Soldagem de Reparo de Aço Ferramenta para Conformação a Frio

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This performed work presents a subject rarely addressed in Brazil, the repair of tool steel for cold forming, in specific AISI D6 tool steel. This steel is the forming die’s constituent material of pressure vessels of the company Schulz S/A. The proposed methodology for the tests was based in studied concepts according to regulatory standards for welding processes, specified books, articles related to, where a consensus among those reasons would set the parameters for steel repair. Experimental tests were done, where some variables had to be taken into account to get the best result and the least cost to the company. Finally results were discussed and due to a restricted analysis, the best repair condition was applied in a cover punching die, whose work is in conformation.

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Soldagem de Reparo de Aço Ferramenta para Conformação a Frio

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS GIOVANA BLAZIZA BORGHISOLDAGEM DE REPARO DE FERRAMENTA EM AÇO D6 PARA CONFORMAÇÃO A FRIO FLORIANÓPOLIS, SC 2010
  2. 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS GIOVANA BLAZIZA BORGHISOLDAGEM DE REPARO DE FERRAMENTA EM AÇO D6 PARA CONFORMAÇÃO A FRIO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito parcial para obtenção do grau de bacharel em Engenharia de Materiais, sob orientação do Professor Dr. Augusto Buschinelli e co-orientação do Professor Dr. Carlos Niño Bohorquez FLORIANÓPOLIS, SC 2010
  3. 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS GIOVANA BLAZIZA BORGHI SOLDAGEM DE REPARO DE FERRAMENTA EM AÇO D6 PARA CONFORMAÇÃO A FRIO Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pela comissão examinadora e pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Professor Fernando Cabral Dylton do Vale Pereira filho Coordenador do Curso Professor disciplinaComissão Examinadora __________________________________ Prof. Dr. Ing Augusto Buschinelli. EMC/UFSC Orientador __________________________________ Prof. Dr. Ing Carlos Enrique Niño Bohorquez EMC/UFSC Co-orientador __________________________________ Prof Dylton do Vale Pereira Filho, M. Sc. EMC/UFSC FLORIANÓPOLIS, SC 2010
  4. 4. FICHA CATALOGRÁFICABorghi, Giovana Blaziza, 1985- Soldagem de Reparo de Ferramenta em Aço D6 Para Conformação a Frio/ GiovanaBlaziza Borghi - 2010 47f.il.col. ; 30cm Ficha Catalográfica: Orientador: Professor Dr. Augusto Buschinelli. Co-orientador: Carlos Niño Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal de SantaCatarina, Curso de Engenharia de Materiais, 2010. 1. Reparo de aço ferramenta. 2. Considerações para soldagem de aço ferramenta. 3.Metodologia Aplicada ao processo de soldagem. I. Buschinelli, Augusto. II. UniversidadeFederal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais.
  5. 5. DEDICATÓRIA À minha mãe, Maria Lúcia Borghi e ao meu noivo, Bruno Silva Guanaes, pelo apoio e companheirismo para que o sonho de ser engenheira se tornasse realidade.
  6. 6. AGRADECIMENTOSÀ empresa Schulz S.A. por acreditar no modelo cooperativo do curso de Engenharia deMateriais, da Universidade Federal de Santa Catarina, proporcionando a oportunidade derealização de estágios curriculares, contribuindo para a formação do aluno.Ao orientador de estágio Paulo Camara de Almeida por todo o companheirismo, paciência,atenção, conhecimento e amizade dedicados a ao Supervisor de Processos Compressores,Cléber Medeiros Rodrigues pela confiança creditada.Aos professores Dr. Berend Snoijer, Dr. Paulo Wendhausen, Dr.Germano Riffel e Dr. PedroNovaes pela dedicação ao curso e aos alunos, pois além de ministrarem aulas contribuemtambém com as visitas durante o período de estágio, ajudando tecnicamente com sugestões dosprojetos realizados e direcionando o aluno sempre procurar uma melhoria contínua.Aos colegas de Setor de Processos Compressores e do setor da Gestão da Qualidade pelapaciência e dedicação com que passaram os conhecimentos, pela disponibilidade em auxiliarpela amizade e carinho que me dedicaram, proporcionando esse período extremamenteagradável.Aos professores Dr. Augusto Buschinelli e ao Dr. Carlos Niño, pela orientação econhecimentos compartilhados.À Professora Dra. Danielle Bond, ao Professor Sandro Jardim e ao Engenheiro Márcio AntonioPaulo pelos conhecimentos e motivação passados.Ao soldador Sirojone Henrique Ouriques pela disponibilidade em contribuir com a prática desoldagem TIG, peça fundamental para êxito deste trabalho.Ao setor de tratamento térmico da Divisão Automotiva, ao Sr. Antonio Heck e aos demaiscolaboradores pelo conhecimento passado e auxílio na execução desse trabalho.Aos colegas de outros setores, tal como Manutenção, Ferramentaria, Laboratório de Produtos,Usinagem Compressores, Laboratório Metalúrgico, SAC, às linhas de montagem dos
  7. 7. compressores alternativos e rotativos e especialmente à equipe de soldadores dos vasos depressão pelos conhecimentos passados e pela prontidão em auxiliar-me.Às amigas de estágio Vanessa Rocha e Patrícia Monich pelo companheirismo e amizadededicados.À Juliana Mokwa, Daniela Tagata e Priscila Gonçalves, parceiras e amigas de convivênciadiária, o que tornou esse período extremamente agradável.Ao meu noivo Bruno Guanaes e a minha família pelo carinho, apoio, paciência e amizadededicados durante esse trajeto.E principalmente a Deus por iluminar o meu caminho sempre.
  8. 8. EPÍGRAFE“Quem quiser ser líder deve ser primeiro servidor. Se você quiser liderar, deve servir”.- JESUS CRISTO
  9. 9. RESUMOEste trabalho trata de um assunto pouco abordado no Brasil, o reparo de aço ferramenta paraconformação a frio, em específico o aço ferramenta AISI D6. Esse aço é o material constituintedas matrizes de repuxo e furação dos tampos dos vasos de pressão da empresa Schulz S/A. Ametodologia utilizada para os testes foi baseada em conceitos estudados de acordo com normasreguladoras de processos de soldagem, livros específicos, artigos relacionados ao tema, onde umconsenso entre esses fundamentos poderiam estabelecer os parâmetros para reparo desse aço.Experimentalmente testes foram feitos, onde algumas variáveis tiveram que ser levadas em contapara que se atingisse um resultado e de menor custo para a empresa. Finalmente são discutidosos resultados e devido a uma análise restrita, a melhor condição de reparo foi aplicada em umamatriz de furação dos tampos, cuja está em trabalho de conformação.Palavras-chaves: Reparo de aço ferramenta, Aço AISI D6, conformação a frio, matrizes derepuxo e furação dos tampos, vasos de pressão.
