Austenitização

A Austenitização é um processo crítico em relação aos controle de aquecimento em aços ferramentas. Uma temperatura excessivamente alta de austenitização ou longos períodos em alta temperatura podem resultar em distorção, crescimento de grão anormal, perda de ductilidade e baixa resistência. Isso é de extrema importância quando se trata de aços rápidos, os quais são frequentemente austenitizados a temperaturas próximas aquelas as quais a fusão se inicia. No entanto, se o calor for insuficiente, pode resultar em baixa dureza e baixa resistência ao desgaste do material (ASM INTERNATIONAL, 1991; HOYLE, 1964).

O efeito da temperatura de austenitização sobre a dureza do aço M2 na têmpera é mostrado na Figura 3. Pode-se observar que abaixo de 1175 °C o M2 não consegue atingir completamente sua maior dureza na têmpera, devido a insuficiente dissolução de carbonetos. Em aproximadamente 1230 °C, a dureza do material passa a decrescer por conta da saturação da austenita com o carbono e elementos de liga no aço temperado.

Figura 3 - Efeito da temperatura de austenitização no aço M2 temperado

Fonte: Adaptado de (ASM INTERNATIONAL, 1991)

Dobrzanski (2001) mostra que a temperatura de austenitização de aços rápidos é geralmente 50 °C abaixo da temperatura Solidus e tem grande importância nos tratamentos térmicos. A utilização de elevada temperatura faz com que se obtenha a dissolução parcial dos carbonetos e a saturação da austenita com o carbono e elementos de liga. A parcial dissolução dos carbonetos M6C durante a austenitização em contraste com o

carboneto MC, resulta em uma certa quantidade de vanádio entrando em solução sólida na matriz e consequentemente sofrendo um endurecimento secundário durante o revenimento. Longos períodos de austenitização também causam efeitos similares aos de excesso de temperatura, resultando assim em maior quantidade de carbonetos dissolvidos, austenita retida e aumento no tamanho de grão.

Dobrzanski (2001) afirma ainda que, para se obter sucesso no endurecimento de aços rápidos, deve-se fazer a seleção de tempo e temperatura de austenitização adequadamente. O tempo necessário para dissolver a proporção desejada de carbonetos fica geralmente na faixa de 80 a 150 segundos, e este tempo não é afetado pelo tamanho da amostra ou de sua massa. Porém, o tempo de aquecimento até a temperatura de austenitização é afetado pelo tamanho das ferramentas e pelo tipo e volume do forno.

2.2.2 Têmpera

A têmpera consiste em um rápido resfriamento após a austenitização, transformando a austenita em uma estrutura martensítica com elevada dureza. A composição do material irá definir o modo de têmpera do material, ou seja, o quão rapidamente ele deverá ser resfriado. Aços rápidos podem ser temperados ao ar, ao óleo ou em banho de sais. A estrutura dos aços rápidos temperados consiste de martensita e aproximadamente 20% de austenita retida, a qual é mole, instável a baixas temperaturas e se transforma em martensita frágil durante uma operação envolvendo aquecimento. A transformação de austenita em martensita causa aproximadamente um aumento de 4% no volume, ocasionando uma distorção na peça. Dentro destes 20% ainda se encontram carbonetos que não foram dissolvidos durante a austenitização. Após a têmpera, aços rápidos geralmente possuem elevadas tensões residuais, e para evitar trincas e fissuras, é indicado que seja feito o revenimento na sequência do processo (GILL, SINGH, et al., 2012 ; ASM INTERNATIONAL, 1991; DOBRZANSKI, 2001).

2.2.3 Revenimento

O revenimento é a última etapa do tratamento de endurecimento dos aços rápidos. O revenido tem por objetivo principal aliviar as tensões da martensita e melhorar a tenacidade do material. Durante o revenimento dos aços rápidos ocorre um fenômeno conhecido como endurecimento secundário, onde ocorre um aumento de dureza movido pela transformação da austenita retida em martensita e pela separação dos carbonetos na matriz que sofreu transformação. (DOBRZANSKI, 2001)

Nos aços rápidos com teores de vanádio acima de 1%, acontece uma precipitação de carbonetos MC, ricos em vanádio (VC), facilitando o endurecimento secundário. O endurecimento secundário pode ser explicado com base em 2 mecanismos apresentados de forma gráfica na Figura 4. Pode-se observar que o primeiro mecanismo, de decomposição da martensita, indicado na legenda com o número 1, promove um decréscimo contínuo na dureza, ao passo que o segundo mecanismo, de precipitação de carbonetos, tem um comportamento senoidal, indicado na legenda com o número 2. A indicação com o número 3 é resultante de ambas as curvas, resultando no endurecimento secundário. (HOYLE, 1988 apud SCHLATTER, 2012).

Como pode ser observado na Figura 5, para um aço rápido M2 austenitizado a 1220 °C, a dureza do aço rápido é diretamente afetada pela temperatura e tempo de revenimento. Pode-se observar nas curvas da Figura 5 que o endurecimento secundário ocorre em temperaturas na faixa de 370 °C até aproximadamente 600°C, e que esse endurecimento depende do tempo que permanece nesta temperatura.

Figura 4 - Mecanismos de endurecimento no revenido dos aços rápidos

Fonte: Adaptado de (HOYLE, 1988 apud SCHLATTER, 2012).

Duplos revenimentos ou múltiplos revenimentos são geralmente aplicados em aços rápidos. Durante o primeiro revenimento, ocorre a recuperação e recristalização da martensita, enquanto que a austenita retida é transformada em martensita não revenida. Após o segundo revenimento a estrutura consiste quase completamente de martensita revenida e carbonetos. Revenimentos triplos são utilizados em aços rápidos para casos onde há teores muito altos de elementos de liga. As propriedades de corte e mecânicas são fortemente influenciadas pela temperatura de revenido (DOBRZANSKI, 2001).

Na Figura 6 é mostrado a sequência de tratamentos térmicos convencionais aos quais são submetidos os aços rápidos.

Figura 5 - Efeito da temperatura e do tempo de revenido na dureza de um aço M2

Fonte: (ASM INTERNATIONAL, 1991)

Figura 6 - Sequência de tratamentos térmicos em aços rápidos

Fonte: Adaptado de (PIPPEL, WOLTERSDORF, et al., 1999)

As temperaturas de revenido recomendados para peças produzidas por metalurgia do pó variam de 150 a 200°C. Revenimento acima de 200°C, resulta em melhores propriedades de tenacidade e de fadiga na parte endurecida, em detrimento da resistência à tração e resistência ao impacto. Contudo, o forno teria que ser

especialmente adaptado para conter o grande volume de fumaça gerado pela volatilização do óleo de arrefecimento. O revenimento é também utilizado para reduzir os efeitos da austenita retida, que pode ocorrer em ligas de aço quando resfriada rapidamente. Esse constituinte demonstrou influenciar parâmetros dimensionais e a dureza do material. (FERGUSON, 1991) Aços ferramenta produzidos por metalurgia do pó têm duas vantagens principais: carbonetos finamente distribuídos de forma uniforme e não possuir macrosegregações. Estas características proporcionam uma resposta mais rápida as condições de endurecimento, gerando um endurecimento em uma maior profundidade em relação a superfície. Após tempera e revenido, os aços MP, apresentam melhor tenacidade que os aços rápidos produzidos convencionalmente (fundidos e forjados). (ASM INTERNATIONAL, 1991)

2.2.4 Boretação

A Boretação é uma técnica de tratamento termoquímico utilizada em diversos materiais de engenharia, onde os átomos de boro são difundidos na superfície da peça para formar boretos com o metal base (OLIVEIRA, BENASSI e CASTELETTI, 2006; CAMPOS, OSEGUERA, et al., 2003 ; CHEN, YU, et al., 2008). Os átomos de boro, devido ao seu tamanho relativamente pequeno e sua alta mobilidade, podem difundir no substrato. No ferro, os átomos de boro dissolvem de forma intersticial, mas podem reagir com o ferro e formar uma camada de boretos. Difundem com facilidade em ligas de ferro, formando os compostos intermetálicos FeB e Fe2B,

não-óxidos e boretos cerâmicos (BINDAL e ÜÇISIK, 1999).

