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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA (FATEC)

“JOSÉ CRESPO GONZALEZ”

Bruno de Souza Alves

ELABORAÇÃO DE UM PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM PARA

REPAROS DE MATRIZES DE INJEÇÃO PLÁSTICA

Sorocaba

2017

Bruno de Souza Alves

ELABORAÇÃO DE UM PROCEDIMENTO DE SOLDAGEM

PARA REPAROS EM MATRIZES DE INJEÇÃO PLÁSTICA

Relatório final de Iniciação Cientifica, apresentado

a Faculdade de Tecnologia de Sorocaba (FATEC)

“José Crespo Gonzalez” para a obtenção do

certificado

Orientador: Prof. Msc. Marcos Dorigão Manfrinato

Sorocaba

2017

RESUMO

As matrizes de injeção plástica podem ser produzidas com aço inoxidável martensítico

AISI 420. O procedimento de reparo em matrizes, é um processo que começa a ser muito bem

visto, devido ao beneficio fornecido por esse processo, aumentando a vida útil da matriz,

evitando a manufatura de uma nova matriz, cujo custo é elevado. Porém esse é um

procedimento de difícil execução, pois envolve tanto a área de processos de soldagem como a

área de metalurgia. Desta forma este trabalho apresenta uma forma de se realizar esse reparo

de modo eficiente, observando todos os aspectos envolvidos, como a definição da temperatura

de pré-aquecimento, microestrutura formada a zona afetada pelo calor, evitando a formação

da martensita.

Palavras chave: Soldagem TIG, AISI 420, Soldagem de manutenção, Pré-aquecimento.

ABSTRACT

The plastic injection molds can be produced with AISI 420 martensitic stainless steel. The

repair procedure in matrices is a process that begins to be very well seen, due to the benefit

provided by this process, increasing the useful life of the matrix, avoiding the Manufacturing

of a new matrix, whose cost is high. However, this is a procedure that few can carry out

adequately, since it involves both the welding process area and the metallurgical area. In this

way, this work presents a way to perform this repair in an efficient way, observing all the

aspects involved, such as the definition of preheating temperature, the microstructure formed

in the zone affected by the heat, avoiding the formation of martensite.

Keywords: Welding TIG, AISI 420, Welding maintenance, Preheating.

2

1 - Introdução

Para a produção de produtos feitos a base de polímeros, geralmente é utilizado o

processo de injeção plástica, para isso é necessário se ter uma matriz, para dar forma ao

produto final. Essas matrizes podem apresentar trincas, defeitos, que podem ser causadas por

erros durante o processo de usinagem ou durante o seu uso devido ao ciclo térmico que esse

material sofre, por conta do resfriamento feito na matriz, para esses casos pode ser feito um

reparo por processo de soldagem, evitando assim a manufatura de uma nova matriz. Com

tudo, esse é um processo de difícil realização, pois são realizados a partir de informações

disponibilizadas pelos fabricantes dos aço, ou por prática industriais, e na grande maioria das

literaturas e artigos traz um enfoque nas técnicas de soldagem sem abordar os aspectos

metalúrgicos[1,2].

Dentre os métodos de soldagem mais convencionais o que melhor se aplica para esse

tipo de reparo é o processo GTAW (Gás-Tungsten Arc Weld), mais conhecido no Brasil como

processo TIG (Tungstênio Inerte Gás), por permitir um excelente controle da poça de fusão,

baixa taxa de deposição, isento de respingos, e o principal fator, baixa energia de soldagem.

Isso faz com o procedimento de reparo possa ser eficiente sem que haja necessidade de outros

processos posteriores. É muito importante para a realização de um bom reparo que o metal de

solda seja o mesmo ou o mais próximo possível do metal de base, para que assim se obtenha

uma microestrutura muito parecida evitando diferenças de tensões internas[1].

Pode ser realizado o processo de pré-aquecimento da matriz antes da soldagem, esse é

um processo que tem como finalidade diminuir a velocidade de resfriamento, prevenindo a

formação de martensíta na zona afetada pelo calor. A martensita causa a fragilidade, e

consequentemente, a propagação de trincas [1,3]. Esse processo pode ser aplicado a partir de

dois métodos, o primeiro, da norma Petrobras N133, que fala sobre o pré-aquecimento do aço

inoxidáveis, e através de uma equação desenvolvida por Béres em 2001[4,5].

3

SUMÁRIO

1 - Introdução..............................................................................................................................3

2 - Objetivo.................................................................................................................................4

3 - Revisão Bibliográfica............................................................................................................5

4 - Materiais e métodos.............................................................................................................13

5 - Resultados............................................................................................................................17

6 - Conclusões...........................................................................................................................30

7 - Referencias Bibliográficas...................................................................................................32

4

2 - Objetivo

Realizar um estudo teórico e experimental para definir um melhor procedimento de

soldagem para a execução de reparos em matrizes de injeção plástica. Analisando os aspectos

do processo de soldagem e também os aspectos metalúrgicos deste material, Observando os

seguintes pontos:

Análise para determinar a necessidade de um pré-aquecimento, observando o

diagrama de Schaeffler; [6]

Utilizando a equação de Béres e Irmer realizar o cálculo para determinar a temperatura

de pré-aquecimento e comparar com a norma Petrobras N133;

Taxa de resfriamento variando o tipo de resfriamento, ao ar e em cal

5

3 - Revisão Bibliográfica

3.1 - Os Aços Inoxidáveis

O termo "aço inoxidável" é utilizado para um grupo de ligas ferrosas que possuem

como principais características, alta resistência a corrosão, resistência mecânica elevada,

facilidade de conformação, boa soldabilidade, entre outras. Tendo como base essas

características pode-se concluir que os esses aços são utilizados, de modo geral, em aplicações

que exigem uma elevada resistência ao ataque químico, ou seja, agentes corrosivos. Mais

além disso existem outras diversas aplicações para esse material, baseado na sua boa

resistência mecânica, tanto em altas como em baixas temperaturas. Os aços inoxidáveis são

encontrados principalmente nas industrias química, de alimentos, a fabricação de bens

duráveis, peças de cutelaria, cirúrgicas[7].

