Comportamento da temperatura da água da piscina de resfriamento no tratamento térmico de austenitização do aço Hadfield - Industrial Heating
Comportamento da temperatura da água da piscina de resfriamento no tratamento térmico de austenitização do aço Hadfield
Fig. 1. Corpo de prova usado. Unidades em milímetros
O tratamento de austenitização é de fundamental importância para a qualidade do aço Hadfield, já que é o tratamento que garantirá a total austenitização do material. Dentre as variáveis que devem ser controladas estão a temperatura de tratamento e velocidade de resfriamento. O presente trabalho aborda um estudo de caso sobre o controle da temperatura dentro do forno de tratamento térmico, bem como o comportamento da temperatura da água na piscina durante o resfriamento do material.
Para o aço Hadfield apresentar a adequada condição de uso, o mesmo deve apresentar matriz totalmente austenítica, para isso é realizado o tratamento térmico de austenização.
Neste tratamento, o material é colocado num forno e é aquecido até chegar à temperatura de aproximadamente 1080°C para garantir que todo o material esteja austenitizado [1]. Após o material passar pelo tempo de encharque dentro do forno, ele é imerso numa piscina contendo água para reduzir rapidamente a sua temperatura, garantindo que não haja tempo suficiente para a precipitação de carbonetos no contorno de grão, o que seria prejudicial ao desempenho do mesmo.
A água utilizada para resfriar as peças deve estar próxima da temperatura ambiente, caso contrário o resfriamento não é eficiente e possibilita a precipitação de carbonetos no material, reduzindo a vida útil do material em serviço.
Foram realizados 3 tratamentos térmicos de autenitização do material ASTM A 128M classe C. A temperatura da água da piscina de tratamento térmico foi medida em intervalos sequenciais com o auxílio de um termômetro de mercúrio. Foi colocado um conjunto de 2 corpos de prova, um cilíndrico e outro retangular, (Fig. 1) em cada grelha de tratamento para posterior exame metalográfico e ensaio de dobramento.
A Tabela 1 mostra o tempo que cada grelha ficou na temperatura de patamar para os três tratamentos e também o peso de material resfriado para cada grelha.
É possível observar que, para todas as corridas, a segunda e a terceira grelha ficaram mais tempo no patamar do que a primeira grelha. Essa diferença de tempo de patamar ocorre porque enquanto a primeira grelha é resfriada, as outras duas permanecem no forno até que esta seja totalmente resfriada e retirada da piscina para a entrada da segunda grelha, por exemplo.
O Gráfico 1 mostra um acompanhamento geral do aumento da temperatura da água da piscina ao longo das três grelhas para os três tratamentos realizados.
Uma análise mais detalhada das temperaturas encontradas ao longo dos tratamentos é apresentada nas Tabelas 2 e 3.
Nota-se na Tabela 2 que a temperatura da água chega a atingir 66°C, e como era esperado, ela ocorre na terceira grelha. A Tabela 3 mostra a diferença entre a temperatura máxima e a inicial atingida para cada grelha para os 3 tratamentos estudados.
Observa-se que a variação da temperatura da água entre a entrada e a saída de cada grelha fica entre 12 a 15°C, com exceção da terceira grelha, que apresentou uma diferença de 19°C, contudo, isso é explicado pelo maior peso que esta grelha tinha (3530kg) quando comparada às outras (2172/2480kg) dos outros tratamentos.
Na Fig. 2 é mostrado o aspecto metalográfico dos corpos de prova cilíndricos para a amostra bruta de fusão (amostra sem tratamento) e da primeira grelha para os três tratamentos. Em todas as amostras verificou-se a presença de dendritas. Na amostra bruta de fusão observou-se a presença de muitos carbonetos, principalmente na região central da amostra, onde os carbonetos apresentaram-se de forma grosseira. Os carbonetos estavam distribuídos tanto no interior dos grãos quanto em seu contorno.
As grelhas de número 1 das corridas 12627 e 12168 apresentaram o mesmo volume de carbonetos, contudo, para a amostra da corrida 12627 os carbonetos estavam mais finamente distribuídos. A corrida 12300 foi a que apresentou melhor aspecto. A presença destes carbonetos para amostra grelha 1 da corrida 12168 está relacionada à temperatura insuficiente na qual o material ficou exposto (985°C), o que prejudicou a transformação austenítica do material, bem como a dissolução de carbonetos existentes no mesmo.
A análise dos resultados de microscopia ótica para os três tratamentos em geral mostra que a quantidade de carbonetos diminuiu da primeira grelha em direção à terceira grelha para todos os tratamentos.
A presença de carbonetos em si não é um fator prejudicial, desde que estejam no interior do grão, pois não afetam a tenacidade do material e ainda auxiliam contra o desgaste. Contudo, quando estes estão localizados no contorno do grão eles podem gerar a quebra do material em serviço. A Tabela 4 mostra a quantidade de carbonetos encontrados no contorno de grão para cada grelha.
O teste de dobramento foi realizado com o auxílio de uma prensa hidráulica. Os resultados também estão na Tabela 4 e mostram que o ângulo de dobramento aumentou da primeira grelha para a terceira grelha para as corridas 12168 e 12627.
O resultado apresentado para a 3ª grelha da corrida 12300 mostra que o material não apresentou o dobramento esperado, ou seja, não apresentou um dobramento maior dos que as outras grelhas subsequentes do mesmo tratamento, sendo, e isso é, devido à elevada temperatura que a água atingiu durante a imersão (60,8°C).
Após o ensaio de dobramento foram realizadas análises por microscopia ótica de seções próximas à região de dobramento para ver se houve o surgimento ou não de maclas. A presença de maclas é importante porque faz com que o material apresente uma melhor resposta no processo de encruamento, já que o surgimento das mesmas reduz o livre caminho médio no qual as discordâncias poderiam passar sem sofrerem interrupção. Os resultados encontrados estão na Tabela 4.
Com os resultados da Tabela 4 pode-se concluir que os menores ângulos de dobramento para as amostras do tratamento 12627 estão associados à presença de carbonetos no contorno de grão dessas amostras, o que por consequente está associado a baixa temperatura na qual as grelhas estavam expostas dentro do forno (G1 992°C/ G2 1001°C/ G3 1063°C).
Foi observado que a primeira grelha de cada tratamento apresentou um maior número de carbonetos no contorno de grão quando comparada com as demais grelhas. Esta incompleta dissolução é devido à temperatura que o forno atingiu naquela região ter sido insuficiente para austenitizar por completo o material. Um dos motivos para o qual o forno não atinge a temperatura necessária na primeira grelha é que esta grelha fica localizada próxima à porta do forno, perdendo assim muito calor para o ambiente.
Com relação à água da piscina, foi observado que a cada imersão de 2500kg de material, a temperatura da água aumenta entre 12 a 15°C. Por meio dos resultados obtidos no teste de dobramento, notou-se que a temperatura máxima que a água pode atingir durante a imersão das grelhas é 60°C.
Com nesses resultados, sugere-se que para grelhas com 2500 Kg a imersão na água somente seja realizada se a temperatura da mesma estiver até 45°C; e para cada 1000kg de material adicionado, a temperatura inicial da água deve ser reduzida em 7°C, ou seja, para uma grelha de 3500kg a temperatura máxima inicial para a imersão deve ser de 38°C. Desta forma, para assegurar a qualidade das peças, no presente estudo de caso, a temperatura máxima que a água deve apresentar antes da imersão de cada grelha deve obedecer a Tabela 5.
Deve-se colocar as grelhas de menor massa na frente e as de maior massa no fundo do forno, pois estas últimas serão a terceira grelha e ficarão mais tempo no patamar.
Para assegurar o resfriamento adequado e a qualidade do aço Hadfield, a temperatura inicial da piscina de resfriamento para o presente estudo de caso deve obedecer aos dados apresentados na Tabela 5.
Para mais informações: Keli Vanessa Salvador Damin, Engenheira de materiais, Mestre e Professora do curso técnico em mecânica no Instituto Federal de Santa Catarina, Chapecó, SC – Brasil; e-mail: kelivsd@gmail.com.
[1] Y.H. Wen, H.B. Peng, H.T. Si, R.L. Xiong, D. Raabe, A novel high manganese austenitic steel with higher work hardening capacity and much lower impact deformation than Hadfield manganese steel. Materials & Design. 2014; 55: 789-804.
Gráfico 1. Acompanhamento do aumento da temperatura da água ao longo das grelhas
Fig. 2. Amostra bruta de fusão em comparação com as amostras retiradas da 1ª grelha de cada tratamento