A Boretação oferece uma alternativa aos processos de endurecimento de superfícies convencionais, como cementação, nitretração e carbonitretação, isso é devido a elevada dureza dos boretos, atingindo valores na faixa de 1500 a 2000 HV para boretos de ferro. Além de possuir excelente resistência ao desgaste, a oxidação e a corrosão (ATIK, YUNKER e MERIÇ , 2003 ; CAMPOS, OSEGUERA, et al., 2003 ; JAIN e SUNDARARAJAN, 2002). O processo envolve aquecimentos do material na faixa de 700 a 1000°C, com tempos preferíveis na faixa de 1 até 12h, em contato com um pó sólido boretante (composto de boretação), meios pastosos, líquidos ou gasosos (ASM INTERNATIONAL, 1991).

A fase FeB é adjacente a superfície da peça e a fase Fe2B fica abaixo desta. As diferenças de volume

específico e coeficiente de expansão térmica entre os boretos e o substrato, são menores para a fase Fe2B, o

que a torna mais desejável para aplicações industriais que o FeB. A forte ligação covalente dos boretos é responsável pelos elevados valores de ponto de fusão, módulo de elasticidade e dureza. Boretos geralmente tem elevada energia livre de formação, o que lhes confere excelente estabilidade química e térmica (ASM INTERNATIONAL, 1991).

É de grande importância estabelecer os parâmetros de processo que afetam a cinética de boretação de forma a obter a espessura e a dureza desejadas da camada. O objetivo dos tratamentos de superfícies dos aços rápidos utilizados como ferramentas de corte é elevar o desempenho em processos de usinagem, aumentar a vida da ferramenta e alterar os mecanismos que promovem suas falhas em condições normais de cortes (CAMPOS, FARAH, et al., 2008).

(KUBASCHEWSKI, 1982) apresenta o diagrama ferro-boro na Figura 7, mostrando que a difusão do boro no ferro forma boretos ferrosos, como é o caso do FeB, com aproximadamente 16 %p B, e do Fe2B, com

aproximadamente 8,83 %p B.

A fase Fe2B é monofásica, com estrutura cristalina

tetragonal de corpo centrado, com 12 átomos por célula unitária e densidade aproximada de 7,43 g/cm³. Já a fase FeB possui uma densidade de 6,75 g/cm³ e estrutura cristalina ortorrômbica de 4 átomos de Fe e o mesmo número de átomos de boro por célula unitária (ASM INTERNATIONAL, 1991). Abaixo da camada composta (FeB e Fe2B) a zona de difusão dificilmente existe devido

ao fato do boro ter muito baixa solubilidade no ferro. (BÉJAR e MORENO, 2006)

A formação desses boretos depende da temperatura, composição da liga, tempo de tratamento e potencial de boro na vizinhança da superfície (CAMPOS, FARAH, et al., 2008). A camada de boretos, pode variar de 3 a 141 µm. O crescimento da camada de boretos é dominado pela difusão do boro através da fase Fe2B.

(OZBEK e BINDAL, 2011).

A Figura 8 mostra imagens de microscopia ótica, de um aço M2 boretado durante 2 horas com temperatura de 850 °C (a), durante 4 horas com temperatura de 950 °C (b), e de microscopia eletrônica, boretado durante 1 hora na temperatura de 950 °C (c) e durante 4 horas na temperatura de 950 °C (d).

Geralmente a formação de uma monofase (Fe2B)

com a morfologia de dente de serra é mais desejável que uma camada dupla com as fases FeB e Fe2B. A fase FeB

rica em boro (contendo aproximadamente 16,23%p B) não é desejável pois o FeB é mais frágil que a fase Fe2B

(que contém aproximadamente 8,83%p B). Além disso, como o FeB e o Fe2B possuem coeficientes de expansão

térmica substancialmente diferentes (α (FeB) = 23 x 10- 6/°C, α (Fe2B) = 7,85 x 10-6/°C), a formação de trincas é

geralmente observada na interface de FeB/Fe2B da camada de fase dupla (JAIN e SUNDARARAJAN, 2002).

