O substrato produzido em aço rápido AISI M2 para aplicação dos tratamentos de superfície foi produzido por metalurgia do pó com a utilização de aglutinante Acrawax® C Atomizado.
Inicialmente foi utilizado Polietilenoglicol (PEG) como aglutinante, entretanto esse lubrificante não teve bons resultados para essa aplicação. PEG é um lubrificante normalmente utilizado para processamento por injeção de metal, Metal Injection Moulding (MIM).
A Tabela 43 apresenta propriedades do pó de M2 medidas em laboratório e as Figuras 81 e 82 apresentam a microestrutura do M2 sinterizado. O material produzido por metalurgia do pó apresentou alta densidade, não sendo possível visualizar porosidades (Figura 81 a). Pós finos e com distribuição granulométrica Gaussiana, como o pó de M2 utilizado, permitem obter o maior empacotamento possível do material e menor tamanho da célula de carbonetos. A microestrutura produzida apresentou uma
distribuição homogênea de carbonetos dentro das
células,
mas há carbonetos de maiores tamanhos nos contornos de grão(Figura 81 b).
A Figura 82 identifica as fases matriz, carboneto grande claro e carboneto grande cinza (ambos em contorno de grão) e toda a região onde foram feitas análises de composição química por EDS, Tabela 44. Tabela 43 – Dados experimentais do aço AISI M2 da Osprey
Figura 81 - Microestrutura do substrato de M2 produzido por metalurgia do pó: (a) pequeno aumento, SE; e (b) grande aumento, BSE
Fonte: produção do próprio autor
Figura 82 - Microestrutura do substrato de M2 produzido por metalurgia do pó indicando as fases analisadas por EDS
Fonte: produção do próprio autor
a
b
3 2
1 4
Tabela 44 - Análise química semiquantitativa por EDS das fases do substrato de M2 produzido por MP
Matriz1 Clara2 Cinza3 Microestrutura4
%p. %at. %p. %at. %p. %at. %p. %at. C 2,3 10,2 C 4,5 25,2 C 8,3 35,9 C 4,9 20,3 Si 0,6 1,2 Si 2,7 6,6 Si 1,6 3,0 Si 0,8 1,5 Mo 2,6 1,4 Mo 19,5 13,6 Mo 19,7 10,7 Mo 4,8 2,5 V 0,5 0,5 V 2,5 3,2 V 33,3 34,0 V 1,8 1,8 Cr 4,1 4,1 Cr 2,8 3,6 Cr 3,9 3,9 Cr 4,2 4,0 Fe 86,6 81,7 Fe 27,4 32,9 Fe 4,8 4,5 Fe 76,8 68,0 W 3,3 0,9 W 40,6 14,9 W 28,4 8,0 W 6,7 1,9
Fonte: produção do próprio autor
A análise química pontual realizada por EDS (Tabela 44) mostrou que a fase mais clara é composta principalmente por tungstênio, ferro e molibdênio e está próxima da composição do M6C primário apresentada na (Tabela 2); enquanto a fase cinza é composta principalmente por V, W, Mo e Fe e está próxima ao carboneto primário MC da (Tabela 2).
A densidade geométrica relativa do substrato produzido por M/P foi 97,8 ± 0,76 em % da densidade teórica calculada, 7,98 g/cm3 considerando a adição de 0,5% p. de C.
4.2.2.2 M2 Boretado
O recobrimento por boretação formou uma camada dentro do substrato de aço M2, já que a camada apresenta carbonetos próprios do M2 (Figura 83 e Figura 84).
Esses carbonetos apresentaram tamanhos similares tanto na camada boretada como na matriz (Figura 83).
Na Figura 84 pode ser observada uma região em cinza escuro em dente de serra próxima a superfície da amostra, essa região pode ser FeB, já que na região mais próxima a superfície se difundiu mais átomos de boro que na região mais distante, essa camada deve atingir uma profundidade de cerca de 15 µm. Na região mais distante geralmente se forma Fe2B devido a menor concentração de átomos de B, essa fase foi
confirmada por difração de raios-x. A camada boretada total atingiu uma profundidade entre 35 e 45 µm.
