XXXIX CONSOLDA - Congresso Nacional de Soldagem 25 a 28 de Novembro de 2013

Curitiba, PR, Brasil

Microestrutura e Resistência ao Desgaste de Revestimentos Duros Experimentais (Nb-Cr) Depositados por Soldagem GTAW

(Microstructure and Wear Resistance of Experimental (Nb-Cr) GTAW Welded Hardfacings)

José Gedael Fagundes Júnior1, Renan Paiva Rocha1, Matheus de Moraes1, Lucas Henrique Nascimento1, Vicente Afonso Ventrella1, Juno Gallego1

Universidade Estadual Paulista, UNESP – Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecânica/MAPROTEC, Ilha Solteira/SP, Brasil, gallego@dem.feis.unesp.br

Resumo Revestimentos metálicos resistentes ao desgaste e à corrosão são requisitos fundamentais para setores industriais como o sucroalcooleiro, mineral e siderúrgico, justificando o desenvolvimento de materiais e técnicas inovadores. Neste trabalho foram investigadas a formação e a aplicação de carbonetos para o endurecimento de superfícies sujeitas a severas condições de desgaste. Para a produção de consumíveis de solda experimentais foram testados ferros-liga com formadores de carbonetos, como nióbio e cromo, aplicados sobre aço-carbono por soldagem com proteção gasosa (GTAW/TIG) para a produção de revestimentos Fe-Cr, Fe-Nb e Cr-Nb. A caracterização microestrutural dos revestimentos foi realizada por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A resistência ao desgaste nas camadas duras foi avaliada por ensaios de micro-desgaste conforme a norma ISO 26424. Verificou-se que a morfologia e o tamanho dos carbonetos primários variaram conforme o tipo de revestimento, bem como a sua dureza. Microscopia eletrônica de varredura e microanálise confirmaram a formação de carbonetos complexos com diferentes estequiometrias, conforme análise feita por difração de raios-X. A resistência ao desgaste foi afetada pela natureza e microestrutura dos revestimentos. Camadas formadas por carbonetos grosseiros complexos, ricos em cromo e nióbio, apresentaram melhor desempenho no tocante à resistência ao desgaste que revestimentos com partículas menores a mais arredondadas que foram formadas com a adição de Fe-Nb. Desta forma sugere-se a mistura entre elementos formadores de carbonetos para os consumíveis de soldagem, visando incrementar o desempenho mecânico dos tradicionais revestimentos endurecidos a base de carbonetos de cromo. Palavras-chave: soldagem GTAW, revestimento duro, carbonetos, microestrutura, resistência ao desgaste, cromo, nióbio. Abstract: In the present work was investigated the microstructure and the wear resistance of experimental hardfacings made by addition of different carbide-formers (ferro-alloys). Two layers of Fe-Cr, Fe-Nb and Cr-Nb were applied on low-carbon steel specimens by GTAW/TIG process. The microstructure of hardfacing layers was observed by optical and scanning electron microscopy (SEM). Wear resistance was evaluated using micro-scale abrasion tests based on ISO 26424 standard. The microstructural characterization has determined that size and morphology of carbides change significantly with the chemical nature of the hardfacing. SEM observations coupled with EDS microanalysis have confirmed the formation of complex carbides within metal weld, whose stoichiometry (MC, M3C, M7C3 and M23C6) was determined by X-rays diffraction (XRD) analysis. Wear resistance was mainly affected by roundness and area of the carbides. Layers composed by coarse complex Cr-Nb-rich carbides have presented higher performance during micro-scale abrasion tests than Fe-Cr or Fe-Nb hardfacings. As a result it was suggested that mixing of chromium and niobium as carbide formers for composition of welding consumables can contribute to improve mechanical properties of hardfacings, if compared with traditional chromium-based hardfacings. Key-words: GTAW/TIG welding, hardfacing, carbides, microstructure, wear resistance, chromium, niobium.

1. Introdução

O álcool combustível tem sido considerado uma competitiva fonte alternativa de energia aos combustíveis fósseis. O etanol brasileiro tem como matéria-prima a cana-de-açúcar cuja produção para a safra 2012/13 no país foi de 589 milhões de toneladas. A produção total de álcool atingiu nesta safra a cifra de 23,4 milhões de metros cúbicos, enquanto o restante da matéria prima foi destinado à produção de 38,3 milhões de toneladas de açúcar [1,2]. A obtenção deste combustível é proveniente do processamento da cana-de-açúcar, que está sendo cultivada em áreas cada vez mais extensas do noroeste do estado de São Paulo em virtude da expansão da capacidade produtiva provocada pela instalação de novas destilarias. O processamento da cana-de-açúcar envolve um complexo sistema mecânico que é usado para o transporte, a picotagem, a desfibração e a moagem do bagaço, visando a extração do caldo com máxima eficiência. Entretanto estes equipamentos são sujeitos a acentuados níveis de desgaste, causados principalmente pelo arrasto de partículas abrasivas existentes na terra junto com a matéria-prima sob processamento.

Para otimizar a vida útil destes equipamentos e reduzir o número de paradas não-programadas para manutenção, engenheiros e técnicos do setor aplicam nas superfícies desses equipamentos revestimentos duros que diminuam a taxa de desgaste, principalmente o desgaste abrasivo, pois restam partículas abrasivas mesmo a cana passando por um processo de limpeza. A soldagem de revestimento tem-se mostrado o processo com melhor custo-benefício para esta aplicação [3,4]. Uma de suas vantagens é tornar possível a existência de um material com características dúcteis no seu núcleo e alta resistência à abrasão na superfície. Nas usinas sucroalcooleiras, a soldagem de revestimento anti-desgaste é aplicada em componentes como rolo de moenda, eixo de moenda, facas e martelos desfibradores, exaustores, roletes, bagaceiras entre outros. O presente trabalho visa investigar a microestrutura e a resistência ao desgaste abrasivo de revestimentos duros experimentais, utilizando ferro-ligas na fabricação de consumíveis para soldagem GTAW/TIG. Ênfase será dada aos formadores de carboneto, como o cromo – tradicionalmente empregado nos consumíveis comerciais – e o nióbio. O papel da morfologia e o tamanho/área das partículas sobre o desgaste foi avaliado e discutido no trabalho. 2. Materiais e Métodos 2.1. Preparação do Metal de Adição

Para a formação das camadas de revestimento duro foram usados diferentes tipos de ferro-ligas. A principal característica destes consumíveis era a presença de elementos químicos formadores de carbonetos, entre os quais foram escolhidos o nióbio e o cromo. A composição química desses insumos é mostrada na Tabela 1, onde se verifica que o ferro-cromo contém alto teor de carbono enquanto no ferro-nióbio a presença deste elemento é pequena. No Fe-Cr não houve necessidade de carbono (na forma de grafite puro em pó fino), mas foi necessária a adição de 2g de grafite para cada 10g de ferro-nióbio. Tal proporção foi baseada na razão estequiométrica para os carbonetos do tipo MC.

Tabela1: Composição química dos ferro-ligas utilizados para soldagem (% massa).

material Nb Cr C Si P Al outro

Fe-Cr - 55,2 7,70 3,50 0,03 - 0,030S

Fe-Nb 64,7 - 0,09 2,70 0,20 1,3 0,006S

Após vários testes de soldagem, verificou-se que a maior eficiência na deposição dos ferro-ligas foi conseguida na forma de “arame tubular”. Para a fabricação deste consumível as misturas em pó utilizadas tiveram a adição de 2% em massa de silicato de sódio e foram umedecidas com água. Este composto promove a vitrificação da mistura após a sua desidratação e evita a perda/arraste do pó com o fluxo de argônio usado na tocha TIG. A pasta formada era compactada no interior dos tubos de aço inoxidável AISI 304, com ajuda de uma haste metálica. Os tubos tinham 4,0mm de diâmetro externo com 0,25mm de espessura de parede e 250mm de comprimento. Após a compactação da mistura umedecida os “arames tubulares” foram armazenados em estufa a 80ºC por 24 horas, no mínimo, para desidratação. Nos arames preparados para os revestimentos Cr-Nb a proporção entre os ferro-ligas foi 1:1 em massa. 2.2. Soldagem dos Revestimentos