A boretação pode ser realizada por meio sólido líquido ou gasoso. A boretação por via sólida é a mais utilizada e pode ser feita com pó ou pasta. A mais amplamente utilizada é a boretação com pó, devido ao fácil manuseio, segurança e baixo custo, uma vez que não necessita de equipamentos sofisticados. Na boretação com pó, as peças a serem tratadas são colocadas em caixas de aço com alta resistência à deformação a quente, com 3 a 5mm de espessura. As superfícies a serem boretadas são cobertas com aproximadamente 10 a 20mm de pó boretante, responsável pelo fornecimento de boro. As substâncias mais comuns que produzem boro são os carbonetos de boro (B4C), ferroboro e o boro

amorfo. Os diluentes são o carboneto de silício (SiC) e a alumina (Al2O3), e eles não participam das reações.

(CHIAVERINI, 2008)

Existem marcas comerciais de pós para boretação, como as várias classes de Ekabor®_{, que estão disponíveis}

no mercado. O recipiente é vedado para que os gases da reação no tratamento permaneçam no forno e não saiam para atmosfera. (CHIAVERINI, 2008 ; ASM INTERNATIONAL, 1991). A Figura 9 apresenta esquematicamente o processo de boretação com pó.

Em ligas de ferro, o teor de alguns elementos como C, Cr e Ni, tem uma ótima influência na camada de boretos. Com o aumento da quantidade de carbono, a espessura da camada diminui e sua dureza aumenta. (GLUKHOV, 1968) Como o carbono não é dissolvido significantemente nas camadas de boreto (FeB e Fe2B),

forma uma zona polifásica rica em carbonetos e borocarbonetos (Fe3C, Cr23C6, Fe7C3 e Fe3(B,C)) entre a

subcamada Fe2B e a matriz. Isso pode explicar o fato da

camada de boreto, em aços com alto teor de carbono, serem tão frágeis e com ligações fracas a base de metal (BADINI, GIANOGLIO e PRADELLI, 1987 ; BÉJAR e MORENO, 2006).

Figura 7 - Diagrama Fe-B

Figura 8 - Micrografias de microscopia ótica (a), (b) e eletrônica (c), (d) de um aço M2 boretado com diferentes temperaturas e tempos.

Fonte: (OZBEK e BINDAL, 2011)

Um efeito do Cr, é aumentar a quantidade da fase de FeB na camada de boreto (GLUKHOV, 1968). Outros efeitos são de aumentar a dureza e a fragilidade da camada e de produzir uma camada que não é muito compacta na parte externa (BADINI, GIANOGLIO e PRADELLI, 1987 ; GLUKHOV, 1968). No caso do Ni, aumentando sua quantidade, a camada composta se torna mais fina e regularmente distribuída (BADINI, GIANOGLIO e PRADELLI, 1987).

Figura 9 - Esquema do processo de boretação com pó

Fonte: Adaptado de (ASM INTERNATIONAL, 1991)

Em aços MP, a porosidade é um fator dominante nas propriedades do material. A porosidade e os elementos de liga do substrato são os fatores que mais influenciam nos resultados de boretação. (DOROFEEV e SELEVTSOVA, 2001)

Dorofeev e Selevtsova (2001) estudaram os efeitos da porosidade na boretação e concluiu que esse efeito intensifica o processo de boretação. Estes estudos mostraram que em amostras porosas a espessura da

camada boretada foi maior em relação às amostras de maior densidade, obtidas por conformação a quente e seguidas de boretação. Também observou que o aumento na densidade leva a um aumento na quantidade de fase FeB, e que, acima de 20% de porosidade a espessura da camada sólida de boretos diminui. Desta forma, é recomendado que a porosidade não exceda em 20% do volume da amostra. Os autores também mostraram através de suas pesquisas, que um aumento do teor de carbono em aços MP, resulta em um decréscimo na espessura da camada boretada de amostras porosas.

Baglyuk, Pyatachuk e Mamonova (2014) estudaram a estrutura e as propriedades de camadas de boretos em função da porosidade em aços MP. Os resultados mostraram que a espessura, a morfologia e a microestrutura da camada de boretos depende substancialmente da densidade dos compactados e da temperatura de boretação.