Os inoxidáveis, de acordo com a sua microestrutura são classificados de cinco

maneiras.

Martensíticos - São ligas de Fe-Cr-C que contem entre 12 e 18% de Cr e entre 0,1 e

0,5 de (em alguns casos podendo chegar a 1% de C), que podem ser austenitizados se

forem aquecidas a temperaturas adequadas. Possui boa temperabilidade, desse modo

são endurecíveis por tratamento térmico. Sua resistência a corrosão é inferior a dos

outros tipos, porém ainda sendo satisfatória para meios corrosivos.

Ferríticos - São ligas Fe-Cr predominantemente ferríticas em qualquer temperatura até

o seu ponto de fusão. Possui de 12 a 30% de Cr e um baixo teor de C que geralmente é

inferior a 0,1%. Não podem ser completamente austenitizados, logo, não podem são

endurecíveis por têmpera. Possuem baixo coeficiente de expansão térmica e uma boa

resistência a corrosão, inclusive em altas temperaturas.

Austeníticos - São ligas que contem principalmente Fe-Cr-Ni, podendo o Ni ser

substituído por Mn, não podem ser endurecidos por tratamentos térmicos. possuem de

6 a 26% de Ni, de 16 a 30 % de Cr e menos de 0,30% de C. Entre os inoxidáveis é o

que possui melhor soldabilidade e resistência a corrosão.

Duplex - Contem de 18 a 30% de Cr e 1,5 a 4,5% de Mo, e outros elementos para

formar e estabilizar a austenita, principalmente o Ni (3,5 a 8%) e o Ni (máx. 0,35%).

Buscando possuir uma microestrutura em temperatura ambiente, formada por partes

aproximadamente iguais de austenita e ferrita. São caracterizados por ter uma ótima

resistência a corrosão, sendo superior aos austeníticos, podendo ser utilizado em

6

equipamentos expostos a água do mar, trocadores de calor, nas industrias químicas,

petroquímica e de papel e celulose.

Endurecíveis por precipitação - São aços capazes de desenvolver elevada resistência

mecânica devido a formação de finos precipitados em alguns casos junto a uma

microestrutura martensítica, com ductilidade e tenacidade superiores a outros aços.

Podem ser obtidos através da adição de elementos como cobre, titânio, nióbio e

alumínio[8].

O nome "aço inoxidável" é reservado para as ligas Fe-Cr ou Fe-Cr-Ni que possuam

pelo menos 10 a 12%Cr. Esta concentração corresponde ao mínimo que é geralmente

considerado como necessário para garantir uma boa resistência à corrosão atmosférica,

como mostrado na figura 1.

Figura 1 - Gráfico ilustrado a taxa de corrosão de aços expostos por 10 anos a uma atmosfera industrial[7]

Fonte - MODENESI, P. J..Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis. São Paulo SENAI-SP,2001, pp 6 -20 ; (Coleção

Tecnologia da Soldagem Vol.1)

3.1.1 - Aço inoxidável 420

O AISI 420 é um aço inoxidável martensítico, possui uma boa temperabilidade,

podendo chegar a durezas até de 52 HRC. É muito utilizado para a fabricação de matrizes de

7

injeção plástica, devido a sua boa propriedade de polibilidade, além de sua resistência

mecânica e resistência a corrosão até em temperaturas próximas de 500°C. É esperado ter na

sua composição química 0,40 de C, 0,50 de Mn, 13,50 de Cr, 0,80 de Si e 0,25 de V. O

processo de tempera deve ser realizado em uma temperatura de 1000 a 1040°C, e resfriado em

óleo aquecido. O revenimento deve ser realizado logo após a tempera, evitando a propagação

de trincas. Esse deve ser feito entre 400 a 500°C, garantindo que esse material esteja na fase

do endurecimento secundário, como mostra a Figura 2, assim aumenta sua dureza e também a

sua ductilidade. Esse aumento se da devido a formação de precipitados, que impedem o

deslocamento das discordâncias. Deve ser feito pelo menos dois revenimentos nesse material

para que se obtenha o mínimo possível de austenita retida[9].

Figura 2 - Curva de revenimento, a aresta indica o ponto de inicio de endurecimento secundário[10]

Fonte - VILLARES METALS – Aço Inoxidável para Moldes – VP 420 IM, Aços Ferramenta Villares, Catálogo

Técnico, 1ª Ed., Abril, 1997.

3.1.2 - Matriz de injeção plástica

A matriz possui algumas regiões críticas, ou seja, onde deve ser tomado muito cuidado

tanto na hora da fabricação quanto no reparo, sendo a cavidade do molde a principal, pois é

ela quem determina o acabamento do produto. A cavidade deve possuir um acabamento com a

forma geométrica correta, sem ondulações livre de poros, inclusões e defeitos, devendo estar

polida. Com tudo esse é um processo de difícil realização, pois são realizados a partir de

informações disponibilizadas pelos fabricantes dos aço, ou por prática industriais, e na grande

maioria das literaturas e artigos traz um enfoque nas técnicas de soldagem sem abordar os

aspectos metalúrgicos[1].

8

Durante o aquecimento e processamento de alguns tipo de polímeros, ocorre a

liberação de ácido clorídrico, que é responsável por causar um alto fator de corrosão, atacando

a superfície da matriz. Essa corrosão pode fazer com que a matriz perca o seu bom

acabamento superficial, reduzindo a qualidade do produto final. Para garantir essa

propriedade além de boa resistência mecânica geralmente são empregados aço inoxidáveis

martensíticos da serie 400, em especial o 420[2].

3.2 - Diagrama de Schaeffler

É possível prever a microestrutura e composição química da solda, utilizando

diagramas, o mais conhecido é o diagrama de Schaeffler, existindo também o de DeLong.

Esses diagramas conseguem prever a microestrutura a partir da composição química dos

metais de base, que é expressa em função de Creq e Nieq (Cromo equivalente e Níquel

equivalente) e diluição de solda, como é mostrado na Figura 3. Esse recurso pode ser utilizado

para os aços austeníticos, ferríticos e martensíticos. Para a sua utilização devem ser calculados

os equivalentes de cromo e níquel baseado na composição química, e a microestrutura é

determinada diretamente pela leitura do diagrama, através dos pontos calculados de cromo e

níquel, assim como a diluição da solda. Esse método serve para soldagem similar e também

dissimilar, ou seja, com materiais iguais ou não[11].

Figura 3 - Diagrama de Schaeffler[11]

Fonte - FOLKHARD, E.; "Welding Metallurgy of Stainless Steels", 2ª edição, 1988; editora. Springer Verlag

Wien New York

9

Como exemplo, suponha-se que necessita realizar a soldagem de duas chapas de aço

inoxidável 410 com composição química de 0,12%C, 0,9%Mn, 0,93%Si, 13,2%Cr e 0,72%Ni,

utilizou o metal de adição o aço inoxidável austenítico AISI 309 com composição química de 0,06%C,

0,7%Mn, 0,7%Si, 22,1%Cr e 12,5%Ni. Os equivalentes de Cr e Ni seriam:

Metal de base (MB) Creq= 14,6 e o Nieq= 4,77

Metal de adição (MA) Creq= 23,2 e o Nieq= 14,7

A Figura 4 mostra como fica a distribuição dos pontos, correspondentes ao metal de

base (MB) e o metal de adição (MA), no diagrama de Schaeffler, considerando uma diluição

de solda de 30%. Para este exemplo a zona fundida (ZF) vai ter aproximadamente 10% de

ferrita e 90% austenita.

Figura 4 - Diagrama de Schaeffler, da chapa de aço AISI 410 com metal de adição AISI 309[12].

Fonte - http://migal.co/english/service/welding-stainless-steels/schaeffler-diagram-for-standard-analysis/

3.3 - Tratamento térmico: Tempera / Revenimento

O conjunto de operações de aquecimento do aço sob controladas temperaturas, tempo,

atmosfera e velocidade de resfriamento é chamado de tratamento térmico. Existem diversos

MA

ZF 10%F

MB

10

tipos de tratamentos, onde cada um no seu método possui o objetivo de modificar as

propriedades do aço ou conferir determinadas características ao metal.

O processo de tempera ocorre com a austenitização do material que ocorre a uma

temperatura pouco acima da linha A1 do diagrama de fase Ferro-Carbono, de acordo com a

quantidade de carbono existente na liga como mostrado na figura 5[8].

Figura 5 - Diagrama Fe-C mostrando as zonas de cada tratamento térmico

Fonte - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAhaYAE/pfa-influencia-conformabilidade

O objetivo da tempera esta a obtenção de uma microestrutura que proporcione ao aço

propriedades elevadas de dureza e resistência mecânica. Consequentemente, com o aumento

da dureza, ocorre a redução da ductilidade e da tenacidade, além de tesões internas que podem

causar deformações, empenamentos e fissurações. Devido a isso, é recomendável que esse

material passe por um processo de revinimento.

O revenimento é um tratamento realizado após a realização da tempera, tem com

objetivo, reduzir a dureza do material de modo controlado, e também reduzir as tensões

internas do material. Desse modo ao reduzir a dureza do material acaba aumentado a

ductilidade do material, esse fenômeno pode ser observado na figura 6.

11

Figura 6 - Gráfico demonstrativo da relação de diminuição da dureza e aumento da ductilidade

Fonte - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgaNAAL/tempera-revenido

Esse tratamento consiste em aquecer o material a uma temperatura abaixo da zona

crítica do material, quanto maior a temperatura maior a redução da dureza e aumento da

ductilidade[8].

3.4 - Processo de Soldagem TIG

O processo de soldagem GTAW (Gás tungsten arc weld), conhecido também com

TIG (tungstênio inerte gás), é um processo que necessita da utilização de um gás inerte para

que ocorra a proteção da poça de fusão, podem ser utilizados os gases Argônio, Hélio ou uma

mistura entre esses gases. O arco elétrico é formado na ponta de um eletrodo de tungstênio

não consumido durante o processo, porém é preciso deixa a ponta dele com um formato de

cone, e sempre bem afiado para garantir melhor controle do arco elétrico o que acaba o

consumindo. Por conta disso o arco elétrico fica mais concentrado, reduzindo a zona afetada

pelo calor, transformações de microestrutura e distorções no metal base. É um processo que

pode ser utilizado para quase todos os materiais, podendo ser automatizada ou manual, com

ou sem adição de material. Quando necessário é feita a deposição de um metal de adição junto

a poça de fusão, é utilizado um arame de soldagem nu (ou vareta) com a composição química

desejada, essa vareta se funde junto ao metal de base. Esse processo permite que se tenha um

excelente controle da quantidade de material depositado, isso faz com que seja muito

empregado em diversas áreas, como, petroquímica, papel e celulose, naval, aeronáutica,

12

alimentação, entre outras, possibilitando assim um ótimo acabamento, porém com uma

velocidade de soldagem baixa[13].

Na Figura 7(a) podemos ver de forma esquemática o equipamento utilizado no

processo TIG, com a fonte, cilindro de gás e tocha. E a Figura 7(b) é o detalhe da tocha com o

arco elétrico aberto com adição de material para a poça de fusão.

Figura 7 - Ilustração do equipamento utilizado para a soldagem e a poça de fusão [14]

Fonte - http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_tig_gtaw.cfm - Acessado 29/05/2017

3.5 - Soldagem do Aço Inoxidável

O processo de soldagem de uma maneira geral causa uma modificação na

microestrutura do material, devido a sua elevada temperatura, e essa modificação afeta

diretamente as características do material, como diminuição da resistência mecânica,

resistência a corrosão, ductilidade, entre outras. Entre tanto, independente das modificações

ocorridas o principal objetivo da soldagem, é de proporcionar juntas soldadas com a mesma

característica do metal de base ou superior. Observando esquematicamente uma peça soldada

possui 3 áreas, zona fundida (ZF), zona afetada pelo calor (ZAC) e o metal de base (MB)

como pode ser visto na Figura 8[15].

Figura 8 - Esquema das zonas formadas durante processo de soldagem [16]

Fonte - http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgxbIAA/versao-final-encadernacao-paginacao?part=3

(a) (b)

13

Os aços inoxidáveis possuem um comportamento metalúrgico similar aos aços

carbono possíveis de serem temperados. Pelo fato de também poder ser austenitizados quando

aquecidos a uma determinada temperatura. E durante o resfriamento desses aço pode ocorrer a

transformação dessa austenita em outros produtos, dependendo da velocidade desse

resfriamento. Quando em velocidade de resfriamento baixa, obtém-se ferrita e alguns

carbonetos, para velocidades elevadas o produto formado é a martensita. Na soldagem desse

material, ocorre a solidificação da poça de fusão na forma de ferrita δ, que se transforma em

austenita durante o resfriamento. A transformação dessa ferrita δ ocorre somente se os teores

de Cr, C e outros elementos estiverem corretamente ajustados. Si, Mo e Al por exemplo,

estabilizam a ferrita δ, enquanto que o Nb e o V, formam finos carbonetos muitos estáveis.

Porém mesmo que a liga esteja corretamente ajustada pode ocorrer de nem toda a ferrita δ se

transformar em austenita, isso acontece em velocidade de resfriamento elevada, como ocorre

comumente a soldagem. Por causa desse fato, em geral, é indesejável a presença de muita

ferrita na zona fundida[7].

O aço martensítico possui um elevado teor de cromo na sua composição química,

deste modo ele possui uma ótima temperabilidade, podendo até ser resfriado ao ar, em

temperaturas superiores a 820°C, exceto para peças com espessuras grandes. Devido a esta

características, ele são muito empregados na condição temperada e revenida. A tempera induz

a formação de um estrutura muito dura e frágil, que em seguida é "amaciada" pelo

revenimento, reduzindo um pouco a sua fragilidade, mantendo a dureza devido a formação de

finos carbonetos que ficam distribuídos dentro da matriz[7].

3.6 - Pré-Aquecimento

O pré-aquecimento é um método muito simples e que pode auxiliar na prevenção de

trincas que possam surgir na soldagem dos inoxidáveis martensíticos. Que tem como principal

objetivo reduzir o velocidade de resfriamento do material, impossibilitando a formação da

martensita. É muito comum que sejam empregadas temperaturas de pré-aquecimento de 200-

315°C onde o teor de Carbono em porcentagem de massa é um fator extremamente

importante para definir se há necessidade ou não do pré-aquecimento. De modo bem genérico

pode-se dizer que para teores de C menores a 0,10% não necessita de pré-aquecimento (tendo

que ficar atento se o mesmo esta acima de no mínimo 15°C), para teores de C entre 0,10 e

14

0,20% é necessário pré-aquecimento de o máximo 260°C e mínimo de 205°C, acima de

0,20%C pré-aquecer acima de 260°C[7].

Além disso, tem-se a norma, Petrobras N133 revisão M que, salienta que para o aço

inoxidável martensítico 410 (material muito semelhante ao estudado), na soldagem similar,

deve ser realizado um pré-aquecimento de no mínimo 200°C.

Uma terceira maneira para se determinar a temperatura do pré-aquecimento foi

desenvolvida por BÉRES, e baseia-se em toda a composição química do material, e não

apenas no teor de carbono, calculando a temperatura de inicio de formação da martensíta

pode-se calcular a temperatura de pré-aquecimento, como é mostrado pelas equações (1) e (2).

Ms=454-210⋅%C+ 4.2

%C-27⋅%Ni-7.8⋅%Mn-9.5⋅(%Cr+%Mo+%V+%W+1.5⋅%Si )-21⋅%Cu Equação 1

Tp=(Ms-60)±10° C Equação 2

A não realização do pré-aquecimento pode causar trincas na junta soldada, essas

trincas normalmente se propagam na zona afetada pelo calor, pois é nessa região pelo fluxo de

calor forma-se a martensita e ocorre o efeito de contração/expansão durante a soldagem. É na

ZAC onde vão ocorrer as modificações da microestrutura, passado de ferrita δ, para austenita,

e com o resfriamento rápido da solda a austenita se transforma em martensita, um estrutura

muito dura, causando um aumento nas tensões internas do material[17].

4 - Materiais e Métodos

O metal de base utilizado foi o aço inoxidável AISI 420, foram cortados 6 corpos de

prova, com dimensão de 110mm x 70mm x 19,5mm. A composição química em porcentagem

em peso, esta apresentada na Tabela 1

C Mn Si Cr Mo V Nb

0,15 a 0,20 Máx 1,0 1,0 12 a 14 - - -

Tabela 1 - Composição química em porcentagem em peso para o Aço Inoxidável martensítico AISI 420

15

A análise de composição química do aço inoxidável AISI 420 foi feita por

espectroscopia óptica. Foram feitas três queimas, ou seja, três análises, para se ter um valor

médio.

De acordo com a literatura técnica para consumíveis de soldagem, o metal de adição

mais indicado para a soldagem do aço inoxidável martensítico AISI 420 é o 410, como

observado na Tabela 2

Tabela 2 - Tabela indicativa para a seleção do metal de adição a ser utilizado para diferentes combinações de

metal de base [7]

Entretanto, como podemos encontrar no comercio a um baixo custo da vareta ER420,

do que a ER 410, optou-se por utilizá-la, pois a sua composição química é a mais próxima do

metal de base. Segundo o fabricante Tecbrás a composição química em porcentagem em peso,

está apresentada na Tabela 3.

C Cr Ni S P Si Mo Cu Mn

0,25 -

0,40 12 -14

0,6

máx

0,03

máx

0,03

máx

0,5

máx

0,75

máx

0,75

máx

0,6

máx

Tabela 3 - Composição química em porcentagem em peso da vareta ER 420 fornecida pelo fabricante Tecbrás

Como um dos objetivos deste trabalho, é determinar um melhor procedimento de

processo de reparo, analisando a influência de cada parâmetro envolvido o processo de

soldagem TIG com o pré-aquecimento e o tipo de resfriamento a ser feito após a soldagem.

Deste modo foi realizado a soldagem em diferente condições como é apresentado no

fluxograma da Figura 9.

16

Figura 9 - Fluxograma esquemático da sequência de trabalho desenvolvida nesse trabalho

Fonte - próprio autor

O pré-aquecimento foi realizado com auxílio de um maçarico, na região a ser soldada

até atingir a temperatura correta. Como método de controle da temperatura de pré-

aquecimento foi utilizado um termopar acoplado a um multímetro digital ilustrado a Figura

10(a), assim como um lápis térmico, ilustrado na Figura 10(b).

Figura 10 - A figura (a) controle da temperatura com o termopar e (b) feito com o lápis térmico

Fonte - Próprio autor

(b) (a)

17

Para a realização do processo de soldagem foi utilizado o processo TIG com

polaridade direta (CC-), com corrente de 140 Amperes, gás de proteção Argônio com vazão

de 10 L/min, com tensão de 12V e uma velocidade de soldagem de 1,8 mm/s. Utilizou-se uma

máquina de solda TIG da marca Miller modelo Dynasty 200.

Para deixar os corpos de prova na condição de matriz de injeção plástica temperado e

revenido, realizou-se o tratamento térmico no forno da marca EDG modelo 1800, com os

parâmetros baseados no estudo de PINEDO [9]. A temperatura de austenitização foi de

1000°C e o revenimento em 500°C realizado logo após a tempera.

Para determinar o tempo de tratamento foi utilizada a equação 3 abaixo:

𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 ( 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 ) 𝑥 0,5 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 ( ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 )

Logo: 0,75" x 0,5 = 0,375h (x60) => aprox. 25 minutos Equação 3

Dessa forma, o tempo de austenitização utilizado foi de 25 minutos.

Para a realização do resfriamento do processo de tratamento térmico foi utilizado óleo

de tempera à 80°C.

Para analisar a solda foram realizados ensaios não destrutivos nos corpos de prova

como o líquido penetrante, dureza, ultrassom e raios-X.

O ensaio de líquido penetrante foi realizado conforme a norma ASTM E165 - 2003.

Os corpos de prova foram limpos com solventes, e em seguida aplicado o líquido penetrante,

após 30 minutos realizou-se a remoção com água (líquido penetrante a base de água) e

também utilizou-se solvente thinner para remover o excesso que ficou sobre a superfície do

material. Estando a superfície limpa aplicou-se o revelador a base de solvente para revelar as

imperfeições superficiais.

Para os corpos de prova que não apresentaram trincas superficiais, realizou-se o ensaio

de raios-X e ultrasom, para assegurar que no interior da solda não possui trincas . Para o

ensaio de raios-X utilizou-se uma fonte de cobalto para gerar imagens do cordão de solda

conforme norma ASTM E142 - 2004. Para o ensaio por ultrassom utilizou-se o equipamento

Phasor XS com cabeçote de 4,0 MHz, passe de 0,5 mm, com largura se 9mm e a técnica de

inspeção utilizada foi a fhaser Linear.

Os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de dureza com durômetro da marca

Mitutoyo modelo HR-320MS para realizar a dureza Rockwell C para os corpos de prova

temperado e revenido antes da soldagem. Foi realizado também a analise da microdureza

18

Vickers ao longo da seção transversal do corpo de prova soldado, com o equipamento da

marca Mitutyo modelo HM-100, com a carde de 1,0kg.

As análises metalograficas foram realizadas em um microscópio óptico da marca Leica

modelo DMi8M com câmera acoplada da marca Leica DFC365 Fx com resolução de 1,4MP e

software de captura LAS com pacote Quantimet da Leica, para analisar as regiões da solda,

como zona afetada pelo calor, zona fundida e metal base. Foi utilizado também o MEV

(microscópio eletrônico de varredura) da marca HITACHI modelo TM3000. O MEV pertence

ao laboratório de caracterização da UFSCar de Sorocaba. Os corpos de prova passaram por

um processo de preparação começando com o corte, para depois serem embutidas em

baquelite. Após estarem embutidas as amostras foram lixadas, passando de forma crescente

entre as lixas (120, 240, 320, 400, 600, 1200 e 2000), seguidos de um polimento com óxido

de alumina de granulométria de 1µm e 0,5µm. Conforme estabelecido pela norma ASTM E3 -

2011. Foi realizado um ataque químico nas amostras, para revelar a microestrutura do

material, o reagente utilizado foi o Vilella (com concentração de 5ml HCl + 2gr Ácido Pícrico

+ 100ml Álcool Etílico).

5 - Resultados e Discussões

A Tabela 4 mostra a composição química que foi obtida através da realização do

ensaio no espectrômetro utilizando um espectrômetro da marca Ametex modelo Spectromax.

C Mn Si Cr Mo V

0,195 0,75 0,72 13,5 0,04 0,198 Tabela 4 - Resultado do ensaio de análise química do material

Conforme mostrado nas equações 4 e 5, baseando-se na composição química do

material na Tabela 4, podemos ter os valores de Ms e Tp.

Ms=454-210⋅0,1950+ 4.2

0,195-27⋅0-7.8⋅0,75-9.5⋅(13,5+0,04+0,198+1.5⋅0,72 )-21⋅0 Equação 4

Ms=287,96°C

𝑇𝑝 = (287,96 − 60) ± 10°𝐶 Equação 5

𝑇𝑝 = 227,96°𝐶 {𝑇𝑝 max = 237,69°𝐶𝑇𝑝 min = 217,69°𝐶

19

Dessa forma, a temperatura de pré-aquecimento foi de 220°C, que é superior a

especificada na norma Petrobras N133, 200°C.

Analisando o diagrama de schaeffler do aço inoxidável AISI 420 apresentado na figura

11, utilizando a composição química mostrada na Tabela 4.

Figura 11 - Diagrama de Schaeffler para o aço inoxidável AISI 420

Fonte - http://migal.co/english/service/welding-stainless-steels/schaeffler-diagram-for-standard-analysis/

Observando ponto zona fundida(ZF), considerando uma diluição de 20%, pode-se ver

que esse ponto esta dentro do campo formado por austenita e martensita, sendo assim, com o

aumento da temperatura causado pelo processo de soldagem na zona fundida vai formar a

martensita. E assim para evitar a formação da martensita deve ser feito o pré-aquecimento de

220°C para o aço inoxidável martensítico AISI 420.

MB

ZF

MA

20

5.1 - Análise do ensaio de líquido penetrante

Analisando os corpos de prova, como ilustra a Figura 12 após a realização o líquido

penetrante, obteve os resultados mostrados na Tabela 5

Corpo de prova Visual do Cp Resultado

Sem tratamento térmico e sem

pré-aquecimento

Apresentou trincas superficiais na

ZAC Reprovado

Sem tratamento térmico, com

pré-aquecimento e resfriado ao ar Livre de trincas superficiais Aprovado

Sem tratamento térmico, com

pré-aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas superficiais Aprovado

Com tratamento térmico e sem

pré-aquecimento

Apresentou trincas superficiais na

ZAC Reprovado

Com tratamento térmico, com

pré-aquecimento, resfriado ao ar Livre de trincas superficiais Aprovado

Com tratamento térmico, com

pré-aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas superficiais Aprovado

Tabela 5 - Resultado da analise do líquido penetrante nos Cps

A analise de líquido penetrante é importante, pois é um ensaio de fácil execução e de

baixo custo. Além disso, é um método muito eficaz para a visualização de trincas superficiais.

Desse modo, sendo detectada alguma trinca na superfície já pode se eliminar ensaios

posteriores, como raios x e ultrasom, por exemplo, que possuem um custo muito mais elevado

e com maiores dificuldades para a sua execução. A Figura 12 apresenta as imagens obtidas

após a realização dos ensaios nos corpos de prova. A Figura 12(a) e 12(d) apresentam linhas

vermelhas no revelador. Essas linhas são trincas na zona afetada pelo calor

21

Figura 12 - Ensaio de líquido penetrante (a) sem tratamento térmico e sem pré-aquecimento; (b) sem tratamento,

com pré-aquecimento, resfriado ao ar; (c) sem tratamento, com pré-aquecimento, resfriado em cal; (d) com

tratamento térmico, sem pré-aquecimento; (e) com tratamento, com pré-aquecimento, resfriado ao ar; (f) com

tratamento, com pré-aquecimento, resfriado em cal


(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

22

A Figura 12(b), 12(c), 12(e) e 12(f) apresentam um ponto na saída do cordão de solda

como indica as setas. Estes pontos são trincas de solidificação. Para evitar a formação desse

tipo de defeito deve-se fazer a rampa de descida ao termino do cordão de solda (a amperagem

vai reduzindo constantemente até zerar, e consequentemente fechar o arco elétrico).

Logo após a realização do ensaio de líquido penetrante observou-se que deve-se

realizar o pré-aquecimento no aço inoxidável AISI 420 à 220°C, para não ocorrer as trincas

das Figura 12(a) e 12 (d), que foi soldada sem pré-aquecimento. As trincas ocorrem devido a

velocidade de resfriamento do cordão de solda favorecendo a formação da martensita. A

martensita que não é dúctil ao sofrer os esforços de expansão/contração d ciclo térmico,

causadas pelo ciclo térmico da região soldada, acaba trincando. Nos corpos de prova que

passaram pelo processo de pré-aquecimento, não ocorreu a formação de trincas superficiais

devido a velocidade de resfriamento ser mais lenta, evitando assim a formação da

martensita[3].

5.2 - Ensaio de ultrasom e Raio-X

Após a realização do ensaio de líquido penetrante, os corpos de prova aprovados,

foram submetidos ao ensaios de ultrasom e raios-X. A Tabela 6 apresenta os resultados para

as diferentes condições de soldagem.

Corpo de prova Observações Resultado

Sem tratamento térmico e sem pré-

aquecimento - Não avaliado

Sem tratamento térmico, com pré-

aquecimento e resfriado ao ar

Apresentou trincas na ZAC e na zona

fundida Reprovado

Sem tratamento térmico, com pré-

aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas e defeitos Aprovado

Com tratamento térmico e sem pré-

aquecimento - Não avaliado

Com tratamento térmico, com pré-

aquecimento, resfriado ao ar

Apresentou trincas na ZAC e na zuna

fundida Reprovado

Com tratamento térmico, com pré-

aquecimento, resfriado em cal Livre de trincas e defeitos Aprovado

Tabela 6 - Resultados dos ensaios de raios x e ultrasom

Os corpo de prova com pré-aquecimento e com resfriamento ao ar, apresentam trincas.

Desde modo, além de controlar o pré-aquecimento necessita-se também controlar a

velocidade de resfriamento do cordão de solda.

23

No ensaio de ultrasom os corpos de prova do metal de base sem tratamento térmico,

com pré-aquecimento e resfriado ao ar e também o corpo de prova temperado e revenido com

pré-aquecimento e resfriado ao ar apresentam trincas na zona afetada pelo calor como ilustra a

Figura 13. Os círculos vermelhos são as trincas internas não observadas no ensaio de líquido

penetrante.

Figura 13 - Imagem do ensaio de ultrasom, os círculos em vermelho mostrando as trincas (a) sem tratamento,

com pré-aquecimento e resfriamento ao ar; (b) com tratamento, com pré-aquecimento e resfriamento ao ar


A Figura 14 apresenta a imagem dos filmes de raios-X sem apresentar nenhum defeito,

a Figura 14(a) é o corpo de prova com tratamento térmico, com pré-aquecimento e

resfriamento em cal, esta livre de defeitos, 14(b) é o corpo de prova sem tratamento térmico,

com pré-aquecimento e resfriada em cal.

Figura 14 - Imagem do filme gerado após o ensaio de raios-X. (a) com tratamento térmico,com pré-aquecimento

e resfriamento em cal; (b) sem tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriamento em cal


(a) ( b)

( b) (a)

24

5.3 - Análise da microdureza

O ensaio de microdureza é utilizado para poder associar a dureza do material com as

trincas formadas no material. Pois quanto maior a dureza do material maior vai ser a

quantidade de martensita formada na zona afetada pelo calor, e assim as trincas acabam se

propagado com maior facilidade nessa região. As Figuras 15, 16 e 17, apresentam a

microdureza para os respectivas condições de soldagem em cada região da solda metal base

(MB), zona afetada pelo calor (ZAC) e zoa fundida (ZF).