Para a deposição dos revestimentos foram preparados corpos de prova, feitos com aço estrutural com baixo teor de carbono (ASTM A36), usinados com dimensões nominais 25 x 9,5 x 76mm. As peças foram recobertas com 2 camadas compostas por cordões longitudinais ao comprimento do metal base, sendo utilizado o processo

de soldagem GTAW/TIG realizado manualmente. Desta forma ocorreu a fusão dos arames tubulares descritos no item anterior. Foram utilizadas as correntes médias de 120A para a deposição do Fe-Cr e 140A para o Fe-Nb e Cr-Nb. A polaridade foi direta com eletrodo negativo. Argônio puro foi usado para a proteção da poça de fusão, com uma vazão média de 10 litros por minuto.

Após a soldagem, os revestimentos foram escovados e retificados de maneira cuidadosa a fim de remover o mínimo de material possível e garantir uma superfície plana e livre de impurezas, para a realização dos ensaios de desgaste abrasivo e de dureza após lixamento e polimento mecânico em alumina 1µm. Seguiu-se então a limpeza em banho ultrasônico com água por 10 minutos, enxaguadas em etanol e secas em estufa a 80ºC por 15 minutos. Para preservação das superfícies o armazenamento das amostras foi feito em um dessecador com sílica-gel. 2.3. Ensaios de Micro-Desgaste e Medidas de Macro/microdureza

No presente trabalho os ensaios de micro-desgaste foram adaptados da norma ISO 26424 (2008) [5]. Foram ensaiadas amostras dos revestimentos Fe-Cr, Fe-Nb e Cr-Nb, sendo empregada uma carga padrão de 0,5 N sobre a esfera de aço temperada com diâmetro 25,4 mm. A velocidade periférica média da esfera foi estimada em 6,8 m.min-1 (85 ± 5 rpm). Os percursos de desgaste foram estabelecidos em 40, 80 e 120 metros. Ao final dos ensaios as amostras foram limpas em um banho ultrasônico em etanol, para a remoção de detritos gerados pelo desgaste. Então as calotas foram observadas num microscópio óptico, para a medição dos respectivos diâmetros. O volume da calota esférica desgastada V, em mm3, e sua profundidade h, em μm, foram calculados pelas seguintes equações [6,7]:

RdV⋅⋅

=64

4π para d << R (1)

RVh⋅

=π

para h << R (2)

Nas quais d é o diâmetro da calota esférica e R o raio da esfera usada no ensaio. A taxa específica de desgaste K, expressa em [Pa]-1, foi determinada por [8]

desgaste) de (percursoensaio) de (cargavolume) de (perda

⋅=K (3)

A variação da dureza nos revestimentos foi avaliada por medidas de macro/microdureza Vickers. Para estes

ensaios utilizou-se uma carga padrão de 500gf e 20gf, respectivamente, sobre a matriz e os carbonetos. Para estatística foram feitas, no mínimo, 10 medições por amostra. O procedimento estatístico empregado foi similar ao usado na análise microestrutural, que será descrita a seguir. 2.4. Caracterização Microestrutural

A seção transversal dos revestimentos duros foi preparada em amostras embutidas em resina de poliéster. As superfícies foram lixadas com granas 120, 220, 320, 400, 600 e 1500, sob constante resfriamento em água. O acabamento foi dado com polimento mecânico com alumina, nas granulometrias 1μm e 0,3μm. Para contraste foi empregado ataque químico, por meio de um reagente constituído por 5g de cloreto de cobre, 100ml de ácido clorídrico, 100ml de etanol e 100ml de água destilada. A microestrutura foi examinada por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Microanálise por espectroscopia de energia dispersiva de elétrons (EDS), capaz de identificar elementos químicos com número atômico superior a onze (sódio), foi empregada no estudo das partículas e da matriz dos revestimentos investigados. Para análise quantitativa de parâmetros morfológicos foram empregadas, no mínimo, 5 micrografias distintas. O aumento utilizado foi suficiente para visualizar os carbonetos, que foram documentados com o auxílio de uma câmera fotográfica digital adaptada à bancada metalográfica.

A caracterização microestrutural envolveu a determinação do tamanho e da morfologia dos carbonetos formados nos revestimentos depositados por soldagem. Através da análise das micrografias digitalizadas foram estimados, com suporte do freeware ImageTool, parâmetros microestruturais como área A, grau de arredondamento R (roundness) e diâmetro equivalente d (Feret) dos carbonetos. Matematicamente, estes parâmetros microestruturais são definidos pelas expressões (4) e (5) [9]:

2)(4

PERÍMETROÁREAR ⋅⋅

=π (4)

πÁREAd ⋅

=4 (5)

Para fins estatísticos foi estabelecido que o número mínimo de partículas analisadas não fosse inferior a

1000. Os resultados foram tratados com um nível de significância de 95%, sendo empregada a análise de variância (ANOVA) para avaliar as diferenças entre as medidas realizadas.

A caracterização das fases no revestimento foi realizada por difração de raios-X (DRX) usando um difratômetro Siemens DL-5005, instalado no Laboratório de Caracterização Estrutural (LCE/DEMa/UFSCar) e equipado com tubo de cobre (Cu Kα = 1,5405Ǻ) e monocromador de grafite. A intensidade difratada pelas amostras foi registrada no intervalo entre 20 a 100°, varrida com velocidade de 2° por minuto. A identificação das fases foi baseada no posicionamento 2θ (ângulo de Bragg) dos picos difratados com os dados disponíveis nas fichas cristalográficas CIF, as quais foram consultadas no banco de dados do Inorganic Crystal Structure Database [10]. A fração volumétrica das fases identificadas não foi determinada. 3. Resultados e Discussão 3.1. Soldagem dos Revestimentos Duros

O procedimento usado para a deposição dos revestimentos variou de um tipo de ferro-liga para outro.. No aspecto qualitativo pode-se constatar que a soldagem com a tocha GTAW/TIG dos arames com Fe-Cr foi mais fácil, exigindo menor aporte térmico e menor intervenção do soldador. Tais características levaram a camadas mais uniformes, menor quantidade de microvazios e empenamento. A aplicação do Fe-Nb exigiu que a tocha permanecesse numa mesma posição por mais tempo, a fim de promover a adequada diluição dos elementos de liga na poça de fusão. Isto provocou intenso aquecimento da peça de aço-carbono (substrato), levando-a a ter maior empenamento. 3.2. Microestrutura dos Revestimentos Aplicados

A análise por microscopia ótica mostrou que os revestimentos apresentam uma microestrutura preponderantemente composta por partículas de segunda fase envoltas pela matriz. Observando-se as amostras na condição apenas polida percebe-se que há entre as partículas e a matriz uma significativa diferença de dureza, pois se formou um relevo característico onde as partículas (mais duras) sobressaiam do plano da matriz. A Figura 1 apresenta exemplares típicos da precipitação observada nos revestimentos investigados, onde se percebe a variação na morfologia das partículas de segunda fase. Medidas de microdureza confirmaram que estas partículas são mais duras que a matriz, sugerindo que sejam os carbonetos formados durante a soldagem GTAW/TIG dos revestimentos. Tal resultado comprovou que a adição de carbono (grafite) ao ferro-liga com baixo teor desse elemento (caso do Fe-Nb) foi bem sucedida para a formação dos carbonetos nos revestimentos testados.

Figura 1: Partículas de segunda fase encontradas nos revestimentos. Morfologias prismáticas foram comuns em Fe-Cr (a), enquanto que partículas globulares foram mais frequentes no Fe-Nb (b) e Cr-Nb (c).

