Mecanismos de desgaste

A figura 5.68 mostra a superfície desgastada da camada nitretada com 10% de N2, na temperatura de 470 °C, por 3 horas.

Figura 5.68 - Calota de desgaste da camada nitretada do aço ferramenta AISI D2 nitretado a 470 ºC

com 10 % de N2 por 3 horas após ensaio de microabrasão. Região central da cratera de desgaste.

A figura 5.69 mostra em destaque a região central da superfície desgastada da camada nitretada com 10% de N2, na temperatura de 470 °C, por 3 horas. A figura

7E+11 7,5E+11 8E+11 8,5E+11 9E+11 9,5E+11 1E+12 1,05E+12

1 hora 3 horas 6 horas Tempo de Tratamento R es is tâ n ci a ao D es ga st e, N /m ² 470ºC 5% N2 + 95% H2 470ºC 10% N2 + 90% H2 470ºC 20% N2 + 80% H2 500ºC 5% N2 + 95% H2 500ºC 10% N2 + 90% H2 500ºC 20% N2 + 80% H2

5.70 mostra a borda da calota desgastada da camada nitretada também com 10% de N2, na temperatura de 470 °C, por 3 horas. Também na figura 5.70 é possível observar a borda da calota gerada durante o ensaio de microabrasão e a transição entre a região desgastada e a superfície original do material nitretado.

Figura 5.69 - Superfície desgastada da camada nitretada do aço ferramenta AISI D2 nitretado a

470ºC com 10 % de N2 por 3 horas. Região central da cratera de desgaste.

Figura 5.70 - Superfície desgastada da camada nitretada do aço ferramenta AISI D2 nitretado a

Observa-se na figura 5.71 que, em todos os casos, prevaleceu o mecanismo de desgaste abrasivo por rolamento que é caracterizado pela presença de uma grande quantidade de indentações na superfície desgastada. Neste tipo de desgaste não fica evidenciada a direção do movimento relativo (18).

Figura 5.71 - Calotas de Desgaste, centro da superfície desgastada e borda da calota de desgaste

do aço ferramenta AISI D2 nitretado com 10% de N2, a 470 °C, por 1 hora (a), 3 horas (b), e por 6 horas (c) (da esquerda para direita).

Na figura 5.72 é perceptível que em todos os casos, mais uma vez prevaleceu o mecanismo de desgaste abrasivo por rolamento, caracterizado pela presença de uma grande quantidade de indentações na superfície desgastada. No entanto para o ensaio de desgaste microabrasivo nas mesmas condições de carga e rotação, com uso de diamante com granulação entre 5 µm e 10 µm, realizado na amostra com tratamento de nitretado na condição de 470 ºC, com 10% de N2, por 3 horas, fica nítida a mudança no mecanismo de desgaste, como pode ser visto na figura 5.73.

Figura 5.72 - Calotas de Desgaste, centro da superfície desgastada e borda da calota de desgaste

do aço ferramenta AISI D2 nitretado com 10% de N2, a 500 °C, por 1 hora (a), 3 horas (b), e por 6

horas (c) (da esquerda para direita).

Para as amostra desgastada com diamante como abrasivo ocorre a mudança no mecanismo de desgaste por rolamento para desgaste abrasivo por deslizamento de baixa intensidade. A transição observada entre esses dois modos de desgaste está relacionada com a alteração no tamanho e dureza das partículas abrasivas conforme constatado por Gates (15), Trezona et al. (16,17,18).

Figura 5.73 - Superfície desgastada da camada nitretada do aço ferramenta AISI D2 nitretado a

470ºC com 10 % de N2 por 3 horas com diamante como abrasivo. (da esquerda para direita). Calota

de desgaste, região central da calota, e borda da cratera de desgaste.

6 CONCLUSÕES

O tratamento de nitretação à baixa temperatura (470 ºC) proporcionou aumentos consideráveis na resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2, sendo mais relevante para o tempo de 60 minutos, que apresentou aumento de aproximadamente 20% em relação ao não nitretado (AISI D2 temperado e revenido). Com o uso de baixas temperaturas (470 ºC) de tratamento foi possível obter maiores valores de resistência a abrasão. Em contraposição os tratamentos mais longos obtiveram os piores resultados em termos de resistência ao desgaste microabrasivo. O maior endurecimento da superfície foi para o tempo de nitretação de 60 minutos, ou seja, houve um aumento na dureza superficial de 116% em relação ao não nitretado (AISI D2 temperado e revenido). Este aumento deve-se ao nitrogênio difundido na matriz martensítica que proporciona distorção do reticulado cristalino e devido à formação adicional de nitretos combinada a tenacidade do material do núcleo não nitretado.

A espessura da camada nitretada aumenta com o tempo e temperatura de nitretação, e com o potencial de N2 na mistura gasosa e tende a se estabilizar para os maiores potenciais de N2 e tempos de nitretação. A resistência ao desgaste microabrasivo da camada nitretada é maior se não houver a formação de camada branca e de precipitados em contornos de grãos.

A máxima resistência ao desgaste microabrasivo é apresentada quando o aço ferramenta AISI D2 é nitretado na temperatura de 470 °C, com 20% de N2 e por tempo de 1 hora. Na condição otimizada, a taxa de desgaste foi 22% menor que o material não nitretado (apenas temperado e revenido). A camada nitretada apresenta uma espessura de 46 µm constituída por zona de difusão que não contém precipitados em contorno de grão e nem camada branca.

Nas condições de ensaio de desgaste microabrasivo utilizadas, verificou-se que o mecanismo de desgaste das camadas nitretadas se dá por rolamento. Todas as condições de nitretação estudadas proporcionaram ao material nitretado um aumento na resistência ao desgaste média de 15 % em relação ao material não nitretado.

Das situações estudadas onde houve formação de camada branca composta pela fase ε - Fe2-3N foram às amostras tratadas a 470 ºC com 20% de N2 na mistura de gases por 3 e 6 horas de nitretação e nas amostras tratadas a 500 ºC foi observada a camada branca nas condições tratadas com 10% de N2 por 3 e 6 horas e em todas as condições (1, 3 e 6 horas) tratadas com 20% de nitrogênio na composição dos gases de tratamento. A presença desta fase tornou a camada superficial mais frágil e suscetível a maiores índices de desgaste.

O aumento da temperatura na nitretação do aço ferramenta AISI D2 de 470 ºC para 500°C favorece a formação de camada branca. A curva PLN (Potencial Limite de Nitretação) se desloca para baixo com o aumento da temperatura.

Os perfis de microdureza obtidos revelaram para as amostras tratadas profundidades de endurecimento de até 192 µm nas camadas nitretadas. O alto teor de cromo e carbono na composição química do aço ferramenta AISI D2, elementos com grande afinidade pelo nitrogênio dificultam sua difusão durante a nitretação.