200 a 300 C proporcionaria a melhor

    tenacidade, porm com maior tenso residual.

    A melhor condio de menor tenso residual seria para o revenimento

    realizado nas temperaturas acima de 500 C.

    Operaes depois do tratamento trmico, tais como corte a fio,

    eletroeroso, retfica, revestimentos duros tipo PVD, limitao de

    processos de usinagem e nitretao, condicionaria a seleo da

    temperatura de revenimento de igual, ou maior, a 500 C. Nesse caso, a

    dureza final pode ser inferior a 50 HRC.

    A melhor tenacidade para o ao M333 alcanada com a temperatura

    de 300 C;

    A condio de menor tenso residual do ao M333 atingida para

    revenimento igual, ou superior, a 500 C;

    (para informaes adicionais, contate Isoflama < isoflama!@isoflama.com.br )

    Bibliografia

    [1] Heat Treatment of Martensitic Stainless Steels: Critical Issues in Residual Stress and Corrosion.

    E.D.Doyle; F.Kolak, Y.C.; Wong and T. Randle. Faculty of Engineering and Industrial Scienses, Swinburne

    University of Technology, Hawthorn, Victoria 3122, Australia.

    [2] Catlogo de aos Uddeholm

    [3] Catlogo de aos Boehler

    [4] Catlogo de aos Gerdau

    [5] Fadiga dos Materiais. Fem-Unicamp, Ps-graduao, Prof.I. Ferreira, 2003

    mailto:isoflama!@isoflama.com.br

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