  10. 10. ABSTRACTThis performed work presents a subject rarely addressed in Brazil, the repair of tool steel forcold forming, in specific AISI D6 tool steel. This steel is the forming die’s constituent materialof pressure vessels of the company Schulz S/A. The proposed methodology for the tests wasbased in studied concepts according to regulatory standards for welding processes, specifiedbooks, articles related to, where a consensus among those reasons would set the parametersfor steel repair. Experimental tests were done, where some variables had to be taken intoaccount to get the best result and the least cost to the company. Finally results were discussedand due to a restricted analysis, the best repair condition was applied in a cover punching die,whose work is in conformation.Key-words: Tool steel repair, steel AISI D6, cold forming, cover punching die, pressurevessels
  11. 11. LISTA DE ILUSTRAÇÕESFigura 1 – Compressor Alternativo produzido pela Schulz S/A................................................2Figura 2 – Influência do percentual de carbono na dureza máxima de um aço temperado.......6Figura 3 – Relação Dureza x Temperatura de Revenimento ..................................................10Figura 4 – Diagrama de transformação no resfriamento contínuo do aço K107 daBoehler......................................................................................................................................16Figura 5 – Identificação das regiões de soldagem...................................................................21Figura 6 – Região soldada para análise de dureza do revestimento duro ...............................21Figura 7 – Região com aumento mostra o canto vivo, onde foi o início da trinca..................22Figura 8 – Foto do ensaio por líquido penetrante....................................................................23Figura 9 –Presença de rechupes de cratera no final dos cordões de solda ..............................24Figura 10 – Foto do corpo de prova “A”. ................................................................................27Figura 11 – Ensaio de líquido penetrante no CP “B” ..............................................................27Figura 12 – Ensaio de LP no CP “C”.......................................................................................28Figura 13 – Diagrama de transformação de resfriamento contínuo do aço D6.......................28Figura 14 – Matriz de furação dos tampos na condição danificada.........................................30Figura 15 – Ensaio por LP realizado na parte externa da matriz e parte interna,respectivamente.........................................................................................................................31
  12. 12. LISTA DE TABELASTabela 1 – Classificação dos aços ferramenta de acordo com AISI ...........................................5Tabela 2 – Temperatura de tratamento térmico e durezas de aços ferramenta para trabalho afrio ................................................................................................................................................8Tabela 3 – Composição Química do AISI / SAE D6...................................................................9Tabela 4 – Descrição dos consumíveis utilizados nos testes ....................................................20Tabela 5 – Variação daCorrente................................................................................................22Tabela 6 – Variáveis para soldagem dos corpos de prova “A”, “B” e “C”...............................25Tabela 7 – Cálculo do custo médio para reparo da matriz de furação dos tampos....................31
  13. 13. SUMÁRIO1 OBJETIVOS........................................................................................................................1 1.1. Objetivo Geral...................................................................................................................1 1.2. Objetivos Específicos .......................................................................................................12 INTRODUÇÃO .................................................................................................................23 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA......................................................................................5 3.1. O AÇO FERRAMENTA .................................................................................................5 3.1.1. Características fundamentais dos aços ferramenta................................................5 3.1.2. Aço Ferramenta para trabalho a Frio.....................................................................6 3.1.3. O Aço Ferramenta AISI / SAE D6 (DIN 1.2438 ou VC131)................................9 3.2. CONSIDERAÇÕES GERAIS PARA SOLDAGEM DO AÇO FERRAMENTA ........11 3.2.1. Efeitos produzidos durante a soldagem...............................................................12 3.2.2. Operação de soldagem do aço ferramenta...........................................................14 3.3. TÉCNICAS DE REPARO DE AÇO FERRAMENTA..................................................15 3.3.1.Método da dupla camada......................................................................................17 3.3.2.Soldagem acima da temperatura MS....................................................................18 3.3.3. Preparação dajunta.............................................................................................194. MÉTODO APLICADO AO PROCESSO DE REPARO DOS AÇOSFERRAMENTA........................................................................................................................19. 4.1. Pré-teste de soldagem....................................................................................................20 4.2. Método de soldagem acima de MS...............................................................................25 4.3. Aplicação do método utilizado no CP “B”....................................................................305. CONCLUSÃO......................................................................................................................326. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................33
  14. 14. 151. OBJETIVOS1.1. OBJETIVO GERALO objetivo do presente trabalho é estudar as condições ideais para reparo de matrizes em açoferramenta utilizado para conformação a frio dos tampos dos reservatórios dos compressoresfabricados pela empresa Schulz S.A.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS i. Identificar qual condição é menos crítica para retrabalho desse aço ferramenta. ii. Verificar se é possível o aproveitamento e retrabalho de matrizes de aço ferramenta, visto que se aprovado o reparo, haverá redução significativa no custo dos compressores. iii. Qualificação e elaboração de procedimento de recuperação desse aço ferramenta AISI / SAE D6.
  15. 15. 162. INTRODUÇÃOA empresa Schulz S/A divisão compressores fabrica alguns dos componentes para a fabricaçãodos compressores de ar da empresa Schulz S/A. Esses componentes exigem alto rigor dequalidade e envolvem muitas variáveis no processo de fabricação e montagem, e, por motivosde garantia da qualidade e segurança do produto, são fabricados internamente, o que reduzconsideravelmente o custo do produto final. Um desses subprodutos são os reservatórios de arcomprimido, ou seja, os vasos de pressão para armazenamento do ar que é comprimido pelaunidade compressora. A figura 1 ilustra um compressor de ar. Figura 1: Compressor alternativo produzido pela Schulz S/A. O número 1 indica a unidade compressora e o número 2 indica o vaso de pressão, reservatório de ar comprimido. [1]A unidade compressora fica na parte superior do reservatório, indicado pelo número 1 na figura1. Por meio de uma serpentina de cobre, o gás é transportado para o vaso de pressão, indicadopelo número 2.No processo de fabricação dos vasos de pressão são requeridas normas que regularizam omesmo, para que o nível de segurança do produto final seja elevado, evitando prejuízosposteriores. Na empresa, este processo segue alguns passos como corte da chapa no tamanhoespecificado por um documento denominado de plano de corte, conformação dos cilindros etampos, depois união deles por soldagem.Os tampos sofrem um processo de repuxo para ser obtido o formato final. Essa operaçãoenvolve uma matriz com formato e tamanhos pré-definidos para cada tipo de reservatório. O
  16. 16. 17processo de repuxo é um processo de conformação que é realizado a frio e, portanto, a matriz éfabricada em aço ferramenta para trabalho a frio. Na Schulz, o aço escolhido para a matriz é oAISI D6, denominado de VC 131 pelo fabricante Villares, aço equivalente ao CrW12conforme DIN X210. Esse aço é considerado indeformável, porém durante o ciclo de vida daferramenta, por fatores adversos como alteração da força de trabalho e/ou utilização incorretada ferramenta pode vir a fraturar ou desgastar prematuramente em regiões indesejadas.Esse desgaste prematuro da ferramenta pode surgir por vários motivos ocasionados pelofornecedor da ferramenta ou pela utilização incorreta pela empresa, como por exemplo,tratamento térmico inadequado, alterando a dureza e resistência ao desgaste ou ainda polimentoda matriz inadequado, obtendo-se assim uma rugosidade fora do especificado. Situações comoutilização inadequada podem ser do tipo manutenção periódica não realizada, polimento damatriz mal executado, ou ainda o operador da ferramenta não utilizar o óleo lubrificantecorretamente, o que pode até gerar soldagem por atrito entre a matriz e o disco a serconformado. Situações piores podem ocorrer, ou seja, caso seja esquecido alguma peça dentroda matriz, como uma chave de fenda ou algo parecido que no momento da estampagemdanifica a ferramenta.A fratura de região de trabalho é o motivo de estudo do presente trabalho, visto que na empresaSchulz S/A existe um considerável refugo de matrizes utilizadas para repuxo dos tampos, bemcomo as destinadas à furação dos mesmos. Essas matrizes encontram-se em diferentessituações, desde desgaste natural da ferramenta, devido ao uso da mesma, até situações em quea fratura apresentada na ferramenta torna inviável o retrabalho.Essas matrizes variam de tamanhos e valores, onde podem custar desde R$300,00 atéR$70.000,00. A recuperação dessas matrizes por soldagem pode reduzir muito o custo defabricação do produto, pois o desgaste dessas ferramentas está incluído indiretamente no custode produção. Outro detalhe a ser levado em conta é que este reaproveitamento gera benefíciosao meio ambiente, pois reduz a quantidade de matrizes adquiridas, consumindo menos matéria-prima, reduzindo a quantidade de minérios retirados do solo.Este método de recuperação envolve muitas variáveis a serem levadas em conta, pois pelo açoda matriz ser um tipo específico de aço ferramenta, destinado a trabalho a frio, o mesmo sofreum ciclo de tratamento térmico para ter as propriedades que sejam adequadas às condições de
  17. 17. 18trabalho. Os aços das matrizes apresentam-se no estado temperado e revenido, o que eleva ograu de dificuldade para o retrabalho, aumentando os cuidados a serem tomados para tentarminimizar os defeitos.Este estudo de reparo de matrizes está em fase de estudo e desenvolvimento e terá continuidadedentro da empresa.
