Avaliação da influência de ciclos térmicos sobre o índice de esferoidização e as propriedades mecânicas do aço ao boro SAE 10B22 para utilização na indústria de fixadores automotivos

Abstract

A fabricação de elementos fixadores (parafusos, porcas, arruelas etc.), a partir de aços de construção mecânica envolve os processos de conformação mecânica (trefilação, forjamento e laminação de roscas e usinagem) e tratamento térmico. Com o objetivo de facilitar a deformação do material e diminuir o desgaste e quebra de ferramental nas etapas de conformação, antes destas etapas, a matéria-prima na forma de arame pode ser submetida ao processo de tratamento térmico de esferoidização, em temperaturas próximas a A1, no qual a estrutura lamelar da cementita perlítica sofre os fenômenos de instabilidade de forma, esferoidização e coalescimento, de forma que se obtém uma microestrutura caracterizada por uma matriz ferrítica na qual se tem uma dispersão de partículas esferoidizadas da cementita, o que proporciona uma baixa dureza e maior ductilidade ao material. Em termos tecnológicos, permanece como desafio o estabelecimento de janelas de processo, ou seja, a combinação ótima de tempos e temperatura de processo que permita-se atingir graus de esferoidização adequados aos processos de conformação, associados a maiores produtividades e menores custos. Neste contexto, será avaliada a influência dos parâmetros de tratamentos de esferoidização com i) temperatura de patamar a 750ºC por 8 horas; ii) alternando a temperatura acima e abaixo de A1 e; iii) temperatura de patamar a 740ºC, por 2 horas e a 720ºC por 12 horas em forno EBNER HICON/H2 em atmosfera de N2 sobre o índice de esferoidização do aço ao boro SAE 10B22. Para cada ciclo de tratamento executado o material será avaliado em termos de microestrutura (índice de esferoidização, tamanho de grão e fração volumétrica de perlita) através de microscopia ótica, dureza (HRB) e resistência mecânica sob tração (limite de escoamento, limite de resistência à tração, alongamento e redução de área). Os resultados obtidos indicam que o Ciclo III foi o mais eficaz entre os experimentados, pois proporcionou a obtenção de uma microestrutura com grau de esferoidização próximo de 100%, caracterizada por uma excelente dispersão dos carbonetos esferoidais na matriz ferrítica. Como consequência, esse ciclo resultou no maior índice de redução das propriedades mecânicas e dureza do aço SAE 10B22, o que favorece os processos subsequentes de conformação ao qual o material foi submetido.

The manufacturing of fastening elements (bolts, nuts, washers etc.) from engineering steels involves mechanical forming processes (drawing, forging, thread rolling, and machining) and heat treatment. In order to facilitate material deformation and reduce tool wear and breakage during the forming stages, the raw material in the form of wire can be subjected to a spheroidization heat treatment process at temperatures near A1. In this process, the lamellar structure of pearlitic cementite undergoes shape instability, spheroidization, and coalescence phenomena, resulting in a microstructure characterized by a ferritic matrix with a dispersion of spheroidized cementite particles, which provides low hardness and increased ductility to the material. A technological challenge remains in establishing process windows, i.e., the optimal combination of processing times and temperatures that allow achieving appropriate levels of spheroidization for the forming processes, associated with higher productivity and lower costs. In this context, the influence of spheroidization treatment parameters will be evaluated with: i) a holding temperature of 750°C for 8 hours; ii) alternating temperatures above and below A1; and iii) a holding temperature of 740°C for 2 hours and 720°C for 12 hours in an EBNER HICON/H2 furnace in a nitrogen atmosphere on the spheroidization index of SAE 10B22 boron steel. For each treatment cycle, the material will be evaluated in terms of microstructure (spheroidization index, grain size, and pearlite volume fraction) using optical microscopy, hardness (HRB), and mechanical strength under tensile testing (yield strength, tensile strength, elongation, and reduction in area). The results obtained indicate that Cycle III was the most effective among those tested, as it provided a microstructure with a spheroidization degree close to 100%, characterized by an excellent dispersion of spheroidized carbonates in the ferritic matrix. As a result, this cycle led to the highest reduction in mechanical properties and hardness of SAE 10B22 steel, which favors the subsequent forming processes the material underwent.