Entendendo o aço 35MnB para materiais de engenharia

Prefácio

O aço 35MnB, um aço manganês de médio carbono com liga de boro, é amplamente empregado na fabricação de componentes de chassi de esteira para máquinas de construção. A popularidade desse material decorre de sua excepcional temperabilidade e resposta superior aos processos de tratamento térmico, resultando em componentes com propriedades mecânicas e resistência ao desgaste aprimoradas.

As principais aplicações do aço 35MnB em sistemas de esteiras incluem:

1. Corpos de rodas de roletes: Esses componentes essenciais suportam o peso da máquina e facilitam o movimento suave da esteira.
2. Elos do trilho da corrente da esteira: Essenciais para manter o alinhamento da esteira e distribuir a carga pelo material rodante.
3. Blocos de dentes: Crucial para proporcionar tração e engate com as rodas dentadas de acionamento.
4. Outros componentes resistentes ao desgaste: Como rodas intermediárias, sapatas de esteira e ajustadores de tensão.

A utilização do aço 35MnB nessas aplicações garante uma vida útil prolongada, melhor desempenho em condições de alta tensão e requisitos de manutenção reduzidos para máquinas de construção que operam em ambientes exigentes.

1. Efeito dos principais elementos no aço 35MnB

Devido às condições operacionais severas de suas aplicações, o uso do aço 35MnB exige que ele esteja em um estado temperado e revenido.

A temperabilidade e a endurecimento são indicadores cruciais para temperado e revenido e seus valores são normalmente mantidos pelo controle rigoroso de elementos-chave como carbono (C), silício (Si), manganês (Mn), boro (B) e cromo (Cr), que têm impactos significativos na temperabilidade.

1.1 Efeito do teor de C

O teor de carbono no aço 35MnB determina a dureza que pode ser obtida após a têmpera. Um maior teor de carbono leva a uma maior dureza de têmpera, mas também aumenta o risco de rachaduras e reduz a plasticidade e a resistência ao impacto do aço.

Para componentes essenciais, como o chassi da esteira, para minimizar o efeito da flutuação do teor de carbono na dureza da superfície e na profundidade da camada de têmpera, é necessário estabelecer requisitos para a seleção do teor de carbono. Em geral, os limites superior e inferior do teor de carbono são controlados em uma faixa de 0,05%.

1.2 Efeito do teor de Si

Além de aumentar a resistência e a temperabilidade, o silício no aço 35MnB também ajuda a eliminar o gás do aço e a estabilizá-lo durante a fabricação do aço.

No entanto, à medida que o teor de silício aumenta, a plasticidade e a tenacidade do aço diminuem, e ele se torna propenso a formar uma estrutura em faixas.

1.3 Efeito do teor de Mn

O manganês (Mn), que é o principal elemento de liga do aço 35MnB, melhora a temperabilidade do aço e reduz sua taxa de resfriamento crítica. O Mn forma uma solução sólida com a ferrita durante o aquecimento, aumentando a resistência do aço. Normalmente, o Mn é usado quando a profundidade da camada endurecida é maior que 4 mm. Isso ocorre porque ele reduz a taxa crítica de resfriamento, resultando em uma dureza de têmpera mais uniforme, mesmo quando as condições de resfriamento não são estáveis.

Conforme mostrado nas Figuras 1 e 2, quando o teor de Mn no aço é de 1,10%, ele aumenta muito a resistência do aço, com apenas uma pequena redução na plasticidade e uma leve melhora na tenacidade. Entretanto, se o teor de Mn exceder essa quantidade, a temperabilidade e a resistência continuarão a melhorar, mas a tenacidade cairá significativamente.

Fig. 1 Efeito dos elementos de liga no fortalecimento da solução sólida

Fig. 2 Efeito dos elementos de liga na energia de impacto da ferrita

1.4 Efeito do teor de B

No aço de alta resistência temperado e revenido, a adição de elemento de liga O B pode aumentar a temperabilidade. Isso é obtido pela dissolução de uma pequena quantidade de B em uma solução de alta temperatura austenita. Durante o resfriamento, B se segregará na austenita limites de grãos, inibindo a nucleação de ferrita e, assim, melhorando a temperabilidade, especialmente em baixas velocidades de resfriamento.

