henrique solowej medeiros lopes orientador
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Relatório Final – Iniciação Científica
FAPESP Proc. 2013/15484–3
Período de Vigência do Projeto: 01/09/2013 a 31/08/2014
Estudo da Resistência ao Desgaste de Aço Ferramenta P20
Tratados Superficialmente por Cementação e Nitretaç ão
Aluno: Henrique Solowej Medeiros Lopes
(5o Semestre Tecnologia em Polímeros, Fatec Sorocaba, SP)
Orientadora: Profa. Dra. Luciana Sgarbi Rossino
(Profa. Assistente, Fatec Sorocaba, SP)
Setembro/2014
Henrique Solowej Medeiros Lopes
Estudo da Resistência ao Desgaste de Aço Ferramenta P20
Tratados Superficialmente por Cementação e Nitretaç ão
Relatório Final de Iniciação Científica
FAPESP
Orientadora: Drª. Profª. Luciana Sgarbi Rossino
Professora Assistente
CPF: 302408828-81
SOROCABA
2014
AGRADECIMENTOS
Á FAPESP, pelo apoio e bolsa de iniciação cedida, o que tornou
possível a elaboração deste projeto;
Á minha orientadora, professora e amiga Drª Luciana Sgarbi Rossino,
pela compreensão e plena dedicação sempre que necessária;
Ao corpo docente da Fatec Sorocaba pela instrução e orientação desde
os primeiros dias de projeto;
Ao laboratório de pesquisas da USP de Lorena, pela orientação nas
análises EDS;
Ao laboratório de pesquisas da UFSCAR de Sorocaba, por ceder a
utilização de seus equipamentos;
Á empresa Thermix e seus funcionários, pelo tratamento de
cementação gasosa e orientação;
Á empresa MetalPlasma, pela realização do tratamento de nitretação
iônica.
Á empresa Isoflama, pela realização do tratamento de nitretação iônica;
Á minha família que sempre me apoiou, me dando orientação,
educação e tornou possível a realização deste trabalho;
E à Deus, pelas oportunidades concedidas e por sempre concluí-las
com êxito.
RESUMO DO PROJETO INICIAL
Neste trabalho, será realizado o tratamento termoquímico de
cementação e nitretação em aço ferramenta P20, variando-se o tempo de
tratamento do material. Assim, será determinada a espessura das camadas
formadas. Os corpos de prova serão submetidos a um tratamento de
cementação sólida utilizando uma temperatura fixa e diferentes faixas de tempo
de tratamento. Para tanto, será utilizado carvão vegetal e carbonato de cálcio
(CaCO3) como agente de ativação química responsável pela geração do
monóxido de carbono (CO) durante a cementação sólida. Esse processo é
considerado ecologicamente correto do ponto de vista ambiental, pela
utilização do carbonato de cálcio ao invés do tradicional carbonato de bário que
possui restrições ambientais. A nitretação a plasma dos corpos de prova será
realizada em diferentes tempos, a temperatura fixa em mistura gasosa de N2 e
H2. As camadas formadas serão caracterizadas por metalografia e medidas de
micro dureza. Ensaios de micro desgaste abrasivo por esfera fixa serão
realizados para verificar a influência da camada formada na resistência ao
desgaste do material estudado.
RESUMO
Neste trabalho, foi realizado o tratamento termoquímico de nitretação
iônica, cementação sólida e gasosa em aço ferramenta P20, material utilizado
principalmente para fabricação de moldes plásticos. Foi observado que a
espessura da camada efetiva aumentou conforme maiores tempos de
tratamento eram realizados. A dureza superficial teve um comportamento
inverso, sendo maior quanto menor o tempo de tratamento, fenômeno aliado a
difusão do elemento endurecedor. A resistência ao desgaste demonstrou-se
alta tanto com maiores durezas superficiais, como com maiores profundidades
de camada (menor e maior tempo de tratamento, respectivamente). As
amostras tratadas por cementação sólida obtiveram uma maior espessura de
camada cementada, enquanto, as amostras tratadas por cementação gasosa,
obtiveram uma maior dureza na superfície. As amostras tratadas por nitretação
iônica obtiveram resultados de resistência ao desgaste menores comparados
com os das cementações realizadas, indicativo de sua menor dureza superficial
e profundidade de camada, porém, com o aparecimento da camada branca,
importante na injeção plástica devido sua resistência ao desgaste e à corrosão.
ABSTRACT
In this work, was performed the thermochemical treatment of solid and
gas carburizing, and ion nitriding in tool steel P20, mainly steel used in plastic
injection molds. Was observed that the thickness of the layer increased when
the treatment time was longer. The surface hardness had an inverse behavior,
being greater in lower treatment times, due to the hardening element diffusion.
The microwear resistance, in the case of solid carburizing, showed greater
when the thickness layer was longer. In the case of gas carburizing and ion
nitriding, the greater wear resistance was reached with a greater surface
hardness, in shorter times of treatment. The solid carburizing specimens
reached a bigger thickness layer, meanwhile, the gas carburizing treatment
reached a harder surface. The ion nitriding treatment obtained lower microwear
resistance, due to its lower surface hardness and thickness layer. However, this
treatment generated the white layer, important for the mold injection due to its
corrosion and microwear resistance.
EVOLUÇÃO DO TRABALHO EM RELAÇÃO ÀS ETAPAS
PREVISTAS NO CRONOGRAMA
Na Tabela 1 está apresentada o cronograma do projeto de iniciação
científica proposto.
Tabela 1: Cronograma de desenvolvimento do projeto proposto.
Atividades Mês 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Revisão da Bibliografia
Fabricação dos corpos de prova
Determinação dos parâmetros
de cementação e nitretação
iônica
Realização do tratamento de
cementação
Realização do tratamento
térmico de nitretação iônica
Determinação do perfil de
dureza superficial, espessura da
camada formada e análise
metalográfica
Realização do ensaio de
desgaste
Análise dos resultados
Confecção do Relatório
Nos primeiros 6 meses de desenvolvimento deste trabalho, estavam
previstas a realização das atividades de: revisão da bibliografia, fabricação dos
corpos de prova, determinação dos parâmetros da cementação sólida e
nitretação iônica e a realização do tratamento de cementação sólida. Todas as
atividades acima previstas foram realizadas, conforme apresentado no relatório
parcial. Além disso, foram realizadas as atividades de cementação gasosa,
determinação do perfil de dureza superficial, determinação da espessura da
camada de todas as amostras cementadas, análise metalográfica e ensaios de
micro desgaste abrasivo das mesmas. Deve-se ressaltar que a realização do
tratamento de cementação gasosa não estava prevista no projeto inicial de
desenvolvimento deste trabalho.
No segundo semestre do projeto, estavam previstas a realização do
tratamento de nitretação iônica, caracterização das camadas produzidas em
todos os tratamentos, ensaio de desgaste em todos os materiais tratados e
material base, além da análise dos resultados. Assim, corpos de prova foram
enviados à empresa MetalPlasma e à empresa Isoflama, onde foram
devidamente nitretadas. Após o recebimento das mesmas, foram analisadas
suas respectivas durezas, ensaio de desgaste e metalografia. Foi marcado
uma análise de WDS em Lorena, porém, por problemas técnicos, foi realizado
a análise de EDS para mensurar a composição química da camada. O EDS foi
realizado em todas as amostras tratadas do projeto. Todos os resultados foram
devidamente analisados e comparados conforme apresentado neste relatório.
Assim, todas as atividades previstas foram devidamente realizadas.
Além disto, um tratamento adicional não previsto (cementação gasosa) foi
realizado.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................... 11
2. OBJETIVO ................................................................................................. 17
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 18
3.1 Aços para Molde ..................................................................................... 18
3.2 Tratamento Térmico e Termoquímico ..................................................... 22
3.2.1 Tratamento Térmico de Têmpera e Revenimento ............................ 25
3.2.2 Tratamento Térmico à Frio (Subzero) ............................................... 27
3.2.3 Tratamento Termoquímico de Cementação Sólida........................... 28
3.2.4 Tratamento Termoquímico de Cementação Gasosa ........................ 31
3.2.5 Tratamento Termoquímico de Nitretação Iônica ............................... 32
3.3 Difusão dos Elementos Endurecedores .................................................. 35
3.4 Ensaio de Microdesgaste Abrasivo ......................................................... 37
4. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 42
4.1 Materiais ................................................................................................. 42
4.2 Métodos .................................................................................................. 43
4.2.1 Cementação Sólida ........................................................................... 43
4.2.2 Cementação Gasosa ........................................................................ 45
4.2.3 Nitretação Iônica ............................................................................... 46
4.2.4 Ensaio de Dureza ............................................................................. 47
4.2.5 Ensaio de Microdesgaste Abrasivo ................................................... 49
4.2.6 Análise Metalográfica ........................................................................ 50
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................... 52
5.1 Ensaio de Microdureza ........................................................................... 52
5.1.1 Estudo da Camada Formada por Cementação ................................ 52
5.1.2 Estudo da Camada Formada por Nitretação .................................... 57
5.1.3 Estudo da Profundidade da Camada Tratada e Dureza Superficial por Tempo de Tratamento ............................................................................... 59
5.2 Ensaio de Desgaste ................................................................................ 62
5.2.1 Cementação Sólida ........................................................................... 63
5.2.2 Cementação Gasosa ........................................................................ 65
5.2.3 Nitretação Iônica ............................................................................... 67
5.3 Metalografia ............................................................................................ 69
5.4 Composição Química da Camada Formada ....................................... 80
5.5 Vantagens e Desvantagens da Cementação Sólida, Cementação Gasosa e Nitretação Iônica ........................................................................... 81
6. DIFICULDADES ENCONTRADAS ............................................................ 85
7. CONCLUSÃO ............................................................................................ 86
8. REFERÊNCIAS ......................................................................................... 89
9. JUSTIFICATIVA DA APLICAÇÃO DA RESERVA TÉCNICA ..................... 96
10. LISTA DE PUBLICAÇÕES ..................................................................... 97
1. INTRODUÇÃO
O rápido crescimento e a importância adquirida pela indústria de
plásticos, recentemente, causaram uma expansão considerável no número de
aços para moldes. O desenvolvimento da indústria de plásticos assumiu uma
posição proeminente na produção industrial de todo o mundo. De acordo com
dados estatísticos, a produção de plásticos foi de cerca de 1,5 milhão de
toneladas em 1950, e de 14,6 milhões de toneladas em 1965. De acordo com
os dados encontrados em publicações técnicas, a produção tem crescido
desde então, e uma decupilação da produção ocorrerá dentro de outros 15
anos (SORS, 2002).
Vários tipos de aço são empregados para a fabricação destes moldes
ou para a fundição de ligas de baixo ponto de fusão. A grande variação na
composição, método de formação da cavidade dos moldes, método de
moldagem e material para ser moldado são mais influenciados na escolha do
material do molde assim como também o método de tratamento térmico (ASM,
2005).
Entre as diversas propriedades requeridas de um aço para molde,
podem ser citadas as principais: baixa dureza no estado recozido (que facilita a
usinagem ou o forjamento de cavidades “hobbing” na matriz), resistência ao
desgaste e ao impacto, resistência mecânica e alta polibilidade e usinabilidade.
Para aplicações em que a usinagem é relativamente simples, deve-se
considerar a possibilidade de utilização de aços já beneficiados. Desse modo,
elimina-se os riscos de trinca, distorção e oxidação, associados aos
tratamentos térmicos (COSTA E SILVA, 2010).
Usualmente, os aços para moldes são utilizados cementados,
nitretados ou revestidos quando uma maior dureza superficial e melhor
resistência ao desgaste, oxidação e erosão são desejadas. Caso contrário,
podem ser aplicados somente temperados e revenidos (CHIAVERINI, 2008;
COSTA E SILVA, 2010).
O tratamento de cementação, um dos mais conhecidos e aplicados
tratamentos termoquímicos de endurecimento superficial, consiste em
enriquecer a superfície do material em carbono, com a finalidade de elevar-se a
dureza e a tenacidade da peça para depois sofrer a têmpera, mantendo ao
mesmo tempo o núcleo dúctil (YOSHIDA, 1990). Os meios mais utilizados para
esse tratamento são o meio gasoso e o meio sólido. O meio líquido, por ser um
processo tóxico, não é um meio recomendado atualmente devido a busca
constante das indústrias no aperfeiçoamento ao combate a poluição, apesar de
ser eficiente e de baixo custo, seu processo é poluente e causa alta toxicidade
no ambiente de trabalho, requerendo limpeza constante e profissional
capacitado para a sua realização (ROSA, 2012). O meio sólido tem a vantagem
de possuir baixo custo, a não necessidade de equipamentos caros e não
necessita de alta destreza por parte do operador. Porém, a cementação sólida
não é indicada para quando se precisa de um controle extremamente rígido da
profundidade da camada que será cementada na peça, pois não há um modo
efetivamente seguro de controlar o potencial de carbono na superfície. Para
essas ocasiões, indica-se o processo de cementação gasosa ou nitretação a
plasma (COSTA E SILVA, 2010; CHIAVERINI, 2003; ROSA, 2012). O meio
gasoso, por sua vez, necessita de equipamentos de alto custo, é um processo
relativamente caro, comparado a cementação sólida, e necessita de alta
destreza e cuidado por parte do operador (ROSA, 2012). Mais barata, mas não
muito mais simples, é a cementação com cianeto de sódio ou cementação
líquida. O cianeto de sódio causa muitos problemas na observação das normas
de segurança do trabalho (SORS, 2002).
O uso dos aços cementados deverá ser evitado quando o molde tiver
nervuras finas ou cantos vivos, porque nesses pontos o teor de carbono pode
aumentar de tal forma que podem ocorrer ruptura durante a têmpera (SORS,
2002).
No tratamento de nitretação, o endurecimento superficial é promovido
pelo nitrogênio, que se difunde a partir da superfície da peça para seu interior,
reagindo com os elementos de liga contidos no aço. Os objetivos são muito
parecidos com o da cementação, tais como: produzir superfície de alta dureza
com resistência ao desgaste, melhor resistência à fadiga, à corrosão e ao calor
(CHIAVERINI, 2003).
Existem vários processos de nitretação: gás, líquida, plasma e
sulfonitretação. A nitretação a plasma é um dos métodos de nitretação mais
utilizados atualmente, pois exige menor tempo e propicia uma boa propriedade
mecânica do material tratado, além de não afetar o meio ambiente. É um
processo totalmente automatizado (CHIAVERINI, 2003).
Importante citar, também, que uma das grandes vantagens da
nitretação por plasma, processo utilizado neste projeto, é a possibilidade de
controlar a metalurgia da camada nitretada (EDENHOFER, 1974). Também, o
tratamento de nitretação não requer têmpera posterior, pois o endurecimento
obtido não envolve a formação de martensita e sim à formação de nitretos
abaixo da superfície (CHIAVERINI, 2003).
Esses tratamentos são essenciais em aços para moldes, que
necessitam de um aumento significativo de resistência em sua superfície já que
sofrem severa solicitação mecânica e química, como por exemplo, desgaste
superficial, resistência ao impacto, corrosão, oxidação etc., dependendo,
também, do polímero a ser injetado (COSTA E SILVA, 2010).
Além dos aços da série P, é comum o uso de aços inoxidáveis
martensíticos (AISI 420 ou W.Nr. 1.2083, por exemplo) e endurecíveis por
precipitação, similares ao PH 13-8 Mo, por exemplo, para a fabricação de
moldes plásticos. Aços ferramenta de outras séries também podem ser
utilizados (H13 com refino por ESR é um exemplo). Dessa família, os mais
usuais são: P1, P6, P20 e P20 refundido sob escória (ESR). Os aços P1 e P6
são, atualmente, pouco utilizados, o principal material é o aço P20 (COSTA E
SILVA, 2010).
Os aços cementados que contém cromo e níquel (como o AISI P6, P20
e outros) são mais usináveis. Após têmpera superficial competente, sua
superfície adquire a dureza adequada. Na cementação, o teor de carbono da
superfície é elevado de 0,8 a 0,9%, para assegurar a dureza necessária.
Entretanto, o maior teor de carbono não é desejável, pois pode desenvolver-se
um reticulado de cementita nos limites do grão, causando farpas na têmpera ou
em sua utilização (COSTA E SILVA, 2010).
Podemos definir desgaste como a perda progressiva de matéria da
superfície de um corpo sólido devido ao contato e movimento relativo com um
outro corpo sólido, líquido ou gasoso, sendo um fenômeno complexo que
depende das condições de deslizamento e propriedades dos materiais (GAHR,
1987; DIN 50320, 1997).
A perda de material devido a ocorrência do fenômeno de desgaste
pode acarretar diminuição da funcionalidade do componente e
consequentemente de equipamentos no qual está inserido. Como o fenômeno
do desgaste é comum na grande maioria dos equipamentos mecânicos, a sua
ocorrência pode ser o fator determinante na quantificação da vida útil de tais
dispositivos (YAMAGUCHI, 1990).
Assim, é cada vez mais importante o desenvolvimento de materiais
com maior resistência ao desgaste. Deste modo, a avaliação de novos
produtos e tratamentos superficiais realizados em materiais utilizados para
fabricação de componentes podem ser determinadas por uma grande
quantidade de ensaios de laboratório (GAHR, 1987).
Neste contexto, em que se procuram ensaios de laboratório, cujos
resultados possam ser transferidos para situações reais, temos o ensaio de
microabrasão, solicitação esta que causa muitos problemas em serviço. O
ensaio de microabrasão tem sido objeto de uma quantidade significativa de
pesquisas nos últimos anos, quando o seu potencial para se avaliar o
comportamento de recobrimentos finos e materiais volumétricos de um modo
sensível se tornou aparente. Uma vez que o volume de desgaste ou
profundidade gerada pelas partículas finas é muito pequeno, o ensaio de
microabrasão é adequado para se medir a resistência ao desgaste de
recobrimentos finos ou outras camadas produzidas pela engenharia de
superfície (STACHOWIAK, 2005). Além disso, este ensaio também tem sido
usado para se avaliar a resistência ao desgaste abrasivo de materiais
volumétricos como aços ferramenta, aços carbono, vidros, cerâmicas,
polímeros, ferros fundidos brancos alto cromo e até mesmo compósitos de
restauração dentária (STACHOWIAK, 2004; STACHOWIAK, 2005).
2. OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é realizar o tratamento de cementação sólida
e nitretação iônica em aço P20 para a determinação da dureza e resistência ao
desgaste deste material. Através da realização deste trabalho, pretendeu-se
comparar os valores de dureza e resistência ao micro desgaste abrasivo obtido
para cada camada e material base em estudo, e determinar os fatores que
influenciam no resultado, como por exemplo, microestrutura, composição
química e parâmetros de processo. Para tanto, foram realizadas a
caracterização das propriedades dos materiais submetidos a tratamentos de
superfície, o estudo e entendimento dos efeitos de revestimentos na resistência
ao desgaste de materiais devidamente tratados e a determinação da eficiência
da cementação e nitretação iônica no aumento da resistência ao desgaste do
material estudado, a fim de aumentar a vida útil de peças utilizadas para
moldes plásticos.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Aços para Molde
A seleção correta do material para os moldes de compressão e de
injeção não é uma tarefa fácil. De acordo com a experiência, os projetistas não
dão suficiente atenção à seleção do material mais adequado. É certo que o
assunto exige uma consideração multifacetada; entretanto, o tempo gasto com
ela será compensado amplamente no decorrer da construção e utilização do
molde. Existem recomendações em normas e livros técnicos, e uma certa
prática, de sucesso em muitos casos, tem sido desenvolvida, mas algumas
vezes ela falha (especialmente nos casos mais delicados) (SORS, 2002).
Como resultado da seleção errônea do material, várias operações
extras serão necessárias, por exemplo, retificar o tamanho de partes do molde
distorcidas ou recuperar rachaduras, ou ainda poderão ocorrer rebarbas como
resultado de uma superfície de grãos grossos ou dureza de vidro. A maioria dos
construtores de molde tem seu próprio modelo, que prescreve
automaticamente o material costumeiro para as partes do molde. O uso do
modelo, infelizmente, também está condicionado, na maioria dos casos, ao
estoque limitado. Certos tipos de aço de determinadas dimensões são
estocados, e a aquisição de outros, menos frequentemente utilizados, é difícil
(SORS, 2002).
Por ter um volume de material removido elevado na confecção dos
moldes, a usinabilidade desses aços é uma de suas mais importantes
propriedades. O termo “usinabilidade” é usado para expressar o estado da
superfície usinada, a taxa de remoção do material, a facilidade de saída de
cavaco ou a vida da ferramenta. Ou seja, quanto melhor a usinabilidade do
material, menor o custo para produzi-lo, pois, será em um menor tempo e com
um menor consumo de ferramenta (COSTA E SILVA, 2010).
Além da usinabilidade, a polibilidade em um aço para molde também é
propriedade importante. Polibilidade pode ser entendida como a capacidade
em receber polimento e em reproduzir detalhes finos como, por exemplo, um
CD (compact disk), em que as dimensões dos detalhes gravados é na ordem
de dezenas de micrômetros e vêm sendo reduzidas a cada ano de modo a
aumentar a densidade de informação gravada. A capacidade em receber
polimento e reproduzir pequenos detalhes está intimamente ligada à
quantidade e tipo das inclusões presentes. Para esses aços, a limpeza interna
e o controle do tipo de inclusão não metálica remanescente no aço são
fundamentais. Aços refundidos pelo processo ESR (refundido sob escória) são
especialmente recomendados, inclusive em função das necessidades de
homogeneidade nas grandes dimensões frequentemente encontradas em
moldes para plásticos (COSTA E SILVA, 2010).
Para o processamento desses tipos de materiais, indica-se, após
usinagem pesada ou de desbaste e antes da têmpera, realizar um alívio de
tensões para minimizar as distorções na têmpera, seguida, imediatamente de,
no mínimo, revenimento duplo. O controle da velocidade, pressão, da austenita
retida, de carbonos em contornos de grão e utilizando-se de tratamentos
térmicos adequados, é essencial para atingir um polimento adequado (COSTA
E SILVA, 2010).
Além dos aços da série P, é comum o uso de aços inoxidáveis
martensíticos (AISI 420 ou W.Nr. 1.2083, por exemplo) e endurecíveis por
precipitação, similares ao PH 13-8 Mo, por exemplo, para a fabricação de
moldes plásticos. Aços ferramenta de outras séries também podem ser
utilizados (H13 com refino por ESR é um exemplo). Dessa família, os mais
usuais são: P1, P6, P20 e P20 refundido sob escória (ESR). Os aços P1 e P6
são, atualmente, pouco utilizados, o principal material é o aço P20 (COSTA E
SILVA, 2010).
Os aços cementados que contém cromo e níquel (como o AISI P6, P20
e outros) são mais usináveis. Após têmpera superficial competente, sua
superfície adquire a dureza adequada. Na cementação, o teor de carbono da
superfície é elevado de 0,8 a 0,9%, para assegurar a dureza necessária.
Entretanto, o maior teor de carbono não é desejável, pois pode desenvolver-se
um reticulado de cementita nos limites do grão, causando farpas na têmpera ou
em sua utilização. Os materiais cementados referidos acima podem ser
utilizados com as seguintes condições:
• A cavidade do molde é feita com fresagem, a têmpera da
superfície é absolutamente necessária, embora essa superfície
dura seja aplicável com cromagem dura ou niquelagem química.
• O formato, tamanho e tolerância do produto permitem que sua
retificação de dimensões seja absolutamente necessária; assim,
o desvio possível não representa um obstáculo especial durante
a utilização do molde ou, se houver retificação, esta poderá ser
feita fácil e rapidamente.
O uso dos aços cementados deverá ser evitado nas seguintes
condições:
• Se o molde tiver nervuras finas ou cantos vivos, porque nesses
pontos o teor de carbono pode aumentar de tal forma que
podem ocorrer ruptura ou esfarpamento durante a têmpera.
