UNIVERSIDADE DO ETADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

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UNIVERSIDADE DO ETADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR

Ramon Salvan Fernandes

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO RÁPIDO TIPO M2, EM FUNÇÃO DAS TEMPERATURAS DE SINTERIZAÇÃO E TRATAMENTO

TÉRMICO

Apresentada em 29 / 09 / 2006, Perante a Banca Examinadora:

Dr. Cesar Edil da Costa - Presidente (UDESC) Dr. Ângela Beatriz Arnt

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestrando: RAMON SALVAN FERNANDES – Engenheiro de Materiais Orientador: Prof. Dr. CÉSAR EDIL DA COSTA

CCT/UDESC – JOINVILLE

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO RÁPIDO TIPO M2, EM FUNÇÃO DAS TEMPERATURAS DE SINTERIZAÇÃO E TRATAMENTO

TÉRMICO

DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. CESAR EDIL DA COSTA.

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG

"

Estudo das variações das propriedades mecânicas do

aço rápido tipo M2, em função das temperaturas de

sinterização e têmpera "

por

Ramon Salvan Fernandes

Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

na área de concentração "Metais", e aprovada em sua forma final pelo

CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

Dr. César Edil da Costa (presidente)

Banca Examinadora:

Dr. Ângela Beatriz Arnt Unesc

Dr. Guilherme Ourique Verran Udesc

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FICHA CATALOGRÁFICA

NOME: FERNANDES, Ramon Salvan

DATA DEFESA: 29/09/2006

LOCAL: Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 064 – CCT/UDESC

FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais

TÍTULO: Estudo das variações das propriedades mecânicas do aço rápido tipo M2, em função das temperaturas de sinterização e têmpera

PALAVRAS - CHAVE: Metalurgia do pó, Aço Rápido, Microestrutura,Carbonetos Metálicos, Sinterização, Tratamento Térmico

NÚMERO DE PÁGINAS: 84 p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC

PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM

CADASTRO CAPES: 4100201001P-9

ORIENTADOR: Dr. César Edil da Costa

PRESIDENTE DA BANCA: Dr. César Edil da Costa

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AGRADECIMENTOS

ƒ Ao Prof. Dr. César Edil da Costa, que foi não apenas um orientador, mas um amigo nos momentos de dúvida.

ƒ A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.

ƒ À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.

ƒ Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infra-estrutura oferecida.

ƒ À CAPES pela bolsa de estudo concedida.

ƒ Aos alunos de iniciação científica Valdir Vermoehlen e João Tabalipa, que foram de vital importância na execução e conclusão deste trabalho.

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VII SUMÁRIO

1 Introdução... 16

2 Aços Rápidos ... 21

2.1 Introdução ... 21

2.2 Efeitos dos elementos de liga na formação de carbonetos ... 23

2.3 Estruturas e propriedades ... 25

2.3.1 Tipos de carbonetos... 25

2.4 Tratamentos térmicos... 29

2.4.1 Tratamentos Térmicos dos Aços Rápidos... 29

2.4.2 Etapas do processo de tratamento térmico ... 30

2.5 Mecanismos de endurecimento... 36

2.5.1 Deformação a Frio (Encruamento) ... 37

2.5.2 Endurecimento por solução sólida ... 38

2.5.3 Endurecimento por redução do tamanho de grão ... 38

2.5.4 Endurecimento por precipitação (dureza secundária) ... 39

2.5.5 Endurecimento por transformações martensíticas ... 40

2.6 Propriedades dos HSS ... 42

2.6.1 Tenacidade... 42

2.6.2 Dureza... 43

2.6.3 Dureza a quente... 43

2.6.4 Resistência ao desgaste ... 43

2.7 Sinterização... 44

2.7.1 Sinterização no estado sólido... 44

2.7.2 Estágios da sinterização no estado sólido ... 44

2.7.3 Mecanismo de transporte de matéria no estado sólido ... 49

3 Procedimento Experimental... 52

3.1 Materiais Utilizados ... 52

3.2 Morfologia e Microestrutura dos Pós ... 53

3.3 Compactação dos Pós ... 54

3.4 Sinterização... 54

3.5 Tratamentos Térmicos... 56

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VIII

3.5.2 Revenido ... 57

3.6 Propriedades Físicas... 57

3.6.1 Dureza... 57

3.6.2 Densidade ... 57

3.6.3 Resistência à flexão ... 58

3.6.4 Estudo Microestrutural ... 58

4 Análise e discussão dos resultados... 61

4.1 Microestrutura... 61

4.1.1 Porosidade ... 61

4.1.2 Distribuição e forma dos carbonetos ... 61

4.1.3 Modificações microestruturais nos tratamentos térmicos ... 64

4.1.4 Modificações microestruturais em função da temperatura de têmpera 66 4.2 Propriedades mecânicas ... 68

4.2.1 Dureza... 68

4.2.2 Resistência à flexão ... 69

4.3 Fratura... 70

5 Conclusões... 73

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IX Lista de Figuras

Figura 1 – Morfologia típica do carboneto M2C em HSS M2 fundido [BOCCALINI AND GOLDENSTEIN, 2001]. ... 26

Figura 2 - morfologia dos carbonetos M2C [BOCCALINI AND GOLDENSTEIN, 2001]... 27

Figura 3 – Tipos morfológicos de carbonetos MC [BOCCALINI AND GOLDENSTEIN, 2001]... 28

Figura 4 - Esquema do processo de tratamento térmico das ferramentas de aço rápido [BAYER, 1989]... 29

Figura 5 - Efeito do tempo e temperatura na solubilização dos carbonetos [HOYLE, 1988]... 31

Figura 6 - Influência da temperatura de têmpera sobre a modificação de dureza de aços rápidos [HEINRICH, 1975]. ... 35

Figura 7- Mecanismos de endurecimento (adaptado de HOYLE, 1988) 35 Figura 8 - Comparação entre os valores de dureza dos carbonetos e a matriz martensítica ... 40

Figura 9 - Representação esquemática dos deslocamentos que dão origem a uma placa martensítica “a” e “b” [SILVA, 2003... 41

Figura 10 - Esquema do modelo de duas esferas referente ao estágio inicial da sinterização. G é o diâmetro da partícula e X é o diâmetro do pescoço. [GERMAN, 1996] ... 45

Figura 11 - esboço da rede de poros no estágio intermediário de sinterização [German 1996] ... 47

Figura 12 - Geometria dos poros em função da sua localização. [GERMAN, 1996]... 48

Figura 13 – Microscopia eletrônica de varredura do pó de aço rápido tipo M2. ... 53

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X sobre atmosfera de N2.[NOGUEIRA, 2004] ... 55 Figura 15 - diagrama de fases para o HSS M2 [HOYLE] ... 55 Figura 16 - Curva de têmpera dos tratamentos térmicos... 56 Figura 17 - Esquema do equipamento de ensaio de resistênica a flexão em três pontos... 59

Figura 18 - Porosidade após a sinterização nas quatro temperaturas de trabalho: a) 1230°C, b) 1250°C, c) 1270°C d)1280°C (ataque com Murakami) 62

Figura 19 - Micrografias óticas de microestruturas do HSS M2, atacadas com KOH+K3Fe(CN)6: a) fundido [ BOCCALINI, 2001]; b) sinterizado a 1270°C.

... 62 Figura 20 - Amostras sinterizadas em: a) 1270°C b) 1280°C (ataque Murakami) ... 63

Figura 21 - Estrutura eutética formada devido a problemas na sinterização ... 64

Figura 22 - Sinterizado 1270°C e temperado a 1150°C (ataque com FeCl3 + HCl + HNO3 + etanol): a) temperado b) 1º revenido c) 2º revenido ... 64

Figura 23 - Sinterizado 1270°C e temperado a 1150°C (ataque com Murakami): a) temperado b) 1º revenido c) 2º revenido ... 65

Figura 24- HSS M2 temperado em: a) 1150ºC b) 1180ºC c) 1200ºC d) 1210ºC (ataque com FeCl3 + HCl + HNO3 + etanol) ... 66

Figura 25 - HSS M2 temperado em: a) 1150ºC b) 1180ºC c) 1200ºC d) 1210ºC (ataque com Murakami)... 67

Figura 26- Valores de dureza em função das etapas de tratamentos térmicos, agrupados por temperatura de têmpera ... 68

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XI Lista de tabelas

Tabela 1 - Composições químicas dos aços rápidos dos grupos T à base de tungstênio e M à base de molibdênio [METALS HANDBOOK, vol.1]... 23