Entretanto, o B no aço é um elemento ativo que reage facilmente com o N para formar BN estável, que é insolúvel em temperaturas de têmpera. Isso reduz a quantidade de B efetivo na solução sólida de austenita e reduz seus efeitos de aumento da temperabilidade.

Para melhorar a temperabilidade, é necessário adicionar elementos formadores de nitreto, controlar os elementos N e manter a quantidade de solução sólida de B na austenita. Além disso, quando o teor de B ultrapassa 30 ppm, a plasticidade e a resistência do material diminuem significativamente.

Elementos como V, Ti, Al e B são fortes elementos formadores de nitretos no aço e formam os nitretos VN, AlN, BN e TiN, respectivamente. Quando adicionado ao aço que contém B, o N no aço precipitará preferencialmente como TiN ou Ti (C, N). Essa precipitação começa em temperaturas superiores a 1400°C, muito mais altas do que a temperatura de início de precipitação do BN. À medida que a temperatura diminui, a proporção de N sólido no TiN aumenta, fixando o N no aço e impedindo a formação de BN, aumentando assim o teor efetivo de B na austenita e melhorando a temperabilidade.

Para maximizar o teor efetivo de B, é importante controlar a proporção de TiN no aço, com um valor ideal de 3,42. Se a proporção for inferior a 3,42, o teor de N residual aumentará e ocorrerá a precipitação de BN, reduzindo o teor efetivo de B, a temperabilidade e aumentando a fragilidade. Para evitar esses efeitos, é importante controlar rigorosamente o teor de N residual no aço.

1.5 Efeito do teor de Cr

O Cr é um elemento que aumenta muito a temperabilidade do aço.

A adição de Cr ao aço cromo de médio carbono aumenta o período de incubação da transformação de fase, fazendo com que a curva de transformação isotérmica se desloque para a direita. Isso também faz com que a transformação de perlita ocorra em temperaturas mais altas e a transformação de bainita ocorra em temperaturas mais baixas.

Como resultado, quando a quantidade certa de cromo é adicionada ao aço, mesmo com resfriamento lento durante o processo de processo de resfriamentoSe a austenita for resfriada, ela não se transformará em perlita ou bainita antes de atingir a temperatura de transformação da martensita, melhorando significativamente a temperabilidade do aço.

No entanto, o Cr também agrava significativamente a fragilidade da têmpera dos aços de níquel e manganês. Portanto, o teor de Cr no aço 35MnB é cuidadosamente regulado.

Estudos sobre o efeito de traços de Cr na temperabilidade do aço 35MnB para elos de esteira indicam que mesmo pequenas alterações no teor de Cr (Cr ≤ 0,20%) podem afetar significativamente a temperabilidade, especialmente quando o teor de Cr excede 0,10%. Isso melhora significativamente a dureza do aço, principalmente em pontos distantes da extremidade resfriada a água.

A figura abaixo mostra que a dureza de resfriamento pode aumentar de 2 a 3 HRC, em média, na faixa de 1,5 a 20,0 m da extremidade resfriada a água. Quando a distância da extremidade resfriada a água é superior a 20,0 m, a dureza aumenta ainda mais, em cerca de 6 HRC.

Além disso, o diâmetro da barra redonda temperável do aço 35Mnb contendo Cr0.18% é cerca de 20 mm maior do que o do aço contendo Cr0.02%.

Fig. 3 Efeito do teor de Cr na temperabilidade

Como o Cr tem a capacidade de formar carbonetos, ele exige um aumento na temperatura de aquecimento e um tempo de aquecimento prolongado, o que não é ideal para o endurecimento por indução.

2. Danos do estanho no aço 35MnB

Durante o processo de fabricação de aço, o alto ponto de fusão do estanho faz com que ele precipite na fase líquida antes da fundição e da solidificação. Isso resulta na formação de partículas de estanho no líquido, que normalmente têm de 2 a 10 μm de tamanho.

Essas partículas têm formato quadrado, losango ou triangular (diferente do BN, conforme mostrado na Fig. 6) e apresentam uma dureza extremamente alta (superior a 1000V).

Conforme demonstrado nas Figuras 4 e 5, essas partículas não podem ser alteradas por meio de nenhum método de processamento e não podem ser dissolvidas por meio de solução sólida de alta temperatura. Além disso, elas levam a uma grande dispersão de energia de impacto.

Fig. 4 Observação em microscópio de luz de estanho

Fig. 5 Observação do estanho no microscópio eletrônico

Fig. 6 Observação do BN no microscópio eletrônico

A Fig. 7 é uma curva de produto de solubilidade em ferro líquido a 1400 ℃, 1450 ℃ e 1500 ℃;

Conforme mostrado na figura, quando a temperatura do aço fundido no início da solidificação é de 1500°C, a presença de 80 ppm de N e mais de 0,043% de Ti no aço resultará em precipitação de líquido e estanho. Da mesma forma, quando o teor de N no aço for de 40 ppm e o teor de Ti exceder 0,086%, haverá precipitação de líquido e estanho.

Quando a temperatura final de solidificação do aço fundido dendrítico for de 1.400°C, a presença de 80 ppm de N e mais de 0,012% de Ti resultará em precipitação de líquido e estanho. Além disso, se o teor de N no aço for de 40 ppm e o teor de Ti exceder 0,024%, haverá precipitação de líquido e estanho.

Fig. 7 Curva de produto de solubilidade do estanho

Para evitar a ocorrência de estanho líquido, é fundamental ajustar adequadamente o teor de Ti e N no aço. Isso suprimirá a precipitação de estanho líquido durante a solidificação e aumentará a velocidade de resfriamento durante a fundição para reduzir a precipitação no último aço fundido solidificado. Ao acelerar a velocidade de resfriamento, não haverá tempo suficiente para que a precipitação ocorra de forma dinâmica.

Os cálculos do produto de solubilidade do estanho no ferro líquido mostram que a temperatura final de solidificação durante a fundição e o vazamento é de aproximadamente 1495°C, com um produto de solubilidade de equilíbrio do estanho de 0,00302.

Se o teor de N for controlado em 80 ppm, a quantidade máxima de estanho que pode ser dissolvida no ferro líquido na temperatura final de solidificação é 0,0413%. Para evitar a precipitação líquida de estanho, a composição química deve ter um teor de Ti ≤ 0,0413%.

Se o teor de nitrogênio for controlado em 60 ppm, o teor máximo de Ti que pode ser dissolvido no ferro líquido na temperatura final de solidificação é 0,05%. Para evitar a produção de estanho líquido, o teor de Ti projetado da composição química do aço deve ser ≤ 0,05%.

Para aumentar o teor efetivo de B no aço 35MnB, o teor de N no aço deve ser reduzido para menos de 60 ppm.

Se a precipitação de estanho na fase líquida exceder 6 μm, isso pode reduzir muito a vida útil do material à fadiga e a resistência ao impacto. Se exceder 6 μm, ele deverá ser considerado como Al₂O₃ inclusão frágil.

Inclusões como estanho, Al₂O₃, MgO - Al₂O₃e Cao - Al₂O₃Os materiais de construção, que são duros e quebradiços, não têm plasticidade sob a temperatura de deformação. Elas são facilmente separadas da estrutura do corpo durante a deformação, prejudicando sua continuidade. Em casos graves, podem aparecer rachaduras ou cavidades na borda da inclusão não deformada.

Em serviço, a tensão alternada pode facilmente causar concentração de tensão, tornando-se uma fonte de fadiga do metal.

3. Resumo

Bom composição do material é essencial para garantir o desempenho do material. A composição recomendada (em porcentagem de peso) para o material 35MnB durante a fusão é a seguinte: