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XXXV CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem 26 à 29 de Outubro de 2009 Piracicaba, SP, Brasil Recobrimento Duro de Chapas de Aço Baixo Carbono Empregando Resíduos Metálicos Provenientes do Processo de Usinagem (Hardfacing of Steel Sheet Low Carbon Using Metallic Residues from the Machining Process) Genaro Marcial Mamani Gilapa1, Moacir Eckhardt1, Gabriel Henrique Rubert2, Tiago Alexandre Führ2, José Carlos da Silva Cavalheiro3 1 Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Departamento de Tecnologia, Panambi, Rio Grande do Sul, Brasil,
[email protected],
[email protected] 2 Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Acadêmico do Curso de Engenharia Mecânica, Panambi, Rio Grande do Sul, Brasil,
[email protected] 3 Empresa Bruning Tecnometal Ltda, Engenheiro Mecânico, Panambi, Rio Grande do Sul, Brasil,
[email protected]
Resumo O recobrimento duro com materiais alternativos tem se mostrado atrativo, especialmente no que refere ao aproveitamento de resíduos metálicos de aços ligados gerados na usinagem. A diluição de resíduos de aço ferramenta do tipo D6 no recobrimento duro permitiu obter revestimentos homogêneos de dureza elevada na faixa de 61 HRC pelo processo de soldagem por arco submerso na condição como soldado. Palavras-chave: Recobrimento duro. Soldagem por arco submerso. Consumíveis de soldagem.
Abstract: Hardfacing with alternative materials has shown attractive, especially in what refers to the utilization of metallic residues of tools steels. The dilution of tool steel D6 chip in the hardfacing permitted to obtain homogeneous coverings. The hardness of the overlays was 61 HRC produced by Submerged arc welding in the as welded condition. Key-words: Hardfacing. Submerged arc welding. Welding consumables.
1. Introdução Este trabalho tem como objetivo desenvolver técnicas para o aproveitamento dos cavacos (resíduos metálicos) gerados na usinagem de ferramentas e matrizes. Estes resíduos são utilizados como material de consumo no recobrimento duro por arco elétrico de peças ou implementos expostos ao desgaste. O arco elétrico, diluirá os elementos de liga presentes nos resíduos sobre chapas de aço tendo-se então um recobrimento com material de alta dureza e com presença de carbetos aumentando a sua resistência ao desgaste. A diluição em soldagem é o processo que altera a composição química de um metal base devido à adição de outros consumíveis de soldagem. No caso deste trabalho, a fusão de três materiais (metal base, eletrodo e resíduos metálicos) foi realizada através do processo de soldagem SAW (arco submerso), permitindo que os elementos de liga presentes nos resíduos metálicos se diluíssem sobre chapas de aço, tendo-se então uma superfície dura, aumentando a sua resistência ao desgaste abrasivo. Outro efeito sobre a micrografia do depósito metálico é a têmpera do recobrimento duro devido às taxas de resfriamento. Na soldagem de revestimento duro, devido à grande diferença das composições química do metal de adição e do metal base, a diluição pode ser indesejável, pois altera a composição química do metal de adição, prejudicando as propriedades do revestimento, implicando em microestruturas diferentes e suscetíveis à abrasão. Para evitar o efeito deletério da diluição, na deposição de revestimento duro por soldagem, geralmente utiliza-se a aplicação de uma camada de amandeigamento e mais uma de cordão de solda [1,2]. Nos processos de revestimento com solda a adição de resíduos metálicos ligados possibilita controlar o nível de penetração para uma dada condição de recobrimento por soldagem atenuando a diluição, visto que, o resíduo metálico evita o contato direto do arco elétrico com o metal base, absorvendo grande parte da energia liberada pelo processo utilizado durante a soldagem [4]. Além disso, os benefícios desse recurso são: a elevação da taxa de deposição, que pode aumentar em mais de 50% do que o processo convencional; e também a sobreposição dos cordões de solda adjacentes, recurso este que possibilita reduzir de 30 para 10% o nível de diluição [2,3]. Portanto, é possível aproveitar o fenômeno da diluição para gerar novos materiais no metal de solda a partir de
metais de base conhecidos, com adição de ligas metálicas. A diluição de elementos de liga nos processos de soldagem por arco elétrico com proteção gasosa (GMAW, GTA PAW) é dificultada pela vazão de gás, já no processo de soldagem com proteção sólida (soldagem por arco submerso) o recobrimento ocorre normalmente, além do que, a escória, resultante do processo, o protege de taxas elevadas de resfriamento [5,6]. O processo de recobrimento por soldagem de arco elétrico permite uma excelente mistura dos elementos de liga e formação de novas fases, isto devido aos campos magnéticos gerados durante o processo de soldagem que homogeneízam a poça de fusão. A polaridade da soldagem também afeta diretamente as propriedades mecânicas do recobrimento, soldas executadas com polaridade negativa (CCEN) apresentam maior resistência ao desgaste [7,8]. Os resíduos metálicos utilizados no trabalho foram obtidos do aço para ferramentas tipo D6, que é utilizado para trabalho a frio, apresenta elevada temperabilidade, alta resistência mecânica, alta resistência ao desgaste, alto grau de indeformabilidade e boa tenacidade. A dureza superficial, na condição temperada e revenida, pode alcançar 62,0 HRC. Este aço é amplamente utilizado na fabricação de ferramentas de corte (matrizes e punções), ferramentas para forjamento a frio, cocinetes, lâminas para cortadores de plástico, madeira e chapas finas [9]. A Figura 1 mostra as propriedades dos aços ferramenta onde o aço tipo D6 apresenta as melhores propriedades para aplicação no recobrimento duro.