Figura 83 - Microestrutura da amostra de M2 B, SE
Fonte: produção do próprio autor
Na Figura 84 a fase FeB pode ser visualizada na região em cinza mais escuro em dente de serra próxima a superfície da amostra. A fase de FeB por ser mais rica em B que a fase Fe2B forma-se em regiões mais próximas a superfície, onde há mais átomos de boro que se difundiram que em regiões mais distantes da superfície. A camada de FeB mostrada na Figura 84 atingiu uma profundidade de cerca de 15 µm.
Na análise em linha dos elementos feita por EDS (Figura 85) se observa uma ligeira diminuição da quantidade de Fe próxima a superfície, o que pode corresponder a formação de FeB e Fe2B. Os demais elementos analisados, pertencentes aos carbonetos do M2, estão igualmente distribuídos na camada boretada e na matriz.
Figura 84 - Microestrutura da amostra de M2 B, BSE
f
Fonte: produção do próprio autor
As diversas regiões da amostra boretada analisadas por EDS são mostradas na Figura 86 e as composições químicas de cada região na Tabela 45.
As descrições que seguem referem-se à Figura 86 e a Tabela 45. O ponto 1 identifica um carboneto grande, com cerca de 13 µm, em meio a camada boretada, essa fase apresenta C, Fe, Mo e W, sua composição química é similar ao carboneto primário M6C da Tabela 2. O ponto 3 identifica um carboneto rico em vanádio em meio a camada boretada, apresenta cerca de um 6 µm, é um carboneto primário MC, Tabela 2.
A região 4 identifica a fase da camada de boretos sem a presença de carbonetos do M2. A identificação e quantificação de elementos de baixo peso atômico como C e B é imprecisa por EDS, essa fase deve conter B ao invés de C e deve ser Fe2B, a fase FeB é aquela mais escura observada na Figura 84.
Fe2B FeB
Figura 85 - Análise em linha na amostra de M2 B
Figura 86- Regiões das análises semiquantitativas por EDS da seção transversal da amostra de M2 B
Fonte: produção do próprio autor
Os pontos 2, 6, 7 e 8 identificam uma fase da boretação (não havia fase com morfologia similar no substrato de M2) que apresenta alta porcentagem atômica de Fe e C e também apresenta outros elementos como o V, Mo, Cr e W; uma parte da porcentagem de C pode ser B, tendo em vista a imprecisão do equipamento na identificação de elementos de baixo peso atômico. Através da composição química desta fase pode-se concluir que o elemento boro além de se ligar ao Fe, reagiu com os carbonetos do aço M2 formando uma nova fase.
A região localizada um pouco abaixo da camada de boretação é a região da matriz. Nessa região há principalmente Fe e muito pouco de outros elementos; nesta profundidade, a 40 µm da superfície, não há átomos de boro. Entre os pontos analisados foi somente neste que apareceu Si.
O elemento Cr, nos pontos analisados, apareceu distribuído em toda a microestrutura em quantidades similares.
As Figuras 87 e 88 apresentam o mapeamento feito por EDS de elementos na seção transversal da amostra de M2 boretada.
8 5 2 3 4 6 1 7
O mapeamento de B e C por essa técnica não é preciso devido ao baixo peso atômico desses elementos. Não se nota diferença de concentração de B e C da região boretada para a matriz.
