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Artigos: Estudo da influência da adição de Boro nos aços de baixo carbono, por Cássio Aurélio Suski
30/12/2007 10h39

Estado da influência da adição de Boro nos aços de baixo carbono

Os aços para construção mecânica foram desenvolvidos para as mais diversas aplicações, como na indústria automobilística, moveleira, eletrodomésticos, etc. Dentro desta classificação enquadram-se os aços carbono e aços liga, que continuam evoluindo para atender o mercado que necessita de aços de menor custo e com melhores propriedades mecânicas. A utilização dos diversos aços para construção mecânica está diretamente relacionada aos processos de tratamento térmico, que por sua vez depende, em parte, da presença de determinados elementos de liga para obtenção das propriedades mecânicas necessárias ao produto final.

Dentre os principais tratamentos térmicos destaca-se a têmpera e o revenimento, os quais aliados podem apresentar excelentes combinações de propriedades mecânicas, tais como resistência mecânica e tenacidade. O objetivo deste artigo foi o de realizar uma revisão bibliográfica sobre a influência do boro na transformação de fases e na formação de precipitados.
Uma das características importantes de aços e ligas, que define marcadamente sua aplicação é a sua temperabilidade. A excelente capacidade do boro em elevar a temperabilidade dos aços baixo e médio carbono está sendo bastante estudada nas últimas décadas. Sua utilização iniciou de forma mais intensa nos Estados Unidos da América durante a segunda guerra mundial, visando à substituição total ou parcial dos elementos de liga utilizados nos aços, tais como cromo, vanádio, níquel, molibdênio e manganês, pelo boro, devido à escassez dos mesmos durante a guerra.
Os aços ao boro são largamente utilizados na fabricação de parafusos de alta resistência, principalmente na indústria automotiva, segundo Santos e Ribeiro [1992]. Quando comparado com aços sem boro de igual temperabilidade, estes aços C-Mn-B tem conformabilidade superior; igual ou melhor usinabilidade e menor tendência à formação de trincas de têmpera.
A presença de pequenos teores de boro em solução (3 a 5 ppm) em aços com 0,20 a 0,40 % C permite obter uma temperabilidade média que fornece os valores necessários de dureza e resistência após têmpera, principalmente em parafusos de pequenas seções. O boro está presente nos aços como elemento intersticial e possui baixa solubilidade na ferrita (<0,003%). Apesar dos teores de boro presentes nos aços variarem de 5 a 30 ppm, teores em solução na faixa de 3 a 5 ppm, para aços carbono, aumentam substancialmente a sua temperabilidade quando submetidos a têmpera convencional [Sojka et al, 1980; Kamada et al, 1988; Titova et al, 2007].
A temperabilidade dos aços aumenta devido a presença de boro em solução, porém o excesso de boro forma borocarbonetos, eliminando o efeito do boro na temperabilidade [Titova et al, 2007]. No entanto, percebe-se que há uma divergência entre os teores ótimos de boro bastante grande entre os autores [Lin e Cheng, 1987; Akselsen et al, 1986; Leslie, 1981; Taylor e Hansen, 1990; Gonzales et al, 1984; Paju et al, 1991], pois as variações e comentários são inúmeros, principalmente devido as possíveis formações de nitretos e borocarbonetos, as quais reduzem a quantidade de boro em solução sólida.
A temperabilidade do boro é fortemente reduzida pela formação de BN, cujo produto de solubilidade na austenita é mostrado na equação 2.1. Para evitar a formação de nitretos de boro é comum adicionar elementos fortes formadores de nitretos, como o Ti e Zr, a fim de se ter boro em solução [Fountain e Chipman, 1962]:
 
 
Esta temperabilidade apresenta um acréscimo para os aços hipoeutetóides, não apresenta efeito nos aços eutetóides e decresce para os aços hipereutetóides, quando da adição de boro nos aços [Leslie, 1981]. As figuras 2.3 [Grange e Hribal, 1972] e 2.4 [Grange e Mitchell, 1961] mostram este efeito para os aços C-Mn e da série 8600, respectivamente. Quanto maior o teor de carbono, mais borocarbonetos Fe23(C, B)6 precipitam nos contornos de grãos da austenita, decrescendo a concentração de boro em solução, ocorrendo então uma competição entre o carbono, borocarbonetos e o boro nos contornos de grãos.
 
Segundo Pressouyre [1985], para um dado teor de boro, composição química e tempo de encharque, a máxima temperabilidade ocorre na temperatura de dissolução do borocarboneto TS, conforme figura 2.5:
1 – Para T = TS : maior concentração de boro livre e/ou finos borocarbonetos estão presentes nos contornos de grãos da austenita, gerando maior temperabilidade;
2 - Para T > TS : ocorre dissolução dos borocarbonetos e o boro está no seu estado atômico. Portanto, mais boro está solúvel na matriz, ou seja, menos boro segrega-se nos contornos de grãos;
3 - Para T < TS : ocorre crescimento e precipitação de borocarbonetos, portanto menos boro livre nos contornos de grãos.
Porém, para os aços sem adição de boro, a temperabilidade se mantém constante com o aumento da temperatura de austentização, até que em determinada temperatura o tamanho de grão austenítico inicia um crescimento acentuado e, conseqüentemente, aumentando sua temperabilidade [Grange e Mitchell, 1961].
 
O tempo de permanência em TS deve ser o suficiente para se obter o máximo de concentração de boro livre nos contornos de grãos. Na figura 2.6 se verifica o efeito do boro na redução do campo austenítico no diagrama Fe-C, onde o boro aumenta a temperatura e reduz o teor de carbono do eutetóide. Para uma temperatura intercrítica constante, a adição de boro diminui o teor de austenita, aumentando a concentração de boro na austenita [Shen e Priestner, 1990]
 
O refino do grão austenítico aumenta o efeito do boro na temperabilidade [Larson, 1990; Larson et al, 1991; Hu et al, 2005]. Além disso, o boro também não altera a temperatura de início de transformação martensítica, Mi e, portanto, meios de resfriamento mais rápidos podem ser usados sem a ocorrência de trincas [Leslie, 1981].
Leslie [1981] estima que a solubilidade do boro a 912 ��C está em torno de 0,001 %, crescendo com a temperatura até um máximo de 0,005 % no eutético (Figura 2.7). Devido à baixa solubilidade do boro na austenita, o mesmo segrega para os contornos de grãos. Esta segregação é função da solubilidade, ou seja, quanto mais baixa a solubilidade na austenita, maior é a concentração nos contornos de grãos, conforme se pode observar na figura 2.8.
 
 
Isto pode ser observado na figura 2.9, onde há um limite para segregação e precipitação, para uma dada composição de Boro-Carbono e temperatura de têmpera [Taylor e Hansen, 1990]. Alguns aspectos são importantes a fim de evitar a precipitação de borocarbonetos nos contornos de grãos durante o resfriamento de aços a partir de temperaturas de austenitização [Faulkner, 1981]:
- Utilização de baixas temperaturas de solubilização;
- Reduzir a concentração de elementos com grande atração vacância – impureza;
- Utilizar taxas de resfriamento altas, ou seja, distantes das taxas críticas de resfriamento.
 