• Se não puder ser providenciado equipamento moderno de
cementação a gás ou a sódio.
A Tabela 3.1 abaixo apresenta temperaturas típicas para o tratamento
de P20. Em vista da alta temperabilidade desses aços, a dureza da superfície
não difere muito daquela no núcleo (COSTA E SILVA, 2010).
Tabela 3.1: Temperaturas típicas de tratamento térmico em P20 para moldes
de injeção plástica (COSTA E SILVA, 2010).
Aço Deformação a
quente
Recozimento Têmpera Revenimento
P20 Início: 1130ºC
Final: 930ºC
mín.
760/815ºC
Resfriamento
no forno até
540ºC, e então
no ar
840/890ºC
Resfriamento
em óleo
Depende da
dureza
desejada
Portanto, as propriedades finais do aço AISI P20 são definidas pelas
condições dos tratamentos realizados.
Os aços para moldes da série P contem cromo e níquel como
principais elementos de liga. O aço tipo P20 é o mais utilizado para a
confecção de moldes de injeção de plásticos em geral. Fornecido no estado
beneficiado (temperado e revenido), com dureza entre 30 e 36HRC, possui
excelente propriedade mecânica. Pode-se utilizar W para aumentar a
temperabilidade. Este aço é principalmente utilizado em moldes de injeção de
plásticos dos mais variados tipos, mas de baixa ou média abrasividade, moldes
para formação por sopro e em certas circunstâncias pode ser utilizado em
fundição de ligas não-ferrosas. Nunca são utilizados em moldes de plásticos
clorados (ASM, 2005).
Os dois métodos mais comuns de tratamento térmico de aços para
moldes são (a) pré-tratamento do aço para dureza de 30 a 36 HRC,
acabamento usinado e uso neste nível de dureza e (b) endurecimento
superficial por cementação. Porém, o tratamento de nitretação em aços para
moldes plásticos tem se apresentado eficientes para endurecimento superficial
(ASM, 2005).
3.2 Tratamento Térmico e Termoquímico
Tratamento térmico são operações de aquecimento e resfriamento
controlados, que visam afetar as características de aços e ligas especiais para
uma maior adequação em sua aplicação (COSTA E SILVA, 2010).
O emprego de ligas metálicas nos vários setores da engenharia e da
indústria é baseado principalmente nas suas propriedades mecânicas; ou seja,
na sua capacidade de suportar as cargas a que estão sujeitas quando em
serviço. As propriedades dependem grandemente da estrutura cristalina ou
granular e estão intimamente relacionadas com sua composição química de
fabricação. Estruturas brutas e encruadas fogem dos valores de característica
mecânica considerados normais, desse modo, o controle da estrutura metálica
passa a ser um fator decisivo para a correta seleção e aplicações dos materiais
metálicos. O meio mais seguro, mais eficiente e mais utilizado para controlar a
estrutura desses materiais é o tratamento térmico, o que significa que, uma vez
fixada a composição química do material, seu tratamento térmico pode
determinar, em definitivo, a estrutura desejada e, em consequência, as
propriedades finais (CHIAVERINI, 2003).
Os tratamentos térmicos de aços e ligas especiais englobam uma das
mais amplas faixas de temperaturas dentre os processos industriais, variando
desde o tratamento subzero (temperaturas abaixo de 0°C) para estabilização
da microestrutura, transformação de austenita retida em martensita etc.
(embora alguns metalurgistas não aceitem, tratamentos a frio obtiveram êxito
em sua operação), até a austenitização de alguns tipos de aços rápidos a
1280°C. Além disso, diversas taxas de resfriamento são empregadas para a
obtenção da exata microestrutura desejada (COSTA E SILVA, 2010).
Os tratamentos termoquímicos visam igualmente o endurecimento
superficial dos aços e o aumento da resistência ao desgaste de sua superfície,
ao mesmo tempo em que seu núcleo se mantém dúctil, pela inserção de
elementos que reagirão com os elementos contidos no aço, promovendo uma
mudança na estrutura do material e, consequentemente, em suas propriedades
mecânicas e químicas. Este endurecimento não é uma simples transformação
de austenita em martensita. Na verdade, em razão das condições do ambiente
aonde eles são realizados, ocorrem reações químicas entre a atmosfera deste
ambiente e os elementos contidos no aço (CHIAVERINI, 2003; COSTA E
SILVA, 2010).
Os meios que propiciam essas condições adequadas, para que as
reações ocorram podem ser sólidos, líquidos ou gasosos (CHIAVERINI, 2003).
Tratamentos termoquímicos em meio líquido estão sendo extintos das
indústrias atualmente por serem maléficos ao meio ambiente e ao ser humano.
Os tratamentos termoquímicos mais utilizados atualmente nos aços
são os de cementação e nitretação, devido ao seu alto custo-benefício. Porém,
existem inúmeros outros, como, por exemplo: cianetação, carbonitretação,
boretação (que vem sendo muito estudada para aplicação em aços) e
termorreação (COSTA E SILVA, 2010).
Os fatores que influenciam no controle do processo são:
• Potencial do meio (sólido, líquido, gasoso ou plasma), em que a
peça está imersa, de fornecer o elemento químico (carbono, nitrogênio, boro
etc.);
• Capacidade da peça em absorver esses elementos. Isso está
relacionado com a solubilidade e a difusão do elemento químico no aço
(COSTA E SILVA, 2010).
Importante citar que, após cada tratamento termoquímico, é de grande
importância o acompanhamento, caso necessário, de um tratamento térmico
adequado para cada situação.
Não há dúvida de que as usinas de tratamento térmico antiquadas
causam muitos danos. Os danos não aparecem numericamente em lugar
algum, e podem ser expressos somente com base em estimativas, segundo as
quais os danos devidos a tratamento térmico defeituoso não são menores que
aqueles resultantes da subexploração das usinas de tratamento térmico, em
caso algum (SORS, 2002).
Para o tratamento térmico dos moldes são necessários bom
equipamento e absoluta destreza. Até que a produção em massa comece,
sempre é precedida por um protótipo e uma série zero (no curso da qual o
tratamento térmico pode ser adequadamente experimentado e os possíveis
defeitos reparados), não há oportunidade para isso durante a produção dos
moldes. Devem ter sucesso logo na primeira vez. Deve-se acrescentar que o
custo de produção do molde – no instante em que tem de ser tratado
termicamente – poderia ser muitíssimo oneroso (SORS, 2002).
3.2.1 Tratamento Térmico de Têmpera e Revenimento
Têmpera e revenido são operações de tratamento térmico aplicadas,
principalmente, nas ligas ferrosas e têm por objetivo produzir uma estrutura que
permite ao material submetido a essas operações adquirir propriedade de
dureza e resistência mecânica compatíveis com as condições de utilização
(CHIAVERINI, 2003).
A têmpera é o tratamento térmico mais importante para aços, porque é
por intermédio dele, acompanhado do revenido, que se obtém as estruturas e
as propriedades que permitem o emprego do aço em peças de maior
responsabilidade e em aplicações mais críticas, como as que se encontram na
indústria mecânica, de transporte, etc. Porém, o tratamento de têmpera não é
só utilizado em aços, então, de uma forma geral, pode-se dizer que a têmpera
tem como principal objetivo produzir uma estrutura, que permite ao material
submetido a essas operações, adquirir propriedades de dureza e resistência
mecânica compatíveis com as condições de sua utilização (CHIAVERINI,
2003).
A operação da têmpera para aços consiste em resfriamento rápido, a
partir da temperatura de austenitização, em meio de grande capacidade de
resfriamento, como água, óleo e ar. A velocidade de resfriamento deve ser tal
que a curva de resfriamento pelo menos tangencie o cotovelo da curva de
início de transformação da austenita e atinja as linhas horizontais de formação
de martensita (CHIAVERINI, 2003).
Quanto mais severo for esse resfriamento, maior o surgimento de
gradientes de temperatura sensíveis. A presença desses gradientes na peça
faz surgir tensões internas, associadas à contração do aço no resfriamento,
expansão na transformação da microestrutura e mudanças bruscas de secção
na peça, devido a austenita (fase alotrópica gama do ferro, onde o carbono se
dissolve mais facilmente na estrutura, portanto é amplamente utilizada em
tratamentos térmicos e termoquímicos) ter uma densidade ligeiramente maior
do que a martensita, ocorrendo um aumento de volume na transformação de
fase no ato do resfriamento (COSTA E SILVA, 2010; CALLISTER, 2012).
Dependendo da magnitude dessas tensões, pode haver empenamento
da peça no ato do resfriamento, ruptura (trincas) e tensões residuais devido à
brusca mudança de fases e/ou resfriamento drástico que o material sofre
(COSTA E SILVA, 2010; CHIAVERINI, 2003).
Martensita é uma microestrutura sem difusão, originada de um rápido
resfriamento, ou seja, sua estrutura não teve tempo de se organizar. Além das
ligas ferrosas, ela pode ser obtida em outros tipos de materiais. A martensita é
obtida com a têmpera do aço, e é extremamente dura e frágil. A baixa
tenacidade dessas peças temperadas as torna sem emprego prático, exceto
quando não há uma necessidade para que a peça permaneça em constante
tensionamento interno. Para a obtenção de valores adequados de resistência
mecânica e tenacidade, deve-se, logo após a têmpera, realizar o revenimento
(COSTA E SILVA, 2010).
O tratamento de revenido consiste em aquecer uniformemente a peça
até uma temperatura abaixo da austenitização, mantendo-a nesta temperatura
por tempo suficiente até que haja a equalização da temperatura na peça,
obtendo as propriedades desejadas (COSTA E SILVA, 2010).
O revenido elimina a maioria dos inconvenientes produzidos pela
têmpera. Por meio da precipitação de carbonetos, que antes se situavam nos
interstícios da liga e agora formam partículas de cementita na matriz ferrítica do
aço, há um aumento na ductilidade. As partículas de cementita que saíram da
solução supersaturada fortalecem o aço por precipitação, mantendo a dureza
alta. Além disso, outras alterações nas propriedades do material ocorrem: alívio
ou remoção de tensões internas, correção das excessivas durezas e fragilidade
do material e aumento da resistência ao choque (CHIAVERINI, 2008; 2003).
Como se sabe, a martensita possui carbonos em seus interstícios,
assim, fornecendo-se energia para a difusão, o carbono sairá da
supersaturação, precipitando-se como carboneto. Essa precipitação traz uma
diminuição na dureza e alívio nas tensões do material (COSTA E SILVA, 2010).
3.2.2 Tratamento Térmico à Frio (Subzero)
O tratamento a frio consiste em expor o material a temperaturas abaixo
de zero. Os resultados obtidos são os seguintes: aumento da resistência
mecânica, maior estabilidade dimensional ou micro estrutural, melhor
resistência ao desgaste e alívio de tensões residuais devido a transformação
completa de toda a austenita retida em martensita (CHIAVERINI, 2003).
A eliminação da austenita retida, neste caso, é desejada, pois a mesma
é dúctil e possui baixa dureza, propriedade não requerida em um tratamento de
endurecimento superficial, diminuindo assim a resistência ao desgaste do
material (SILVA, 1997; FARIA, 1993).
3.2.3 Tratamento Termoquímico de Cementação Sólida
O tratamento de cementação é o mais conhecido e aplicado, dentre os
tratamentos termoquímicos, pois permite o emprego dos três meios que
propiciam as condições adequadas para que ocorram as reações químicas de
endurecimento superficial: sólido, líquido e gasoso. Na cementação o elemento
fundamental é o carbono, que pode ser obtido na forma de carvão (sólido),
monóxido de carbono (gasoso) ou em banhos de cianeto (líquido). De
preferência, o material que será utilizado neste processo deve possuir baixo
teor de carbono em sua composição, propiciando uma reação, quando
aquecidos, entre o ferro do aço e o meio, que está rico em carbono. Desse
modo, a superfície do aço fica enriquecida de carbono até profundidades que
podem ser preestabelecidas, permitindo, assim, a sua têmpera posterior, para
aumento superficial da dureza e resistência ao desgaste (CHIAVERINI, 2003;
2008).
Os processos usuais de cementação elevam o teor superficial de
carbono em até 0,8% ou 1,0% (CHIAVERINI, 2008).
As temperaturas do processo variam de 850°C a 950°C porque, nessa
faixa, o ferro está na forma alotrópica gama, uma forma que absorve e dissolve
o carbono mais facilmente que as outras, devido as posições intersticiais da
estrutura CFC da austenita (forma alotrópica gama) serem maiores que as da
estrutura CCC da ferrita (alpha). Isso permite uma deformação muito menor
sobre os átomos de ferro circunvizinhos (CHIAVERINI, 2003; CALLISTER,
2012).
Temperaturas mais elevadas são mais favoráveis para a penetração do
carbono. Esse fato levou à adoção de temperaturas superiores a 950°C, com a
vantagem adicional de ser mais suave o gradiente de carbono entre a
superfície e o centro, pelo fato do carbono difundir-se mais rapidamente. Nota-
se também que, para uma hora de duração de processo a 1095°C, obtém-se
espessura da camada cementada equivalente à que se obteria com o mínimo
de três horas a 980°C (CHIAVERINI, 2003).
Contudo, temperaturas muito elevadas (em torno de 1095°C) não são
indicadas para algumas aplicações, pois há um aumento excessivo no tamanho
do grão, havendo necessidade de adicionar elementos de liga que inibem esse
aumento, como o alumínio, o titânio ou o nióbio, gerando um custo e um
conhecimento técnico vistos como desnecessários, na maioria dos casos.
(CHIAVERINI, 2008).
O processo de cementação sólida e gasosa permite ampla utilização
de fornos, pois o mesmo produz sua própria atmosfera cementante. Também é
ideal para peças que precisam de resfriamento lento após a cementação, como
aquelas que serão usinadas antes do tratamento de têmpera. Porém, a
cementação sólida não é indicada para quando se precisa de um controle
extremamente rígido da profundidade da camada que será cementada na peça,
pois não há um modo efetivamente seguro de controlar o potencial de carbono
na superfície. Para essas ocasiões, indica-se o processo de cementação
gasosa ou nitretação a plasma (COSTA E SILVA, 2010; CHIAVERINI, 2003).
A distribuição da granulometria do granulado é um parâmetro
fundamental no tratamento de cementação sólida, uma vez que define os
“vazios” dentro do empacotamento da carga de cementação. Os vazios são
responsáveis pela movimentação dos gases no interior da carga, sendo que
grânulos muito pequenos resultam em maior dificuldade de circulação dos
gases, principalmente o monóxido de carbono (CO), afetando o rendimento do
processo de cementação do aço (BAUMGARTEN, 2005).
O agente carbonetante básico é o carvão, mas a função de
carbonetação é exercida pelo monóxido de carbono (CO) que, às temperaturas
elevadas do processo, se forma segundo as reações definidas nas equações
(1) e (2) (CHIAVERINI, 2003):
C + O2 = CO2 (1)
CO2 + C = 2CO (2)
O CO reage com o ferro segundo a reação definida na equação (3):
2CO + 3Fe = Fe3C + CO2 (3)
Conforme observado por Litvin et al. (2010), o tratamento de
cementação sólida aumentou significativamente a dureza superficial do aço
AISI P20, alcançando 770mHV, variando pouco até uma profundidade de
800µm, conforme ilustra a figura 3.1.
Figura 3.1: Perfil de microdureza após cada processo (Litvin, 2010)
3.2.4 Tratamento Termoquímico de Cementação Gasosa
O tratamento de cementação gasosa consiste em obter monóxido de
carbono a partir de gases (metano, etano, propano etc.) fortemente
carburizantes. As reações que produziram carbono para a cementação gasosa
podem ser resumidas nas equações de (4) a (7) (CHIAVERINI, 2003):
CO + H2 = (C) + H2O (4)
2CO = (C) + CO2 (5)
CH4 = (C) + 2H2 (6)
C3H8 = (C) + XC2H6 + YC2H4 + 2H2 (7)
Esse processo economiza energia e permite cementar a peça com
mais uniformidade. A cementação gasosa é realizada em câmaras de gases
que contém carbono, segundo Yoshida (entre 1970 a 1990) “os gases, ao
passar entre as peças, desprendem carbono”.
A cementação a gás é um dos processos mais modernos utilizados
atualmente. Ela nos dá resultados adequados sob todos os aspectos, porém o
equipamento é muito caro. Seu manuseio requer destreza e operação
cuidadosa. Mais barata, mas não muito mais simples, é a cementação com
cianeto de sódio. O cianeto de sódio causa muitos problemas na observação
das normas de segurança do trabalho (SORS, 2002).
Ogata (2003) observou que o aço SAE 8620, após tratamento
termoquímico de cementação gasosa e posterior têmpera, subzero e
revenimento, obteve uma dureza de, aproximadamente, 790HV3 na superfície.
3.2.5 Tratamento Termoquímico de Nitretação Iônica
Nesse tratamento termoquímico, o endurecimento superficial é
promovido pelo nitrogênio, o qual, nas condições próprias da operação, se
difunde a partir da superfície das peças para o seu interior, reagindo com
elementos contidos nos aços e formando nitretos de elevada dureza e
resistência ao desgaste (CHIAVERINI, 2003).
Portanto, o meio endurecedor deve conter nitrogênio.
O primeiro característico do processo é que a operação é realizada a
uma temperatura relativamente baixa, onde o aço encontra-se na condição
ferrítica. Por isso as peças são menos suscetíveis ao empenamento
(CHIAVERINI, 2003; COSTA E SILVA, 2010).
Existem vários processos de nitretação: gás, líquida, plasma e
sulfonitretação. A nitretação a plasma é um dos métodos de nitretação mais
utilizados atualmente, pois exige menor custo, menor tempo e propicia uma
boa propriedade mecânica do material tratado, além de não afetar o meio
ambiente. É um processo totalmente automatizado (CHIAVERINI, 2003).
Importante citar, também, que uma das grandes vantagens da
nitretação por plasma, processo utilizado neste projeto, é a possibilidade de
controlar a metalurgia da camada nitretada (EDENHOFER, 1974).
Esses tratamentos são essenciais em aços para moldes, que
necessitam de um aumento significativo de resistência em sua superfície já que
sofrem severa solicitação mecânica e química, como por exemplo, desgaste
superficial, resistência ao impacto, corrosão, oxidação etc., dependendo,
também, do polímero a ser injetado.
O tratamento de nitretação não requer têmpera posterior, pois o
endurecimento obtido não envolve a formação de martensita e sim à formação
de nitretos abaixo da superfície (CHIAVERINI, 2003).
Geralmente, a nitretação produz uma camada superficial inicial muito
fina e que, após analisada, se revela branca. Sua espessura é muito pequena,
normalmente inferior a 0,025mm (25 microns). Essa camada não possui alta
dureza mas apresenta boa resistência ao engripamento e à corrosão. Abaixo
dessa camada, forma-se uma camada escura, de alta dureza e composta pelos
nitretos de ferro, dos elementos de liga presentes no aço e de compostos Fe-C-
N. Sua dureza vai depender do tipo de aço utilizado e dos elementos de liga
presentes (CHIAVERINI, 2003).
As temperaturas e os meios do processo variam, podendo atingir
desde 315°C, na nitretação a plasma, que a peça está num ambiente a vácuo,
até 600°C na nitretação líquida. Os meios variam entre banhos de sais, mistura
de gases, bombardeamento de íons devido à alta pressão que os gases são
submetidos etc. (CHIAVERINI, 2003).
Por utilizar-se de temperaturas menores que as do processo de
cementação, a nitretação produz menor distorção e tem menor tendência a
causar trincas no material (COSTA E SILVA, 2010).
No presente trabalho, foi realizado o tratamento de nitretação à plasma.
Neste processo, as peças são colocadas no interior de um recipiente a vácuo,
sobre um suporte isolado do corpo do recipiente, de modo que elas fiquem
isoladas eletricamente da parede deste recipiente. Ao suporte, é ligada uma
corrente elétrica contínua, suprida por um gerador operando entre 215 e 600V
e 0,23mA/m²Pa². A carga torna-se o cátodo do sistema e o recipiente o ânodo
(positivo). Esse recipiente é ligado ao solo. O vácuo produzido é de,
aproximadamente, 13Pa. Assim que o recipiente estiver evacuado é enchido
com uma mistura de nitrogênio e hidrogênio. Ao aplicar-se a corrente elétrica, o
gás é excitado e ionizado, resultando num brilho (ou incandescência) que cobre
totalmente a carga. Para facilitar o início do processo, a pressão é mantida
baixa. A seguir, ela é elevada rapidamente para 265 a 665Pa (CHIAVERINI,
2003).
O bombardeamento de íons eleva a temperatura das peças
(aproximadamente 315°C) e ocorre uma reação química entre o aço e os íons
de nitrogênio (CHIAVERINI, 2003).
A presença do hidrogênio é recomendada para assegurar-se uma
superfície das peças inteiramente desoxidada, de modo a ter-se uma rápida
difusão do nitrogênio na superfície do metal (CHIAVERINI, 2003).
Pinedo (2004) estudou o efeito da nitretação por plasma para
endurecimento superficial de aços ferramenta e observou que o aço AISI P20
teve um aumento de dureza significativo após o processo de nitretação por
plasma conforme ilustra a figura 3.2. Observa-se que a dureza da superfície
atingiu uma dureza de aproximadamente 800HV, caindo para 400HV a uma
profundidade de 0,25mm a partir da superfície.
Figura 3.2: Perfis de microdureza Vickers 0,1 (Pinedo, 2004).
3.3 Difusão dos Elementos Endurecedores
Este capítulo é dedicado a explicar o fenômeno de difusão do carbono
e do nitrogênio observados neste trabalho.
A profundidade de difusão do carbono na peça depende de dois
fatores: temperatura e tempo à temperatura, de tal modo que, quanto maiores,
mais fácil essa difusão para o interior do aço. Fato comprovado pela
dependência dos coeficientes de difusão em relação à temperatura, que são:
D = D0exp (-Qd/RT) (7)
Em que:
� D0 = constante pré-exponencial independente da
temperatura (m²/s);
� Qd = energia de ativação para a difusão (J/mol ou
eV/átomo);
� R = constante dos gases (8,31 J/mol ou 8,62 x 10^-5
eV/átomo.K);
� T = temperatura absoluta (CHIAVERINI, 2003).
Ou seja, quanto maior a minha temperatura, menor será a energia de
ativação necessária para produzir um movimento difusivo de um mol de átomos
de carbono na ferrita alpha, por exemplo.
Este fenômeno foi observado por Lin (2006), onde foi realizado um
tratamento de nitretação em aço AISI P20 e a temperatura foi alterada. Lin diz
que “o aumento da difusão do nitrogênio na amostra foi observado quando
aumentou-se a temperatura de tratamento”.
Lin observou, também, que “o aumento da difusão do nitrogênio na
amostra, diminui a dureza média da camada nitretada”.
Wolfart (2002), Reis (2006, 2007) e Caetano (1998) obtiveram
resultado semelhante, comprovando que baixas temperaturas geram alta
concentração de nitrogênio na superfície, o que eleva a dureza da mesma.
Conforme aumenta-se a temperatura, a concentração diminui, difundindo-se
para o substrato, o que causa o aumento da profundidade de difusão e a
diminuição da dureza na superfície. Na figura 3.3 é possível notar que o
tratamento que utilizou-se de menor temperatura (N470) obteve maior dureza
superficial, porém uma queda da dureza da camada mais acentuada,
comparado aos outros tratamentos de maior temperatura (N650 e N750).
Figura 3.3: Perfil de dureza das amostras nitretadas (Reis, 2006).
Como citado por Pinedo (2004), o aumento da temperatura, aumenta o
coeficiente de difusão. Também, conforme aumentou-se o tempo de
tratamento, observou-se uma diminuição da dureza na camada e um aumento
da profundidade de difusão dos elementos.
3.4 Ensaio de Microdesgaste Abrasivo
O estudo do desgaste abrasivo é considerado a mais importante dentre
todas as formas de desgaste porque contribui com quase 63% do custo total do
desgaste. Este mecanismo ocorre entre superfícies de durezas diferentes,
sendo causado por partículas duras presentes entre as superfícies em contato
sob movimento relativo (desgaste abrasivo a três corpos) ou por micro-
irregularidades de tais superfícies (desgaste abrasivo a dois corpos),
resultando em ranhuras e remoção de material da superfície mais macia
durante o movimento (HARSHA, 2003).
O estudo dos mecanismos de desgaste e da resistência ao desgaste
em um sistema tribológico é fundamental para a otimização na escolha dos
materiais envolvidos e para a previsão da durabilidade do sistema. Este tipo de
estudo é, normalmente, feito através de ensaios em equipamentos que
simulam as condições tribológicas existentes no funcionamento do sistema, na
aplicação real. Desta forma, os equipamentos que se destinam à simulação de
sistemas tribológicos devem ser específicos para o tipo ou o mecanismo de
desgaste que se pretende estudar (GAHR, 1987).
Neste contexto, em que se procuram ensaios de laboratório, cujos
resultados possam ser transferidos para situações reais, temos o ensaio de
microabrasão. O ensaio de desgaste microabrasivo, por utilizar-se de cargas
baixas, é possível determinar a resistência ao desgaste de filmes com pouca
espessura, bem como camadas geradas por tratamentos de endurecimento
superficial (KUSANO E HUTCHINGS, 2005).
Dois tipos diferentes de ensaio de microdesgaste abrasivo podem ser
realizados em laboratório, conforme ilustra o esquema na Figura 3.4. A
configuração de esfera fixa (Figura 3.4 (a)) é utilizada para promover cargas
elevadas e consequentemente altas tensões no ensaio. A configuração com a
esfera livre ilustrada na Figura 3.4 (b) promove pequenas cargas de ensaio.
Por possibilitar uma variedade abrangente de ajustes, o ensaio do tipo esfera
fixa tem sido amplamente utilizado para estudo de micro desgaste abrasivo em
uma série de materiais (GEE, 2003).
(a) (b)
Figura 3.4: Principais tipos de micro desgaste abrasivo por (a) esfera fixa e (b)
esfera livre (GEE, 2003).
Este ensaio consiste em promover o contato entre uma esfera e uma
amostra plana, com a esfera girando com grande precisão em relação à
amostra que se mantém estacionária, possibilitando obter cargas elevadas e
consequentemente altas tensões no ensaio. A esfera é mantida em contato
sobre pressão com corpo de prova, e a carga normal de ensaio é aplicada
através de ajustes de peso em um suporte, a qual pode ser variada a cada
ensaio realizado. Um contra peso é utilizado para equilíbrio da amostra. O
contato é realizado por uma esfera de aço AISI 52100 de 1” de diâmetro. A
velocidade de rotação da esfera, promovida por um motor, é ajustada com
precisão e mantida constante durante toda a realização do ensaio.
O resultado do contato estudado neste trabalho é uma região
desgastada em forma de calota esférica, possuindo relações geométricas com
a esfera que a gerou. Assim, conhecendo-se o diâmetro da calota pode-se
determinar a quantidade de material removido durante o ensaio. A Figura 3.5
ilustra a formação da calota no ensaio de micro desgaste abrasivo.
Figura 3.5: Diagrama esquemático que ilustra a geometria da calota formada
pelo ensaio de micro desgaste abrasivo.
Para uma calota de desgaste com geometria esférica produzida por
uma esfera de raio “R” em uma amostra plana, o volume desgastado pode ser
calculado de acordo com a equação (9) em que R é o raio da esfera, b é o
diâmetro médio da calota e V é o volume de desgaste. Através deste cálculo,
determina-se a resistência ao desgaste dos materiais em que, quanto maior o
volume desgastado e, consequentemente, maior a calota formada, menos
resistente ao desgaste deve ser o material analisado. Pode-se também
determinar o coeficiente de desgaste (K), o qual pode ser interpretado como o
volume de material desgastado em função da distância percorrida (S) e da
carga aplicada (N) de acordo com a equação (10). Este parâmetro mede a
severidade do desgaste em que, quanto maior for K, maior será a taxa de
desgaste (RUTHERFORD, 1996).
V = π ����� R −
� �� ≈
������ parab <<< � (9)
K= ��.� .
�.����.� parab <<< R (10)
A distância percorrida pela esfera em relação ao corpo de prova
corresponde à multiplicação entre o tempo de ensaio (minutos), velocidade de
rotação (rpm) e perímetro da esfera (metros).
Pode-se também determinar a espessura ou profundidade da calota (h)
em relação à superfície do corpo de prova, de acordo com a equação (11)
(RUTHERFORD, 1996). O valor da espessura da calota formada foi comparada
com a espessura da camada cementada ou nitretada formada, para verificar se
o desgaste atingiu o substrato ou ficou concentrado somente na camada
formada pelo tratamento.
R
Vh
.π= (11)
O desgaste por abrasão, como anteriormente citado, ocorre entre
superfícies de durezas diferentes, causado por partículas ou protuberâncias
duras presentes entre as superfícies em contato sob movimento relativo ou por
micro irregularidades de tais superfícies. Diferente do desgaste por adesão,
que ocorre quando as forças atômicas de atração que surgem entre as
superfícies dos materiais sob carregamento relativo são mais fortes que as
propriedades inerentes de qualquer das superfícies, com subsequente quebra
de ligação adesiva entre as superfícies em contato criando partículas de
desgaste (SUH, 1973; HARSHA, 2003; WRIGHT, 2001).
O ensaio realizado neste trabalho é considerado abrasivo pois o
contato entre a amostra e a esfera gera detritos, já que ambos possuem
diferentes durezas.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Materiais
Para o desenvolvimento deste trabalho, foi utilizado o aço AISI P20,
adquirido na forma de barra retangular, temperado e revenido com dureza de
34HRC, nas dimensões de 20x35x250mm e, posteriormente, cortado para
fabricação dos corpos de prova. A sua composição química, apresentada na
Tabela 3.1, foi determinada por espectrometria de emissão óptica utilizando um
espectrômetro Ametek Spectromaxx modelo LMF05 presente no Laboratório de
Materiais da Fatec Sorocaba.
Tabela 4.1. – Composição química nominal, % em peso, do aço W. Nr. 12.311
(AISI P20) (Adaptado de Favorit Aços Especiais, 2010)
W. Nr. 12.311 (AISI P20)
C Mn Si Cr Mo
Nominal 0,35-0,45 1,30-1,60 0,20-0,40 1,80-2,10 0,15-0,25
Obtained 0,434 1,49 0,306 1,81 0,190
Os corpos de prova foram fabricados nas dimesões apresentadas na
Figura 4.1, definidas de modo que este fosse devidamente encaixado no
suporte do dispositivo de microdesgaste abrasivo utilizado no desenvolvido
neste trabalho.
Figura 4.1: Geometria e dimensional, em milímetros, do corpo de prova para o
ensaio de desgaste.
4.2 Métodos
4.2.1 Cementação Sólida
O tratamento de cementação sólida foi realizado no Laboratório de
Tratamento Térmico da Fatec Sorocaba. Para tanto, foi utilizado carvão vegetal
e carbonato de cálcio (CaCO3) como agente de ativação química responsável
pela geração do monóxido de carbono (CO) durante a cementação sólida. A
composição da mistura cementante foi elaborada a partir do peneiramento do
carvão vegetal utilizando peneiras granulométricas padronizadas de acordo
com as normas ABNT/ASTM 12 (malha com abertura de 1,70mm) e
ABNT/ASTM 20 (malha com abertura de 0.850mm).
As amostras foram tratadas individualmente. Na montagem da carga
de cementação, a amostra foi posta sobre uma camada de 3cm de mistura
carbonetante (40% de carvão vegetal com 1,7mm de diâmetro, 40% de carvão
vegetal com 0,85mm de diâmetro e 20% de carbonato de cálcio) e uma
camada de 30 mm de mistura carbonetante sobre as amostras. A caixa de
cementação foi devidamente vedada para que não ocorresse o vazamento do
gás cementante, conforma ilustra o esquema apresentado na Figura 4.2
(BAUMGARTEN, 2005).
Figura 4.2: Montagem da carga de cementação (BAUMGARTEN, 2005)
Após a vedação, as caixas foram deixadas em temperatura ambiente
por aproximadamente 24h para não haver risco de trincamento na vedação
devido a mudança brusca de temperatura. As caixas foram colocadas em um
Forno Mufla, da marca Labor modelo SP-1200, a 925ºC e deixadas por 4
tempos diferentes: 2, 4, 6 e 8 horas. Após cada tratamento de cementação
concluído, as caixas eram mantidas por mais 30 minutos no forno, agora a
860ºC e resfriadas ao ar. Posteriormente, o material era colocado no forno a
860ºC, por mais 30 minutos e resfriadas em óleo. Este método, chamado de
Têmpera Simples, onde as amostras são resfriadas dentro da caixa de
cementação após cada tratamento e depois são reaquecidas para uma
têmpera convencional com resfriamento em óleo, o núcleo do grão é
regenerado parcialmente, não sendo sobreaquecida a camada superficial. A
deformação nestes casos é mínima. Indicado para peças com contornos
delicados (Monteiro, 2004).
A temperatura de cementação foi determinada levando em conta o
trabalho desenvolvido por Litvin (2010). A taxa máxima em que o carbono pode
ser adicionado no aço é limitada pela taxa de difusão do carbono na austenita.
Esta taxa de difusão aumenta com o aumento na temperatura; a taxa de
carbono adicionado no aço a 925oC é cerca de 40% maior que a 870oC. A
temperatura normalmente utilizada para cementação é 925oC, situação que
permite uma taxa de cementação rápida sem excessiva deterioração do
equipamento utilizado (ASM, 1991).
Após o tratamento de cementação, o tratamento de têmpera foi
realizado a 860ºC por 30 minutos em um forno EDGCON da marca EDG
Equipamentos modelo 1P, com posterior resfriamento em óleo.
O tratamentos de revenimento foi realizado durante 20 minutos a
180ºC, com posterior resfriamento em óleo, em um forno EDGCON da marca
EDG Equipamentos modelo 3P.
4.2.2 Cementação Gasosa
O tratamento termoquímico de cementação gasosa foi realizado na
empresa Thermix Tratamento Térmico de Metais de Sorocaba. O tratamento foi
realizado em quatro condições diferentes, a uma temperatura fixa de 925oC
variando o tempo: 1 hora, 2 horas, 3 horas e 4 horas. Na Tabela 4.2 estão
apresentados os parâmetros de tratamento.
Tabela 4.2: Parâmetros de tratamento da Cementação Gasosa
Potencial de carbono no interior do forno 1,30%
Vazão de propano 1000cm³/h
Vazão do metano 60cm³/h
Pressão de trabalho no interior do forno 6psi
Temperatura de cementação 925ºC
Temperatura de revenimento 180ºC
As peças foram tratadas em uma câmara, aquecidas a 925°C, à
pressão parcial de 6psi com uma mistura gasosa de gás carburizante propano
e metano (Tabela 3.2) e de H2, que mantém uma composição saturada de
austenita na superfície do material.
Após o tratamento de cementação gasosa foi necessário fazer um
tratamento subzero e posterior têmpera e revenido para eliminação da
austenita retida.
O tratamento de têmpera foi feito durante 30 minutos a 860ºC e o
revenimento durante 20 minutos a 180ºC.
4.2.3 Nitretação Iônica
O tratamento termoquímico de nitretação iônica de 2, 4 e 6 horas foram
realizados na empresa MetalPlasma. Foi utilizada a temperatura fixa de 520ºC
variando-se o tempo de tratamento. Na Tabela 4.3 estão dispostos os
parâmetros do tratamento. A voltagem varia de acordo com a temperatura do
tratamento.
Tabela 4.3: Parâmetros do processo de nitretação iônica.
Atmosfera 25% H2 e 75% N2
Pressão de trabalho 300Pa
Temperatura de Nitretação 520ºC
Voltagem 350~450V
Também, foi realizado nitretação iônica a 12 horas de tratamento na
empresa Isoflama. Os parâmetros do processo estão indicados na tabela.