Figura 1. Propriedades dos aços mais usados em ferramentas de corte [10]. 2. Matérias e Métodos O metal base utilizado para aplicação do recobrimento duro foi uma chapa de aço ASTM A36. Como consumível, utilizou-se o fluxo F7AZ e eletrodo EL12 com 3,25 mm de diâmetro. Os parâmetros de soldagem, previamente avaliados foram; corrente, tensão, extensão do eletrodo e velocidade de soldagem, com a finalidade de obter cordões de soldagem com pouco reforço e pequena penetração. A soldagem foi realizada num sistema mecanizado de soldagem por arco submerso que permite controlar os parâmetros acima expostos. A Tabela 1 mostra a seqüência e os valores dos parâmetros avaliados.
Ensaio 1 2 3 4 5 6
Tabela 1. Parâmetros de solda avaliados. Velocidade de Extensão do Tensão (V) soldagem (mm/s) eletrodo (mm) 35 7,5 40 40 7,5 40 35 11,25 40 35 7,5 45 35 7,5 40 40 5,63 22
Velocidade do arame (mm/s) 13,125 13,125 13,125 13,125 15,000 15,000
Numa segunda etapa foram adicionadas camadas de resíduos metálicos (cavaco de aço tipo D6) na superfície da chapa. Após soldagem, todos os corpos de prova ficaram na condição como soldada (sem tratamento térmico). Na última etapa do trabalho foram realizados ensaios metalográficos de macrografia para determinar a ocorrência da diluição dos elementos de liga presentes nos resíduos metálicos; e ensaio de dureza e microdureza. Os instrumentos utilizados foram: fonte de soldagem, sistema automático de avanço, microscópio óptico; microdurômetro e durômetro.
3. Resultados e Discussão Após a execução da soldas conforme apresentado na Tabela 1, realizaram-se análises macrográficas (Figura 1) para quantificar a geometria do cordão de solda. A Tabela 2 apresenta o efeito dos parâmetros de soldagem sobre as dimensões da geometria do cordão de solda. Tabela 2. Valores da geometria do cordão de solda. Ensaio
Penetração (mm)
Reforço (mm)
Largura (mm)
1
1,8
2,16
13,17
2
2,57
1,57
17,46
3
1,65
1,37
13,34
4
1,51
1,79
14,87
5
1,56
2,08
9,90
6
0,54
0,81
15,00
A Figura 2 mostra a macrografia do corpo de prova do ensaio 6. Esta amostra apresenta boa largura e pouca penetração no metal base, condições estas consideradas apropriadas para o recobrimento duro e diminuição da diluição.
Figura 2. Macrografia da amostra 6. Os resíduos metálicos de aço ferramenta tipo D6 obtidos no processo de usinagem, que foram utilizadas como fonte de elementos de liga para o recobrimento duro, apresentam a composição química mostrada na Tabela 3. Tabela 3. Composição química média do resíduo metálico. Elemento de liga
C
Mn
Si
Cr
W
% (peso)
2,25
0,60
0,20
13,00
1,25
Para o recobrimento duro foram utilizadas diferentes quantidades de resíduos metálicos como mostra a Tabela 4. Após o processo de soldagem, foram realizadas medições de microdurezas dos cordões de solda. A Tabela 4 mostra os resultados de microdureza obtidos nas camadas diluídas com resíduos de aço tipo D6. Tabela 4. Valores médios de dureza para amostras diluídas. Amostra
Microdureza HV0,3
1
Resíduo metálico (g/mm) 0,14
2
0,29
678
3
0,43
687
4
0,57
719
5
0,71
784
669
A adição de resíduos metálicos durante a soldagem tem efeito sobre a geometria do cordão de solda. Foram feitas medições das seções fundidas, tanto no metal base como no reforço do cordão de solda. Os resultados
desta medição estão mostrados na Figura 3.