O ataque metalográfico permitiu revelar a microestrutura do metal de solda das amostras analisadas, compostas por partículas envoltas em uma matriz. No aspecto morfológico percebe-se semelhança entre os carbonetos formados com o uso de Fe-Cr, como pode ser observado na Figura 1(a). Tais partículas são facilmente identificadas pela sua forma prismática, onde normalmente a seção poligonal apresentou largura entre 20 a 70μm e comprimentos de até 500μm. Nas amostras Fe-Cr as partículas tinham dureza HV 2742 ± 413 e normalmente encontravam-se agrupadas em feixes paralelos e apresentavam um aspecto metálico de coloração clara. Microestrutura semelhante foi relatada por Buchanan e colaboradores [11] investigando revestimentos duros a base de cromo.

Partículas de segunda fase com morfologia globular foram encontradas em grande número no metal de solda das amostras com ferro-nióbio e cromo-nióbio, como mostram as Figuras 1(b) e 1(c). Medidas de dureza indicaram que essas partículas possuem dureza HV 2863 ± 365, sendo muito provável que sejam carbonetos de nióbio e de cromo. Segundo Yaer e equipe [12] quando carbonetos precipitam no formato esférico não há uma grande concentração de tensões na região da interface com a matriz, ao contrário do que normalmente ocorre com os carbonetos com morfologia prismática, resultando no aumento da resistência ao desgaste abrasivo. Assim, os carbonetos de cromo formados teriam grande tendência à concentração de tensões devido a sua morfologia prismática poligonal, o que poderia limitar o seu papel na resistência ao desgaste abrasivo. Estas partículas globulares são muito semelhantes aos carbonetos de vanádio que foram identificados em estudo realizado anteriormente [12].

A microscopia eletrônica de varredura constitui uma importante ferramenta para a observação de detalhes imperceptíveis ao microscópio óptico, combinando imagens com informação de natureza química. A Figura 2 mostra um detalhe típico da microestrutura do revestimento Fe-Cr. A microanálise por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) mostra evidências que as regiões em alto relevo – P3 em (b) – são carbonetos com morfologia poligonal e ricos em cromo, envoltos por uma matriz ferrosa (55 – 72% em massa) com manganês (20 – 28%) e níquel (1 – 3%) em solução sólida. Neste ponto P3 o teor de cromo atingiu mais que 15% em massa, enquanto no espaço interdendrítico P2 este teor foi três vezes menor e chegou apenas a 5%.

(a) (b)

(c) (d) Figura 2: Micrografias MEV com contraste de elétrons retroespalhados (BSE) do revestimento Fe-Cr em (a) e (b). Microanálise EDS dos pontos P2 (c) e P3 (d) que foram indicados em (b).

A Figura 3 mostra exemplos da microestrutura do revestimento Fe-Nb. O contraste BSE é sensível ao número atômico, de forma que regiões claras na imagem são constituídas por elementos químicos com maior número de elétrons – como o nióbio na amostra representada. Isto foi confirmado pelo EDS no ponto P1 mostrado em (c), que contém aproximadamente 95% de nióbio em massa. Desta forma o revestimento Fe-Nb é constituído por carbonetos de nióbio com morfologia globular/arredondada, envoltos por uma matriz ferrosa com natureza eutética. As regiões escurecidas, como P2, são pobres em nióbio e contém cerca de 22% deste elemento. Na matriz o teor de ferro variou entre 60 a 70% em massa, sendo encontrados também manganês e cromo em menores teores. As micrografias BSE da Figura 4 mostram aspectos da microestrutura do

revestimento Cr-Nb. Há a formação de partículas arredondadas de pequeno tamanho, compostas principalmente por nióbio (88% em massa no ponto P2 da Figura 4(b)). Os bolsões interdendríticos são compostos principalmente por ferro (45 a 65%), manganês (20 a 35%) e cromo (5 a 20%). Há enriquecimento de cromo nas regiões eutéticas, como a representada pelo ponto P4 na micrografia (b). Nesta região o teor de cromo atingiu 21,2%, sendo provável que se trate de um carboneto complexo.