  18. 18. 193. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA3.1. O AÇO FERRAMENTAOs aços ferramenta representam um importante segmento da produção siderúrgica de açosespeciais. Estes aços são produzidos e processados para atingir um elevado padrão dequalidade e são utilizados principalmente em: matrizes, moldes, ferramentas de corteintermitente e contínuo, ferramentas de conformação de chapas, corte a frio, componentes demáquina, etc. Apesar de existirem mais de 100 tipos de aços ferramenta normalizadosinternacionalmente, procurando atingir as mais diversas aplicações e solicitações, a indústria deferramentaria trabalha com uma gama reduzida de aços que possuem suas propriedades edesempenho consagrados ao longo do tempo.Os aços ferramenta são classificados de acordo com suas características metalúrgicas principaisou de acordo com seu nicho de aplicação. A classificação da "American Iron and SteelInstitute", AISI, é a mais utilizada pela indústria de ferramenta e tem se mostrado útil para aseleção de aços ferramenta. A classificação de acordo com a AISI é informada de acordo comtabela 1. [2] Aço ferramenta temperáveis em água W Aço ferramenta resistentes ao choque S Aço ferramenta para trabalho a frio temperáveis em óleo O Aço ferramenta para trabalho a frio D Aço ferramenta para trabalho a quente H Aço ferramenta para Moldes P Aço rápido ao molibdênio M Tabela 1: Classificação de aços ferramenta de acordo com AISI. [2]3.1.1. Características Fundamentais dos Aços FerramentasOs aços ferramentas apresentam algumas características que são fundamentais para suasposteriores aplicações, tais como dureza à temperatura ambiente, resistência ao desgaste,temperabilidade, tenacidade, resistência mecânica, dureza a quente, usinabilidade.Aços ferramenta geralmente contém pelo menos 0,6% C para proporcionar a capacidade deendurecimento da martensita de pelo menos 60 HRC, conforme figura 2.. Carbono em excessona composição eutetóide estará presente nos aços como carbetos, não dissolvidos na estrutura
  19. 19. 20martensítica. Os carbetos duros aumentam a resistência à abrasão destes aços. Alguns tipos deaços ferramentas contem menos carbono para proporcionar tenacidade e resistência ao choque.[3] Figura 2: Influencia do percentual de carbono na dureza máxima de um aço temperado [3]3.1.2. Aço ferramenta para trabalho a frio.As matrizes de repuxo e matrizes de furação dos tampos dos reservatórios são ferramentas paratrabalho a frio. Os aços dessa família são aqueles que contém elevada quantidade de carbono ecromo como elemento de liga, sendo também conhecidos como aço ledeburíticos. Dentrodestes aços, os mais populares são o D2 e D6.Estes aços são caracterizados por uma elevada temperabilidade e por atingirem uma elevadadureza após o beneficiamento, na faixa de 58 a 62 HRC.Devido à grande quantidade de elementos de liga presentes neste aço, este possui grandetemperabilidade, visto que a adição de elementos de liga faz deslocar as curvas TTT para adireita, aumentando assim o tempo de incubação da austenita e retardando os processos detransformação. Com efeito, devido ao elevado teor de Cr e C estes aços temperam até aonúcleo, pois apresentam baixa velocidade crítica de arrefecimento, o que permite até umatêmpera ao ar. Por isso estes tipos de aço são conhecidos por auto-temperantes. Como atêmpera ao ar é permitida, este aço pode ser utilizado no fabrico de ferramentas com contornosdelicados e com diferenças de secção apreciáveis. [4]Também são chamados de indeformáveis, porque são os menos sujeitos a alteração de forma edimensões durante o tratamento térmico devido ao fato de serem temperados em óleo ou ar, oque favorece essa indeformabilidade. Por esse motivo são indicados para aplicações queexigem cuidadoso controle dimensional, como matrizes para trabalho a frio (forjamento,
  20. 20. 21estampagem, corte, compactação de pós metálicos, etc.) e ferramentas como brocas,alargadores e peças como punções, calibres, etc. [4]Existem quatro grupos principais de aços ferramentas que são: os temperáveis em óleo, ao ar,aço de alto cromo e alto carbono e os aços resistentes ao desgaste. [4]Os temperáveis em óleo apresentam profundidade de endurecimento média. A sua dureza aquente é baixa, de modo que não se recomenda seu uso em trabalho a quente. Desse modo, oaço mais empregado é o tipo 410, porque suas condições de tratamento térmico são muitofavoráveis e porque apresenta razoável endurecibilidade para aplicação em ferramentas dedimensões não muito grandes. Não tem tendência de apresentar crescimento de grão emeventual super aquecimento. Alguns exemplos típicos de aplicações de aços pertencentes àclasse temperáveis em óleo são: machos de tarraxa, alargadores, brochas, fresas helicoidais,brocas, serras circulares, matrizes de recorte, calibres, punções, ferramentas de brunimento,ferramentas para recartilhar, pequenas laminas de tesoura, matrizes para cunhagem, matrizesde rebarba a frio, moldes para plásticos, matrizes de estiramento, etc. [4]O grupo de aços para trabalho a frio temperáveis ao ar (tipo 420 a 429) apresenta grandeprofundidade de endurecimento. Por isso, o empenamento é mínimo na operação de tempera,de modo que os aços pertencentes a esse grupo são recomendados para matrizes de formacomplexa que devem manter o mais possível suas dimensões originais após a têmpera. Aresistência ao desgaste é muito elevada e a combinação dessa característica com tenacidadeigualmente elevada os torna recomendados na fabricação de punções, matrizes de estiramento,matrizes de recorte, matrizes de estampagem e alguns tipos de lâmina de tesoura. [4]As temperaturas de tempera dos aços resfriado ao ar são maiores que no caso de temperáveisem óleo. Esses aços são mais suscetíveis à descarbonetação que os temperáveis em óleo,sobretudo quando a temperatura de tempera é muito elevada. [4]O grupo de alto carbono e alto cromo (tipos 430 a 436) apresenta grande profundidade deendurecimento, o que permite sua tempera em óleo ou, na maioria dos tipos, ao ar. A presençade numerosos carbonetos duros de cromo, associada a características notáveis deindeformabilidade tornam esses aços muito úteis para a fabricação de matrizes. O alto cromo
  21. 21. 22 presente torna esses aços mais resistentes à corrosão que os aços simplesmente ao carbono ou com baixo teor de elementos de liga. [4] O grupo de aços ferramentas para trabalho a frio resistentes ao desgaste (tipos 440 a 449) apresenta uma resistência muito pronunciada devido aos altos teores de carbono e vanádio que apresentam. O carboneto de vanádio é extremamente duro e difícil de dissolver-se na austenita. Desse modo, os aços dessa classe são empregados quando as condições de serviço são de abrasão intensa ou quando se visa uma produção em grande série. Entre as aplicações mais importantes podem ser citadas matrizes de estampagem profunda, matrizes de extrusão de peças cerâmicas, revestimento de equipamento de areia. [4] A tabela 2 mostra um comparativo das classes de aço ferramenta para trabalho a frio onde correlaciona cada classe com sua respectiva dureza de acordo com cada temperatura de tratamento térmico. Dureza Temperatura de tratamento térmico (ºC) superficial noTipo AISI Recozimento Meio de estado temperado Têmpera (ºC) Revenido (ºc) (ºC) resfriamento HRC410 O1 61 a 64 760 / 788 788 / 815 óleo 149 / 260420 A2 63 a 35 843 / 871 927 / 982 ar 177 / 538433 D6 64 a 66 871 / 899 927 / 954 óleo 204 / 538440 A7 64 a 66 871 / 899 927 / 982 ar 149 / 538 Tabela 2: Temperaturas de tratamento térmico e durezas de aços ferramenta para trabalho a frio. [4] 3.1.3. O Aço Ferramenta AISI / SAE D6 (DIN 1.2438 ou VC131) O aço ferramenta AISI / SAE D6 (DIN 1.2438 ou ainda Villares VC131) é um aço ligado com teor de 2,1% de C e 12% de Cr. Este aço é indicado para trabalho a frio com alto grau de indeformabilidade. Apresenta alta temperabilidade, alta resistência mecânica e boa tenacidade.
  22. 22. 23As adições de tungstênio e vanádio conferem a este aço uma alta resistência ao desgaste e boaretenção de corte.O D6 pode ser designado de ledeburítico, ou seja, aços que possuem uma melhorhomogeneidade microestrutural, menor tamanho e distribuição de partículas de segunda fase esão fabricados com melhorias nos processos de refino. Apresentam tenacidade superior aosaços tradicionais, resistência ao desgaste, dureza em torno de 62 HRC e menor distorção apóstratamento térmico. [5]A composição química média segue conforme informado na tabela 3. %C %Si %Mn %Cr %Mo %W %V (Max) 2,1 0,4 0,8 12,5 - 0,7 1,0 Tabela 3: Composição química do AISI / SAE D6 [6]De acordo com informações pass ada pelo fabricante Bohler [6], este aço deve sertemperado à temperatura entre 950 e 970 °C, resfriado com agitação em óleo apropriado, eaquecido entre 40 e 70 °C, ou ainda em banho de sal fundido, mantido entre 500 e 550 °C ouainda ao ar calmo.Pode ser temperado em forno a vácuo desde que utilizadas elevadas pressões de resfriamento(acima de 5 bar). Neste caso, a penetração de têmpera está atrelada a uma correta montagem dacarga e a valores limites de seções transversais. [6]As ferramentas devem ser revenidas imediatamente após a têmpera, tão logo atinjam 60 ºC.Fazer, no mínimo, 2 revenimentos e entre cada um as peças devem resfriar lentamente até atemperatura ambiente. As temperaturas de revenimento devem ser escolhidas, conforme adureza desejada conforme figura 3. O tempo de cada revenimento deve ser, de no mínimo, 2horas. Para peças maiores que 70 mm, deve-se calcular o tempo em função de sua dimensão.Considerar 1 hora para cada 25,4mm (1 polegada) de espessura. A temperatura de revenimentoresultará em durezas diferentes, ou seja, quanto menor for a temperatura de revenimento, maiorserá a dureza, conforme descrito na figura 3.
  23. 23. 24 Figura 3: Relação Dureza x Temperatura de Revenimento. [7]O revenimento elimina a maioria dos inconvenientes produzidos pela têmpera, além de aliviarou remover tensões internas, corrige as excessivas dureza e fragilidade do material,aumentando sua ductilidade e resistência ao choque. O aquecimento da martensita permite areversão do reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado, produz reajustamentosinterno que aliviam as tensões e além disso, uma precipitação de partículas de carbonetos quecrescem e se aglomeram, de acordo com a temperatura e tempo. [4]Os aços ferramenta com elevada dureza e estrutura martensítica apresentam uma soldabilidadebem peculiar, sendo que alguns cuidados devem ser levados em conta para se evitar problemascomo trinca a frio, trinca a quente, estresse térmico ou ainda endurecimento mediante choquetérmico. No caso do presente estudo, como será realizada uma soldagem utilizando o processode amanteigamento com inox austenítico, tem-se ainda que cuidar com parâmetros para evitarproblemas como precipitação de carbonetos de cromo e a presença de ferrita e fase sigma.O alto percentual de carbono presente no D6 (em torno de 2%) pode gerar a migração decarbono da ZAC para o metal de solda, o que produziria uma região descarbonizada, de menorresistência mecânica e resistência à abrasão. Assim o processo de amanteigamento com o açoinox austenítico evita que, durante a soldagem, ocorra essa descarbonetação e ainda absorva astensões de contração gerada pelo resfriamento do revestimento duro. [8]3.2. CONSIDERAÇÕES GERAIS PARA SOLDAGEM DO AÇO FERRAMENTA
  24. 24. 25O reparo dos aços ferramenta através de processo de soldagem envolve muitas variáveis, talcomo o processo a ser utilizado, tipo de eletrodo consumível ou não consumível, temperaturade soldagem, temperatura de pré e pós-aquecimento, etc. O estado de fadiga do material temque ser levado em conta, pois uma matriz que passou por muitas horas de trabalho encontra-seno estado tensionado, algumas vezes até mais do que na condição temperada. Assim o pré-aquecimento para soldagem pode levar à fratura da matriz.Para retrabalho de aços ferramentas o processo TIG (GTAW) é utilizado com maiorfreqüência, porque permite a deposição de pequenas cordões de solda sem respingos, de talforma a obter moldes e ferramentas de geometrias complexas. Processos e procedimentosespeciais de soldagem são usados quando há a presença de pequenas tolerâncias e envolvemferramentas de alto custo [9]A qualidade requerida da solda não está somente relacionada com as propriedades mecânicasadequadas, mas também com a solda e o comportamento da zona afetada pelo calor (ZAC).Para soldagem de um aço ferramenta alguns cuidados devem ser levados em conta, como: - a maioria dos aços ferramentas devem ser reparados na condição temperado erevenido, pois se encontram nesta condição para conformação a frio; - devem ser pré-aquecidos antes da soldagem; - se o metal base estiver temperado, mas não revenido, revenir antes de soldar; - o pré-aquecimento de aços temperados não deve exceder a temperatura de revenido.A razão básica para a soldagem de aço ferramenta ser realizada em temperaturas elevadasderiva da alta temperabilidade e da sensibilidade a trinca em soldas de aço ferramenta. Quandose solda um aço à temperatura ambiente, causa um rápido resfriamento do metal de solda e dazona termicamente afetada entre passes, resultando transformações da estrutura para martensitafrágil, elevando o risco de trincas. Trincas formadas na soldas podem propagar para o interiorda ferramenta, levando à ruptura. Assim, o aço ferramenta deve, durante a soldagem, sermantido de 50 a 100 ºC abaixo da MS (temperatura de formação da martensita) para o aço emquestão. [10]Uma consideração a ser feita quando se trata de retrabalho de aço ferramenta, justamentequando a peça em questão é bastante solicitada, é que não se deve soldar o metal duro
  25. 25. 26diretamente no aço ferramenta, ou seja, deve-se fazer um amanteigamento destes materiais.[11]O objetivo desta operação é para que toda a tensão do material de base e do material de adição(revestimento duro) será absorvida e suportada pelo material do amanteigamento, material oqual é desenvolvido e especificado para almofada de revestimento duro devido a sua altíssimaresistência á tração e escoamento. Um material indicado para esse tipo de solicitação é o AWSER312, um aço inox austenítico. A seguir alguns cuidados a serem relevados para tentarminimizar os efeitos produzidos pelo calor. [11]3.2.1. Efeitos produzidos durante a soldagemOs cuidados necessários à soldagem de um aço ferramenta devem ser respeitados. Casocontrário, alguns efeitos indesejáveis podem ocorrer danificando a solda e conseqüentemente otrabalho desenvolvido. Descreve-se a seguir algumas conseqüências de uma soldagem nãocontrolada.3.2.1.1. Endurecimento mediante choque térmicoO resfriamento rápido da zona de alta temperatura do metal base próximo a solda endurece azona por choque térmico. A dureza da zona termicamente afetada depende primeiramente dopercentual de carbono contido no aço. Outros elementos podem aumentar a dureza dessaregião, mas o primeiro efeito destes elementos é prevenir a transformação da austenita em altatemperatura e então promover a dureza da peça até o núcleo. [3]Esta é uma explicação para a trinca que surge embaixo do cordão de solda estar diretamenteligada à dureza, porque esta trinca sempre é encontrada nessas zonas de alta dureza. Isto temmostrado que outros fatores além de dureza podem provocar a trinca embaixo do cordão desolda. Quando estiver livre de trincas, o principal resultado da ZAC endurecida é que aumentaa dificuldade durante o processo de usinagem. Sendo assim, a maioria dos aços soldados são,em geral, tratados termicamente, recebendo um alivio de tensões após o procedimento desoldagem. Isto diminui a dureza da zona termicamente afetada. [3]3.2.1.2. Gradiente Térmico
  26. 26. 27O rápido aquecimento e resfriamento da solda podem produzir alto estresse térmico. Algumasvezes esse estresse não causa danos ao aço e pode ser eliminado através de um tratamentotérmico após a soldagem. Mas esse estresse às vezes é alto ao ponto de causar trincas a quenteou distorções permanentes, ou podem ainda propagar trincas a frio. [3]3.2.1.3. Trinca a quente (micro trincas)Trincas a quente ocorrem enquanto o metal base afetado pelo calor ou a solidificação do metalde solda está ainda em alta temperatura tal que não pode suportar, ainda que relativamentebaixa, tensões internas. Trincas a quente são mais fáceis de ocorrer no metal de solda do que nometal base, razão pela qual a temperatura do metal de solda é maior do que o metal base. [3]3.2.1.4. Trinca a FrioA trinca a frio é um modo de fissuração que acontece próximo à temperatura ambiente, sendomais comumente observada na ZAC (zona afetada pelo calor). O hidrogênio é introduzido napoça de fusão através da umidade ou do hidrogênio contidos nos compostos dos fluxos ou nassuperfícies dos arames ou do metal de base, resultando em que quando a poça de fusão e ocordão de solda já estiverem solidificados, tornam-se um reservatório de hidrogênio dissolvido.[12]A solução sólida de Fe-C (principalmente) com hidrogênio dissolvido, caracterizada pelaestrutura austenítica, ferro γ (gama), tem reticulado cúbico de face centrada (CFC), reticuladoque pode manter o hidrogênio em solução. Durante a solidificação, ocorrem transformaçõesalotrópicas correspondente a um desprendimento de calor latente de fusão, e a solubilidade dohidrogênio no ferro gama é diminuída, até que o reticulado CFC tenda ao estado de menorenergia, transformando-se em cúbico de corpo centrado (CCC). Esse reticulado tende aexpulsar o átomo de hidrogênio para fora da célula unitária e caso esse resfriamento seja muitorápido, não há tempo de o hidrogênio ser expulso para fora do metal fundido, ficandoaprisionado naquela região.Numa poça de fusão de aço o hidrogênio se difunde do cordão de solda para as regiõesadjacentes da ZAC, que foram suficientemente aquecidas para formar austenita. O hidrogênioretido nessa região adjacente ao cordão de solda pode causar a fissuração, gerando a trinca afrio.
  27. 27. 28Se o metal base for devidamente aquecido e homogeneizado à temperatura adequada, as trincasa frio podem ser evitadas.3.2.2. Operação de soldagem do aço ferramenta.Os efeitos citados no item 3.2.1 podem ser minimizados e controlados se alguns procedimentosforem devidamente selecionados e seguidos de acordo com cada tipo de aço ferramenta. Segueabaixo uma descrição de parâmetros que devem ser controlados e acompanhados para que oresultado final seja uma solda com as propriedades desejadas.3.2.2.1. Pré-aquecimentoO melhor jeito de minimizar possíveis problemas de trinca a frio e deformação permanente éaquecer a peça a taxas muito lentas, e resfriar em baixas taxas também a região soldada e aZAC. Isto é feito selecionando cuidadosamente a temperatura de pré-aquecimento,temperaturas de interpasses e temperaturas de tratamento térmico pós-soldagem.Dois tipos de pré-aquecimento são usados, o generalizado, ou seja, a peça é colocada em umforno ou aquecida com o auxílio de um maçarico, ou o pré-aquecimento localizado, ondesomente uma seção em torno da solda é aquecida.Em casos especiais, estritamente controlados, os ciclos (rampas de aquecimento eresfriamento) e as temperaturas são controladas por mantas aquecidas eletricamente e portermopares.Outro fator importante para a seleção da temperatura é o tamanho do defeito em relação àespessura do aço. Uma pequena solda resfria mais rapidamente do que uma de maior tamanho.Assim, a solda por pontos em um aço sensível à trinca a frio pode ter um procedimentoperigoso.Quando se pré aquece um aço ferramenta endurecido, a temperatura não deve exceder atemperatura de revenido usada anteriormente. Aquecendo à temperaturas maiores que estas irásobrerevenir e “amaciar” a ferramenta. A temperatura de pré-aquecimento deve ser a maisbaixa da faixa recomendada para o revenimento. [13]3.2.2.2. Temperatura de interpasse
  28. 28. 29A temperatura de interpasse - temperatura entre os passes de solda - deve ser considerada aolongo do pré-aquecimento. Para manter as condições prescritas e desenvolvidas para o pré-aquecimento, a temperatura de interpasse nunca deve ser abaixo a temperatura de pré-aquecimento. A temperatura de interpasse pode seguramente exceder a de pré-aquecimento nafaixa de 30 a 90 ºC, dependendo o aço. [13]3.2.2.3. MartelamentoDistorções algumas vezes são minimizadas por martelamento da solda. Um martelamentopesado após cada passe reduz as distorções por deformação do metal soldado, estecontrabalanceando a contração natural do metal. Entretanto, o martelamento deve sercuidadosamente controlado, porque um martelamento muito forte pode causar trinca no metal.O percentual permissível deste martelamento depende da massa da ferramenta, onde altosmartelamentos são favoráveis a peças de alta massa. O martelamento sempre deve ser feitoenquanto o metal está quente. [13]3.2.2.4. Pós-aquecimentoA maioria dos aços podem ser resfriados à temperatura ambiente em ar calmo após a soldagem,mas os aços de alta liga, cujos são mais susceptíveis a trincas, devem ser resfriadosgradualmente, desde a temperatura de soldagem para assegurar que o resultado seja obtidocom êxito. [13]3.3. TÉCNICAS DE REPARO DO AÇO FERRAMENTAAs técnicas de reparo de um aço ferramenta, no estado temperado e revenido, como no casodas matrizes para repuxo e furação dos tampos, envolvem alguns cuidados a serem tomados deacordo com cada processo de retrabalho. Ao soldar sobre o aço D6 temperado e revenido,ocorre na ZAC (zona afetada pelo calor), próxima à linha de fusão, uma nova têmpera domaterial. A martensita formada, com alto teor de carbono é extremamente frágil e, portanto, hágrande susceptibilidade ao desenvolvimento de trincas a frio (induzidas pelo hidrogênio). Porisso não é recomendado, neste caso, o uso de material de adição similar ao metal de base.
  29. 29. 30Em vez disso, como material de adição seria mais recomendado usar um material austenítico(aço inox ou ligas de níquel), que funcione como um sumidouro/armadilha (em espanhol“trampa”) para o hidrogênio, de modo a evitar sua difusão para dentro da ZAC frágil.Como o aço da ferramenta tem alto teor de C (em torno de 2 %), a migração de carbono daZAC para o metal de solda produziria na ZAC grosseira uma região descarburizada, de menorresistência mecânica e resistência à abrasão.Dois métodos de soldagem são sugeridos, o método de soldagem por dupla camada e o métodode soldagem com o pré-aquecimento acima de MS (temperatura de formação da martensita). AMS do aço D6 é próximo à 200 ºC, conforme descrito na figura 4. Figura 4 - Diagrama de transformação no resfriamento continuo do aço K107 da Boehler.[6]A martensita é uma microestrutura que provém de um rápido resfriamento da austenita (CFC)onde o resfriamento é tão rápido que não há tempo de ocorrer a transformação difusional –austenita em ferrita (CCC) e cementita, ocorrendo o cisalhamento dos planos cristalinos queforma uma estrutura tetragonal com altos níveis de tensões internas. Os valores de durezadependem diretamente do teor de carbono que se apresentava dissolvido na austenita antes datransformação, isto porque o carbono é o átomo intersticial que permanece “aprisionado” nomeio da rede cristalina, aumentando o tensionamento da rede quanto mais átomos estiverempresentes. [14]
  30. 30. 31Para aplicação de aços ferramenta, a estrutura martensítica normalmente é revenida, onde aestrutura martensítica é elevada à altas temperaturas para que o carbono possa precipitar e sairda rede cristalina, diminuindo o tensionamento interno do material. Quanto mais alta atemperatura de revenimento, menor será a dureza final, pois mais carbonos terão precipitado.[14]Devido à estrutura martensítica este aço escoa em elevadas tensões por apresentar a relaçãoLE/LR (tensão limite de escoamento / tensão limite de resistência) superior a 0,9. Isto significaque antes de escoar o material atinge tensões muito altas (ainda no regime elástico). O nível detensões residuais do material é da ordem do limite de escoamento do material, e no caso do açoD6, o limite de escoamento é muito próximo do limite de resistência, isso significa quequalquer tensionamento externo aplicado rapidamente eleva o nível de tensões atuante acimado limite de resistência e o material trinca. Por isso o aço de estrutura martensítica deve sofreralívio de tensões após a soldagem. [14]Serão considerados dois métodos para a soldagem. Um método será a dupla camada, onde seráfeito um amanteigamento com o arame de aço inox AWS ER 312 e em seguida será depositadoo revestimento duro. O outro método será soldar acima da temperatura MS, com o mesmoamanteigamento e o mesmo revestimento duro [15]3.3.1.Método da dupla camada.A técnica da dupla camada foi inicialmente desenvolvida nos anos 1960 para evitar as trincasde reaquecimento na ZAC que ocorriam após a execução de tratamento térmico pós soldagem(TTPS). Esta técnica utiliza um método controlado de deposição, de modo que a segundacamada promova o refino e a redução de dureza da ZAC gerada pela primeira camada de solda.A sua eficácia depende da correta relação de energias entre os vários passes de solda e, aindamais, das condições de soldagem determinadas para os materiais de base e de adiçãoespecíficos. [15]Os parâmetros mais importantes para conseguir o refino e revenido são a altura média doreforço da primeira camada, a profundidade da região de grãos grosseiros da primeira camada,e a penetração das isotermas da segunda camada de solda. Esses valores e sua relação com as