Kapadia [1978] comenta que a segregação de boro para os contornos de grãos ocorre entre 900 e 950 ��C e, quanto maior a taxa de resfriamento, menor a segregação. Para que isto seja possível, um gradiente de vazios, gerado por deformação plástica ou resfriamento, entre o interior do grão e seu contorno se faz necessário [He et al, 1989].
O aumento da concentração de boro nos contornos de grãos ocorre por difusão do complexo boro – vazio para os contornos de grãos até que não haja mais fluxo de vazios, onde então o boro passa a difundir-se dos contornos para o interior dos grãos.
A fração de boro que ocupa tais sítios vacantes [B]v cresce exponencialmente com a temperatura (T), conforme mostrado na equação 2.4 [Akselsen et al, 1986]. [B]v (ppm) = 48 [B].exp(-86850/RT) (2.4)
Segundo Zhang et al [1992], mesmo para ligas sem carbono [Fe-3% Si], a segregação de boro depende da temperatura de austenitização, da densidade de discordâncias, da energia de interação entre os átomos solutos e os contornos de grãos e do coeficiente de difusão do soluto nos contornos.
No período inicial da austenitização, nenhuma segregação de boro ocorreu nos contornos de grãos. Com o aumento do tempo de permanência na temperatura de austenitização, a segregação do boro é intensificada. Já para um tempo de encharque maior, a velocidade de movimento do contorno de grão diminui, reduzindo a segregação do boro até desaparecer [Zhang et al, 1992].
O boro pode formar diversos compostos no aço, influenciando diferentemente para cada composto [Pressouyre et al, 1985]:
1 – Dissolvido na matriz: nos interstícios da rede cristalina e contornos de grãos; Dentre estes compostos, o teor de boro solúvel na austenita corresponde à quantidade de boro como soluto na matriz e na forma de borocarbonetos Fe3(BC) e M23(BC)6. Já o boro insolúvel corresponde ao teor de boro na forma de nitreto de boro, além dos óxidos e de algumas inclusões não metálicas [He et al, 1989].
Dentre estes compostos, o teor de boro solúvel na austenita corresponde à quantidade de boro como soluto na matriz e na forma de borocarbonetos Fe3(BC) e M23(BC)6. Já o boro insolúvel corresponde ao teor de boro na forma de nitreto de boro, além dos óxidos e de algumas inclusões não metálicas [He et al, 1989].
A adição de boro objetiva aumentar a temperabilidade, minimizando a formação de ferrita pró-eutetóide. O efeito do boro na nucleação de ferrita pró-eutetóide ocorre de duas formas, onde na primeira o boro reduz a energia livre dos contornos de grãos austeníticos, reduzindo a efetividade da nucleação de ferrita e bainita superior nestes contornos. Este fato distingue o efeito do boro de outros elementos como Mn, Cr e Mo que também aumentam a temperabilidade, porém isto ocorre devido à redução da taxa de crescimento da ferrita. Na outra, porém, o fator crítico não está na segregação de átomos de boro nos contornos, mas na formação de partículas de borocarbonetos CFC, Fe23(C, B)6 nos contornos de grãos austeníticos. Estes borocarbonetos formam precipitados coerentes e não coerentes. Os precipitados coerentes não são sítios capazes de nuclear ferrita, aumentando então a temperabilidade dos aços [Gonzales ET al, 1984].
Um exemplo de adição de boro em um aço AISI 8620 é mostrado na figura 2.10. Neste caso, se observam alterações na transformação isotérmica e em sua temperabilidade. O boro atrasa o início da transformação da ferrita, perlita e/ou bainita, porém para temperaturas de transformação acima de 500 ��C possuem um pequeno efeito no tempo necessário para completa transformação [Gárlipp et al, 2001; Oliveira,1994].
 
Os aços com adições de boro com relação aos aços carbono, possuem uma maior tendência ao coalescimento do grão austenítico quando aquecidos devido ao boro estar em solução nos contornos de grãos [Kapadia, 1978; Maitrepierre et al, 1978; Guseinov, 1991; Casarin, 1996].
Este coalescimento, juntamente com a redução do boro em solução sólida, gera uma redução do efeito do boro na temperabilidade dos aços quando há um excesso de boro, carbono ou quando austenitizado a temperaturas acima de 1100 ��C [Gárlipp, 2001; Leslie, 1981].
Em aços de baixo carbono e baixa liga com microadições de boro pode-se observar uma excelente combinação de propriedades mecânicas, tais como resistência ao impacto, limite de escoamento e resistência mecânica [Gavrilova et al, 1990; Bellon et al, 1992; Garcia do Ó et al, 1978].
No caso da resistência a fadiga, percebe-se que, parafusos fabricados com aço 10B22 possuem a resistência superior aos fabricados com aços média liga convencionais [Barboza ET al, 1997].

 

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