Figura 3. Efeito da diluição dos resíduos sobre a geometria do revestimento. Na avaliação visual e macrográfica não foram observados defeitos, como trincas, falta de fusão e porosidade no cordão de solda. A geometria do cordão de solda deve apresentar pouca penetração e reforço, já a largura deverá ser grande. Os parâmetros do ensaio 6, sugeridos na Tabela 1, apresentaram a geometria mais adequada para recobrimento. Estes parâmetros foram aplicados no processo de recobrimento duro com resíduos metálicos. Os resíduos metálicos têm apresentado boa dissolução no processo de soldagem. A diluição dos resíduos metálicos é eficiente até 0,6 g/mm, como pode ser observado na Figura 3. Acima destes valores a energia do arco elétrico não é suficiente para fundir e diluir os resíduos, gerando diminuição da seção fundida. O rendimento de transferência de elementos de liga dos resíduos metálicos de aços ferramenta para o cordão de solda é alta, o que viabiliza a utilização destes materiais como material de consumo para recobrimento duro. 4. Conclusões A diluição dos elementos de liga a partir de resíduos metálicos de aços ferramenta gerados nos processos de usinagem (aço ferramenta tipo D6) foi homogênea em toda a geometria de cordão. As durezas obtidas no recobrimento duro apresentam boa aplicação em equipamentos submetidos ao desgaste. Após avaliação visual e de macrografia não foram observadas a presença de trincas, tanto no metal base como no metal de solda. Os resíduos gerados nos processos de fabricação de ferramentas com aços especiais podem ser aproveitados como consumíveis para recobrimento duro. 5. Agradecimentos Os autores agradecem à Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, UNIJUÍ, pela disponibilidade dos laboratórios de soldagem, ensaios mecânicos e metalográficos, e a Empresa Bruning Tecnometal S.A. pela análise química e doação do material de consumo. 6. Referências Bibliográficas [1] WAINER, E.; BRANDI, S. D.; MELLO, F. D. H. Soldagem, Processo e Metalurgia. In: - .Revestimento duro por soldagem. Ed. Edgard. SP - Brasil. 1992. 335 - 354p. [2] MARQUES, P. V. Tecnologia da Soldagem. ESAB S/A. Indústria e Comércio. 352p. Belo Horizonte - Mg. 1991. [3] BRANDIM, A. S.; ALCÂNTARA, N.G.; PARANHOS, R. “Diluição em Soldas de Revestimento Duro Utilizando o processo a Arco Submerso”, Proceedings of the 15th National Meeting of Technology of the Welding, Belo Horizonte, Brazil. 1999. pp. 02-07. [4] AWS – Welding Handbook. Welding Process. V-2, 8. ed, Ed. R.L. O’Brien., Miami – Fl. 1991. [5] GILAPA, G. M. M.; RICK, D. A.; ZALTRON, J.; VICHINGUERRA, G. Diluição de Elementos de Liga em Chapas de Aço para Peças Agrícolas Expostas ao Desgaste Abrasivo. In: XII Seminário de Iniciação Científica, 2004, Ijuí. XII Seminário de Iniciação Científica. Ijuí: UNIJUÍ, 2004. p. 294-294. [6] GILAPA, G. M. M.; MARTINS, C. D. B.; VICHINGUERRA, G.; ZALTRON, J.; RICK, D. A. Efeito da
Composição Química dos Gases sobre o Revestimento Duro em Chapas de Aço para Peças Agrícolas Expostas ao Desgaste Abrasivo. In: IX Jornada de Pesquisa, 2004, Ijuí. IX Jornada de Pesquisa. Ijuí: Unijuí, 2004. p. 197197. [7] DWIVEDI, D. K. – Abrasive Wear Behaviour of Iron Based Hard Surfacing Alloy Coatings Developed By Welding. In: - Surface Engineering. vol. 20. 2004. 87 –92p. [8] GILAPA, G. M.M., CARVALHO, D. F; STAMM J.G. Parâmetros de Soldagem para a Diluição de Elementos de Liga em Superfícies Expostas ao Desgaste Abrasivo, XXXIII CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem, Caxias do Sul – RS, 2007. [9] COUTINHO, C. Materiais Metálicos para Engenharia. Belo Horizonte: Fundação Christiano Ottoni, 1992. [10] YOSHIDA, S. Seleção de aços e tratamentos térmicos para ferramentas de conformação a frio – Estamparia. Disponível em:
Acesso em: 14/08/2005.