Tabela 2 - Valores das constantes n, m e B da equação 2.1. [GERMAN, 1996] ... 46

Tabela 3 - Mecanismos de transporte de matéria. [ASHBY, 1974]... 50 Tabela 4 - Composição química e densidade teórica dos aços rápido do tipo M2, ... 52

Tabela 5 - Propriedades físicas do Pó de HSS M2, fornecido pela empresa Powdrex. ... 52

Tabela 6 - Distribuição granulométrica do Pó de HSS M2, fornecido pela empresa Powdrex... 53

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XII Lista de equações

Equação 1 - Equação de Hall-Petch ... 39

Equação 2... 45

Equação 3... 46

Equação 4... 47

Equação 5... 48

Equação 6... 58

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XIII Resumo

Neste trabalho, foi avaliada a evolução das propriedades mecânicas dos aços rápidos produzidos via metalurgia do pó convencional, em função dos processos de sinterização e tratamentos térmicos. O processo de consolidação foi realizado através de compactação uniaxial a 700 MPa e sinterizadas em diferentes temperaturas sob atmosfera protetora de gás (N2 + 8%H2). As temperaturas de sinterização utilizadas foram de 1230, 1250, 1270 e 1280°C. Para determinar as melhores condições de sinterização, foram realizadas análises metalográficas utilizando as soluções de Murakami e FeCl3+HCl+HNO3 + etanol para revelação da microestrutura, identificação dos tipos dos carbonetos presentes e suas formas e distribuição na matriz. A caracterização dos pós metálicos e das fraturas dos corpos de prova foi feita através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), identificando os carbonetos presentes nos pós e a coesão com a matriz após a fratura. A temperatura de 1270°C apresentou as melhores características microestruturais, ou seja, baixa porosidade e carbonetos finamente e homogeneamente dispersos na matriz. Após a sinterização, os materiais foram tratados termicamente por têmpera em óleo a 80°C, seguido de um duplo revenido por 2 horas a 560°C com resfriamento ao ar. As temperaturas utilizadas na têmpera foram 1150ºC, 1180 ºC, 1200 ºC e 1210ºC. A melhor condição de temperatura para têmpera foi determinada após o ensaio de dureza e flexão em três pontos. As amostras temperadas a 1200°C e 1210°C e duplamente revenidas resultaram nos melhores valores de dureza, em torno de 64HRC. Para o ensaio de flexão em três pontos, foram utilizados corpos de prova tratados termicamente.Correlacionando os dados obtidos nos ensaios microestruturais, de dureza e flexão as melhores condições encontradas para o processamento do material são de 1270°C para a sinterização, 1200°C para têmpera e duplo revenido a 560°C por duas horas. Esses resultados são justificados pela microestrutura resultante principalmente em função dos carbonetos primários do tipo MC e M6C e pelos carbonetos secundários do tipo M2C, ambos bastante finos e bem distribuídos pela matriz.

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XIV Abstract

The high speed steels are a class of materials that appeared in the end of the century XIX, with the intention of substituting the tools of cut of the epoch, based on common steels. Those tools acquired values of hardness reasonable that guaranteed certain resistance to the waste when temperate. However they could not be used in processes of high speed cut, because they would lose your hardness easily due to the heat generated by attrition. In 1868, Mushet discovers accidentally, that certain steels containing tungsten, same when colds to the air, showed equivalent hardness to of the hardened steels in water. Since then diverse studies that took the use of other league elements for the same end appeared (for example: Mo, Co, V, etc.), creating the high speed steel.

In this work, the evolution of the mechanical properties of high speed steel was evaluated produced through of conventional powder metallurgy in function of the sintering processes and thermal treatments, with the materials being compacted uniaxially to 700 MPa and sinterised in different temperatures under protecting atmosphere of gas (N2 + 8%H2). The sintering temperature was determined for dilatometric and I study microstructural, being obtained an ideal value of 1270°C.

After the sintering, the materials were thermal treated by one it quench in oil to 80°C, followed by a double tempering for 2 hours to 560°C with cooling in air. The ideal temperature of it seasons it was of 1200°C, certain for it analyzes of the results of hardness and flexion in three points after the second tempering.

Figure

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