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

1. Prefácio

O 42CrMo é um aço estrutural de liga de médio carbono conhecido por suas propriedades mecânicas abrangentes, excelente temperabilidade e ampla gama de aplicações. É frequentemente utilizado no setor de máquinas para produzir engrenagens, bielas, parafusos de alta resistência e outros componentes essenciais.

O estoque de forjamento de aço 42CrMo é fornecido por uma usina siderúrgica. O processo de fabricação envolve o refino fora do forno, a fundição em lingotes, o forjamento em estoque e, por fim, a normalização.

Uma empresa adquiriu esse lote de peças em bruto forjadas para uso na produção de um eixo de enrolamento em uma unidade de rebobinamento de produção de tiras. O processo final de tratamento térmico do produto será têmpera e revenimento.

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

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

Nesta postagem, discutiremos e analisaremos métodos e possibilidades para melhorar a qualidade do material de forjamento com base em resultados de testes físicos e químicos. Vários esquemas de tratamento térmico serão formulados.

2. Teste físico e químico

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 do teste, conforme mostrado na Tabela 1, foram obtidos usando um espectrômetro Spectrolab e atendem aos requisitos padrão.

Tabela 1: Composição química (fração de massa) da amostra de material de forjamento

2. Exame metalográfico

Foi realizada uma inspeção metalográfica das matérias-primas no depósito.

A amostra foi retirada de acordo com os requisitos da GB/T 13298-2015, que descreve o método de inspeção da microestrutura metálica. Os defeitos da macroestrutura e não metálico As inclusões foram avaliadas usando o Diagrama de Classificação de Defeitos da Macroestrutura de Aço Estrutural GB/T 1979-2001 e o 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 do teste podem ser vistos na Tabela 2.

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

a) Ferrita reticular grossa

b) Parte do tecido é sorbita

c) Parte do tecido é composta de perlita + uma pequena quantidade de bainita e ferrita

d) Parte do tecido é grossa

Fig. 2 Estrutura metalográfica da amostra de forjamento em branco

Tabela 2: Resultados dos testes metalográficos da amostragem de tarugos de forjamento

3. Teste de propriedade mecânica

O material de forjamento será amostrado e testado quanto às suas propriedades mecânicas de acordo com os requisitos descritos na GB/T 2975-2018. Essa norma descreve os requisitos para o local de amostragem e a preparação de amostras para a realização de testes de propriedades mecânicas em aço e produtos de aço.

Os resultados são mostrados na Tabela 3.

Tabela 3: Resultados dos testes de propriedades mecânicas do material de forjamento

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

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

Para estudar o impacto da estrutura da matéria-prima no tratamento térmico final (têmpera e revenimento) 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 aprimoramento.

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

As amostras foram retiradas 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 mostrados na Tabela 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 corpo de prova normalizado melhoraram significativamente e a ferrita da rede na estrutura desapareceu, conforme mostrado na Figura 3.

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

Embora a têmpera direta e o revenimento do material de forjamento tenham eliminado a ferrita líquida no corpo de prova, a resistência à tração foi muito inferior aos requisitos técnicos e houve uma segregação perceptível na estrutura, conforme mostrado na Figura 4.

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

As amostras submetidas à normalização seguida de têmpera e revenimento não apenas atenderam a todos os requisitos técnicos em termos de indicadores de desempenho, mas também melhoraram a uniformidade da estrutura, conforme mostrado na Figura 5.

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

3. Conclusão

A estrutura anormal encontrada no material forjado é normalmente causada por altas temperaturas durante o forjamento, o que resulta em um rápido crescimento do grão e em uma falha no refinamento do grão. Além disso, o resfriamento insuficiente após o forjamento pode levar à formação de ferrita em rede, o que degrada gravemente as propriedades mecânicas do material, principalmente a resistência ao impacto em temperatura ambiente.

Para evitar a formação de grãos grossos, ferrita de rede e até mesmo widmanstatten é fundamental controlar rigorosamente a temperatura de aquecimento durante o forjamento e regular adequadamente a taxa de resfriamento. A normalização pode refinar ainda mais a microestrutura e evitar o resíduo de ferrita de rede e outras estruturas.

Como o estoque de forjamento não foi normalizado conforme exigido, é necessário aprimorar as inspeções metalográficas durante o armazenamento de matérias-primas para garantir que ele atenda aos requisitos necessários no processo normal. Se fenômenos anormais, como estrutura grosseira, ferrita reticular ou mesmo estruturas widmanstatten, forem encontrados na estrutura original, o tratamento de normalização deverá ser realizado antes da têmpera.

Caso contrário, a estrutura e as propriedades obtidas podem não atender aos requisitos desejados, e a presença de ferrita reticular pode até causar rachaduras durante a têmpera, levando à falha do produto durante o tratamento térmico.