2.3 REVESTIMENTOS

Para aumentar a dureza superficial e a resistência ao desgaste, os nitretos refratários estão entre os mais estudados. Os nitretos são compostos formados pelo nitrogênio junto com elementos de menor eletronegatividade que ele. Esses materiais combinam elevada dureza com alta estabilidade mecânica e térmica. Sua importância tem crescido pelo seu uso promissor como ferramentas de corte, circuitos eletrônicos e isolantes elétricos e semicondutores. (CARVALHO, 2001) Weiss (1995) esclarece que, a adesão do filme ao substrato depende da relação entre as estruturas cristalinas envolvidas na interface, da microestrutura na região e das ligações através da região interfacial. Podem

haver diferentes ligações interfaciais: Van der Walls, ligação mecânica, ligação química ou uma combinação destas. Os mecanismos de ancoragem mecânica, ligação física e ligação química definem a adesão do conjunto filme substrato de qualquer sistema.

Ao considerar uma interface ideal, com cristais sem defeitos e superfícies polidas, a adesão entre duas fases sólidas pode ser atribuída a Energia química, devido a combinação de ligações ao longo da interface e a Energia geométrica, devido a estrutura de discordâncias através da interface. (SWALIN, 1972)

O TiN possui uma extensa aplicação em diversos campos tecnológicos devido a boa combinação de suas propriedades físicas e químicas. As principais características que o diferenciam são, a alta temperatura de fusão (2927ºC), ligação covalente, baixa taxa de oxidação e massa específica. As propriedades do TiN dependem diretamente da estequiometria (razão entre o Ti e o N) e do teor de impurezas. (MOSBAH, CALKA e WEXLER, 2006)

O TiN possui alta resistência a ataques químicos, sendo inerte a bases, ácidos e solventes, além de elevada resistência à corrosão. Possui estrutura cristalina CFC (cúbica de face centrada) com parâmetro de rede de 0,43nm. (GUO, X., 2005)

A deposição física de vapor (PVD - do inglês, Physical vapor deposition) é um dos processos de revestimentos mais comumente utilizados, junto ao processo de deposição química de vapor (CVD _{– do} inglês, Chemical Vapor Deposition). O processo de PVD, o qual é conduzido em uma câmara à vácuo, pode ser realizado de diversas formas. O processo baseia-se em precipitação auxiliada por plasma de TiN ou TiC sobre aço ferramenta. Processos de CVD podem depositar revestimentos com boa adesão entre o revestimento e o

substrato, porém operam em elevadas temperaturas, na faixa de 750 a 1000 °C. Já os processos de PVD podem ser realizados em temperaturas menores, na faixa de 180 a 500 °C, sendo mais apropriadas para os recobrimentos de ferramentas de aços rápidos do que a faixa de temperaturas para o processo CVD (ASM INTERNATIONAL, 1994 ; WENDL, 1990 ; PENG, MIAO, et al., 2003).

Fissuras no revestimento frequentemente precedem danos nos revestimentos de PVD e CVD. Assim, a habilidade do revestimento para acomodar deformação em tração ou compressão sem nuclear trincas e propagá-las é primordial (HOGMARK, JACOBSON e LARSSON , 2000). O revestimento TiN, tem boa aderência como revestimento em aços rápidos. (VELASCO, GORDO, et al., 2001).

Chang, Jao, et al. (2007) apresentam valores de microdureza (HV0,025) de um aço rápido M2 com e sem

recobrimento de TiN. Amostras do aço M2 sem recobrimento de TiN atingem valores de 630 HV, enquanto que amostras do aço M2 com recobrimento de TiN alcançam valores de 1893 HV

Peng, Miao, et al. (2003) afirmam que revestimentos de TiN tem elevada dureza, resistência à corrosão e desgaste adesivo.

Tavsanoglu, Jeandin, et al. (2012) estudaram o efeito da adição de filmes finos sobre diferentes substratos quando a espessura do filme excede aproximadamente 500 nm. Foram realizados 3 diferentes deposições de multicamadas sobre diversas condições de superfícies. Os substratos utilizados para a adição das multicamadas foram o AISI M2 e o AISI 430, sendo que este último recebeu o tratamento de boretação previamente a deposição dos filmes. Os resultados revelaram mudanças graduais na dureza, módulo de

Young e composição química entre as diferentes camadas. Os autores concluem que a aplicação de múltiplas camadas com gradiente funcional é uma solução adequada para a deposição de revestimentos cerâmicos com camadas relativamente espessas, com boa adesão, e boretadas em diferentes tipos de substratos.

2.4 MECÂNICA DA FRATURA

Segundo Dieter Junior (1961) a fratura consiste na fragmentação de um sólido em duas ou mais partes, em decorrência da atuação de tensões. Pode-se dividir a fratura em 3 etapas: início da trinca, propagação da trinca e fratura. A fratura pode ser dúctil ou frágil, dependendo da quantidade de deformação plástica que está envolvida. No caso de alta quantidade de deformação plástica, a fratura é dita dúctil. Nos metais, a fratura frágil é caracterizada pela rápida propagação da trinca, com pouca ou praticamente nenhuma deformação plástica. Com a diminuição da temperatura, aumentos na taxa de deformação e condições de tensões triaxiais (proporcionada por entalhes), a possibilidade de ocorrência de fratura frágil aumenta. A fratura frágil ocorre sem aviso prévio e com consequências ruins para a peça, sendo assim, este tipo de fratura deve ser evitada.

Para que ocorra a propagação da trinca, é necessário que a tensão na sua ponta seja maior que a tensão coesiva teórica do material. Porém, com as atuais tecnologias ainda não é possível medir a tensão na ponta com grande precisão. O critério de Griffith, é geralmente utilizado para prever a propagação da trinca. (DIETER JUNIOR, 1961)

A mecânica da fratura é uma ciência que se propõe a estudar a fratura e o comportamento mecânico dos materiais na presença de trincas que estabelece condições críticas para crescimento de uma trinca, relacionando a resistência de uma estrutura com a forma, o tamanho, e a localização da trinca e o quão aguda é sua forma (PERES, 2009 ; ARAUJO FILHO, 2006).

Roylance (2001) mostra que a literatura trata de 3 modos de fratura, chamados de modo I, modo II e modo III. A Figura 10 apresenta esses modos de fratura, sendo a figura (a) o modo I, a figura (b) modo II e a figura (c) modo III. O modo I é denominado de modo de abertura normal, onde a tensão de tração é normal às faces da trinca. O modo II e o modo III são modos deslizantes de cisalhamento, onde a tensão é normal à aresta que avança e paralela ao avanço da aresta, respectivamente. HERTZBERG (1996) afirma que o modo I de fratura é o mais comum envolvendo fratura de componentes em materiais de engenharia.

A tenacidade de aços rápidos é uma propriedade de importância prática considerável e geralmente implica alguma medida da habilidade do aço em absorver cargas de impacto sem uma deformação plástica macroscópica significante. Uma ferramenta de corte, a qual necessita manter uma ótima precisão dimensional, frequentemente sobre condições de trabalho de corte intermitente envolvendo repetidas cargas de impacto, não pode permitir nenhuma deformação plástica (JOHNSON, 1977).

A tenacidade à fratura tem sido usada como um índice crucial na prevenção de falhas catastróficas para materiais estruturais nas últimas décadas. Para a maior parte dos materiais, a tenacidade à fratura pode ser facilmente avaliada pelo fator de intensidade de tensão

seguindo os procedimentos das normas ASTM E399 e E1820 (WANG, YU e HUANG, 2014).

Figura 10 - Modos de Fratura: (a) modo I, (b) modo II, (c) modo III

Fonte: (ROYLANCE, 2001)

Na Figura 11 são mostrados valores de tenacidade à fratura em função da dureza de têmpera de um aço rápido M2 para 3 diferentes temperaturas de austenitização, 1095 °C, 1150°C e 1220°C. O ensaio realizado foi do tipo Charpy. É claramente notável a queda nos valores de tenacidade à fratura (KIC) conforme a