TRATAMENTO DUPLEX OU MULTICAMADAS O tratamento duplex ou multicamadas consiste da

combinação do endurecimento superficial de várias camadas sobre um substrato. Estas combinações de revestimentos duros e finos podem ser produzidas usando técnicas como deposição

química de vapor (CVD), deposição física de vapor (PVD) e/ou deposição térmica reativa (TRD).

Muitas técnicas de tratamento duplex vêm sendo estudadas utilizando vários processos, alguns deles são: por boretação seguido de nitretação (MARAGOUDAKIS et al., 2002), por nitretação a plasma seguido de pós-oxidação (MAHBOUBI e FATTAH 2005), por cromagem seguido de nitretação por plasma (SCHEID, VASCONCELOS e OLIVEIRA 2003; WEI e CHEN 2005; TAKTAK et al., 2008; HAKAMI et al., 2011; HAKAMI, SOHI e GHANI 2011), por nitretação a plasma seguido de aluminização (HAFTLANG, HABIBOLAHZADEH e SOHI 2014a; HAFTLANG, HABIBOLAHZADEH e SOHI 2014b), por nitretação a plasma seguido por deposição física de vapor (PVD) de Ti (HÖCK et

al., 1995; PODGORNIK et al., 2001; LEE, KIM e HONG

2005).

Wei e Chen (2005) obtiveram uma camada de carboneto de cromo por meio do tratamento de TRD seguido de nitretação a plasma. O objetivo foi formar duas camadas compostas de nitretos de cromo com objetivo de aumentar a resistência ao desgaste e melhorar outras características tribológicas.

Na Figura 18 é possível ver a microestrutura da seção transversal do aço AISI D2 obtida por microscopia eletrônica de varredura e a formação das camadas. Na Figura 18 (a) a microestrutura apresenta uma única camada obtida apenas por TRD. A Figura 18 (b), (c) e (d) mostram compostos obtidas a partir de tratamento duplex constituídos por TRD e nitretação a plasma apresentando duas camadas distintas.

A Figura 18 (b) utilizou TRD e nitretação a plasma por 10 horas apresentando uma espessura de camada de nitretos intermediária. A Figura 18 (c) utilizou TRD e nitretação a plasma por 5 horas, apresentando a menor espessura da camada de nitretos e a Figura 18 (d) utilizou TRD e nitretação a plasma

por 20 horas apresentando a maior espessura da camada de nitretos.

É importante observar que o tempo de nitretação tem influência direta na espessura da camada nitretada a plasma. Com o aumento na concentração de nitrogênio nas camadas revestidas ocorre uma diminuição proporcional da concentração de carbono.

Concluindo assim que os átomos de nitrogênio substituem os átomos de carbono na camada de TRD em vez de sobrepor a eles, a nitretação a plasma utiliza apenas uma parte do revestimento de TRD para o revestimento de nitretos sem alterar a espessura do revestimento de TRD. (WEI e CHEN, 2005).

Figura 18 – Imagens por MEV da seção transversal de camadas revestidas em aço AISI D2 obtido a partir de (a) TRD, (b) TRD + nitretação a plasma por 10 h, (c) TRD + nitretação a plasma por 5 h e (d) TRD + nitretação a plasma por 20 h.

Fonte: WEI e CHEN, 2005.

Hakami, Sohi e Ghani (2011), realizaram tratamento duplex para a obtenção de camadas de cromo e de nitretos em um aço 1045. As amostras foram cromadas usando uma mistura em pó que consiste em cloreto de amônio, ferro cromo

e alumina a temperatura de 1000 °C durante 5 horas e após nitretadas a plasma em as temperaturas de 530 °C e 550 °C durante 5 horas em uma mistura gasosa de 75% N2 + 25% H2.

A Figura 19 (a), (b) e (c), mostram através de microscópio eletrônico de varredura (MEV), as amostras apenas com tratamento de cromo e as outras duas com tratamento duplex, com camadas de cromo e de nitretação a plasma.

A Figura 19 (a) apresenta apenas uma camada superficial contendo apenas a fase de cromo, nas Figuras 19 (b) e (c) foram realizados os tratamento duplex, com cromagem e posterios nitretação a plasma, com diferentes temperaturas no tratamento de nitretação, Figura 19 (b) 530 °C e Figura 19 (c) 550 °C, resultando em espessuras de 12µm e 10µm respectivamente.

A redução da espessura ocorreu em virtude do aumento da temperatura, que também envolve o aumento da tensão aplicada, o que, por sua vez, aumenta a energia cinética dos íons incidentes, com isto ocorre maior remoção destes átomos através da pulverização catódica da camada cromada sobre a superfície do material (HAKAMI, SOHI e GHANI, 2011).

Figura 19 – Micrografia do aço AISI 1045 utilizando MEV, (a) camada cromada, (b) cromagem e nitretação a 530 °C e (c) cromagem e nitretação a 550 °C.

Fonte: HAKAMI, SOHI e GHANI, 2011.

Maragoudakis et al., (2002) apresentou um estudo para a formação de camada duplex com revestimento de nitretos de boro no aço EUA 37-1, utilizando boretação sólida em caixa na temperatura de 1000 °C por 8 horas e nitretação por via gasosa,

MAG: 5.00 kx DET: BSE 10µm

8 µm Camada de cromo

Substrato

(a)

MAG: 5.00 kx DET: BSE 10µm

12 µm Camada de cromo Substrato (b) 10 µm (c) Camada duplex Camada de cromo Camada duplex

MAG: 5.00 kx DET: BSE 10µm

neste caso foi utilizada amônia (NH3) com temperatura de 500°C por 18 horas, resultando em uma espessura média do revestimento de 220 µm.

A Figura 20 mostra próxima a superfície a fase de nitretos de ferro Fe4N (camada branca) com espessura de 30µm, com microdureza de aproximadamente 891 HV (Vickers), pode ser visto pela identação próximo a superfície. A segunda identação corresponde a camada duplex composta pela fase de nitretos de boro B25N com microdureza de 1449 HV. A camada formada por boretos Fe2B pode ser vista por sua morfologia caracateristica de dente de serra, formada próximo ao substrato, apresentando espessura de 220 µm, com microdureza na camada de boretos de 1740 HV. Ao término da camada de boretos, fica o substrato que não teve influência direta com o tratamento termoquímico apresentando uma microdureza de 136,1 HV.

Figura 20 – Formação boro-nitretos no aço EUA 37-1, com indentações de microdureza.

Fonte: MARAGOUDAKIS et al., 2002.

891,2 1449

1740 136,2

2.4 TRIBOLOGIA

A tribologia é um campo da ciência que estuda os fenômenos de atrito, desgaste e lubrificação que incide sobre a interação das superfícies em movimento relativo de sólidos contra sólidos, líquidos ou gases. Sendo muito importante para a compreensão dos fenômenos envolvidos em processos de dissipação de energia e perda de massa. (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000; CZICHOS, 1995).

2.4.1 Processos de Desgaste

O desgaste é considerado a principal causa da perda de material e de desempenho mecânico, e o atrito é a principal causa do desgaste e dissipação de energia. Com um melhor controle através de lubrificação, por exemplo, pode-se proporcionar um controle no desgaste e redução no atrito, e desta forma, obter-se ganhos consideráveis. Estima-se que cerca de um terço dos recursos de energia atualmente são necessários para superar o atrito (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000).

O desgaste é um problema de engenharia que já vem sendo estudado há muito tempo. Os mecanismos de desgaste mais estudados atualmente são: adesivo, abrasivo, triboquímico, corrosivo, fadiga, delaminação, aquecimento até a fusão da superfície entre outros (LIM e ASHBY, 1987; ZUM GAHR, 1987; BHUSHAN, 2001). A Figura 21 apresenta esquemas de quatro mecanismos de desgaste.

Figura 21 – Ilustração esquemática dos quatro mecanismos de desgaste.

Fonte: KATO e ADACHI, 2001.

O desgaste depende da cinemática do sistema, podendo ser classificado como desgaste por deslizamento, rolamento, erosão, impacto e oscilação, dependendo do tipo de interação e do movimento das interfaces. Também pode ser classificado quanto ao elemento interfacial dividido em dois modos: podendo ser de abrasão por dois corpos ou de abrasão por três corpos, conforme pode ser visto na Figura 22.

(a) Adesivo (b) Abrasivo

Figura 22 – Diagrama dos processos de desgaste em função do elemento interfacial e do tipo de movimento das interfaces.

Fonte: Adaptado de ZUM GAHR, 1987. 2.4.2 Adesão

O deslizamento constante entre as superfícies em contato faz com que ocorra a ruptura de um destes materiais normalmente o mais fraco, nas junções de contato ocorrendo assim a transferência de material de uma superfície para a outra.

A adesão por deslizamento está relacionada ao aumento da deformação ou sobrecarga devido à tensão, a velocidade ou a temperatura, podendo resultar em desgaste por estar associado a um grande aumento do coeficiente de atrito e desgaste (ZUM GAHR, 1987).