Aços Rápidos

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    07-Jun-2015

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Escola de Minas Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Tratamento Trmico Aos Rpidos

1 - Consideraes gerais sobre os aos rpidos O primeiro grande impulso causado nos materiais de ferramentas aconteceu na virada do sculo XIX, quando Taylor e White desenvolveram o primeiro ao rpido, contendo 0,67% C, 18,91% W, 5,47% Cr, 0,11% Mn, 0,29%% V e apropriado tratamento trmico. Seu surgimento revolucionou a prtica de usinagem naquela poca, dando um grande aumento na produtividade. As velocidades de corte puderam ser aumentadas em uma ordem de grandeza: de 3 a 5 m/min com ferramentas de ao carbono para 30 a 35 m/min com os aos rpidos. Exatamente por isso, estes aos levaram este nome. Para aumentar a vida til do ao rpido, as ferramentas so as vezes revestidas por uma camada de outro metal. Um exemplo o TiN (Nitrito de Titnio). A maioria dos revestimentos geralmente aumenta a dureza torna a ferramenta mais lisa. O revestimento permite a ponta da ferramenta cortar facilmente o material sem que partes deste fiquem incrustadas (presas) a ferramenta. O revestimento tambm ajuda a diminuir a temperatura associada ao processo de corte e aumenta a vida da ferramenta. O uso principal do ao rpido continua a ser na fabricao de vrias ferramentas de corte: brocas, fresadoras, serras para madeira, bits de usinagem, discos para cortar engrenagens, plainas, etc, embora tambm seja usado em prensas ultimamente.

1.1 - Evoluo dos aos rpidos O desenvolvimento destes aos teve inicio na segunda metade do sculo XIX, em 1888 com os aos especiais introduzidos por Robert Mushet, cuja composio qumica base (Fe-2%C-7%W2,5%Mn) e tmpera ao ar, representavam um avano em termos de resistncia ao desgaste. Em 1898, foi apresentada a idia de tratamentos de austenitizao a altas temperaturas, prximas da temperatura de fuso, como forma de aumentar a dureza do material e estabilidade trmica. Em 1908, Taylor apresentou um ao que mais tarde seria a base para o hoje largamente conhecido AISI Ti. J nesta poca Taylor j tinha conscincia da possibilidade de substituio do tungstnio pelo molibdnio, entretanto, ao contrrio do que viria a ocorrer no perodo entre guerras, o molibdnio era muito caro, inviabilizando seu uso, alm dos resultados heterogneos atribudos a dificuldades de tmpera, relacionadas a problemas de descarbonetao. Posteriormente. a substituio do tungstnio pelo molibdnio ganhou fora com a escassez de matrias primas decorrente da primeira guerra na Europa este procedimento no foi bem aceito, em funo das dificuldades de deformao a quente e no tratamento trmico (principalmente descarbonetao). Nos E.U.A, por outro lado, era concebido um ao prximo do atual AISI M1, alm de se incrementar o uso do cobalto, para melhorar a estabilidade trmica. desta poca a elevao dos teores de vandio com correspondente ajuste do teor de carbono, propcia maior formao de carbonetos duros.

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Nos anos 40 e 50 os aos ao molibdnio e ao tungstnio (classe M) se consolidam como alternativa menos custosa aos aos ao tungstnio (classe T), sendo largamente utilizados at os dias atuais. A partir de ento, ao M2 consolidou-se como substituto do ao T1, em decorrncia de vantagens econmicas da substituio de parte do tungstnio pelo molibdnio, suficientes para superar a resistncia ao seu o uso devido s dificuldades encontradas em seu processamento deformao quente e tratamento trmico. Alm deste aspecto, as influncias positivas dos dois se complementam: enquanto o molibdnio favorece o aumento de dureza, a tenacidade e a temperabilidade, o tungstnio exerce melhor controle sobre o crescimento de gro e proporciona melhor proteo contra a descarbonetao e oxidao. No geral, ambos so responsveis pela resistncia ao desgaste, dureza a quente e estabilidade trmica. Data de 1955 a introduo do nibio nos aos rpidos. Entretanto, apenas nos anos 70 e 80, com a explorao de jazidas de minrios de nibio no Brasil, avanaram as investigaes iniciadas nos anos 50, que buscavam a substituio parcial do vandio nos aos rpidos das sries molibdniotungstnio e molibdnio, pelo nibio, menos custoso e um forte formador de carbonetos primrios muito resistentes. Atualmente os aos rpidos so subdivididos em trs sries: aos ao tungstnio, ao tungstnio e ao molibdnio. As composies qumicas, bem como os processos de produo dos principais representantes de cada srie esto descritos na tabela 1.1 . Segundo informaes da Bhler do Brasil , atualmente, 88% dos aos rpidos consumidos so da srie ao tungstnio e molibdnio.AoT1 T15 M1 M7 M42 M2 M35 ASP60

SrieW# W Mo## Mo Mo Mo + W Mo + W

Processamento %C*C C/PM** C C C/PM C/PM PM 0,7 1,5 0,8 1,0 1,1 0,9 0,8 2,3

%W18,0 12,0 1,5 1,75 1,5 6,0 6,0 6,5

%Mo

%Cr4,0 4,0

%V1,0 5,0 1,0 2,0 1,15 2,0 2,0 6,5

%Co5,0

8,0 8,75 9,5 5,0 5,0 7,0

4,0 4,0 3,75 4,0 4,0 4,0

8,0 5,0 10,5

Mo + W### C/PM

REX45 Mo + W PM 1,3 6,25 5,0 4,0 3,0 8,0 Tabela 1.1 Composio nominal dos principais dos aos rpidos (ASTM, 98, Wegst, 1996). #Srie ao tungstnio; ## Srie ao molibdnio; ### Srie ao tungstnio e ao molibdnio; * produo convencional; ** Produo por metalurgia do p.

1.1.2 - Funes dos principais elementos de liga

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Carbono maior teor favorece a formao de carbonetos para maior dureza e resistncia ao desgaste. Cobalto proporciona dureza em altas temperaturas. Cromo melhora a capacidade de tmpera. em teores perto de 4%, favorece a combinao de dureza com tenacidade. pode formar carboneto para maior resistncia ao desgaste. menor oxidao em altas temperaturas. Molibdnio substitui parcialmente o tungstnio (menor custo). desvantagem da maior tendncia de descarburizao. Tungstnio forma carboneto bastante duro, responsvel pela resistncia ao desgaste. favorece a dureza em altas temperaturas. Vandio forma o mais duro dos carbonetos. Aos com altos teores de vandio so os mais resistentes ao desgaste.1.2 - Rotas de processamento dos aos rpidos.

1.2.1 Rota convencional A rota convencional envolve a obteno de ferramentas a partir da usinagem de semiacabados obtidos por fundio (lingotamento convencional) e trabalho a quente (forjamento, laminao). Este trabalho a quente envolve complexo esquema de passes, que busca quebrar a estrutura bruta de fundio, de forma a obter uma distribuio mais homognea dos carbonetos primrios. Este aprimoramento pode ser notado na figura1.1 , que mostra a influncia do grau de deformao sobre a distribuio dos carbonetos no dissolvidos. Entretanto, mesmo para deformaes da ordem de 90% os carbonetos ainda se apresentam distribudos heterogeneamente segundo estrias cujas dimenses so funo do tamanho e distribuio das colnias eutticas. A introduo da refuso de eletrodo consumvel neste roteiro de produo permite obter microestruturas mais homogneas, com melhor controle de incluses e, com isso, produtos com melhor desempenho, alm de melhorar a produtividade, pois permite obter lingotes maiores.

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Figura 1.1 Aspecto da distribuio dos carbonetos primrios depois de diferentes nveis de deformao (crescentes de a para d) do ao AISI M2 convencional.

1.2.2 Metalurgia do p. A obteno de ferramentas por metalurgia do p, por sua vez, trs vantagens do ponto de vista das propriedades e do desempenho, uma vez que proporciona uma fina e homognea distribuio dos carbonetos, devido diminuio do tempo local de solidificao. Com isso, tornou possvel a concepo de ligas com maiores teores de carbono e de outros elementos de liga e conseqentemente com maiores fraes de carbonetos, aumentando a performance das ferramentas. Entretanto, seu largo emprego limitado pelo alto custo de obteno dos ps. Uma variante da metalurgia do p o mtodo OSPREY, em que gotas slidas ou semislidas do metal, obtidas por atomizao a gs so depositadas sobre um substrato, o que permite a obteno de peas prximas da forma final. Este processo ainda no utilizado comercialmente na produo de ferramentas, em funo do seu grande custo, porm vrios trabalhos atentam para as vantagens em relao propriedades deste material.

1.1.2.3 Fundio Apesar de alguns tipos de aos rpidos fundidos serem normalizados, a produo de ferramentas diretamente do estado fundido uma rota pouco explorada nos pases ocidentais, mas utilizada em escala industrial nos pases do leste europeu. Isto se deve ao fato de no estado bruto de fundio a distribuio dos carbonetos primrios ser heterognea com estes localizados nas regies interdendrticas, mesmo aps severos tratamentos trmicos capazes apenas de quebrar as lamelas destes carbonetos. Entretanto, a estrutura bruta de fundio pode ser modificada atravs do controle da velocidade de solidificao (refino da estrutura pelo aumento da taxa de solidificao), pela variao da composio qumica base (superresfriamnto constitucional) e pela adio de elementos chamados modificadores como o N, Al, Bi, Sb, metais de terras raras, etc.

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A principal justificativa para a produo de ferramentas no estado fundido a diminuio do custo de produo, decorrente da diminuio das operaes de usinagem e diminuio da quantidade de material aplicado na sua fabricao. A fabricao de ferramentas por fundio de preciso do ao M42, alm de proporcionar as mesmas propriedades das ferramentas convencionais, permitiu uma reduo de at 50% nos custos de produo. A figura 1.2 mostra a distribuio final dos carbonetos aps as diferentes rotas de processamento. Nesta pode-se perceber que a metalurgia do p e os mtodos de refuso controlada propiciam uma melhor