Figura 15 - Gráfico de microdureza para o corpos de prova, sem e com tratamento térmico e sem pré-

aquecimento


A análise dos Cps mostra a importância de se realizar pré-aquecimento, que nesses

caso não foi realizado, proporcionando assim a elevação da dureza nas ZACs, esse aumento

da dureza é causado devido a formação da martensita, causando trincas. Esse fenômeno pode

ser visto em ambos os corpos de prova.

Figura 16 - Gráfico de microdureza

MB LD ZAC LD ZF ZAC LE MB LE

300

350

400

450

500

550

600

650

700

média da Microdureza dos corpos de prova

Du

reza e

m H

V

Região da solda

Sem TT, sem pré-aquecer

Com TT, sem pré-aquecer

25


Com os Cps tendo o pré-aquecimento e resfriamento ao ar livre, pode-se dizer que não

houve redução a dureza da ZAC, mostrando também se formou a martensita, o que causou as

trincas do material, para ambos os Cps.


300

350

400

450

500

550

600

650

700

Média de microdureza para os corpos de prova

Du

reza e

m H

V

Região da solda

Sem TT, pré-aquecido, resfriado ao ar

Com TT, pré-aquecido, resfriado ao ar

26

Figura 17 - Gráfico de microdureza


Com o método de resfriamento lendo (feito em cal), observou-se a redução da dureza

na zona afetada pelo calor, com isso é reduzida a formação da martensita, assim não ocorre a

formação de trincas. O resfriamento com cal não ocorre o pico de dureza na ZAC como ilustra

a Figura 17.

Observando os resultados da microdureza, pode-se dizer que tanto o método sem o

pré-aquecimento quanto o com pré-aquecimento e resfriamento ao ar livre, ocorre a formação

de martensita. Os mesmo por conta da martensita tiveram a nucleação e propagação de

trincas. Isso ocorre devido a contração térmica causada pela solda, ou seja, a martensita por

ser uma estrutura muito dura ela não consegue se deformar, e quando submetida a um esforço

de contração térmica, acaba passando por um cisalhamento, originando a trinca.

5.4 - Metalografia e MEV

Pode-se ver a forma que a trinca se propagou, a transformação dos grãos a zona

fundida. Analisando essas imagens pode-se determinar a causa da formação da trinca. Na


300

350

400

450

500

550

600

650

700

Média da microdureza para os corpos de provaM

icro

du

reza e

m H

V

Região da solda

Sem TT, pré-aquecido, resfriado em cal

Com TT, pré-aquecido, resfriado em cal

27

Figura 18(a) e 18(b), observa-se a trinca que se propagou na zona afetada pelo calor, sendo a

amostra sem tratamento térmico e sem pré-aquecimento. Figura 18(c) e 18(d) , possui trincas

na zona afetada pelo calor, com a amostra com tratamento térmico e sem pré-aquecimento.

Figura 18 - (a) ZAC do lado direito aumento de 50X (b) ZAC lado esquerdo com aumento de 100X, ambas tiras

em microscópio óptico e sendo do corpo de prova sem tratamento térmico e com pré-aquecimento resfriado ao

ar; (c) e (d) trinca na ZAC do corpo de prova com tratamento térmico e com pré-aquecimento resfriado ao ar,

com aumento de 100X


Observado a característica da trinca fica muito claro que ela ocorreu devido a

formação de martensita, pois quando isso ocorre a mesma se propaga contornando os grãos do

material, diferente de uma trinca causada por um esforço de fadiga por exemplo, onde o

material se rompe assim que atinge o seu limite de resistência.

De modo parecido ocorre na zona fundida, onde, além das tensões do material ainda se

tem as tensões causadas pela expansão/contração, causadas pelo calor da zona fundida, e isso

(a) (b)

(c) (d)

28

não ocorre de forma regular, o que aumenta a probabilidade de se propagar uma trinca, como

mostra a Figura 19.

Figura 19 - Zona fundida da solda (a) aumento de 50X do corpo de prova com tratamento térmico e sem pré-

aquecimento e resfriada ao ar; (b) zona fundida da solda, aumento de 100X, do corpo de prova sem tratamento

térmico e sem pré-aquecimento e resfriada ao ar


Realizando uma breve análise na zona fundida, vemos que de mesmo modo a trinca se

nucleou devido a formação de martensita, e se propagou entre os grãos da estrutura do aço

inoxidável AISI 420. Pode-se ver também que toda a ZF se solidificou formando dendrítas

colunares, que é um ótimo microconstituinte para a zona fundida, melhorando a sua

resistência mecânica.

Na Figura 20(a) a mostra sem tratamento térmico e com pré-aquecimento, 20(b) com

tratamento térmico e com pré-aquecimento, podemos ver as trincas formadas na ZAC dos

materiais.

(a) (b)

29

Figura 20 - Trincas na ZAC (a) do corpo de prova sem tratamento térmico , com pré-aquecimento e resfriada ao

ar, com aumento de 500X; (b) do corpo de prova com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriada ao

ar, com aumento de 200X


Mesmo sendo realizado o pré-aquecimento no material, acorreu a nucleação de trincas,

que também são causadas por conta da formação da martensita. A diferença entre as amostra é

que nas amostras que sofreram o pré-aquecimento, as trincas formadas são menores. Devido a

baixa velocidade de resfriamento.

Os corpos de prova que foram resfriados em cal apresentam uma estrutura livre de

defeitos como ilustra a Figura 21(a) sem tratamento térmico, com pré-aquecimento e

resfriamento em cal, 21(b) com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriamento em

cal

(a) (b)

30

Figura 21 - ZAC livre de trincas e defeitos de soldagem (a) do corpo de prova sem tratamento térmico, com pré-

aquecimento e resfriada em cal, com aumento de 50X; (b) do corpo de prova com tratamento térmico, com pré-

aquecimento e resfriada em cal, com aumento de 100X


A ZAC dos corpos de prova mostrados na Figuras 21(a) e 21(b) mostra a ausencia de

trincas, A sua zona fundida é formada por dentritas celulares e a amostra (b) é formada por

dendritas colunares.

