Processamento térmico de têmpera e partição (T&P) na obtenção de ligas metálicas fundidas de alta resistência mecânica
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Dagoberto Brandão Santos
Paulo César de Matos Rodrigues
Ana Paula Silva
Clênio Silva
Paulo César de Matos Rodrigues
Ana Paula Silva
Clênio Silva
Resumo
Melhorias nos processos e procedimentos da indústria de fundição buscam maximizar as propriedades mecânicas tendo em vista a concorrência entre materiais como aços forjados, ferros fundidos nodulares e ligas de alumínio. Uma linha de pesquisa, desenvolvimento e inovação (PDI) para aços fundidos, também denominada de aços nanoestruturados, é a aplicação de austêmpera em aços projetados para o tratamento isotérmico em baixa temperatura em torno de 200ºC. Para tanto, os aços além de alguns elementos de liga têm carbono em torno de 0,8% em massa. Desta forma, para obter resistência mecânica acima de 1500 MPa, os tratamentos térmicos são muito longos podendo ser necessárias centenas de horas. O processo de têmpera e partição (T&P) tem sido utilizado para aprimoramento de aços de alta resistência, enquadrados na terceira geração, que resulta na combinação de alta resistência sem deterioração significativa da ductilidade. Nesta tese foram desenvolvidas ligas fundidas e tratadas termicamente por T&P para avaliar a influência do tratamento na microestrutura e resistência mecânica. Para tanto foi produzido um aço fundido 0,28%C-1,25%Mn-2.20%Si e um ferro fundido nodular 3,27%C, 2,47%Si, 0,20%Mn ambos com baixos teores de elementos de liga. O aço com baixo carbono visa tratamentos isotérmicos com menores tempos de tratamento. As linhas de pesquisa de aplicação de T&P em aços fundidos e ferro fundido nodular são pouco exploradas. Portanto, buscou-se analisar a aplicação deste tratamento em ferro fundido nodular como alternativa para melhores propriedades mecânicas. Os resultados mostram que a microestrutura do aço tratado com T&P consiste em martensita, bainita e austenita retida. O que resultou em uma melhor combinação de resistência à tração (1647 MPa) e tenacidade ao impacto (27J/cm2). Em comparação com o aço tratado com T&P, o mesmo aço fundido na condição de austemperado, apresentou propriedades mecânicas inferiores: resistência à tração final de 1329 MPa, resistência ao escoamento de 1311 MPa e tenacidade de 7 J/cm2. O tratamento térmico de T&P do ferro fundido nodular foi realizado de duas formas: uma convencional apresentada na literatura, utilizando um forno de resfriamento para etapa de têmpera e outro forno para a etapa de partição. A segunda forma inovadora, utilizando um único forno a banho de sais para o resfriamento e tratamento isotérmico, respectivamente. Esta forma foi denominada como tratamento T&P em rampa. O ferro fundido nodular obtido pelo processamento de T&P apresentou resultados promissores com cerca de 102 nódulos de grafita por mm2. A microestrutura do ferro fundido nodular após o tratamento de T&P consiste em martensita, bainita ferrítica e austenita retida. No processamento de T&P por rampa, obteve-se para as condições de partição a 300 e 375°C, limites de resistência de 1659 e 1757 MPa e limites de escoamento de 1641 e 1722 MPa, respectivamente. No processamento tradicional por dois fornos, foram obtidos para as condições de partição a 300 e 375°C, limites de resistência de 1743 e 1584 MPa, respectivamente. Os valores obtidos são o dobro do especificado em norma para o ferro fundido nodular de maior resistência, porém com alongamento um pouco inferior a 2%. O aumento do limite de resistência em relação ao ADI foi em torno de 10% com superior resistência ao impacto. Os resultados são promissores, mostrando que o processo de T&P é uma alternativa viável na obtenção de nodulares de alta resistência com potencial competitivo em comparação ao ADI.
Abstract
The process in the casting industry is constantly looking for improvements to maximize
mechanical properties in view of competition between materials such as forged steels,
ductile cast irons, and aluminum alloys. One line of research, development, and
innovation (RDI) for cast steels, also called nanostructured steels, is the application of
austempering in steels designed for isothermal treatment at low temperatures around
200ºC. For this, the steels, besides some alloying elements, have carbon around 0.8% in
mass. Thus, to obtain mechanical strength above 1500 MPa, the heat treatments are very
long and may take several hours. The process of quenching and partitioning (Q&P) has
been used for the improvement of high strength steels, belonging to the third generation,
which results in the combination of high strength without significant deterioration of
ductility. In this thesis, cast materials and heat treated by Q&P were developed to evaluate
the influence of the treatment on microstructure and mechanical strength. For this
purpose, a cast steel of 0.28%C-1.25%Mn-2.20%Si and a ductile cast iron of 3.27%C,
2.47%Si, 0.20%Mn were produced both with low alloying element contents. The low
carbon steel aims isothermal treatments with shorter treatment times. The research lines
of application of Q&P in cast steels and nodular cast iron are poorly explored. Therefore,
we thought to analyze the application of this treatment in ductile cast iron as an alternative
for better mechanical properties. The results show that the microstructure of the Q&P
treated steel consists of martensite, bainite and retained austenite. This resulted in a better
combination of tensile strength (1647 MPa) and impact toughness (27J/cm2). Compared
to the Q&P treated steel, the same steel cast in the austempered condition, showed inferior
mechanical properties: ultimate tensile strength of 1329 MPa, yield strength of 1311 MPa
and toughness of 7 J/cm2. The Q&P heat treatment of the nodular cast iron was performed
in two ways: a conventional one presented in the literature, using one cooling furnace for
the quenching step and another furnace for the partitioning step. The second innovative
way, using a single salt bath furnace for cooling and isothermal treatment, respectively.
This form has been termed as ramp T&P treatment. The ductile cast iron obtained by
Q&P processing showed promising results with about 102 graphite nodules per mm2.
The microstructure of nodular cast iron after Q&P treatment consists of martensite,
ferritic bainite, and retained austenite. In ramp Q&P processing, yield strength of 1659
and 1757 MPa and yield strength 1641 and 1722MPa were obtained for the partition
conditions at 300 and 375°C, respectively. In the traditional two oven processing, yield
strength of 1743 and 1584 MPa and tensile strength 1679 and 1486 MPa were obtained
for the partition conditions at 300 and 375°C respectively. The values obtained are twice
the values specified in the standard for higher strength nodular cast iron, but with
elongation a little less than 2%. The increase in the strength limit in relation to ADI was
around 10% with superior impact strength. The results are promising, showing that the
Q&P process is a viable alternative in obtaining high strength ductile cast iron with
competitive potential compared to ADI.
Assunto
Engenharia metalúrgica, Metalurgia física, Aço fundido, Austenita, Ferro fundido nodular
Palavras-chave
Aços fundidos, Ferro fundido nodular, Têmpera e partição, Austenita retida, Ferro fundido austemperado, T&P, ADI
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