(a) (b)

(c) (d) Figura 3: Micrografias MEV com contraste de elétrons retroespalhados (BSE) do revestimento Fe-Nb em (a) e (b). Microanálise EDS dos pontos P1 (c) e P2 (d) que foram indicados em (b).

(a) (b)

(c) (d) Figura 4: Micrografias MEV com contraste de elétrons retroespalhados (BSE) do revestimento Cr-Nb em (a) e (b). Microanálise EDS dos pontos P2 (c) e P4 (d) que foram indicados em (b).

A caracterização por difração de raios-X (DRX) confirmou que a matriz ferrosa era composta por ferrita, com estrutura cúbica de corpo centrado. No entanto, picos difratados por outras fases também foram observadas em todos os revestimentos analisados, como mostram os difratogramas da Figura 5. A comparação da posição dos picos difratados 2θ com as fichas cristalográficas CIF (Tabela 2) mostrou que a maioria era consistente com carbonetos. Percebe-se que houve uma tendência à formação de compostos cúbicos nos revestimentos formados por apenas um único elemento formador de carboneto (cromo ou nióbio). Nessas amostras também foi encontrada cementita, o que pode sugerir que a quantidade de carbono usada na confecção dos “arames tubulares” foi hiperestequiométrica, superando o necessário para que apenas carbonetos “puros” fossem formados durante a fusão dos consumíveis. O revestimento Cr-Nb apresentou carbonetos de cromo com estequiometrias Cr23C6 (cúbico) e Cr7C3 (ortorrômbico), enquanto que picos difratados tiveram boa concordância com o carboneto de nióbio NbC0,76 (cúbico).

Figura 5: Difração de raios-X dos revestimentos Fe-Cr (a); Fe-Nb (b) e Cr-Nb (c).

Tabela 2: Parâmetros cristalográficos das fases encontradas nos revestimentos por difração de raios-X.

parâmetro de rede [Å] amostra fase ficha ICSD estrutura

(S.G.) a b c

Fe-Cr ferrita 64795 CCC (229) 2,866 - -

Fe-Cr Cr23C6 62667 CFC (225) 10,659 - -

Fe-Cr Fe3C 38308 ORT (62) 5,092 6,741 4,527

Fe-Nb ferrita 64795 CCC (229) 2,866 - -

Fe-Nb NbC 159872 CFC (225) 4,454 - -

Fe-Nb Fe3C 38308 ORT (62) 5,092 6,741 4,527

Cr-Nb ferrita 64795 CCC (229) 2,866 - -

Cr-Nb Cr23C6 62667 CFC (225) 10,659 - -

Cr-Nb Cr7C3 87129 ORT (62) 7,010 12,142 4,526

Cr-Nb NbC0,76 163741 CCC (221) 4,441 - -

onde S.G. corresponde ao grupo espacial da fase ou microconstituinte. 3.3. Ensaios de Micro-Desgaste

A ação mecânica da esfera usada no ensaio de micro-desgaste provocou o sulcamento da superfície dos revestimentos Fe-Cr, Fe-Nb e Cr-Nb investigados, conforme mostram as macrografias apresentadas na Figura 6. As superfícies observadas por microscopia ótica deixaram evidente que há um complexo mecanismo de desgaste atuante, provavelmente associada à abrasão e adesão combinadas. Embora não tenha sido usado abrasivo, ficou bem caracterizado que os detritos gerados pela interação entre esfera de aço endurecido e os revestimentos tiveram um papel abrasivo do tipo “2 corpos”, pois foi evidente a presença de riscos no interior da maioria dos sulcos. Há também fortes indícios que houve adesão de parte desses resíduos nas regiões laterais, que contribuíram para a formação de “orelhas” nas calotas esféricas – especialmente aquelas submetidas a maiores percursos de desgaste.

Percurso de desgaste sob carga de 0,5N [m] e rotação 85rpm. Revestimento 40 80 120

Fe-Cr

Fe-Nb

Cr-Nb

Figura 6: Macrografias das calotas de desgaste observadas após os ensaios de micro-desgaste realizados nos diferentes revestimentos e percursos de desgaste, sob carregamento padrão de 0,5N e velocidade 6,8m.min-1.