Tabela 45 - Análise semiquantitativa de regiões da amostra B, a primeira linha refere-se à composição química expressa em % massa e a segunda linha, refere-se à composição química expressa em % atômica C Si V Cr Fe Ni Mo W Ponto 1 4,9 2,7 3,0 26,5 21,0 41,9 28,5 3,7 4,0 32,9 15,1 15,8 Ponto 2 8,0 2,1 4,1 53,3 10,1 22,5 33,9 2,1 4,0 48,5 5,3 6,2 Ponto 3 9,5 39,0 4,8 3,1 18,5 25,1 38,9 37,7 4,6 2,7 9,5 6,7 Região 4 3,0 0,8 4,9 90,2 1,1 12,7 0,8 4,7 81,3 0,6 Região 5 4,0 1,1 0,8 4,1 87,7 2,3 16,1 1,9 0,8 3,8 76,2 1,1 Ponto 6 6,0 1,7 2,5 30,2 16,2 43,3 32,7 2,2 3,2 35,4 11,1 15,4 Ponto 7 5,2 0,8 3,9 78,0 0,9 3,6 7,4 21,6 0,8 3,7 69,2 0,8 1,9 2,0 Ponto 8 6,4 1,3 5,8 76,7 3,2 6,5 25,3 1,2 5,3 64,9 1,6 1,7
Fonte: produção do próprio autor
O elemento V está distribuído por toda a microestrutura e em maior concentração em algumas regiões, possivelmente onde há carbonetos. Cr e W estão distribuídos por toda a microestrutura, há pequenas áreas sem a presença destes elementos. Não se nota diferença de concentração de Fe entre a zona boretada e a matriz, a parte em que não há ferro no mapeamento é do baquelite.
Consequentemente, o mapeamento por EDS não apresentou nenhuma informação sobre as microestruturas de boretação.
Figura 87- Mapeamento de B, C, V, Cr e Fe da amostra de M2 B
Figura 88- Mapeamento de Mo e W da amostra de M2 B
4.2.2.3 M2 Niobizado
Microestruturas da seção transversal de amostras com niobizações sólida, feitas com misturas de diferentes composições, podem ser vistas nas Figuras 89 a 98.
Nas niobizações em que se utilizou a composição da mistura denominada Samadi_Nb (Figura 89) a camada formada não recobriu toda a superfície, com a mistura Samadi_FeNb a camada apresentou alta porosidade (Figura 90 e 91).
Figura 89 - Microestrutura da amostra de M2 Nb Samadi_Nb, SE
Fonte: produção do próprio autor
A niobização feita com a mistura Sen, constituída por 40Nb + 20NH4Cl + 40Al2O3 (% em peso), formou uma camada mais homogênea e menos porosa ao longo da superfície da amostra. Essa camada apresentou uma espessura de cerca de 11 µm (Figura 93). A camada niobizada se formou dentro da amostra, nota-se a presença de carbonetos inerentes ao M2 dentro da camada niobizada (Figura 95).
Figura 90 - Microestrutura da amostra M2 de Nb Samadi_FeNb, BSE
Fonte: produção do próprio autor
Figura 91 - Microestrutura da amostra de M2 Nb Samadi_FeNb, SE
Figura 92 – Microestrutura da amostra de M2 Nb Sen, BSE
Fonte: produção do próprio autor Figura 93 - Microestrutura da amostra de M2 Nb Sen, SE
Figura 94 - Microestrutura da amostra de M2 Nb Sen com uma camada densa ao longo da superfície, BSE
Fonte: produção do próprio autor
Figura 95 - Microestrutura da amostra de M2 Nb Sen mostrando os carbonetos na camada, BSE
Fonte: produção do próprio autor Carbonetos na camada de NbC
Análises semiquantitativa por EDS das regiões da amostra niobizada com a mistura Sen (Figura 96) são mostradas na Tabela 46. As informações que seguem referem-se à Tabela 46. A Região 1 e 8 e o ponto 6 estão na camada de carboneto de nióbio, regiões e ponto ricos em C e Nb. Os pontos 2 e 3 estão logo abaixo da camada de NbC, essa região é rica em C e Fe. O ponto 4 é uma fase clara, possui composição rica em C, V, W e Mo similar a do carboneto MC (Tabela 2). O ponto 5 é de um carboneto rico em C, Fe, W e Mo, cuja composição é similar aquela de um carboneto primário M6C (Tabela 2). A região 7 é a matriz, rica em Fe, C e Cr.
O Cr está distribuído igualmente em todas as fases do material, menos na camada de NbC. O Nb somente aparece na camada de NbC, não há difusão de Nb para a matriz.
Figura 96- Regiões das análises semiquantitativas por EDS da seção transversal da amostra de M2 Nb Sem
Fonte: produção do próprio autor 1 4 7 5 3 2 8 6