Estoque de forjamento de aço 42CrMo: Análise e melhoria da estrutura anómala

1. Prefácio

O 42CrMo é um aço estrutural de liga de carbono médio conhecido pelas suas propriedades mecânicas abrangentes, excelente temperabilidade e vasta gama de aplicações. É frequentemente utilizado na indústria de maquinaria para produzir engrenagens, bielas, parafusos de alta resistência e outros componentes cruciais.

O stock de forjamento de aço 42CrMo é fornecido por uma fábrica de aço. O processo de fabrico envolve a refinação fora do forno, a fundição em lingotes, a forja em stock e, finalmente, a normalização.

Uma empresa adquiriu este lote de peças em bruto forjadas para utilização na produção de um eixo de enrolamento numa unidade de rebobinagem de produção de bandas. O processo de tratamento térmico final do produto será têmpera e revenimento.

As propriedades mecânicas exigidas são uma resistência à tração de 900 a 1100 MPa, um limite de elasticidade de, pelo menos, 650 MPa e uma energia de absorção de impacto de, pelo menos, 40 J.

Durante uma inspeção da matéria-prima, descobriu-se que as estruturas macro e micro metalográficas eram anormais. Foi determinado preliminarmente que a peça bruta de forjamento não estava normalizada.

Neste post, discutiremos e analisaremos métodos e possibilidades para melhorar a qualidade do material de forjamento com base em resultados de testes físicos e químicos. Serão formulados vários esquemas de tratamento térmico.

2. Ensaios físicos e químicos

1. Análise da composição química

O material de teste é o estoque de forjamento de aço 42CrMo, que foi considerado aceitável de acordo com os requisitos para aço estrutural de liga de alta qualidade (GB / T3077-2015).

Os resultados dos ensaios, como indicado no quadro 1, foram obtidos utilizando um espetrómetro Spectrolab e cumprem os requisitos da norma.

Quadro 1 Composição química (fração mássica) da amostra de material de forja

2. Exame metalográfico

Foi efectuada uma inspeção metalográfica das matérias-primas no armazém.

A amostra foi recolhida de acordo com os requisitos da norma GB/T 13298-2015, que descreve o método de inspeção da microestrutura metálica. Os defeitos da macroestrutura e não metálico As inclusões foram avaliadas utilizando o Diagrama de Classificação de Defeitos da Macroestrutura de Aço Estrutural GB/T 1979-2001 e GB/T 10561-2005, que descreve a determinação do teor de inclusões não metálicas no aço.

A macro morfologia é mostrada na Figura 1 e a microestrutura é mostrada na Figura 2. Os resultados dos ensaios podem ser vistos na Tabela 2.

Fig. 1 Inspeção de baixa ampliação da amostra de forja em bruto (corrosão a quente com ácido clorídrico industrial 1:1)

a) Ferrite reticular grosseira

b) Parte do tecido é sorbite

c) Parte do tecido é composto por perlite + uma pequena quantidade de bainite e ferrite

d) Parte do tecido é grosseiro

Fig. 2 Estrutura metalográfica da amostra de forjamento em bruto

Quadro 2 resultados dos ensaios metalográficos de amostragem de biletes forjados

3. Ensaio de propriedades mecânicas

O material de forjamento será objeto de amostragem e de ensaio das suas propriedades mecânicas, de acordo com os requisitos definidos na norma GB/T 2975-2018. Esta norma descreve os requisitos para o local de amostragem e a preparação de amostras para a realização de ensaios de propriedades mecânicas em aço e produtos de aço.

Os resultados são apresentados no Quadro 3.

Quadro 3 resultados dos ensaios das propriedades mecânicas do material forjado

4. Comparação entre o esquema de tratamento térmico e os resultados dos ensaios físicos e químicos

Os resultados dos testes físicos e químicos indicaram que o lingote de forjamento tem uma estrutura grosseira, uma estrutura anormal e propriedades mecânicas fracas, que se acredita serem o resultado de uma má qualidade de forjamento e de um tratamento de normalização insuficiente.

Para estudar o impacto da estrutura da matéria-prima no tratamento térmico final (têmpera e revenido) e para verificar a melhoria de vários processos de tratamento térmico na qualidade da matéria-prima, foram desenvolvidos vários esquemas de tratamento térmico. O objetivo é analisar e propor medidas de melhoria.

Foram desenvolvidos três processos de tratamento térmico para testar os resíduos de forjamento: normalização, têmpera e revenido, e uma combinação de normalização e têmpera e revenido.

Foram retiradas amostras das peças forjadas após o tratamento térmico e testadas quanto à sua estrutura metalográfica e propriedades mecânicas. Os resultados foram comparados com os requisitos do projeto e são apresentados no Quadro 4.

Tabela 4 índices de desempenho e tipos de estrutura após três processos

Após análise e comparação, verificou-se que a resistência e a tenacidade do espécime normalizado tinham melhorado significativamente e que a rede de ferrite na estrutura tinha desaparecido, como se mostra na Figura 3.

Fig. 3 estrutura após normalização (880 ℃ arrefecimento a ar)

Embora a têmpera e o revenido directos do material forjado tenham eliminado a ferrite líquida no espécime, a resistência à tração era muito inferior aos requisitos técnicos e havia uma segregação notável na estrutura, como se mostra na Figura 4.

Fig. 4 Revenimento (860 ℃ arrefecimento a óleo e 610 ℃ arrefecimento a ar)

As amostras que foram submetidas à normalização seguida de têmpera e revenimento não só cumpriram todos os requisitos técnicos em termos de indicadores de desempenho, como também melhoraram a uniformidade da estrutura, como mostra a Figura 5.

Fig. 5 normalização + têmpera e revenimento (880 ° C de arrefecimento a ar + 860 ° C de arrefecimento a óleo, 610 ° C de arrefecimento a ar)

3. Conclusão

A estrutura anómala encontrada no material de forjamento é normalmente causada por temperaturas elevadas durante o forjamento, que resultam num rápido crescimento do grão e numa incapacidade de refinar o grão. Além disso, um arrefecimento insuficiente após o forjamento pode levar à formação de ferrite em rede, o que degrada gravemente as propriedades mecânicas do material, particularmente a sua resistência ao impacto à temperatura ambiente.

Para evitar a formação de grãos grosseiros, ferrite de rede, e mesmo widmanstatten é crucial controlar rigorosamente a temperatura de aquecimento durante o forjamento e regular adequadamente a taxa de arrefecimento. A normalização pode refinar ainda mais a microestrutura e evitar o resíduo de ferrite de rede e outras estruturas.

Uma vez que o material de forjamento não foi normalizado como exigido, é necessário reforçar as inspecções metalográficas durante o armazenamento das matérias-primas para garantir que cumpre os requisitos necessários no processo normal. Se forem encontrados fenómenos anormais, como estrutura grosseira, ferrite reticular ou mesmo estruturas widmanstatten na estrutura original, o tratamento de normalização deve ser realizado antes da têmpera.

Caso contrário, a estrutura e as propriedades obtidas podem não satisfazer os requisitos desejados, e a presença de ferrite reticular pode mesmo causar fissuras de arrefecimento durante o arrefecimento, levando à falha do produto durante o tratamento térmico.