Com o auxílio do MEV, pode-se analisar com cuidado as amostras, pois ele tem uma

capacidade de ampliação muito grande. Assim é possível observar que no contorno de grão do

material formou o carboneto de cromo como ilustra a Figura 22, e as trincas formadas o corpo

de prova com tratamento térmico, soldado sem pré-aquecimento e resfriada ao ar foram

acompanhado a formação desses carbonetos nos contornos de grãos.

(a) (b)

31

Figura 22 - Carbonetos de cromo formados no contorno de grão, aumento de 400X. Ataque químico co Vilella,

corpo de prova com tratamento térmico, sem pré-aquecimento e resfriada ao ar


Na Figura 22, pode ser visto que a grande maioria dos carbonetos são formados nos

contornos de grão. Assim o cromo que deve estar diluído dentro da matriz, para realizar a

proteção contra a corrosão esta no contorno de grão junto ao carbono, aumentando a dureza

da região e diminuindo a resistência a corrosão[18].

A Figura 23 é da amostra sem tratamento térmico e soldada sem pré-aquecimento e

resfriada ao ar, apresentando carbonetos de cromo como indica as setas. Pode-se verificar que

a trinca vai se propagando onde tem a formação deste carboneto, observou-se também a

presença de agulhas de martensita.

32

Figura 23 - Trinca na ZAC com precipitados finos no contorno de grão, foto tira no MEV com aumento de

1500X. Ataque químico com Vilella, corpo de prova com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriado

ao ar


Esses carbonetos apresentados nas Figuras 22 e 23 se formam devido ao aquecimento

proveniente da soldagem, fazendo com que o carbono presente fique instável e com alta

energia, indo para o contorno de grão. Essa diferença de energia faz com que o cromo

presente na matriz vá para o contorno de grão juntando-se ao carbono, formando o carboneto

de cromo.

33

6 - Conclusões

Com equação proposta por Béres e Irmer [11], foi possível chegar a uma valor da

temperatura de pré-aquecimento de Tp = 227,96°C ± 10°C. Segundo Modenesi [7], a

temperatura de pré-aquecimento para os aço inoxidáveis martensíticos com até 0,2% de C,

pode ser de 205 - 260°C, ou seja, pouco superior a temperatura calculada. E para a N-133 [4]

da Petrobras a temperatura deve ser de 200°C.

Mesmo utilizando o pré-aquecimento na temperatura calculada utilizado a equação de

Béres, os corpos de prova sem tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriamento ao ar

e o com tratamento térmico, com pré-aquecimento e resfriada ao ar, não obteve um resultado

satisfatório, pois os mesmos apresentaram a formação de martensíta, elevando a dureza na

zona afetada pelo calor, e desse modo o aparecimento de trincas. Porém as trincas que se

formaram podem ter sido causadas devido o ciclo de contração térmica e da taxa de

resfriamento. Causando o aumento na formação de martensíta na zona afeta pelo calor,

consequentemente aumentando a microdureza, e propagando as trincas.

Afim de validar a efetividade do processo de soldagem, foi proposto também para o

material, além do pré-aquecimento com temperatura controlada, um resfriamento lento, que

foi realizado em cal. Esse método garantiu que a quantidade de martensíta formada não é

suficiente para que ocorra o aumento da microdureza, causando as trincas no material. Deste

modo pode-se dizer que mesmo realizando o cálculo para descobrir a temperatura de pré-

aquecimento, baseando-se na composição química do material, devemos ficar atentos em

todas as etapas do processo, realizando o pré-aquecimento adequado, assim como também um

pós soldagem, evitando que o material resfrie rapidamente. Uma das variáveis mais

importantes do processo de soldagem é o seu resfriamento, pois caso ele seja muito acelerado,

ocorre a maior formação da martensíta, podendo gerar trincas.

Assim fica claro e justificado a importância de se realizar o pré-aquecimento, e

também o controle preciso da temperatura, antes de realizar a soldagem, e também o controle

da temperatura pós soldagem, pois uma pequena variação na temperatura pode alterar toda a

microestrutura do material.

Como parte do objetivo deste estudo é a de propor um procedimento de soldagem,

após os experimentos chegou-se ao seguinte procedimento:

Para a realização do reparo em matrizes de injeção plástica, observou-se que o

procedimento que ficou isento de trincas foi o que passou por pré-aquecimento e resfriamento

em cal. As matrizes devem passar por um processo de pré-aquecimento a uma temperatura de

34

220°C, soldadas de acordo com os parametros apresentados na Tabela 7, em seguida deve ser

resfriado em cal (ou com manta térmica).

Processo

soldagem

TIG

(CC-)

Corrente 140A

Tensão 12V

Gás proteção Argônio

10L/min

Velocidade

de soldagem 1,8 mm/s

Pré-

aquecimento 220°C

Resfriamento lento (em cal

ou outros) Tabela 7 - Parâmetros de soldagem parao procedimento de reparo de matrizes

35

Referências bibliográficas

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endurecível por precipitação para moldes de plástico", Tecnologia em Metalurgia e Materiais,

vol. 1, n° 4, 11-15, abr.-jun. 2005

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Dissimilar do Aço ASTM A36 e o Aço Inoxidável AISI 420 Pelo Processo TIG". Boletim

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20 ; (Coleção Tecnologia da Soldagem Vol.1)

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[13] BRACARENSE, A. Q.; "Processo De Soldagem Tig -GTAW". 2000. Trabalho de

conclusão de curso (Pós-Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de

Minas Gerais, Belo Horizonte, 2000

[14] http://www.esab.com.br/br/pt/education/blog/processo_soldagem_tig_gtaw.cfm -

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[15] AMERICAN IRON AND STEEL INSTITUTE WELDING OF STAINLESS STEEL

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[16]http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgxbIAA/versao-final-encadernacao-

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elaboraÇÃo de um procedimento de soldagem para reparos de ... · diagrama de schaeffler; [6]...

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