O volume de desgaste observado nos ensaios foi calculado pela eq. (1) e sua variação com o carregamento e o percurso percorrido durante o ensaio pode ser analisada na Figura 7(a). Nota-se um aumento crescente do volume da calota com o aumento do trajeto de desgaste. Aplicando-se a eq. (3) obteve-se a taxa específica de desgaste K para os ensaios de micro-desgaste, cujo comportamento é mostrado no mapa da taxa específica de desgaste versus dureza mostrado na Figura 7(b). Desenvolvido por M. F. Ashby [13], o mapa indica que os materiais mais resistentes ao desgaste por deslizamento são aqueles que apresentam menores valores de K, associados com elevada dureza. Os resultados sugerem que os revestimentos duros experimentais mostram desempenho similar aos aços ferramenta e aos aços nitretados. Entre eles, o revestimento Cr-Nb apresentou a melhor taxa específica de desgaste.

(a) (b) Figura 7: Variação do volume de desgaste com o percurso (a). Mapa da taxa de desgaste com dureza, ref. [13]. 3.4. Interação entre a Microestrutura e o Desgaste Abrasivo

A análise por microscopia óptica e MEV mostrou que há diferenças de morfologia entre as partículas de carbonetos observadas nos diferentes revestimentos duros. Entretanto, a interpretação do papel dos parâmetros morfológicos das partículas de segunda fase sobre a resistência ao desgaste abrasivo é complexa. A Figura 8 mostra a interação de alguns desses parâmetros morfológicos com a taxa específica de desgaste K. A Figura 8(a) mostra o efeito benéfico trazido pelo aumento da área exposta dos carbonetos dispersos sobre a superfície de desgaste, como também foi observado por Zum-Gahr [14]. Acredita-se que o aumento da interface carboneto-matriz contribui para a fixação da partícula e dificulta a sua extração durante o processo de desgaste. O efeito do grau de arredondamento sobre a taxa específica de desgaste K é apresentada na Figura 8(b), onde se observa que a adição de nióbio ao metal de solda contribuiu para a formação de carbonetos arredondados/globulares. Os resultados obtidos mostram que as partículas menos arredondadas tiveram melhor desempenho quanto ao desgaste.

Figura 8: Efeito da área (a) e do grau de arredondamento (b) sobre a taxa específica de desgaste.

No aspecto qualitativo especula-se que as partículas morfologicamente grandes e não excessivamente facetadas seriam mais indicadas para compor um revestimento resistente à abrasão, pois a distribuição de tensões durante o desgaste seria mais bem distribuída. Devido à alta fragilidade dos carbonetos, a fragmentação dos mesmos pode ocorrer durante os ensaios de micro-desgaste, atuando como partículas abrasivas em movimento. Os carbonetos prismáticos encontrados nas amostras com cromo crescem com facilidade no interior dos bolsões interdendríticos, resultando muitas vezes em cristais com o comprimento de centenas de micrometros. A orientação do eixo de crescimento destes carbonetos é afetada pelo processo de soldagem, de forma que uma parcela dessas partículas tenha o seu eixo de crescimento numa orientação quase paralela à superfície do revestimento. Neste caso, as partículas teriam menor interação com a matriz, que dela se desacoplariam com maior facilidade e acelerariam o processo de desgaste. Além disso, o crescimento dendrítico pode resultar numa

distribuição irregular dos carbonetos ao longo da superfície, levando a um comportamento anisotrópico do revestimento em relação à resistência ao desgaste abrasivo que ainda precisa ser mais bem investigado. 4. Conclusões

A realização da caracterização microestrutural e mecânica dos revestimentos duros depositados por soldagem permitiu chegar às seguintes conclusões:

• A mistura de ferro-ligas e a adição de carbono, quando necessário, mostraram ser capazes de produzir partículas de elevada dureza e identificados como carbonetos complexos, tanto no ponto de vista cristalográfico quanto químico. A inserção das misturas em tubos de aço inoxidável austenítico, simulando um “arame tubular”, é viável para produzir consumíveis de soldagem em escala laboratorial;

• Houve variação de dureza entre os diferentes formadores de carbonetos testados mas com níveis comparáveis aos revestimentos depositados com consumíveis comerciais com alto teor de cromo e carbono. Essas variações foram atribuídas às diferenças de composição química e de fração volumétrica dos carbonetos existentes nos revestimentos analisados;

• A resistência ao desgaste abrasivo variou com a microestrutura e a dureza dos revestimentos. A perda de massa/volume está diretamente ligada à microestrutura, de modo que grandes partículas duras com morfologia medianamente globular mostram ser mais indicadas para um revestimento duro. A adição de nióbio favorece a formação de carbonetos com morfologia mais arredondada, enquanto que o cromo forma carbonetos prismáticos; 5. Agradecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Caracterização Estrutural do DEMa/UFSCar pelo apoio na caracterização microestrutural, à CBMM e COFEL pelos insumos (ferro-ligas) e as bolsas concedidas pelo CNPq (J.G.F.J. e J.G.) durante o desenvolvimento deste trabalho. 6. Referências [1] União da Indústria de Cana-de-Açúcar (UNICA). Disponível em http://www.unicadata.com.br/historico-de-producao-e-moagem.php?idMn=32&tipoHistorico=4 Acesso em setembro de 2013. [2] União dos Produtores de Bioenergia (UDOP). Disponível em http://www.udop.com.br/download/estatistica/acucar_producao/16set13_producao_cana_acucar_etanol.pdf Acesso em setembro de 2013. [3] Lima, A. C., Ferraresi, V. A., “Análise da Resistência ao Desgaste de Revestimento Duro Aplicado por Soldagem em Facas Picadoras de Cana-De-Açúcar”. Soldagem e Inspeção, São Paulo, v. 15, n. 2, pp. 94-102, 2010. [4] Lima, A. C., Ferraresi, V. A., “Análise da Microestrutura e da Resistência ao Desgaste de Revestimento Duro Utilizado pela Indústria Sucroalcooleira”. Soldagem e Inspeção, São Paulo, v. 14, n. 2, pp. 140-150, 2009. [5] International Organization for Standardization – ISO 26424. Determination of the abrasion resistance of coatings by a micro-scale abrasion test. Switzerland, 20p., 2008. [6] Rutherford, K.L; Hutchings, I.M. (1996). A micro-abrasive wear test, with particular application to coated systems. Surface and Coatings Technology, v.79, p.231-239. [7] Rutherford, K.L; Hutchings, I.M. (1997). Theory and application of a micro-scale abrasive wear test. Journal of Testing and Evaluation, v.25, n.2, p.250-260. [8] Mellor, B. G. Surface Coatings for Protection Against Wear. Woodhead Publishing Limited, Cambridge (2006), 429p. [9] ImageTool. Aplicativo gratuito para análise de imagens (freeware) disponível para download em http://compdent.uthscsa.edu/dig/itdesc.html . Acesso em julho de 2013. [10] Inorganic Crystal Structure Database (ICSD). Arquivos cristalográficos no formato CIF (Crystallographic Information Framework) disponíveis em http://www.fiz-karlsruhe.de/icsd.html . Acesso em Julho de 2013. [11] Buchanan V.E., Shipway P.H., McCartney D.G. Microstructure and Abrasive Wear Behaviour of Shielded Metal Arc Welding Hardfacings used in the Sugarcane Industry, Wear 263 (2007) 99–110. [12] Yaer, X.; Shimizu K., Matsumoto H., Kitsudo T. and Momono T. “Erosive wear characteristics of spheroidal carbides cast iron”. Wear, v. 264, pp. 947 – 957, 2008. [13] Ashby, M. F. Materials Selection in Mechanical Design. Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999, p. 60. [14] Zum Gahr, K.-H. Microstructure and Wear of Materials. Tribology Series, volume 10, (1987), 559p.