Study of processing and post-processing of AISI H13 tool steel by powder bed fusion

Autor(es)

Eduardo Bertoni da Fonseca

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2023-07-07

Membros da banca

Éder Sócrates Najar Lopes; Claudemiro Bolfarini; Kahl Dick Zilnyk; João Batista Fogagnolo; Milton Sergio Fernandes de Lima

• Orientador: Éder Sócrates Najar Lopes

Resumo

As tecnologias de manufatura aditiva produzem peças com geometrias complexas normalmente camada por camada. Assim, peças com a qualidade desejada e a baixo custo podem ser obtidas em uma cadeia de produção mais curta. Entre as aplicações da manufatura aditiva está a fabricação de ferramentas, como moldes e matrizes para injeção, fundição e forjamento. Tradicionalmente, o aço ferramenta AISI H13 é a classe mais empregada em tais aplicações devido à sua alta resistência mecânica e tenacidade em altas temperaturas. No entanto, a processabilidade do aço H13 por fusão a laser em leito de pó e as rotas de tratamento térmico subsequentes necessitam de mais desenvolvimento. Este trabalho aborda inicialmente a processabilidade do aço H13, explorando a consolidação, defeitos, microestrutura e dureza em função da potência do laser e da velocidade de varredura pela técnica de fusão em leito de pó. A utilização de parâmetros de processamento adimensionais permite avaliar a processabilidade em diferentes máquinas e instiga pesquisadores a reportarem mais dados sobre as condições de processamento. A caracterização microestrutural das amostras como-construídas revela uma estrutura de solidificação celular/dendrítica devido à partição de elementos de liga, além de uma heterogeneidade microestrutural relacionada ao ciclo térmico intrínseco ao processamento, o qual é evidenciado pela análise das camadas processadas. Posteriormente, são avaliadas as transformações de fase associadas ao tratamento térmico de revenimento direto da microestrutura como-construída. A microssegregação estabiliza uma grande fração de austenita retida nas paredes celulares, que sofre decomposição durante o revenimento seguindo duas vias. Na via de para-equilíbrio, a austenita retida se transforma em martensita nova durante o resfriamento, promovendo aumento da dureza e retendo a estrutura de solidificação. A difusão do carbono está associada à desestabilização da austenita retida, enquanto a difusão de outros elementos de liga permanece insignificante. Na via de equilíbrio, a austenita retida se decompõe isotermicamente em ferrita e carbonetos, enquanto a estrutura celular degenera. Por fim, é feita a avaliação do desempenho mecânico das peças submetidas a diferentes rotas de tratamento térmico para determinar propriedades mecânicas relevantes nas aplicações tradicionais do material, como resistência mecânica, tenacidade à fratura e resistência ao desgaste. Dentre as rotas de tratamento térmico avaliadas, destacam-se uma rota de revenimento direto e uma rota tradicional de austenitização, têmpera e revenimento. Na rota de revenimento direto, observa-se resistência mecânica superior devido à microestrutura refinada obtida após o processamento. A escolha da temperatura do segundo ciclo de revenimento permite ajustar as propriedades mecânicas entre um material com elevada resistência mecânica e ao desgaste pela precipitação secundária de carbonetos (a 550 °C), ou um material com elevada tenacidade à fratura pela dessaturação e coalescimento da martensita (a 650 °C). O tratamento térmico de austenitização dissolve a microssegregação e forma novos grãos, resultando em uma microestrutura similar àquela do material produzido por rotas convencionais. Com isso, obtém-se maior tenacidade à fratura, porém menor resistência mecânica e ao desgaste. Os resultados fornecem embasamento para o processamento e tratamento térmico do aço ferramenta H13 processado por manufatura aditiva, correlacionando características microestruturais com as propriedades mecânicas (AU)

• Processo FAPESP: 19/06276-4 - Estudo de processamento e pós-processamento do aço AISI H13 por fusão em leito de pó: caracterização micro/nanoestrutural e mecânica
• Beneficiário: Eduardo Bertoni da Fonseca
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado