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UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARANPR
UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN
CAMPUS DE CURITIBA
DEPARTAMENTO DE PESQUISA E PS-GRADUAO
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
E DE MATERIAIS - PPGEM
VIVIANE WRITZL
INFLUNCIA DOS PARMETROS DA TMPERA
SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA
MICROESTRUTURA DOS AOS FERRAMENTA
PARA TRABALHO A FRIO
CURITIBA
SETEMBRO - 2011
VIVIANE WRITZL
INFLUNCIA DOS PARMETROS DA TMPERA
SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA
MICROESTRUTURA DOS AOS FERRAMENTA
PARA TRABALHO A FRIO
Dissertao apresentada como requisito parcial
obteno do ttulo de Mestre em Engenharia,
do Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Mecnica e de Materiais, rea de
Concentrao em Engenharia de Materiais, do
Departamento de Pesquisa e Ps-Graduao,
do Campus de Curitiba, da UTFPR.
Orientador: Paulo Csar Borges, Ph.D.
Co-orientador: Giuseppe Pintade, Dr.
CURITIBA
SETEMBRO - 2011
TERMO DE APROVAO
VIVIANE WRITZL
INFLUNCIA DOS PARMETROS DA TMPERA
SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA
MICROESTRUTURA DOS AOS FERRAMENTA
PARA TRABALHO A FRIO
Esta Dissertao foi julgada para a obteno do ttulo de mestre em engenharia,
rea de concentrao em engenharia de materiais, e aprovada em sua forma final
pelo Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica e de Materiais.
_________________________________ Prof. Paulo Csar Borges, Ph.D.
Orientador
Banca Examinadora
______________________________ ______________________________ Prof. Hlio Goldenstein, Ph.D. Prof. Milton S. F. de Lima, Ph.D. (USP) (ITA / IEAv)
______________________________ Prof. Mrcio Mafra, Dr.
(UTFPR)
Curitiba, 22 de setembro de 2011
iv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer a Deus pela realizao deste trabalho.
A empresa COMP por ter permitido e incentivado esta pesquisa, aos diretores Sr.
Renato, Sr. Celso, Sr. Mertens e Sr. Alexandre. Ao programador Argeo pela
realizao dos experimentos e trocas de experincias.
Ao meu orientador Paulo Csar Borges, primeiramente pelos conhecimentos na rea
de Materiais e por ter me proporcionado desafios crescentes. Tambm agradeo a
pacincia e por ter se tornado um grande amigo no decorrer deste trabalho.
Ao meu co-orientador Giuseppe Pintade pelo apoio na realizao dos experimentos
e direcionamento da pesquisa.
Ao professor e amigo Jlio Klein Neves por ter me dado coragem de iniciar este
trabalho, e muitas vezes ter me ajudado nas dificuldades que surgiram.
As queridas Sabrina e Lethcia (estagirias do laboratrio de materiais) e ao Alexandre
(tcnico do laboratrio) pela disponibilidade na preparao das amostras e pela
amizade construda.
A Alba da empresa Bosch pelos ensaios de Difrao de Raios-X.
A Villares Metals pelo envio do material para a pesquisa.
A empresa Brasimoldes, Sr. Bernado, pela preparao dos corpos de prova.
A empresa Spectroscan, prof. Lucio e Angela pela contribuio no trabalho.
A professora Maria Cindra da UFF pela disponibilidade e ateno para a realizao
dos ensaios de tenso residual, e a Rede de Materiais, TMEC da Petrobrs que
cedeu o equipamento ao Laboratrio de Anlise de Tenses da Escola de
Engenharia da UFF.
A UTFPR pela oportunidade de conhecimento e crescimento.
Ao CNPQ pelo incentivo nesta pesquisa.
Finalmente, um agradecimento especial para minha famlia, pela confiana e
ateno em mim depositada.
v
Investir em conhecimento rende sempre
os melhores juros
BENJAMIN FRANKLIN
vi
VIVIANE WRITZL, influncia dos parmetros da tmpera superficial a laser por
diodo na microestrutura dos aos ferramenta para trabalho a frio, 2011,
Dissertao (Mestrado em Engenharia) - Programa de Ps-graduao em
Engenharia Mecnica e de Materiais, Universidade Tecnolgica Federal do Paran,
Curitiba, 2011.
RESUMO
A engenharia de superfcies tem como objetivo melhorar o desempenho
dos materiais por meio de modificaes superficiais. As modificaes
superficiais podem ser realizadas por meio de aplicao de revestimentos ou
por tratamentos trmicos ou termoqumicos. Neste trabalho a modificao da
superfcie obtida pela tmpera superficial a laser por diodo, que consiste na
aplicao de um feixe de laser com alta potncia sobre a superfcie do
material, para alcanar em segundos a temperatura de austenitizao
selecionada em uma fina camada. Com a remoo do feixe de laser, o elevado
gradiente trmico gerado entre a camada e o ncleo produz a autotmpera,
transformando a microestrutura da superfcie de austenita para martensita.
Dentre as vantagens da utilizao dos HPDLs (Lasers por diodo de alta
potncia) na tmpera superficial podemos citar: maior absoro da radiao
emitida pelo feixe do laser nos materiais ferrosos; melhor controle dos
parmetros do processo; alm de uma vantagem exclusiva que a
possibilidade de realizar tmpera em regies localizadas e de difcil acesso
atravs do controle CNC. Este trabalho analisou o efeito da temperatura de
austenitizao e da velocidade de processamento da tmpera superficial a
laser por diodo na microestrutura dos aos ferramenta para trabalho a frio
VF800AT, VD2 e o VC131 (Villares Metals). So apresentados resultados
referente a dureza superficial, a profundidade de endurecimento, as tenses
residuais, a frao de austenita retida e os tipos de microestrutura
correspondentes, permitindo assim, identificar as condies que propiciam os
melhores resultados para cada um dos aos.
Palavras-chave: HPDLs, tmpera superficial, aos ferramenta.
vii
VIVIANE WRITZL, influncia dos parmetros da tmpera superficial a laser por
diodo microestrutura dos aos ferramenta para trabalho a frio, 2011,
Dissertao (Mestrado em Engenharia) - Programa de Ps-graduao em
Engenharia Mecnica e de Materiais, Universidade Tecnolgica Federal do Paran,
Curitiba, 2011.
ABSTRACT
The surface engineering aims to improve the performance of materials by
means of surface modifications. The surface modifications can be achieved by
applying coatings or by means of thermal or thermochemical treatments. In
this study the surface modification is obtained by the surface hardening using
laser diode, which consists in to apply a high-power beam on the material
surface to achieve in seconds the austenitizing temperature selected in a thin
layer. As the laser beam is removed, the high thermal gradient generated
between the layer and the bulk produces a self-quenching, i.e., transforming
the surface microstructure from austenite to martensite. The advantages of
High Power Diode Lasers (HPDLs) for the surface hardening are: a higher
absorption of radiation emitted by the laser beam in ferrous materials, better
control of parameters the process, besides a exclusive advantage that is the
possibility of hardening in localized regions of difficult accessing, through the
CNC control. This study analyzed the effect of austenitizing temperature and
the processing speed of surface hardening by laser diode on the
microstructure of tool steels for cold working VF800AT, VD2 and VC131
(Villares Metals). Results are presented concerning the surface microhardness,
depth of hardening, residual stresses, the fraction of retained austenite and the
corresponding types of microstructure, thus, identify the conditions that
provide the best results for each of the steels.
Keywords: HPDLs, surface hardening, tool steels.
viii
SUMRIO
RESUMO.................................................................................................................... vi
ABSTRACT ............................................................................................................... vii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... x
LISTA DE TABELAS ................................................................................................ xvi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................xvii
LISTA DE SMBOLOS ............................................................................................. xviii
1 INTRODUO .................................................................................................... 19 1.1 Objetivo Geral ............................................................................................................................ 21 1.2 Objetivos Secundrios .............................................................................................................. 21
2 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................... 22 2.1 Laser .......................................................................................................................................... 22
2.1.1 Tipos de Laser .................................................................................................................. 24 2.1.2 Coeficiente de Reflectividade e Absortividade .................................................................. 26 2.1.3 Processos de Materiais a Laser .