Estes parâmetros foram determinados de acordo com os parâmetros usuais
utilizados na prática para tratar o aço P20.
Tabela 4.4: Parâmetros do tratamento de nitretação iônica de 12 horas.
Temperatura 520ºC
Atmosfera 80% de N2 e 20% de H2
Pressão 350Pa
Antes de todos os tratamento de nitretação iônica, foi realizado um
sputtering nas amostras, que consiste em bombardear as mesmas com íons de
argônio para preparar a sua superfície, tornando o tratamento mais eficiente,
conforme observado por Pinedo (2004). Este tratamento teve uma duração de
3 horas para todos os tratamentos realizados.
4.2.4 Ensaio de Dureza
Foram realizados ensaios de micro dureza superficial para a
determinação do perfil e espessura efetiva da camada formada nos
tratamentos de cementação e nitretação. O ensaio de dureza foi realizado no
Laboratório de Metalografia da Fatec Sorocaba em um equipamento Mitutoyo
modelo HM 220 utilizando-se de uma carga de 0,2kgf e tempo de aplicação de
carga de 15 segundos. As análises foram aplicadas seguindo a norma ABNT
NBR 13.178/94 (Figura 4.3) e as amostras preparadas metalograficamente.
Figura 4.3: Disposição das impressões de Dureza Microvickers
(BAUMGARTEN, 2005).
A espessura da camada efetiva de cementação foi determinada
quando a dureza da mesma atingisse o mesmo valor que a do substrato,
previamente medida, conforme exemplifica a figura 4.4.
Figura 4.4: Método utilizado para determinar a espessura da camada efetiva.
4.2.5 Ensaio de Microdesgaste Abrasivo
Para a determinação da resistência ao desgaste dos materiais
estudados, foi utilizado um dispositivo de ensaio de micro desgaste abrasivo
por esfera fixa de baixo custo e fácil utilização, como ilustra a Figura 4.5,
pertencente ao Laboratório de Tratamento Térmico da Fatec Sorocaba. Este
dispositivo foi desenvolvido por Waldenir C. Santos através de um projeto de
Iniciação Científica realizado na Fatec Sorocaba (Santos et al., 2013).
(a)
(b)
Figura 4.5: Dispositivo de micro desgaste abrasivo esfera fixa (a) vista frontal e
(b) vista superior.
Foram realizados dois ensaios de micro desgaste abrasivo por
condição de tratamento em todos os materiais cementados e nitretados. Nos
materiais de cementação gasosa e sólida, os ensaios foram realizados após
tratamento de têmpera e revenimento. Os ensaios foram realizados no tempo
de 10 minutos, com uma rotação de 744rpm, aplicando-se uma carga de 8,3N.
Para medir a calota impressa foi usado um estereoscópico da marca
OLYMPUS modelo SZ61, com câmera de 6 megapixels e software Análise 2.0.
4.2.6 Análise Metalográfica
Para a realização da análise metalográfica dos corpos de prova
estudados, estes foram preparados conforme o estabelecido pela norma ASTM
E 395-00, lixados utilizando lixas de grana 220, 320, 400, 600, 800, 1500 e
2500, sendo posteriormente polidas na seguinte sequência: óxido de alumina
2µm e 0,5µm. Após o polimento, os corpos de prova foram atacados com Nital
3% (3% de ácido nítrico e 97% de álcool etílico). As metalografias foram
obtidas utilizando-se um microscópio óptico Olympus com câmera de captura
de imagens pertencente ao Laboratório de Metalografia da UFSCar – Campus
Sorocaba.
Para a determinação da camada branca produzida no tratamento de
nitretação, utilizou-se um microscópio eletrônico de varredura (M.E.V.) marca
Jeol JSM-6010 alocado no Laboratório Multiusuário de Caracterização de
Materiais da UNESP - Campus Sorocaba.
A análise de eletroscopia de energia dispersiva (E.D.S.) foi utilizada
para verificar a difusão do nitrogênio e carbono na camada formada em cada
tratamento utilizando-se um microscópio eletrônico de varredura MEV da marca
LEO 1450 VP alocado no DEMAR da EEL - Lorena. Os pontos de medição
foram na parte mais externa da camada formada (Ponto A), no fim da mesma
(Ponto B) e no substrato do material (Ponto C), conforme ilustra a figura 4.6.
Figura 4.6: Exemplificação do método utilizado para composição química da
camada formada.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo estão apresentados os resultados experimentais obtidos
em amostras de aço ferramenta P20 submetidos ao processo de cementação
sólida e gasosa, e nitretação iônica, sob diferentes tempos de tratamento,
assim como os ensaios de dureza e desgaste dos mesmos materiais tratados e
não tratados pelos processos acima citados.
5.1 Ensaio de Microdureza
5.1.1 Estudo da Camada Formada por Cementação
As amostras de cementação sólida e gasosa foram previamente
temperadas e revenidas, ou seja, na mesma condição de tratamento, com
dureza média do substrato de 550mHV.
Na Figura 5.1 está apresentado o perfil de dureza das amostras
cementadas a sólido, nos tempos de 2 horas (a), 4 horas (b), 6 horas (c) e 8
horas (d). A dureza superficial de todos os materiais tratados por cementação
sólida apresentou um aumento significativo comparado ao material temperado
sem cementação, evidenciando a efetividade do tratamento de cementação
sólida realizado. Observa-se que a espessura da camada efetiva para o tempo
de 6 e 8 horas ficaram muito próximas, sendo de 2,73mm e 2,78mm,
respectivamente. No tratamento de 4 horas, houve uma pequena diminuição da
espessura da camada efetiva, sendo de 2,57mm. A menor camada obtida foi a
do tratamento de 2 horas, atingindo 1,75mm.
Paulo Mei (2010) cita que, dependendo das condições de tempo e
temperatura empregadas na cementação sólida, a profundidade da camada
pode variar de 0,6 a 6,9mm.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5.1: Perfil de dureza das amostras cementadas a sólido nos tempos de
2 horas (a), 4 horas (b), 6 horas (c) e 8 horas (d).
Na Figura 5.2 está apresentado o perfil de dureza de todos os
tratamentos realizados por cementação sólida.
Figura 5.2: Perfis de dureza das amostras cementadas a sólido.
Pode-se verificar que, quanto menor o tempo de tratamento, maior é a
dureza superficial. Porém, os menores tempos de tratamento tiveram uma
queda mais acentuada da dureza com relação a profundidade da camada
formada.
A Figura 5.3 ilustra o perfil de dureza das amostras cementadas a gás.
A espessura de camada efetiva para os tempos de tratamento de 1 hora, 2
horas, 3 horas e 4 horas foram, respectivamente: 0,80mm, 1,10mm, 1,40mm e
1,70mm. Pode-se observar que, conforme aumentou-se o tempo de
tratamento, aumentou-se a espessura da camada. Paulo Mei (2010) afirma
que, dependendo do tempo, temperatura e do potencial de forno do carbono, o
tratamento de cementação gasosa pode gerar camadas com profundidades de
0,5 a 2,0mm.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5.3: Perfil de dureza das amostras cementadas a gás nos tempos de 1
hora (a), 2 horas (b), 3 horas (c) e 4 horas (d).
Na Figura 5.4 abaixo estão todos os perfis de dureza dos materiais
tratados por cementação gasosa. É possível observar que no tratamento de 1 e
2 horas de cementação a gás a queda da dureza na camada foi muito mais
acentuada em relação aos outros tratamentos. O comportamento dos materiais
de 3 e 4 horas de cementação gasosa foram similares enquanto o de 2 horas
obteve a maior dureza na superfície.
Figura 5.4: Perfis de dureza das amostras cementadas a gás.
Os valores da espessura da camada formada experimentalmente para
o tratamento de cementação gasosa foram analisados por Oliveira (2014)
analiticamente utilizando a teoria de difusão através da Lei de Fick e a teoria de
Arrhenius em um trabalho de graduação realizado na Fatec Sorocaba por um
aluno do curso de Processos Metalúrgicos. Os resultados obtidos pela análise
teórica e pela análise prática estão apresentados na Tabela 5.1 e comprovam a
efetividade do método utilizado para determinação da profundidade da camada.
Os resultados da espessura da camada determinada no ensaio prático
obtiveram coerência com a espessura da camada definida teoricamente,
demonstrando a eficiência do tratamento termoquímico realizado.
Tabela 5.1: Resultados obtidos por diferentes técnicas de análise do coeficiente
de difusão do carbono, obtido por cementação gasosa, no aço AISI P20.
Tempo de Tratamento (horas)
Espessura Teórica (mm)
Espessura Prática (mm)
1 0,80 0,80 2 1,00 1,10 3 1,20 1,40 4 1,60 1,70
Através dos resultados obtidos, pode-se observar que as durezas
superficiais das camadas produzidas por cementação gasosa estão maiores do
que as durezas superficiais das camadas produzidas por cementação sólida.
Também, a cementação gasosa gerou camadas menos espessas que a
cementação sólida. Costa e Silva (2010) afirma que o tratamento de
cementação gasosa gera maiores durezas superficiais e menores
profundidades de camada cementada, comparado ao tratamento de
cementação sólida, corroborando com os resultados obtidos.
5.1.2 Estudo da Camada Formada por Nitretação
O material base utilizado para comparação não foi previamente tratado,
pois o tratamento termoquímico de nitretação iônica endurece a superfície do
material pela formação de nitretos, que é a combinação do nitrogênio com os
elementos de liga do aço, e não pelo enriquecimento do mesmo em carbono e
posterior endurecimento por têmpera (CHIAVERINI, 2003). Portanto o material
base utilizado para comparação é o P20 como recebido, ou seja, beneficiado,
com dureza em torno de 380mHV.
Na Figura 5.5 está apresentado o perfil de dureza das amostras
nitretadas, nos tempos de 2 horas (a), 4 horas (b), 6 horas (c) e 12 horas (d). A
dureza superficial de todos os materiais tratados por nitretação iônica
apresentaram um aumento expressivo comparado ao material sem tratamento,
comprovando a efetividade do tratamento de nitretação iônica realizado.
Observa-se que a espessura da camada de difusão para a amostra tratada por
2 horas é de, aproximadamente, 0,19mm, enquanto o de 4 horas, chegou a
0,25mm, o de 6 horas a 0,45mm e o de 12 horas a 0,80mm, o que indica um
aumento da difusão do nitrogênio conforme aumenta-se o tempo de
tratamento.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5.5: Perfil de dureza das amostras nitretadas nos tempos de 2 horas (a),
4 horas (b) e 6 horas (c).
Na Figura 5.6 está apresentado o perfil de dureza de todas as
amostras nitretadas.
Figura 5.6: Perfis de dureza das amostras nitretadas.
Como observado nos outros tratamentos, quanto maior foi o tempo de
tratamento, menor dureza superficial obteve-se, porém, maior a profundidade
da camada formada. Pode-se observar que o tratamento de 2h obteve,
praticamente, a mesma dureza que o tratamento de 12h. Porém, a queda da
dureza com a profundidade para a amostra tratada por 2h é muito maior
comparada a amostra de 12h.
5.1.3 Estudo da Profundidade da Camada Tratada e Du reza Superficial por
Tempo de Tratamento
Conforme observado em vários trabalhos a temperatura e tempo de
tratamento são os principais parâmetros que influenciam na dureza superficial
e na espessura da camada formada nos tratamentos termoquímicos realizados
neste trabalho.
Reservo este capítulo para a apresentação do comportamento da dureza
superficial e da espessura da camada formada das amostras tratadas por
cementação sólida, cementação gasosa e nitretação iônica em relação ao
tempo de tratamento das mesmas.
A figura 5.7 nos mostra a dureza superficial de todos os materiais por
tempo de tratamento.
Figura 5.7: Microdureza superficial por tempo de tratamento de todas as
amostras.
Nem sempre maiores tempos de tratamento produzem maiores
durezas superficiais. Com exceção da cementação gasosa a 1 hora, é possível
notar que, quanto maior o tempo de tratamento, menor a dureza superficial
para o tratamento de cementação sólida e gasosa. No caso da nitretação
iônica, observa-se uma queda na dureza superficial com o aumento no tempo
de tratamento, o qual volta a aumentar a 12 horas de tratamento.
Wolfart (2002), Reis (2006, 2007) e Caetano (1998) obtiveram
resultado semelhante, comprovando que baixas temperaturas geram alta
concentração de nitrogênio na superfície, o que eleva a dureza da mesma.
Conforme aumenta-se a temperatura, a concentração diminui, difundindo-se
para o substrato, o que causa o aumento da profundidade de difusão e a
diminuição da dureza na superfície.
A figura 5.8 nos mostra a profundidade da camada tratada em relação
ao tempo de tratamento.
Figura 5.8: Pronfundidade da camada por tempo de tratamento.
Pode-se observar que, quanto maior o tempo de tratamento, maior a
espessura da camada formada, conforme observado por Dorigão (2006),
quanto maior o tempo de tratamento, maior o coeficiente de difusão, ou seja,
maior a espessura da camada formada.
5.2 Ensaio de Desgaste
Estes ensaios foram realizados a fim de analisar a efetividade do
tratamento de cementação gasosa, sólida e nitretação iônica em relação a
resistência ao desgaste do material em estudo.
A tabela 5.2 comprova que nenhum ensaio atingiu o substrato, ou seja,
a resistência ao desgaste obtida está diretamente ligada a camada formada
nos tratamentos.
Tabela 5.2: Comparação entre a altura da calota formada no ensaio de
desgaste com a profundidade da camada gerada nos tratamentos
termoquímicos.
Tratamento Altura da Calota (mm) Profundidade da Camada (mm)
Cementação Sólida 2 horas
0,043 1,75
Cementação Sólida 4 horas
0,040 2,57
Cementação Sólida 6 horas
0,036 2,73
Cementação Sólida 8 horas
0,020 2,78
Cementação Gasosa 1 hora
0,022 0,80
Cementação Gasosa 2 horas
0,022 1,10
Cementação Gasosa 3 horas
0,023 1,40
Cementação Gasosa 4 horas
0,027 1,70
Nitretação Iônica 2 horas
0,031 0,20
Nitretação Iônica 4 horas
0,040 0,25
Nitretação Iônica 6 horas
0,037 0,45
Nitretação Iônica 12 horas
0,032 0,90
5.2.1 Cementação Sólida
A Figura 5.9 nos mostra a taxa de desgaste em relação aos diferentes
tempos de tratamento de cementação sólida.
Figura 5.9: Taxa de desgaste em relação ao tempo de tratamento.
A cementação sólida diminuiu acentuadamente a taxa de desgaste dos
materias em relação a amostra sem tratamento. O tratamento de 8 horas foi o
que obteve a menor taxa neste ensaio.
A Figura 5.10 relaciona o volume de desgaste com os diferentes
tempos de tratamento de cementação sólida.
Figura 5.10: Volume de material retirado por tempo de tratamento.
Novamente, o tratamento de cementação sólida se demonstra
eficiente, diminuindo o volume de desgaste a aumentando a resistência ao
desgaste do material estudado. Conforme aumentou-se o tempo de tratamento,
a resistência ao desgaste também aumentou.
A amostra de 8 horas foi a que obteve a menor altura na calota,
consequente de uma menor taxa de desgaste. O tratamento de cementação
sólida se mostrou eficiente em relação a resistência ao desgaste do material
estudado, sendo a amostra de 8 horas a que obteve os melhores resultados
comparada a todos os ensaios, pois a dureza de toda sua camada tem pouca
variação quando comparada a dureza da superfície.
No caso da cementação sólida, maiores tempos de tratamento se
demonstraram mais eficientes em relação à resistência ao desgaste devido ao
aumento de sua profundidade de cementação.
5.2.2 Cementação Gasosa
A Figura 5.11 nos mostra a taxa de desgaste em relação aos diferentes
tempos de tratamento de cementação gasosa. As amostras tratadas por
cementação gasosa obtiveram uma queda acentuada na taxa de desgaste,
comparadas com o material base, comprovando a efetividade do tratamento.
Figura 5.11: Taxa de desgaste dos materiais tratados por cementação gasosa
com diferentes tempos de tratamento.
A Figura 5.12 nos mostra volume de desgaste por tempo de tratamento
da cementação gasosa.
Figura 5.12: Volume de material retirado no ensaio de desgaste por tempo de
tratamento.
Na Figura 5.12 é possível observar que o tratamento de cementação
gasosa diminuiu drasticamente o volume de desgaste, evidenciando que o
tratamento de cementação gasosa aumenta a resistência ao desgaste do
material estudado.
O tratamento de cementação gasosa se mostrou eficiente no ensaio de
desgaste, obtendo uma grande diminuição em todos os aspectos analisados.
Para este tratamento, a maior resistência ao desgaste está relacionada ao
aumento da dureza superficial causada pelo tratamento termoquímico de
cementação. Assim, o tempo que obteve a maior resistência ao desgaste das
amostras de cementação gasosa foi o de 2 horas, devido a sua alta dureza
superficial, a maior obtida.
5.2.3 Nitretação Iônica
A Figura 5.13 nos mostra a taxa de desgaste em relação aos diferentes
tempos de tratamento de nitretação, comparadas ao material base sem
tratamento. As amostras tratadas por nitretação iônica alcançaram uma queda
relevante e uniforme na taxa de desgaste, evidenciando a efetividade do
tratamento.
Figura 5.13: Taxa de desgaste dos materiais tratados por nitretação iônica.
A Figura 5.14 abaixo nos mostra a perda de volume no ensaio dos
materiais tratados por nitretação iônica.
Figura 5.14: Volume de material retirado no ensaio de desgaste nas amostras
tratadas por nitretação iônica.
Analisando os resultados obtidos, pode-se observar a eficiência do
tratamento termoquímico de nitretação iônica, pois o mesmo aumentou
significativamente a resistência ao desgaste do material, sendo o material de 2
horas o mais resistente, devido a sua alta dureza na camada, seguido pela
amostra tratada por 12 horas, que também possui alta dureza na camada e
uma queda menos acentuada da dureza da mesma em relação a profundidade.
5.2.4 Análise dos Resultados de Desgaste
A partir da análise dos resultados acima, é possível notar que os
tratamentos que melhor apresentaram resistência ao desgaste foram o de 2
horas por cementação gasosa, com um volume de desgaste de 0,019mm³,
devido a sua alta dureza superficial, e o de 8 horas por cementação sólida, com
um volume de desgaste de 0,017mm³, devido à sua dureza uniforme em
relação a profundidade de cementação, conforme ilustra a figura 5.15.
Figura 5.15: Volume de desgaste, de todos os tratamentos, por tempo.
5.3 Metalografia
Foram realizadas as metalografias das amostras tratadas por
cementação gasosa, cementação sólida e nitretação iônica para observar a
formação das camadas.
A Figura 5.16 corresponde à metalografia do material base, sem
tratamento, com aumento de 100x. Observa-se que a microestrutura do
substrato é a martensita revenida obtida do material no estado beneficiado
como recebido.
Figura 5.16: Microestrutura do aço P20 beneficiado.
As Figuras de 5.17 a 5.20 referem-se aos tratamentos de cementação
sólida de 2, 4, 6 e 8 horas, respectivamente.
Figura 5.17: Metalografia da camada tratada por cementação sólida a 2 horas
(aumento de 50x)
Figura 5.18: Metalografia da camada tratada por cementação sólida a 4 horas
(aumento de 20x)
Figura 5.19: Metalografia da camada tratada por cementação sólida a 6 horas
(aumento de 20x)
Figura 5.20: Metalografia da camada tratada por cementação sólida a 8 horas
(aumento de 20x)
É possível observar que, quanto maior o tempo de tratamento, maior o
tamanho da camada formada e sua uniformidade.
As Figuras de 5.21 a 5.24 referem-se aos tratamentos de cementação
gasosa de 1, 2, 3 e 4 horas, respectivamente.
Figura 5.21: Metalografia da camada tratada por cementação gasosa a 1 hora
(aumento de 50x)
Figura 5.22: Metalografia da camada tratada por cementação gasosa a 2 horas
(aumento de 50x)
Figura 5.23: Metalografia da camada tratada por cementação gasosa a 3 horas
(aumento de 50x)
Figura 5.24: Metalografia da camada tratada por cementação gasosa a 4 horas
(aumento de 20x)
Pode-se observar que as camadas formadas por cementação sólida
atingiram maiores espessuras do que as camadas formadas por cementação
gasosa.
As Figuras de 5.25 a 5.28 referem-se as amostras tratadas por
nitretação iônica nos tempos de 2, 4, 6 e 12 horas, respectivamente.
Figura 5.25: Metalografia da camada tratada por nitretação iônica a 2 horas
(aumento de 200x)
Figura 5.26: Metalografia da camada tratada por nitretação iônica a 4 horas
(aumento de 200x)
Figura 5.27: Metalografia da camada tratada por nitretação iônica a 6 horas
(aumento de 200x)
Figura 5.28: Metalografia da camada tratada por nitretação iônica a 12 horas
(aumento de 200x)
É possível observar que, conforme aumentou-se o tempo de
tratamento, aumentou-se a camada de difusão. Também é possível observar
um traço fino e branco, na parte mais externa da superfície, proveniente da
camada branca, que foi posteriormente analisado via MEV para medição e está
apresentado abaixo, nas figuras 5.29 a 5.31.
Na amostra de 2 horas, a camada branca formada é de 7,15µm. Na
amostra de 4 horas, houve um aumento, sendo de 9,35µm, na amostra de 6
horas, 11,5µm e na amostra de 12 horas, 9,8µm. Vale ressaltar que, o
tratamento de nitretação a 12 horas foi realizado com parâmetros diferentes em
comparação com os outros tratamentos.
Figura 5.29: Metalografia via MEV da camada branca obtida no tratamento de
nitretação iônica a 2 horas.
Figura 5.30: Metalografia via MEV da camada branca obtida no tratamento de
nitretação iônica a 4 horas.
Figura 5.31: Metalografia via MEV da camada branca obtida no tratamento de
nitretação iônica a 6 horas.
Figura 5.31: Metalografia via MEV da camada branca obtida no tratamento de
nitretação iônica a 12 horas.
É possível notar um aumento significativo da espessura da camada
branca conforme aumentou-se o tempo de tratamento. A camada branca,
geralmente menos que 25µm, apresenta boa resistência ao engripamento,
reduz o coeficiente de atrito, melhora a resistência a fadiga em ambientes
corrosivos e à corrosão, porém, possui baixa dureza (COSTA E SILVA, 2010).
Camada branca ou camada de compostos são termos utilizados para
denominar a camada mais superficial formada pelos nitretos de ferro. Essa
região, em análise metalográfica, se apresenta branca por não reagir com o
reagente químico. Ela é composta por 2 tipos de nitreto: o Épsilon e o Gama
Linha. O primeiro possui teor de nitrogênio superior a 8,0% em peso e é frágil.
O segundo, teor entre 5,9 e 6,5% em peso e é dúctil. A camada branca também
possui boa resistência ao desgaste e corrosão (VENDRAMIN, 2008).
A camada de difusão, abaixo da camada branca, é constituída de
nitretos do tipo Gama Linha (em forma de agulhas) e nitrogênio dissolvido na
matriz ferrítica. Possui boa resistência a fadiga (VENDRAMIN, 2008).
O fator dominante na absorção do nitrogênio está associado com o
processo de sputtering. Os átomos de ferro que são arrancados da superfície
podem combinar-se com os átomos de nitrogênio, altamente reativos e
presentes no plasma próximos à superfície da peça, produzindo nitretos de
ferro instáveis (FeN). Esses nitretos são condensados na superfície e
estabilizados posteriormente para nitretos do tipo Fe2N, Fe3N e Fe4N. O
nitrogênio que é liberado deste processo pode difundir para o volume da peça,
formando assim a zona de difusão. A camada branca é frágil e rica em
nitrogênio (ALVES JÚNIOR, 2008).
5.4 Composição Química da Camada Formada
Foram medidas, via MEV/EDS, as composições químicas das camadas
formadas por todos os tratamentos termoquímicos realizados, e estão
apresentadas na tabela 5.3. Esta análise é qualitativa e será importante para
observar a difusão do carbono e nitrogênio ao longo da espessura a partir da
superfície do material. Os pontos de análise foram determinados na figura 4.6.
Tabela 5.3: Composição química das camadas formadas.
Tratamento Ponto A Ponto B Ponto C
Cementação Sólida 2 horas 8,3% pC 5,4% pC 4,1% pC
Cementação Sólida 4 horas 8,4% pC 6,3% pC 3,9% pC
Cementação Sólida 6 horas 10,5% pC 6,9% pC 4,0% pC
Cementação Sólida 8 horas 11,4% pC 7,5% pC 6,0% pC
Cementação Gasosa 1 hora 11,9% pC 5,7% pC 2,4% pC
Cementação Gasosa 2 horas 9,7% pC 4,9% pC 3,6% pC
Cementação Gasosa 3 horas 11,4% pC 7,8% pC 4,5% pC
Cementação Gasosa 4 horas 10,1% pC 7,9% pC 9,0% pC
Nitretação Iônica 2 horas 6,7% pN 3,5% pN 1,9% pN
Nitretação Iônica 4 horas 7,9% pN 4,1% pN 1,7% pN
Nitretação Iônica 6 horas 6,6% pN 3,8% pN 1,3% pN
Nitretação Iônica 12 horas 7,5% pN 3,9% pN 1,5% pN
É possível notar a efetividade dos tratamentos realizados, pois a
porcentagem em peso do elemento medido na camada revelou-se superior que
a medida no substrato. E conforme aproximou-se o ponto de medição ao
substrato, essa porcentagem diminuiu.
5.5 Vantagens e Desvantagens da Cementação Sólida,
Cementação Gasosa e Nitretação Iônica
Reserva-se este capítulo para uma breve discussão sobre as
vantagens e desvantagens dos tratamentos de cementação gasosa, sólida e
nitretação iônica.
Conforme estudado por Rosa (2012), a Tabela 5.4 nos mostra que “o
processo de cementação sólida enfrenta certas dificuldades para ser
executado, principalmente se posto em uma linha de produção, onde o fator
principal é a produtividade e o controle de qualidade. Entretanto, ainda é
possível considerar que para algumas peças e ocasiões este processo é muito
recomendado.”
Tabela 5.4: Vantagens e desvantagens da cementação sólida.
Cementação Sólida
Vantagens Desvantagens
Permite-se a utilização de maior
variedade de fornos, pois reproduz
sua própria atmosfera cementante.
No que se refere ao controle, não há
uma conclusão exata, pois o
potencial de carbono na superfície da
peça é variável.
É recomendado principalmente para
peças que necessitam de
resfriamento lento após a
cementação, como por exemplo as
peças que serão usinadas antes de
serem atribuídas ao tratamento.
A dificuldade de desempacotar as
peças acaba por dificultar a têmpera
direta.
Como as peças são alojadas na
mistura carburizante sólida, tem a
diminuição ao empenamento, o que
em alguns casos, é de extrema
importância.
Este processo se torna mais lento
quando comparado a outros
processos de cementação, eis que
há uma necessidade das peças se
aquecerem e resfriarem dentro da
caixa.
Rosa (2012) também estudou que “no processo de cementação gasosa
as vantagens são bem gratificantes, eis que é possível fazer o controle do
processo e ainda obter maior produtividade. As desvantagens são a mão de
obra capacitada para tal serviço, equipamentos caros, porém, se analisado as
vantagens de tal processo, é possível concluir que é um processo satisfatório.”
A Tabela 5.5 apresenta as vantagens e desvantagens do tratamento de
cementação gasosa.
Tabela 5.5: Vantagens e desvantagens do tratamento de cementação gasosa.
Cementação Gasosa
Vantagens Desvantagens
Este processo acaba por ser
vantajoso comparado com a
cementação sólida pois elimina o uso
de caixas pesadas e torna-se um
processo mais limpo.
O referido processo deve ser
realizado em equipamentos
específicos, o que o torna mais caro.
O controle do teor de carbono
depositado na camada superficial da
peça permite obter a espessura
cementada mais padronizada.
Com este nível de complexidade
torna-se necessário profissional mais
capacitado.
A cementação gasosa acaba se
tornando um processo mais rápido,
possibilitando uma têmpera direta.
Na cementação sólida o controle é
basicamente da temperatura, na
gasosa o controle da temperatura se
faz necessário juntamente com o
controle da mistura carburizante.
Com relação a nitretação, Corazza (2012) observou que houve
melhoria na transferência de calor do molde, no processo de injeção, quando
comparada a um molde sem tratamento, o que gera um menor tempo de ciclo
de resfriamento. Também foi verificado que houve redução da temperatura do
molde durante o processo, quando empregado com o tratamento de nitretação.
Essas melhorias são capazes de reduzir em até 12% o tempo do ciclo total do
processo de injeção, sem diminuir a qualidade final da peça injetada. Além
disso, na nitretação as peças sofrem menor empenamento, pois utiliza-se de
temperaturas baixas. Há também um ótimo controle da camada nitretada.
Porém, os equipamentos necessários para o tratamento possuem alto custo e,
normalmente, é um processo lento.
6. DIFICULDADES ENCONTRADAS
Algumas dificuldades foram encontradas no decorrer de
desenvolvimento deste trabalho.
No projeto de desenvolvimento deste trabalho, foi determinado que os
tratamentos de nitretação seriam realizados em equipamento do departamento
Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Porém, o laboratório
foi desmontado e sua instalação está prevista para ser realizada em outra
instituição. Assim, foi necessário encontrar outro local para a realização deste
tratamento, o qual será efetuado na METAL PLASMA Processos Metalúrgicos a
Plasma, presente em São José dos Campos/SP.
Outra dificuldade encontrada foi na busca a literatura referente ao tema
de cementação em P20. Nenhum trabalho de cementação sólida em P20 foi
encontrado, sendo encontrado alguns trabalhos de cementação sólida em
outros tipos de materiais. Foram encontrados poucos trabalhos de cementação
gasosa em P20.
Uma análise de WDS foi marcada na cidade de Lorena/SP no DEMAR
da EEL para medir a profundidade de camada da cementação, pois o método
utilizado primeiramente não se demonstrou eficiente. Porém, o equipamento
apresentou problemas técnicos no dia marcado e, ao invés de WDS, foi
realizado um EDS para análise da profundidade da camada.
7. CONCLUSÃO
O tratamento de cementação sólida foi o tratamento que apresentou
maior espessura da camada por tempo de tratamento. Nos tempos de 2, 4, 6 e
8 horas, as profundidades ficaram em 1,75, 2,57, 2,73 e 2,78mm,
respectivamente. O tratamento de cementação gasosa aliou alta dureza
superficial, atingindo 923mHV no tratamento de 2 horas, com um valor
considerável de profundidade de camada, sendo de 0,80, 1,10, 1,40 e 1,70mm
nos tratamentos de 1, 2, 3 e 4 horas, respectivamente. O tratamento de
nitretação a plasma obteve baixas profundidades de camada, sendo de 0,19,
0,25, 0,45 e 0,80mm nos tempos de 2, 4, 6 e 12 horas.
O volume de desgaste, nos tratamentos de cementação gasosa e
nitretação iônica, obteve comportamento similar, ou seja, quanto menor o
tempo de tratamento, menor o volume de desgaste, resultado de uma maior
dureza superficial. No tratamento de cementação sólida, o material que obteve
o melhor resultado foi o de 8 horas, resultado de uma uniformidade na dureza e
alta profundidade da camada.
Todos os tratamentos termoquímicos realizados neste trabalho
aumentaram consideravelmente a resistência ao desgaste do material
estudado. Os ensaios de desgaste realizados comprovaram que o tratamento
termoquímico que obteve o melhor resultado foi o de cementação sólida,
realizado durante 8 horas e, com um valor aproximado, o de cementação
gasosa, realizado durante 2 horas. Porém, de forma geral, observou-se que o
tratamento que produziu maior resistência ao desgaste foi a cementação
gasosa.
Foi observado também que, menores tempos de tratamento
produziram maiores durezas superficiais, devido a concentração do elemento
endurecedor estar alta na superfície. Maiores tempos de tratamento facilitam a
difusão dos mesmos para o substrato, diminuindo a dureza superficial e
aumentando a profundidade da camada formada.
Alta resistência ao desgaste pode estar diretamente ligada a altas
durezas superficiais, porém, foi observado que uma dureza uniforme na
camada também produz alta resistência ao desgaste, gerada nos tratamentos
de maior tempo.
Deve-se levar em conta, não somente a resistência ao desgaste do
material, e sim a efetividade do tratamento como um todo, para determinar o
tratamento mais adequado à necessidade. Apesar de menor resistência ao
desgaste comparado aos tratamentos de cementação, o tratamento de
nitretação iônica produz menor empenamento na peça, pois utiliza-se de
menores temperaturas de tratamento. Moldes plásticos são peças que
possuem muitos detalhes e tolerâncias mínimas, menor empenamento é
essencial nestes casos, entre outros fatores.
A nitretação, também, diminuiu o tempo total do ciclo de injeção, devido
a possibilitar maiores trocas de calor no molde e, consequentemente, menores
temperaturas no mesmo, o que reduz o tempo de resfriamento da peça. O fato
de se obter menores tempos no ciclo de injeção pode ser determinante na
escolha do tratamento.
O tratamento de cementação sólida é, de longe, o de menor custo, pois
utiliza-se de equipamentos simples e não necessita de mão-de-obra
qualificada, produzindo propriedades interessantes. Porém, não há controle da
camada formada e, por ser necessária a realização de têmpera, produz um
maior empenamento nas peças, comparado a nitretação. O tratamento de
cementação gasosa também produz empenamento maior, porém, há um
grande controle no processo e os equipamentos e mão-de-obra necessários
ainda são menos dispendiosos comparados aos necessários para a nitretação.
A determinação do tratamento mais adequado, estudado neste
trabalho, para uma determinada aplicação, deve ser analisada levando em
conta os resultados e as informações aqui presente.
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9. JUSTIFICATIVA DA APLICAÇÃO DA RESERVA
TÉCNICA
A verba da reserva técnica utilizada nestes meses de desenvolvimento
deste projeto somaram o valor de R$ 462,50. Deste valor total, R$ 99,00 reais
foram utilizados para a aquisição das esferas para realização dos ensaios de
desgaste, cujos resultados se encontram no item 5 deste relatório. O valor de
R$ 57,50 foi gasto com a aquisição de lixas para a preparação metalográfica de
todas as amostras estudadas neste trabalho. O valor de R$180,00 é referente a
estadia na cidade de Lorena para a realização de análises e, o valor de
R$126,00 é referente à alimentação durante a estadia em Lorena para a
realização de análises, que se encontram no item 5 deste relatório.
A viagem foi realizada a fim de se realizar análise química via WDS
utilizando um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) para determinar a
espessura da camada formada pelos tratamentos superficiais realizados no
desenvolvimento do projeto. Porém, no momento da análise o detector
apresentou um problema técnico e esta referida análise não pode ser realizada.
No entanto, foram feitas análises químicas via EDS no Microscópio Eletrônico
de Varredura. As amostras foram deixadas aos cuidados do Prof. Dr. Durval
Rodrigues Junior para que, assim que o detector ficar operacional, as análises
sejam realizadas.
10. LISTA DE PUBLICAÇÕES
Os resultados obtidos com o desenvolvimento deste trabalho serão
apresentados em dois congressos, conforme descrito abaixo:
• 13th International Symposium on Multiscale, Multifunctional and
Funtionally Graded Materials, cujo resumo está em processo de
envio. Serão apresentados todos os resultados obtidos no
desenvolvimento deste trabalho, o qual poderá ser publicado na
edição especial da revista Mechanics Research Communications.
• Semana de Iniciação Científica da Fatec Sorocaba