  31. 31. 32condições de soldagem são estimados a partir de medidas realizadas em depósitos simplesrepresentativos de cada camada. [15]Para realizar o processo de soldagem por dupla camada alguns cuidados têm que ser levadosem conta como depositar a primeira camada com a menor energia de soldagem, suficiente parafundir o metal base com o objetivo de gerar uma ZAC mais estreita e, ao mesmo tempo,permitir uma maior sobreposição entre os cordões de cada camada e maior sobreposição entreas camadas. Assim, deve ser usada uma corrente apenas suficiente para fundir o metal de basee permitir a deposição de material da vareta. Assim, sucessivamente, deve-se aumentar aamperagem para produzir o revenido do passe anterior.A energia de soldagem é proporcional à corrente e inversamente proporcional à velocidade desoldagem. Portanto, é vantajoso fazer a soldagem com velocidade relativamente grande,embora isto, por outro lado, possa promover a formação de trincas de solidificação no metaldepositado com liga de níquel.Para que o calor das várias camadas depositadas possa promover o revenido da ZAC produzidapela primeira camada é necessário que a ZAC atinja uma temperatura inferior a MS(temperatura de formação da martensita) em pelo menos 100 ºC. Para o aço D6, a temperaturaMS é aproximadamente de 200 ºC. Portanto, a temperatura de interpasse (i.e., a temperatura dapeça na região a soldar antes de iniciar a deposição de um novo cordão) deveria ser inferior a100 ºC. No entanto trincas a frio podem surgir a temperaturas menores que 200 ºC. [14]3.3.2. Soldagem acima da temperatura MSPelos motivos expostos no item 3.3.1, outra alternativa que parece menos crítica é realizar asoldagem com a peça a uma temperatura acima de MS. Portanto, a temperatura de pré-aquecimento utilizada deve ser próxima á da MS, ou seja, pré-aquecimento de 220 ºC e atemperatura interpasse de 260 ºC.O amantegamento deve ser feito com uma camada de liga ER 312, com baixa energia e baixacorrente de soldagem (para diminuir a diluição do metal de base no metal de solda) e a segundacamada e assim por diante deverá ser depositada uma liga de revestimento duro (similar à DIN1.4718). [14]
  32. 32. 33Após terminar a soldagem a peça deve ser deixada em resfriamento, de preferência usando umamanta isolante ou colocando-a em areia, para que o resfriamento seja lento e, com isso, sejammenores os gradientes térmicos e as tensões geradas pelos mesmos. A taxa de resfriamentodeve estar entre 20 e 40 ºC/h. [14]O revenido deve ser feito logo após a soldagem, quando a peça atinja uma temperatura entre 50e 70 ºC. A temperatura de revenido deve ser de 10 a 20 ºC menor que a temperatura usada norevenimento no processo de fabricação da ferramenta. O período de manutenção datemperatura de revenido deve ser de 2 h. [14]3.3.3. Preparação da juntaQuanto à preparação da ranhura onde vai ser depositado o material de preenchimento “built-up” não deve apresentar cantos vivos. Portanto, é recomendado um chanfro com inclinação de,p.ex., 45º, ou, melhor ainda, um chanfro em semi-U. Com esta última alternativa aumentaria aárea de ligação entre a ZAC e a temperatura de MS e, com isso, diminuiriam as tensões a queestaria submetida a ZAC como resultado da operação da ferramenta. [14]4. MÉTODO APLICADO PARA O PROCESSO DE REPARO DOS AÇOS FERRAMENTA.O reparo do aço ferramenta D6 ainda é um tanto desconhecido, ou seja, quem conhece atécnica a mantém sob sigilo por ser um processo trabalhoso e de alto custo. Sendo assim,durante esse trabalho foram feitos alguns testes para tentar parametrizar condições que fossemadequadas para obtenção de resultados.Através de leituras de normas e livros e de conversas com fornecedores de matérias-primas,chegou-se à conclusão que seria indicado fazer alguns testes para tentar parametrizar oprocesso. O primeiro teste foi identificar qual seria a menor corrente aplicada ao processo, quefosse suficiente para fundir o metal base e que gerasse a menor ZAC possível. Posteriormentealguns métodos de soldagem, variando temperatura de pré-aquecimento e posterior tratamentotérmico foram testados e analisados seus resultados.
  33. 33. 34A tabela 4 mostra algumas informações pertinentes aos consumíveis escolhidos. Bitola Consumível (AWS) Aplicação Composição química (mm) %C %Si %Mn %Cr %S %Mo %Ni AWS ER312 Amanteigamento 1,6 0,1 0,4 1,8 30 0,01 0,1 9,3 M / WSG 6 GZ 60 ST (DIN Revestimento 1,6 0,5 2,8 0,46 9,5 0,01 0,02 0,6 1.4718) duro Tabela 4: Descrição dos consumíveis utilizados nos testes4.1. Pré-teste de soldagemEsse pré-teste foi realizado com o intuito de estabelecer alguns parâmetros para posteriormenteserem aplicados à soldagem das matrizes. Esse ensaio submeteu um corpo de prova (CP) demesmo material, AISI/SAE D6, a um pré-aquecimento de 80 ºC +/- 20 ºC, temperaturaestabelecida pelo método de soldagem por dupla camada, que sugere soldagem 100 ºC abaixoda MS [14]. Com o CP devidamente aquecido, alguns cordões de inox 312 foram depositados,variando-se a corrente, estes cordões estão mostrados na figura 5. Essa variação decrescenteteve como base informações de catálogos de fornecedores que indicavam a faixa adequada parao teste.Outra região soldada foi a transversal à peça com o intuito de verificar como a dureza docordão se comportaria, pois segundo informações do fornecedor seria atingida dureza próximaà 58HRC já no segundo passe, sem tratamento térmico. Essa região está indicada pelo número1, na figura 5.
  34. 34. 35 Figura 5: Identificação das regiões de soldagem.A figura 5 mostra as regiões onde foram realizadas as soldas. Essas regiões têm propostasdiferentes, ou seja, por se tratar de um pré-teste, para estabelecer os parâmetros de soldagem,foram realizadas soldas em diferentes correntes, indicadas na figura do número 2 ao 7. Aregião indicada pelo número 1 (corte transversal da peça) foi soldada com o intuito de medir adureza do revestimento duro e se apresentaria trincas posteriormente. A figura 6 mostra aregião 1 em destaque. Figura 6: região soldada para análise de dureza do revestimento duro..Conforme mostrada na figura 6, essa região foi soldada depositando uma camada de inox 312,controlando a temperatura de interpasse, e posteriormente foram depositadas duas camadas de
  35. 35. 36revestimento duro. Entretanto, quando a soldagem da segunda camada de revestimento duroestava na metade da região uma trinca se propagou sob a região, como pode ser visto na figura6. Essa trinca foi iniciada no canto vivo, que é proveniente do rasgo da chaveta, que temfunção de travar o eixo para rotação da roldana (corpo de prova extraído da roldana). A figura7 mostra, em aumento, a região de início da trinca. Figura 7: Início da trinca. Região com aumento mostra o canto vivo, onde foi o início da trinca.De acordo com a figura 7 pode-se verificar que a trinca iniciou no rasgo da chaveta, região queé muito solicitada durante o trabalho da roldana e devido à concentração de tensões existentes,a trinca propagou, devido ao aquecimento e resfriamento durante o processo de solda.A tabela 4 mostra os valores de corrente correspondentes à cada região soldada. Temperatura de pré- Região Corrente (A) aquecimento (ºC) 1 80 ºC +/- 20 ºC 100 2 80 ºC +/- 20 ºC 80 3 80 ºC +/- 20 ºC 100 4 80 ºC +/- 20 ºC 100 5 80 ºC +/- 20 ºC 80 6 80 ºC +/- 20 ºC 80 7 80 ºC +/- 20 ºC 60 Tabela 5: Variação da Corrente.
  36. 36. 37Esses valores de corrente foram escolhidos de acordo com catálogos de fornecedores dematéria-prima, que estabeleciam uma corrente de 100A para processo de soldagem TIG. Paraverificar a qualidade dos cordões foi realizado ensaio visual e posterior ensaio por líquidopenetrante (LP). A figura 8 mostra os resultados. Figura A Figura B Figura 8: Foto do ensaio por líquido penetrante. A figura A mostra o início da revelação das trincas, onde podemos ver o contorno de cada trinca. Já na figura B pode-se ter uma noção da profundidade de cada trinca.De acordo com a figura 8 verifica-se a presença de trinca próxima a todos os cordões, excetona região identificada com o número 7. Essa região não apresentou trincas por não ter ocorridoa fusão do metal base, ou seja, como a corrente da máquina estava regulada para 60A, aenergia não foi suficiente para gerar a poça de fusão, e sim somente para fundir o metal deadição. As demais regiões, tanto com corrente de 80 e 100A apresentaram trincas nas regiõesadjacentes aos cordões. Quando terminou a soldagem da região 3 foi possível escutar evisualizar a trinca se propagando, como se fosse um vidro se quebrando. As demais somenteforam verificadas após ensaio de LP.Conforme pode ser analisado na figura 8, essas trincas iniciaram junto ao centro da peça. Omotivo do aparecimento das mesmas pode ter ocorrido devido ao gradiente térmico, ou seja,como a temperatura de pré-aquecimento do corpo de prova estava muito próxima da ambiente,quando a poça de fusão estava solidificando, a troca de calor entre o CP e a zona fundida foimuito rápida. O gradiente térmico que somado à qualquer efeito geométrico concentrador detensões, como o canto vivo existente no centro do CP, podem ter superado a resistência domaterial levando à ruptura do mesmo.
  37. 37. 38A presença de rechupes de cratera no final de todos os cordões pode ser visualizada. Essedefeito também foi percebido na região 1, conforme verificado na figura 9. Figura 9: Presença de rechupes de cratera no final dos cordões de solda.Uma corrente adequada para posteriores soldagens seria de 100A, pois o material apresentouboa fusibilidade e foi possível boa velocidade de solda, obtendo-se assim, um cordão de boaqualidade.A dureza da região 1 foi medida em vários pontos, onde a dureza média foi de 24HRC. Essaregião foi soldada pelo método de dupla camada, com amanteigamento, ou seja, foi depositadauma camada de inox 312 e duas de revestimento duro. Entretanto a dureza ficou muito fora doesperado, logo a vareta desse fornecedor foi descartada para o processo de parametrização.4.1.1. Análise do pré-teste.De acordo com os dados e resultados analisados no item 3.4.1., a corrente mínima a serutilizada para o método da dupla camada seria de 80 A, visto que 60 A não foi suficiente parafundir o metal base.
  38. 38. 39Essa temperatura utilizada no pré-aquecimento, de 80 ºC +/- 20 ºC foi muito baixa, o que gerouum gradiente térmico onde a poça de fusão resfriou muito rápido, e fatores geométricosconcentradores de tensão favoreceram o aparecimento e propagação de trincas.Uma alternativa seria testar o método da dupla camada utilizando uma temperatura de pré-aquecimento superior, entretanto que não ultrapassasse a MS, como por exemplo, 120 ºC +/-20 ºC.Como a dureza da região 1 ficou muito fora do especificado para a conformação à frio, oconsumível desse fornecedor será descartada e testes com outra vareta serão realizados.4.2. Método de soldagem acima de MS.Outra alternativa aparentemente viável para o processo de reparo por soldagem desse aço é ométodo de soldagem acima de MS, ou seja, como a MS do aço AISI D6 é 200 ºC [6], atemperatura de pré-aquecimento tem de ser superior à isto.Esse método foi realizado por ser uma alternativa mais viável pelo fato de metal de base (MB)ter alto percentual de carbono, em torno de 2%. Foram variadas as temperaturas de pré-aquecimento, pós-aquecimento e os tipos de arame. A tabela 5 mostra as variáveis para asoldagem acima de MS dos corpos de prova.Corpo de Temperatura de Tipo e quantidade de Arame Tratamento térmico prova pré-aquecimento Amanteigamento com inox 312 e 3 A 240 ºC +/-20 ºC Sem tratamento térmico camadas de revestimento duro Alívio de tensões de B 240 ºC +/-20 ºC 3 camadas de revestimento duro 680ºC por 2 horas Alívio de tensões de C 400 ºC +/- 20 ºC 3 camadas de revestimento duro 400ºC por 1 hora. Tabela 6: Variáveis para soldagem dos corpos de prova “A”, “B” e “C”.A tabela 5 informa os três tipos de soldagem acima de MS que foram feitos. O CP “A” foiaquecido em 240 ºC +/-20 ºC por 1 hora e depositou-se uma camada de inox 312, controlandoa temperatura de interpasse até 260 ºC. Posteriormente foram depositadas três camadas derevestimento duro e deixado resfriar em areia mantida à temperatura ambiente.
  39. 39. 40O CP “B” sofreu aquecimento por 1 hora na faixa de 240 ºC +/-20 ºC e foram depositadas trêscamadas de revestimento duro, controlando o interpasse de até 260 ºC. Ainda quente, foisubmetido a um tratamento térmico de alívio de tensões por 2 horas, à 680 ºC e resfriado emareia previamente aquecida em 680ºC. Essa temperatura foi escolhida devido à faixa detemperatura para tratamento térmico de alívio de tensões do D6 ser de 720 a 820 ºC [6] e deacordo com o fabricante Bohler [14] deve-se utilizar a temperatura de 10 a 20 ºC inferior aorevenido para não sobrerevenir a ferramenta.O CP “C” foi previamente aquecido em 400 ºC +/- 20 ºC por um período de 2 horas e trêscamadas de revestimento duro foram depositadas. Ainda quente, foi submetido a umtratamento térmico para alívio de tensões em 400 ºC por 1 hora. Posteriormente foi resfriadoem areia à temperatura ambiente.4.2.1. Resultados ObtidosPrimeiramente fez-se um ensaio visual para verificar se havia a presença de trincas. O CP “A”apresentou trinca já no momento que foi retirado da areia, 24h posterior à soldagem. O CP “B”não apresentou trinca e o CP “C”, 24h posterior ao teste apresentou trincas, entretanto essatrinca foi muito próxima à um canto vivo, o que pode ter ajudado a concentrar tensões. Após72h, mais trincas apareceram no CP “C”, em outra região.Foi realizado ensaio de líquido penetrante nos corpos de prova “B” e “C”, no “A” não houvenecessidade, pois apresentou trinca em todo o contorno da ZAC, conforme pode ser visto nafigura 10.
  40. 40. 41 I II Figura 10: Foto do corpo de prova “A”. A trinca acompanha o contorno da ZAC, conforme pode ser visto em I, vista superior e em II, vista lateral.Foi medida a dureza no CP “A” e verificou-se que a solda atingiu a dureza mínimaespecificada para conformação a frio, de 55HRC, entretanto esse procedimento não seráaplicado devido à presença de trinca à frio.O ensaio por Líquido Penetrante realizado nos CP’s “B” e “C” pode ser verificado nas figuras11 e 12. Figura 11: Ensaio de Líquido Penetrante no CP “B”.
  41. 41. 42 I II Figura 12: Ensaio de líquido penetrante do CP “C”. I) LP após 24h da soldagem. II) LP 75h após a soldagem.Conforme pode ser analisado na figura 11, o CP “B” não apresentou nenhuma trinca 24h apóso teste, entretanto a dureza caiu muito devido ao alívio de tensões realizado em 680 ºC por 2h.A dureza atingida foi de 45HRC. As variáveis tempo e temperatura desse tratamento térmicoforam altas o suficiente para, de acordo com o diagrama TTT (figura 13), formar perlita, o quediminuiu sensivelmente a dureza. Figura 13: Diagrama de transformação de resfriamento contínuo do Aço AISI D6. [6]
  42. 42. 43Em vista dessa redução da dureza viu-se a necessidade de fazer um tratamento térmico detêmpera para aumentar a dureza do CP “B”. Assim foi realizado um aquecimento à 950 ºC por1h 30min, resfriado em óleo. Quando a peça retornou à temperatura ambiente, o CP foisubmetido a um tratamento térmico para alívio de tensões em 400 ºC por 1h.Como o material foi austenitizado e resfriado rapidamente, a microestrutura formada foi amartensita, que é extremamente rígida e cheia de tensões internas. Entretanto o tratamentotérmico de alivio de tensões realizado diminuiu as tensões, reduzindo também a dureza, porémainda permaneceu dentro do especificado para conformação a frio e o valor encontrado foi de58HRC.A figura 12 mostra o ensaio de LP do CP “C”. A figura 12.I mostra que 24h após o teste a peçaapresentou trinca muito próxima ao canto vivo, presente no centro da peça. Essa trinca pode serproveniente da presença deste canto vivo, pois esse CP foi extraído de uma roldana quetrabalha em ciclos, tensões poderiam estar acumuladas e com o gradiente térmico acaboupropagando a trinca. A figura 12.II mostra que 72h após o teste a peça trincou na regiãoadjacente à ZAC, acompanhado o contorno da região soldada. A dureza média do CP “C” foide 58 HRC, dentro do especificado.4.2.2. Discussão dos Resultados.Conforme analisado no item 3.4.2.1, apenas a condição de soldagem do CP “B” pode seraproveitada, pois as demais não atingiram o esperado devido ao aparecimento de trincas e/oudureza abaixo do especificado.O CP “B” não apresentou trincas pois o tratamento térmico de alívio de tensões realizado foiem temperatura e tempo suficientes para que o hidrogênio difundisse para fora da peça semcausar trinca a frio. Entretanto como o CP foi submetido a tempo e temperatura elevados, o quefoi suficiente para a formação da perlita, houve a necessidade de austenitizar a peça novamentee, através do resfriamento rápido, formar martensita, microestrutura responsável pela altadureza, logo, resistência da matriz para conformação a frio.
  43. 43. 444.3. Aplicação do método utilizado no CP “B”.Conforme verificado no item 3.4.2.1, o método de soldagem testado que pode ser aproveitado éo método aplicado ao CP “B”. Esse método foi aplicado à uma matriz de furação dos tamposque se encontrava em uma situação danificada, conforme figura 14. Figura 14 :Matriz de furação dos tampos na condição danificada.A região danificada foi usinada de forma a remover todas as imperfeições da mesma. Umchanfro foi feito, aproximadamente em 45º, para que se evitasse a presença de um canto vivo, oque poderia comprometer a qualidade final da solda. Posteriormente, utilizando como base ométodo de soldagem do CP “B”, foi executada a soldagem dessa região. Entretanto algumasvariações foram feitas, tal como aumentar a temperatura de pré-aquecimento para 400 ºC, paraevitar o aparecimento de trincas a frio devido ao gradiente térmico e pós-aquecimento em 500ºC, para aliviar as tensões promovidas pela soldagem, evitando a formação de perlita, ou seja,evitar que a dureza fosse reduzida em excesso.Os passos seguem conforme abaixo:- Pré-aquecimento em forno à 400 ºC, por duas horas;- Soldagem da matriz por processo TIG;- Alívio de tensões imediato após o termino da soldagem em forno à 500 ºC por duas horas;- Resfriamento em areia aquecida à 500 ºC.A matriz não apresentou trincas e a dureza atingiu o especificado, com dureza média de58HRC. Após 72h foi realizado ensaio por LP para se certificar da ausência de trincas,conforme ilustrado na figura 15.
  44. 44. 45 Figura 15. Ensaio por LP realizado na parte externa da matriz e parte interna, respectivamente.Conforme analise da figura 15, a matriz não apresentou trincas, nem na parte superior e nem naparte interna também. A peça foi submetida à usinagem e será colocada para trabalhar, assimpoderá ser verificada a integridade do teste.Foi calculado o custo desse reparo, considerando o consumo de gás argônio, a quantidade devaretas utilizadas de revestimento duro, a hora do soldador, o tempo de forno e a usinagem damatriz em torno CNC. A tabela 6 mostra as quantidades e preços de cada componente. Itens utilizados Quantidade Utilizada Preço (R$) Preço por item (R$) Arame 0,34 kg 467,00/kg 158,78 Hora soldador 5 horas 6,00 30,00 Forno 8 horas 178 kWh 23,14 Gás Argônio 3 m³ 19,8 59,4 Usinagem CNC 2 horas 35,0 70,00 Total 341,32 Tabela 7: Cálculo do custo médio do reparo da matriz de furação dos tampos.Considerando que o custo de uma matriz nova é de R$ 798,00, e o reparo da mesma teve umcusto de R$ 341,32, a economia somente dessa matriz é de 57,23%, ou seja, de R$ 456,68.A vida dessa ferramenta será analisada, visto que se apresentar uma vida de trabalho curta emrelação às demais matrizes talvez esse reparo não seja eficiente. Uma análise estatística serárealizada durante o trabalho da mesma.
  45. 45. 465. CONCLUSÃOEsse estudo revela que muitas variáveis estão envolvidas nesse processo e que muito tem-seainda a pesquisar e testar. Esses testes preliminares deram uma noção de como o açoferramenta D6 pode ser reparado, mesmo que apenas uma das condições tenha sidoaproveitada.Essa condição que foi positiva, no caso do presente estudo do CP “B” foi aplicada em umamatriz para furação dos tampos dos vasos de pressão da empresa Schulz S/A. Algumasalterações foram feitas para aproximar os resultados sem que fosse necessário um segundotratamento térmico, visto que a indústria visa-se sempre o menor custo para qualquer projeto.Algumas observações têm que ser levantadas, pois por mais que aparentemente a matriz defuração dos tampos apresentou bons resultados temos que considerar o reparo como positivosomente depois de algumas horas de trabalho. Isto é dito porque pode haver alguma micro-trinca, poro, algum defeito que, devido ao trabalho cíclico, pode fadigar a matriz.Alternativas podem ser mais viáveis do que a encontrada, porém devido ao término de meuperíodo de estágio na empresa não será possível desenvolver esse trabalho por hora.A condição de soldagem abaixo da MS pelo método da dupla camada pode ser uma alternativamais barata, entretanto a temperatura na qual o teste foi realizado não se aplica. Umatemperatura superior pode suprir as características requeridas no teste.Alguns objetivos foram alcançados, como a identificação da condição menos crítica parareparo das ferramentas de corte para a empresa e a redução de custo que esse estudo podegerar, visto que na empresa existe uma grande quantidade de matrizes a serem recuperadas, eapresentam-se em diferentes situações, o que deverá ser estudado com cautela.A equipe dos reservatórios fará um acompanhamento de trabalho desta ferramenta, visto que sevir a apresentar vida útil curta, alternativas terão que ser estudadas.
  46. 46. 47 6. REFERÊNCIAS.[1] SCHULZ S/A. Informações básicas. Disponível em <http://www.schulz.com.br/home/>.Acesso em 10 fevereiro 2010.[2] HEAT TECH. Aços Ferramenta: informações básicas. Disponível em:<http://www.heattech.com.br/publicacoes/FOLDER_ACOS_FERRAMENTA.pdf>. Acessoem 09 fevereiro 2010.[3] AMERICAN WELDING SOCIETY, Welding Handbook : Metals and their weldability,Seventh Edition, Volume 4, 1982, Capítulo 3: Tools and Die Steel, p. 148 -166.[4] CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 6ª. Ed. São Paulo: Associação Brasileirade Metalurgia e Materiais – ABM, 1990.[5] SOARES, André; PEDROSA, Ricardo. Materiais de Construção Mecânica I: TêmperaMartensítica e Revenido do aço RL200 (X210CR12). Disponível em:<http://paginas.fe.up.pt/~em00018/MCM1/MCM1_RL200.pdf>. Acesso em 23 fevereiro 2010.[6] BOHLER. Cold Work Tool Steel: K107. Disponível em: <http://www.bohler-edelstahl.com/files/K107DE.pdf >. Acesso em 24 fevereiro 2010.[7] VILLARES METALS. Aços para Trabalho a Frio: VC131. Disponível em:<http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/FT_13_VC131.pdf>. Acesso em: 26fevereiro 2010.[8] The American Society Mechanical Engineers. ASME Bolier and Pressure Vessels Code –Welding and Brazing Qualifications - Section IX – New York, 2007. Addenda 2009b.[9] BOHÓRQUEZ, C. E. N.; Preciado, W. T. Reparos por soldagem de moldes para plásticos:aspectos metalúrgicos. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Programa de Pós
  47. 47. 48Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis,2005. [10] UDDEHOLM. Welding of Tool Steel: treatment of tool steel. Disponível em:<http://www.bucorp.com/files/UddeholmWeldingofToolSteel.pdf>. Acesso em 16 março2010.[11] SENAI. Coleção Tecnologia SENAI. São Paulo, 1997.[12] TIBURI, Fábio. Qualidade em Soldagem. Dossiê técnico. Disponível em:<http://www.docstoc.com/docs/851562/qualidade-na-soldagem>. Acesso em 10 março 2010.[13] LINCOLN ELECTRIC Co. The Procedure Handbook of arc Welding. 14th. Ed. USA,2000.[14] UDDEHOLM. Carmo: Prehardened cold work tool steel for car body dies. Disponível em:<http://www.uddeholm.com.br/br/files/carmo_english_04.pdf)>. Acesso em 12 março 2010.[15] HENKE, S. L.; NIÑO, C. E.; BUSCHINELLI, A. J. A.; CORRÊA, J. A. SoldagemDissimilar do Aço CA-6NM Sem Tratamento Térmico Posterios, Soldagem & Inspeção, v.6,n.1, 2000.[16] MOINO, H. E., PASCHOALIM, A . C. Programa de Cursos Modulares em Tecnologiade. Soldagem. Módulo MIG/MAG. Associação Brasileira de Soldagem (ABS). São Paulo.1991.

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