Avaliação do desempenho do aço AISI D2 tratado termicamente e nitretado em plasma com gaiola catódica visando aplicação industrial

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

PPGCEM

_±

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E

ENGENHARIA DE MATERIAIS

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO AÇO AISI D2 TRATADO

TERMICAMENTE E NITRETADO EM PLASMA COM GAIOLA

CATÓDICA VISANDO APLICAÇÃO INDUSTRIAL

ETEVALDO MACEDO VALADÃO

Orientador:

Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior

Dissertação nº 38/PPgCEM

(2)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

PPGCEM

_±

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E

ENGENHARIA DE MATERIAIS

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO AÇO AISI D2 TRATADO

TERMICAMENTE E NITRETADO EM PLASMA COM GAIOLA

CATÓDICA, VISANDO APLICAÇÃO INDUSTRIAL

ETEVALDO MACEDO VALADAO

(3)

FICHA CATALOGRÁFICA

Valadão, Etevaldo Macedo

V136a Avaliação do desempenho do aço AISI D2 tratado termicamente e nitretado em plasma com gaiola catódica visando

aplicação industrial / Etevaldo Macedo Valadão. ± Natal: UFRGN, 2008.

70f. : il.

Dissertação (Mestrado) ± Universidade Federal do Rio Grande do Norte, PPGCEM-Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia

de Materiais, Natal, 2008. Orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior

(4)

(5)

DEDICATÓRIA

(6)

AGRADECIMENTOS

¾ A Deus por conduzir-me na realização deste trabalho.

¾ Ao Professor Dr. Clodomiro Alves Júnior pela confiança, incentivo, dedicação e orientação para elaboração e desenvolvimento deste trabalho.

¾ Ao Professor Dr. Rômulo Ribeiro Magalhães (CEFET), pela valiosa contribuição ocorrida durante a etapa de nitretação, dissertação e apresentação e sobretudo pela dedicação e orientação.

¾ Ao Professor Dr. Ayrton de Sá Brandim pela orientação, ajuda e esforço para eu fazer parte desta turma.

¾ Em especial a Miriam, minha esposa, pelo incentivo, compreensão e companhia durante a realização deste mestrado.

¾ Aos meus filhos João Lucas e Ana Luíza, pelos ensinamentos que me dão a cada dia e por tudo que representam pra mim.

¾ Ao meu pai, Evangelista, por acreditar, mesmo no seu pouco saber, que a educação é o melhor caminho e por proporcioná-la tão bem a mim.

¾ Aos meus irmãos José e Erisvaldo, pelo apoio e incentivo nos momentos difíceis.

¾ À colega de turma Maria Luísa por todo apoio, incentivo e ajuda que possa ter me dado e, sobretudo pela valiosa contribuição para eu estar nesta turma.

¾ A todos os professores do PPGCEM pelos ensinamentos transmitidos.

(7)

RESUMO

Neste trabalho, amostras de aço ferramenta AISI D2, tratadas termicamente, nas condições de recozida, de revenimento máximo e na condição de temperada e revenida foram nitretadas em plasma com gaiola catódica, em atmosfera de 80%N2:20%H2 . Utilizou-se pressão de 2,5mbar, temperaturas de 400 e 480ºC com

tempo de tratamento de 3 e 4 horas, com o objetivo de avaliar o seu desempenho em ferramenta de corte. Comparou-se com o desempenho do mesmo aço quando apenas tratado termicamente, ambos com alívio de tensão. Avaliou-se a dureza, aspectos microestruturais (espessura da camada, interface, etc) e fases cristalinas presentes na superfície. Além disso, verificou-se a possibilidade de realização da nitretação simultânea ao tratamento de revenido. As amostras temperadas e revenidas apresentaram níveis de dureza de aproximadamente 600HV. Quando nitretadas a uma temperatura de 480ºC durante 3h, que foram as melhores condições de tratamento, essas amostras apresentaram dureza superficial de 1100HV.

(8)

ABSTRACT

In the research, steel samples tool AISI D2, treated thermally, in the conditions: relief of tension, when maximum, seasoned and seasoned was treated thermally in the temperature of revenimento and revenida had been nitrited in plasma with cathodic cage, in atmosphere of 80%N2:20%H2. One used pressure of 2,5 mbar, 400 and

480°C temperatures with treatment time of 3 and 4 hours, with the objective to evaluate its performance in pipes cut tool. It was compared that the performance of the same steel when only thermally treated, both with tension relief. It was evaluated its hardness. Microstructural aspects (the layer thickness, interface, graisn size, etc) and crystalline phases on the surface. Besides, it was verified accomplishment possibility of nitriding simultaneous to annealing treatment. The tempering samples had presented hardness levels of 600 HV, while in nitrited samples these values had been 1100 HV.

___________________________________________________________________

(9)

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Curva característica de voltagem X corrente entre dois eletrodos,

numa descarga elétrica em gases (ALVES JR, 2001). 18

Figura 2.2 - (a) Perfil visual do plasma durante a descarga luminescente anômala; (b) intensidade luminosa; (c) Perfil potencial; (d) Perfil do campo elétrico longitudinal; (e) Perfil da densidade de carga espacial; (f) Densidade de corrente de íons Ii e elétrons Ie.

19

Figura 2.3 - Espectro de energia de íons incidentes, gás N2 em 37 Pa e 500V. 21 Figura 2.4 - Configuração esquemática do fluxo de íons sobre uma superfície

irregular. 22

Figura 2.5 - Anéis de restrições em peças com geometria complexa em (A) e

microestrutura na camada nitretada na região desse anel em (B). 22

Figura 2.6 - Descrição esquemática dos efeitos causados na superfície pelo

bombardeamento de partículas energéticas. 23

(10)

Figura 2.15 ± Aço ferramenta D2 recozido. Carbonetos globulares (pequenos) e grandes (formato irregular) distribuídos na matriz ferrítica (amarelo). Nital 3% (pré-ataque) + Beraha I (10 segundos). Dureza 222 HB (seção transversal). Aumento 1000X (seção longitudinal)...

38

Figura 2.16 ± Difratorama do Aço D2 recozido. Além dos picos da ferrita, são identificados picos correspondentes ao carboneto M7C3...

39

Figura 2.17 ± Aço ferramenta D2 austenitizado a 1080ºC, por 30 minutos, e resfriado em óleo. Carbonetos grandes e pequenos carbonetos globulares numa matriz de martensita. Os contornos de grão são revelados e a austenita retida está presente, mas não é revelada pelo ataque e aumento usados. Nital 10% (pré-ataque, 30 segundos) + Behara II (20 segundos). Dureza: 65 HRC (seção transversal). Aumento 1000X (seção transversal)...

40

Figura 2.18 ± Difratograma do aço ferramenta D2 austenitizado a 1080ºC e resfriado em óleo. Em adição aos picos da martensita, são identificados picos da austenita residual e dos carbonetos M7C3...

41

Figura 2.19 ± Digratograma para o aço D2 austenitizado a 1080ºC, resfriado em óleo e duplo revenido a 540ºC... 42

Figura 2.20 ± Aço ferramenta D2 austenitizado a 1080ºC, resfriado em óleo e duplo revenido a 540ºC. Martensita revenida e carbonetos M7C3. Ataque

químico: Nital 3% (20 segundos) + Behara III (10 segundos). Dureza: 58 HRC (seção transversal). Aumento: 1000X(seção longitudinal) ...

43

Figura 2.21 ± Micrografia óptica do aço D2 temperado e nitretado a plasma durante 26 h a 510 ºC, ataque nital a 4% (DEVI, M.UMA E MOHANTY, O.N., 1998) ...

43

Figura 2.22 ± Micrografia óptica do aço D2 temperado e revenido e não

nitretado e micrografia óptica do aço D2 Temperado e revenido e não

nitretado (A) e micrografia óptica mostrando a micro-estrutura de uma camada nitretada obtida em aço ferramenta AISI D2 nitretado por 10 horas, com 75% de N2, a 520 ºC (Pinedo et al., 2002) (B) ...

(11)

Figura 2.23 ± Variação da espessura da zona de difusão em função do conteúdo de nitrogênio ... 44

Figura 2.24 ± Difratogramas de raios-X do aço D2 nitretado em plasma para diferentes razões de N2/H2 ...

45

Figura 3.1 ± Fotografia do forno utilizado nos tratamentos térmicos ... 47 Figura 3.2 - Desenho esquemático do equipamento de nitretação por plasma.. 48 Figura 3.2 - Fotografia do equipamento de nitretação ... 49

Figura 3.4 - Fluxograma«««««««««««««««««««««««« 52

(12)

LISTA DE TABELAS

(13)

Lista de abreviaturas e símbolos

e- Elétron livre

Go Gás no estado padrão

G+ Gás iônico

Vb Tensão de Ruptura

P Pressão

L Largura da bainha

jd Densidade de corrente

E Carga eletrônica

V Constante de Boltzmann

D Ângulo interno da borda

Es Campo elétrico na superfície

R Distância da ponta da peça

dr Distância de recuperação

M1 Massa do íon

M2 Massa do material do substrato

Hs Emissividade da superfície

cp Calor específico do material do substrato

'T/'t Razão de aquecimento do substrato.

Sy 7D[DGH³VSXWWHULQJ´

M Constante de proporcionalidade

Eb Energia do bombardeamento

UO Energia de ligação dos átomos da superfície

Y Espessura da camada nitretada

A Espessura da zona de compostos

Pi Potência por unidade de área

Vd Potencial de Descarga.

A / V Razão área superficial para volume

Tp Temperatura superficial local

Y Sputtering produzido

R Razão de restrição

Ma Peso atômico do substrato

U Densidade do substrato

K Constante que depende da posição da fonte.

D Coeficiente de difusão

NI Nitretação a plasma corrente contínua ASPN Nitretação a plasma em tela ativa

DRX Difração de Raios-X

Rf Rádio Freqüência

(14)

SUMÁRIO

1 ± INTRODUÇÃO ... 15

2 ± REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18

2.1 ± Descrição do plasma ... 18

2.1.1 ± Bainha Catódica ... 20

2.1.1.1 ± Influência da forma e dimensões da peça na estrutura da bainha ... 21

2.2 ± Interação íon ± superfície ... 23

2.2.1 ± Sputtering da superfície ... 24

2.3 ± Mecanismo de nitretação convencional por plasma ... 25

2.4 ± Mecanismo de nitretação por plasma em gaiola catódica ... 27

2.4.1 ± Gaiola Catódica ... 28

2.4.2 ± Mecanismo de produção de átomos de nitrogênio e transfe- rência da atmosfera para a superfície dos componentes ... 31

2.4.3 ± Transferência de nitrogênio da superfície da amostra para o substrato ... 33

2.5 ± Tratamento térmico e nitretação do aço AISI D2 ... 36

2.5.1 ± Estado do aço AISI D2 como recebido ... 38

2.5.2 ± Têmpera do aço AISI D2 ... 39

2.5.3 ± Revenimento do aço AISI D2 ... 41

2.5.4 ± Nitretação do aço AISI D2 ... 43

3 ± MATERIAIS E MÉTODOS ... 47

3.1 ± Caracterização das amostras ... 48

3.1.1 ± Preparação metalográfica e análise por microscopia óptica e eletrônica ... 50

3.1.2 ± Ensaio de microdureza ... 51

3.1.3 ± Análise por difração de Raios X ... 51

4 ± RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 54

4.1 ± Análise sem tratamento termoquímico ... 54

4.2 ± Análise com tratamento termoquímico (Nitretação) ... 57

(15)

4.2.2 ± Amostras Revenidas ... 55

4.2.3 ± Amostras Temperadas e Revenidas ... 56

4.3 ± Análise de microdureza ... 56

5 ± CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 64

5.1 ± Conclusões ... 64

5.2 ± Sugestões ... 64

(16)

(17)

Introdução 15

Etevaldo Macedo Valadão

Durante as últimas décadas tem-se notado um grande avanço na área de modificação de superfícies estimulado pela competitividade industrial. A exigência de aumento constante da produtividade pela indústria conduz à fabricação de máquinas de alta rotação e capacidade de carregamento. Os componentes mecânicos que constituem esses equipamentos, por sua vez, devem possuir uma alta resistência mecânica e tribológica de modo a propiciar uma maior vida útil aos mesmos. A modificação superficial destes componentes mecânicos, com o melhoramento da dureza e resistência ao desgaste, vem atender a essa necessidade. Um dos muitos processos conhecidos de modificação de superfície é o de nitretação a plasma ou nitretação iônica. Este processo modifica as propriedades da superfície dos materiais, usando o plasma como fonte energética para produzir uma camada formada por nitretos de elevada dureza e logo abaixo dela uma região endurecida pela presença do nitrogênio atômico difundido (SCHAAF 2002).

A nitretação é um tratamento termoquímico que eleva a dureza da superfície, a resistência à fadiga, a resistência ao desgaste e à corrosão dos aços. Este tratamento é realizado em baixas temperaturas, na região monofásica da ferrita, sem a presença de transformação de fase (THELNING, 1985).

A maior vantagem da nitretação por plasma é a possibilidade de controlar a metalurgia da camada nitretada (EDENHOFER, 1974). Para um mesmo aço, este processo permite variar o tipo de nitreto formado na camada de compostos e até mesmo impedir a formação desta camada. Para isto, deve-se controlar precisamente a composição da mistura gasosa, a temperatura e o tempo de nitretação (BELL, 1996). O controle da profundidade de nitretação é realizado pelo controle da temperatura e do tempo de processo. A nitretação sem a camada de compostos é realizada utilizando-se um baixo potencial de nitrogênio e/ou tempos curtos de nitretação. Elevando-se o potencial de nitrogênio, bem como adicionando-se metano, forma-se preferencialmente camada dHFRPSRVWRVFRPQLWUHWRGRWLSRİ -Fe

2-3N. É muito importante ter em mente que a composição química do substrato

desempenha um papel importante sobre a metalurgia da superfície nitretada (JONES, 1973).

(18)

Introdução 16

No entanto, o processo de nitretação NI apresenta alguns problemas, especialmente quando são tratadas peças de geometria complexa. Neste processo, os componentes a serem tratados estão sujeitos a um alto potencial catódico para que o plasma se forme diretamente na sua superfície. Devido a distorções do campo elétrico em torno de cantos vivos ou bordas, conhecido como efeito de borda, as amostras apresentam anéis de restrição caracterizados por uma redução de dureza nessas regiões.

Uma alternativa para solucionar esses problemas foi encontrada através da nitretação por plasma com gaiola catódica (Depósito de Patente Nº PI0603213-3). Essa tecnologia foi desenvolvida no Laboratório de Processamento de Materiais por Plasma (LabPlasma), onde se confirmou a uniformidade da camada nitretada em toda extensão de superfícies expostas ao plasma, mesmo em casos onde havia maior complexidade geométrica (SOUSA, 2006).

(19)

Capítulo 2

(20)

Revisão Bibliográfica 18

2.1 - DESCRIÇÃO DO PLASMA

O plasma pode ser produzido quando se aplica uma diferença de potencial entre dois eletrodos contidos num recipiente hermeticamente fechado com gás a uma pressão suficientemente baixa. O fenômeno é possível porque em qualquer massa de gás existem íons e elétrons livres que podem ser acelerados por um campo elétrico aplicado. As colisões entre elétrons energizados e átomos do gás resulta na produção de mais íons e elétrons através da seguinte combinação:

e- + Go = G+ + 2 e- , (2.1)

Onde Go é o átomo ou molécula do gás no estado fundamental e G+ representa um íon deste gás.

Devido a essa produção de cargas, é gerada uma corrente elétrica que varia com a diferença de potencial entre os eletrodos, dada pela curva da figura 2.1.

Figura 2.1 ± Curva característica de voltagem X corrente entre dois eletrodos, numa descarga elétrica em gases (ALVES JR, 2001).

(21)

Na descarga ab-normal, existe uma série de espaços escuros e luminosos que podem ser distinguidos pela distribuição de potencial, densidade de cargas e corrente, conforme mostrado na figura 2.2.

Figura 2.2 - (a) Perfil visual do plasma durante a descarga luminescente anômala; (b) intensidade

luminosa;(c) Perfil potencial; (d) Perfil do campo elétrico longitudinal; (e) Perfil da densidade de carga espacial; (f) densidade de corrente de íons Ii e elétrons Ie.

A região luminosa próxima ao cátodo é chamada de luminescência catódica. A cor da luminescência é característica do material do cátodo e do gás. Ela surge devido à excitação dos átomos dos elementos presentes. Entre o início dessa luminescência e o cátodo existe um espaço escuro denominado de bainha catódica que é uma região de baixa concentração de cargas devido ao gradiente de potencial. Após esse espaço escuro existe uma região de alta luminosidade, denominada de luminescência negativa. A luminescência negativa juntamente com a região catódica é onde ocorrem os fenômenos como transferência de carga, ionizações, excitações e produção de elétrons secundários (GRILL, 1994).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(22)

2.1.1 - BAINHA CATÓDICA

Na região da bainha concentra-se praticamente todo o gradiente de potencial elétrico da descarga anômala. Os íons ao chegarem na interface plasma/bainha são acelerados pelo forte campo elétrico em direção à superfície, podendo sofrer colisões com as moléculas do gás neutro, durante o percurso bainha/cátodo. Os íons podem colidir trocando carga, resultando em íons térmicos lentos e espécies neutras energéticas. A distribuição de energia dos íons, nesta região, depende da pressão do gás. Para pressões muito baixas, o livre caminho médio das partículas é muito grande, permitindo que a maior parte dos íons colida com a superfície sem sofrer colisões durante o percurso bainha/cátodo (KERSTEN et al., 2001). Para a nitretação a plasma, em que a pressão de trabalho varia entre 50 e 1000 Pa, poucos íons escapam dos choques com outras partículas e atingem o cátodo com máxima energia. (BERG et al., 2000) obtiveram o espectro dos íons incidentes em um plasma de N2 (500 V e 37 Pa), como mostrado na figura 2.3.

(23)

Figura 2.3. Espectro de energia de íons incidentes, gás N2 em 37 Pa e 500 V. (Fonte: BERG et al., 2000).

2.1.1.1 _±

INFLUÊNCIA DA FORMA E DIMENSÕES DA PEÇA NA

ESTRUTURA DA BAINHA CATÓDICA.

(24)

Figura 2.4. Configuração esquemática do fluxo de íons sobre uma superfície irregular.(MALIK et al., 1995).

A geometria de uma peça pode afetar o mecanismo de nitretação, porque a temperatura local pode variar e a razão de bombardeamento pode não ser uniforme ao longo da superfície. Neste sentido, a geometria, a distribuição de temperatura e, conseqüentemente a cinética de formação da camada ao longo da peça de trabalho afetam a camada nitretada. A figura 2.5 ilustra bem esse problema quando peças com geometria complexa são nitretadas. Observa-se que em regiões próximas aos cantos vivos dessa peça, surgem irregularidades da camada denominadas de anéis de restrição.

Figura 2.5 ± Anéis de restrições em peças com geometria complexa em (A) e microestrutura na camada nitretada na região desse anel em (B).

(25)

2.2 ± INTERAÇÃO ÍON-SUPERFÍCIE

Os eventos que ocorrem durante a interação do íon com as superfícies catódicas, expostas ao plasma, têm um efeito significativo nos resultados do tratamento. A importância de cada tipo de evento, na propriedade final da peça tratada, depende dos parâmetros utilizados no plasma. Na figura 2.6 são mostrados esquematicamente os diversos fenômenos que podem ocorrer durante a interação íon-superfície.

Figura 2.6 ± Descrição esquemática dos efeitos causados na superfície pelo bombardeamento de partículas energéticas (RICKERBY e MATTHEWS, 1991).

(26)

sendo uns mais importantes que outros, pela modificação das propriedades da superfície. Todos eles podem ocorrer simultaneamente.

2.2.1 ±

SPUTTERING DA SUPERFÍCIE

O sputtering, ou seja, a remoção de átomos de um sólido devido ao bombardeamento de íons e átomos energéticos, foi nos últimos quarenta anos alvo de intenso estudo experimental e teórico (SMENTKOWSKI, 2000). A taxa de sputtering, Sy, definida como o número médio de átomos removidos da superfície

por íon incidente, depende fundamentalmente da energia do bombardeamento, das massas e do tipo das espécies incidentes e do alvo, e do ângulo de incidência. No caso de energias inferiores a 1 kV, a taxa de sputtering é dada por (CHAPMAN, 1980) pela expressão:

o b

U

E

m

Sy

₂ 2 1 2 1 2

)

(

4

3 S

I

(2.5)

Onde I é uma constante de proporcionalidade que aumenta com m1/m2 (m1 e m2

são as massas das partículas alvo e incidente). Eb é a energia de bombardeamento

e Uo é a energia de ligação dos átomos da superfície.Observa-se que a taxa de

(27)

2.3 ±

MECANISMO DA NITRETAÇAO CONVENCIONAL POR PLASMA

Entender o que realmente acontece na superfície durante a nitretação por plasma não é fácil. Entre as possibilidades de interação, identificam-se quatro processos como sendo relevantes para a nitretação (CZERWIEC et al., 1998).

a) Implantação iônica e danos por radiação

O mecanismo físico de interação entre espécies ativas e o substrato é determinado, principalmente, pela energia cinética dessas espécies e pela sua reatividade com o substrato. No caso da nitretação a implantação de íons é desprezível, visto que para um íon ser implantado no sólido seria necessário possuir energia superior a 1 keV, valor bem acima do usado em nitretação por plasma. O limite de energia para a criação de defeitos tipo Frenkel em um substrato de ferro é 23,59 eV para o íon N2+ e 32,8 eV para o N+, o que torna a nitretação um processo

muito efetivo para a geração do par Frenkel na sub-superfície (WALKOWWICK, 2003). Nesse nível de energia, íons N2+ e N+ só podem penetrar até 0,9 nm e 1,8

nm, respectivamente em um substrato de ferro. Desse modo, podendo gerar danos superficiais e sub-superficiais.

b) Adsorção de espécies de nitrogênio

Um grande número de caminhos de reações de adsorção de nitrogênio têm sido propostas para explicar os processos de nitretação por plasma. A adsorção física e química de moléculas e átomos de nitrogênio sobre a superfície metálica assistida pelo bombardeio de íons de baixa energia é tida como muito eficiente quando se trata de metais de transição (WALKOWWICK, 2003). A adsorção física difere da química pelo nível de energia envolvido. A energia para adsorção física é tipicamente 0,1 eV, enquanto na adsorção química este valor fica em torno e 1 eV.

c) Sputtering e desorção de partículas induzidas por íons

(28)

torno de 50 eV para a maioria dos metais e ligas). A importância do sputtering para a nitretação já foi discutida na secção 2.2.1 desse trabalho.

d) Difusão de átomos de nitrogênio para o interior do substrato

O gradiente de concentração de nitrogênio entre a superfície e o interior do substrato é o mecanismo que propicia a difusão intersticial de átomos de nitrogênio. As estruturas das fases criadas na superfície na nitretação por plasma, semelhante a nitretação gasosa, estão condicionadas a velocidade de difusão, ou seja, é independente do mecanismo envolvido, seja ele vacância, interstício ou outro, e portanto, é somente ativado pela temperatura do substrato (WALKOWWICK, 2003). Na figura 2.7 mostra-se esquematicamente o mecanismo da nitretação com os processos discutidos anteriormente.

Figura 2.7 - Modelo para Mecanismo da nitretação de aços por plasma (WALKOWWICK, 2003).

(29)

PORTA AMOSTRA

Saída de gás Entrada de gás

Par

ede do R

eator Peças (Cátodo) Fonte de Tensão PORTA AMOSTRA

Saída de gás

Par

ede do R

eator _Peças

(flutuante) Fonte

de Tensão Entrada de gás

Tela Metálica (Cátodo)

2.4 - MECANISMO DA NITRETAÇAO POR PLASMA EM GAIOLA

CATÓDICA

Embora a tecnologia de nitretação por plasma convencional (NI) tenha grandes aplicações na indústria e apresente várias vantagens em relação aos outros processos (gasoso e banho de sais), atualmente esta técnica está em declínio, devido a falhas inerentes e de difícil correção (GEORGES, 2001). Neste processo os componentes a serem tratados estão sujeitos a um alto potencial catódico, para que o plasma se forme em torno da superfície dos componentes. Esse processo é eficiente no tratamento de peças com formas simples ou pequena quantidade de peças, mas devido à dificuldade de manter uma temperatura uniforme na câmara, particularmente com grande quantidade de amostras ou componentes de dimensões variadas, podem ocorrer danos como abertura de arco, efeito de bordas e efeito cátodo oco (LI e BELL, 2002).

Vários esforços foram feitos no sentido de evitar estes problemas. Um grande avanço dado neste sentido foi a invenção da tecnologia de nitretação por plasma em tela ativa (ASPN). Neste novo processo as amostras são envolvidas por uma tela trançada, na qual um alto potencial catódico é aplicado. Desta forma o plasma atua na tela e não na superfície das amostras (LI et al., 2002), ver figura 2.8.

(30)

O desenvolvimento e a investigação da técnica de nitretação em tela ativa levaram pesquisadores ao desenvolvimento de um novo dispositivo, denominado Gaiola Catódica (Depósito de Patente número PI0603213-3), a fim de obter tratamentos superficiais sem defeitos e que possibilitassem uma ampla série de aplicações industriais, que não podem ser satisfeitas com a utilização da nitretação a plasma (NI).

A técnica proposta por LI, C. X. et al., 2002, utiliza uma tela metálica sem geometria definida, assemelhando-se a uma malha trançada utilizada nas cestas do baskettball. Já nesta nova técnica, utiliza-se uma tela metálica de geometria bem definida, isto é, ela é toda furada com diâmetro e distância entre furos bem definidos, onde se tenta investigar a possibilidade do uso simultâneo de múltiplos cátodos ocos. Essa importante modificação foi responsável pela otimização desse novo processo, visto que, LI, C. X. et al., 2002, conseguiu, para nitretações de 20 horas em aço inoxidável SAE 316, camadas de 7µm de espessura enquanto que na nitretação em gaiola catódica, tratando o mesmo aço, à mesma temperatura (450ºC), conseguiu-se camadas de 18µm em apenas 5 horas de nitretação (C. ALVES JR. et al, 2006).

2.4.1 - Gaiola Catódica

Trata-se de um dispositivo que consiste de uma tela de aço inoxidável austenítico 316 de 0,8mm de espessura, com diâmetro de 112mm por 25mm de altura, que é montado sobre o porta amostras de um reator de nitretação dc convencional, conforme ilustrado na figura 2.10. O diâmetro dos furos é de 8mm e a distância entre centros de furos adjacentes de 0,92cm. A distância mínima lateral utilizada das amostras para a tela é de 28mm

(31)

Figura 2.9 ± Vista em corte do reator de nitretação, destacando a disposição da gaiola ionizante e a distribuição espacial das amostras no seu interior (SOUSA, 2006).

Para determinação do regime de cátodo oco em cada furo da gaiola e sua eficiência na nitretação da superfície das amostras, foram investigados o regime de pressão de trabalho que produz a máxima intensidade luminosa, típica do efeito cátodo oco e sua relação com a espessura e uniformidade da camada formada na superfície das amostras, nestes processos. A figura 2.10 mostra o aspecto visual do plasma formado sobre o dispositivo, onde se pode observar a intensificação luminosa do plasma em cada furo da gaiola, quando a pressão de trabalho atinge um patamar de 2,5mbar (SOUSA, 2006). Este efeito, típico do cátodo oco, apresenta, no entanto, um direcionamento da região luminescente do plasma para fora dos furos da gaiola, uma vez que esta funciona como uma gaiola de Faraday, impedindo a presença de campo elétrico no seu interior (ARAÚJO, 2006). Este fato indica que as colisões e o conseqüente sputtering dos átomos se dá sobre a gaiola, o que evita que a superfície das amostras sofra danos.

(32)

Figura 2.10 - Aspecto visual da formação do plasma na superfície da gaiola apresentando o efeito catodo oco nos furos.

Os átomos arrancados podem se combinar com o gás reativo da atmosfera do plasma e este composto se condensar na superfície da amostra e/ou que as espécies ativas que chegam a superfície da amostra, não tenham energia suficiente para realizar sputtering conforme mostra a figura 2.11.

Figura 2.11 ± Esquema sugestivo para o mecanismo de nitretação em gaiola catódica.

Fe2-3N Fe4N FeN

Fe

íons

N N

Fe Fe Fe

Fe

N N N

N N2

N2 N2

N2

N +

N + _N+

N +

(33)

2.4.2 ±

MECANISMO DE PRODUÇÃO DE ÁTOMOS DE NITROGÊNIO

E TRANSFERÊNCIA DA ATMOSFERA PARA A SUPERFÍCIE DOS

COMPONENTES.

Como nos outros tipos de nitretação, a técnica em gaiola também é um processo multiestágio, o qual envolve a transferência do nitrogênio da atmosfera do plasma para a superfície da amostra, e então da superfície da amostra para dentro do substrato. O mecanismo de produção de átomos de nitrogênio e transferência da atmosfera para a superfície dos componentes é uma das principais diferenças entre a nitretação a plasma, a gás ou em banho de sais (líquida), e entre a técnica da gaiola e NI não existe diferença.

Vários modelos têm sido propostos para explicar o mecanismo de transferência de massa em NI. Estes incluem o modelo de sputtering e recondensação (EDENHOFER,1974), implantação de íons de nitrogênio (XU e ZHANG, 1987), bombardeamento com íons NmHn+ de baixa energia (HUDIS, 1973),

adsorção de nitrogênio (TIBBETTS, 1974) e adsorção de íons, átomos ou espécies neutras (SZABO, 1984).

A teoria do bombardeamento íons N2-H2 sugere que íons moleculares

nitrogênio-hidrogênio, por exemplo, NH+ e NH2+, têm papel decisivo na transferência

de massa em nitretação a plasma. Os íons moleculares de nitrogênio-hidrogênio se dissociarão chocando-se sobre o cátodo, fornecendo o nitrogênio ativo, o qual penetra a barreira superficial. Entretanto o fato de que a nitretação pode ser realizada com uma mistura de gases N2 + Ar, tanto no processo NI como na gaiola,

indica que o hidrogênio, e por sua vez NH+ e NH2+, não são fundamentais para a

nitretação a plasma.

(34)

e os átomos ou íons de nitrogênio fora da tela ativa catódica poderão ter menor energia do que esses, em íon implantação ou NI. Por isso, penetração de átomos de alta energia ou implantação de íons não poderá ter um maior papel em transporte de nitrogênio na técnica da gaiola.

É também duvidoso que a adsorção de nitrogênio na superfície das amostras poderá ser um maior fator na transferência em massa de nitrogênio. Isto porque em nitretação com nitrogênio puro, as amostras são imersas no plasma o qual pode conter íons de nitrogênio N+, N2+ e nitrogênio neutro N, N2, entretanto o efeito

nitretante é mínimo para ambos os processos, em gaiola e NI. O experimento de +XGLVFRPSODVPD³UI´SURYRXTXHXPDDPRVWUDLPHUVDHPSODVPD³UI´GHGLIHUHQWHV composições de gases N2-H2-Ar poderia não ser nitretada se não existir corrente

entre o cátodo e o ânodo.

A discussão acima levou (ARAÚJO, 2006) a considerar que o sputtering e o modelo de recondensação, como estabelecido em NI, também poderá ser o mecanismo mais provável para transferência de massa de nitrogênio na técnica da gaiola. O modelo original requer sputtering de átomos de Fe dos componentes do cátodo na região de queda do potencial catódico onde FeN é formado, o qual é retroespalhado e depositado no cátodo, e por sua vez decompõe-se para levar nitrogênio na rede do Fe-ĮSDUDIRUPDUDFDPDGD)RLHstabelecido que o sputtering e a deposição em gaiola, não são apenas significantes, mas também intimamente relacionado com o efeito nitretante. A prova mais visível de sputtering e de deposição foi quando uma placa de titânio foi usada para confeccionar a tampa da tela, e analisada a deposição em superfícies de vidro (ARAÚJO, 2006). Nestes casos, uma camada de titânio foi formada na superfície das amostras de vidro, que pode ser visualmente observada e detectada por análise de DRX. Infelizmente a deposição do titânio não traz muito nitrogênio para a superfície das amostras e não há perceptível endurecimento da camada (ARAÚJO, 2006).

(35)

em escala submicrométricas, e a maioria possui forma hexagonal. As medições realizadas em DRX nas superfícies das amostras verificaram que elas são nitretos GHIHUURFRQVLVWLQGRSULQFLSDOPHQWHGDIDVHİ

Figura 2.12 - Morfologias de (a) NI e (b) ASPN da superfície das amostras nitretadas (LI, C.X. et al., 2003).

2.4.3 - TRANSFERÊNCIA DE NITROGÊNIO DA SUPERFÍCIE DA

AMOSTRA PARA O SUBSTRATO.

Como resultado de transferência de nitrogênio da atmosfera do plasma para a superfície da amostra, por exemplo, por redeposição de nitreto de ferro, uma camada de compostos será formada e um gradiente de nitrogênio é estabelecido na superfície. Nitrogênio então será liberado do nitreto de ferro na zona de compostos e transferido para dentro do substrato por processo controlado de difusão semelhante ao que ocorre em NI. A profundidade da zona de difusão de nitrogênio final é determinada pelo gradiente de nitrogênio, temperatura e tempo de nitretação. Com

(A)

(36)

uma temperatura e tempo fixado, a profundidade da camada será determinada somente pelo gradiente de nitrogênio.

Entretanto, a profundidade da camada não é proporcionalmente aumentada com o conteúdo de nitrogênio e espessura da zona de compostos na superfície. Em NI, uma vez que o potencial de nitrogênio é mais alto do que o limite para a formação da camada de compostos, a profundidade da camada de nitrogênio não será influenciada pelo aumento do potencial de nitrogênio, embora a espessura e o conteúdo de nitrogênio da camada de compostos sejam mais aumentados por utilização de alto potencial de nitrogênio. A formação de uma zona de compostos estabelece uma constante concentração de nitrogênio na interface matriz/compostos, criando então semelhante gradiente de nitrogênio e desse modo produzindo um idêntico perfil de dureza entre os dois processos. Por outro lado, se não existe camada de compostos formada na superfície e a concentração de nitrogênio na superfície das amostras é baixa, a profundidade da camada de difusão de nitrogênio será desfavoravelmente afetada.

O plasma aquece a tela e por meio de radiação fornece o calor necessário para aquecer as amostras até a temperatura de tratamento. O plasma que atua na tela também contém uma mistura de íons, elétrons e outras espécies nitretantes ativas (ARAÚJO, 2006) que são encorajadas a fluir através da tela e conseqüentemente sobre as amostras, por meio de um fluxo de gás. Assim as espécies ativas podem atingir todos os pontos das amostras, inclusive entrar em furos, produzindo uma camada modificada uniforme em todos os tipos de formas geométricas e dimensões. Desde que o plasma não atue na superfície dos componentes, a abertura de arco e o efeito de borda são eliminados. A nitretação em gaiola produz a mesma coloração cinza fosco em toda a superfície das amostras, independentemente da temperatura de nitretação, evitando, portanto o efeito de borda, nos quais ocorre uma redução na dureza (SOUSA, 2006).

Embora a espessura e a morfologia da camada nitretada sejam bastante influenciadas pela temperatura, o método de nitretação em gaiola ou NI, não têm influência. Os processos de nitretação a plasma NI e em gaiola produzem microestruturas praticamente idênticas, conforme análise de raios-X. A figura 2.14 mostra a comparação dos difratogramas de raios-X mostrando que no processo NI predomina o nitreWRȖ¶- Fe4N, devido à descarbonetação superficial, enquanto que

(37)

conseqüentemente não há descarbonetação superficial, predomina a formação do nitreto H± Fe2-3N (RUSET et al., 2003).

A microdureza das amostras nitretadas pelas duas técnicas variam ao longo de sua superfície conforme é mostrado na figura 2.14. Nota-se uma redução gradual de dureza em NI, essa redução coincide com a região do anel de restrição. Já na nitretação em gaiola catódica, há uma uniformidade superficial (ALVES et al, 2006).

Figura 2.13 ± Difratogramas comparativos dos processos NI e em gaiola catódica de aços (A) SAE 1020 e (B) SAE 316 (ALVES JR. et al, 2006).

2.14 ± Vista superficial das amostras na parte superior e gráfico de microdureza ao longo da superfície na mesma escala de amostras de SAE 1020 nitretados (A) NI e (B) gaiola catódica.

NI

Gaiola Gaiola

(38)

2.5 ±

TRATAMENTO TÉRMICO E NITRETAÇÃO DO AÇO AISI D2

Os aços para trabalho a frio da série D (Die steels) são de alto teor de cromo e de carbono, possuindo elevada resistência ao desgaste (associada à presença de carbonetos de cromo) e baixíssima distorção no tratamento térmico, sendo também chamados de aços ³LQGHIRUPiYHLV´ O aço desta série mais utilizado é o D2. São utilizados em matrizes para corte, estampagem e embutimento e em pentes para laminação de roscas, punções, calibres, mandris, lâminas para corte a frio e fieiras para trefilação (Silva & Mei, 2006).

Como em todos os aços hipereutetóides, a resposta ao tratamento térmico é excepcionalmente influenciada pelas condições de austenitização, que definem a quantidade de carbono e elementos de liga dissolvidos na austenita e presentes sob a forma de carbonetos, além, evidentemente, do tamanho de grão austenítico.

Assim, a temperabilidade, a quantidade de austenita retida e o comportamento no revenimento, (e, conseqüentemente, as propriedades da ferramenta) são fundamentalmente alterados pelos parâmetros de austenitização.

Observadas estas limitações, informações como dureza e seu comportamento no revenimento podem ser obtidos das curvas de revenimento.

O aço ferramenta para trabalho a frio tipo AISI D2 é amplamente utilizado em ferramentais para corte e conformação de metais por possuir uma excelente combinação entre resistência mecânica e resistência ao desgaste. O alto teor de molibdênio (Mo) confere a este aço uma boa resistência ao amolecimento pelo calor. Entretanto, a tenacidade deste aço é fortemente dependente da distribuição dos carbonetos eutéticos tipo M7C3. Esta dependência é de particular importância à

medida que a dimensão do material de partida deve ser adequada à dimensão final da ferramenta, principalmente quando a matéria prima é proveniente de material cortado em distribuidores.

Fornecido no estado recozido, com dureza máxima de 255 HB o aço AISI D2 tem composição química básica: Fe-1,55%C-12,0%Cr, com adições dos elementos de liga Mo e V da ordem de 1,0% para melhorar a resposta ao revenimento. Sua seqüência de solidificação se inicia pela formação da austenita (J), com o líquido sofrendo uma reação eutética para: J + M7C3 (Villares Metals, Metals Handbook). Os

(39)

desgaste deste aço. Com o trabalho mecânico a quente dos lingotes, a estrutura de carbonetos eutéticos é quebrada, sendo a intensidade desta quebra proporcional ao grau de deformação. Com isto, quanto maior o grau de deformação, maior será a intensidade de quebra da rede e, portanto, menor será o tamanho final dos carbonetos e melhor será a sua distribuição. Esta redistribuição de carbonetos é responsável pela forte anisotropia de propriedades entre as direções longitudinal e transversal das barras.

As tabelas a seguir mostram a composição química e as temperaturas típicas para o tratamento do aço AISI D2.

Tabela 2.1 composição química do aço AISI D2.

Deformação a

quente Recozimento Têmpera

Revenimentos (conforme dureza desejada)

D 2 Início: 1100 ºC _{Final: 950 ºC mín.} 800/840 ºC _{Resfriamento lento} 980/1020ºC _{Resfriamento ao ar*} 450/540ºC

*Têmpera em óleo pode ser empregada para peças grandes (SILVA & MEI, 2006).

Tabela 2.2 ± Temperaturas típicas para o tratamento do aço D2.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)

C Si Mn Cr Mo V

(40)

2.5.1 - ESTADO DO AÇO AISI D2 COMO RECEBIDO

A figura 2.15 mostra a microestrutura do aço ferramenta D2, no estado como recebido. Devido ao alto grau de deformação do material, nota-se que os carbonetos secundários e os carbonetos eutéticos do tipo M7C3 estão na forma de partículas

isoladas. Eles possuem diferentes formatos e tamanhos e encontram-se distribuídos como bandas alinhadas com a direção de conformação (FRANCO JÚNIOR, 2003).

Figura 2.15 ± Aço ferramenta D2 recozido. Carbonetos globulares (pequenos) e grandes (formato irregular) distribuídos na matriz ferrítica (amarelo). Nital 3% (pré-ataque) + Beraha I (10 segundos). Dureza 222 HB (seção transversal). Aumento 1000X (seção longitudinal) - (FRANCO JÚNIOR, 2003).

(41)

Figura 2.16 ± Difratorama do Aço D2 recozido. Além dos picos da ferrita, são identificados picos correspondentes ao carboneto M7C3. (FRANCO JÚNIOR, 2003).

2.5.2 - TÊMPERA DO AÇO AISI D2

A figura 2.17 apresenta a microestrutura de têmpera do aço ferramenta D2 e a figura 2.18 os resultados da análise de difração de raios X do mesmo.

(42)

Foram evidenciadas quantidades detectáveis de austenita retida em adição à martensita, conforme indicado na figura 2.22. No entanto, os reagentes de ataque utilizados e a resolução disponível não permitiram um bom contraste de modo que na matriz não se distingue nitidamente a austenita da martensita, figura 2.21.

(43)

Figura 2.18 ± Difratograma do aço ferramenta D2 austenitizado a 1080ºC e resfriado em óleo. Em adição aos picos da martensita, são identificados picos da austenita residual e dos carbonetos M7C3.

(FRANCO JÚNIOR, 2003).

2.5.3 - REVENIMENTO DO AÇO AISI D2

As figuras 2.19 e 2.20 apresentam respectivamente os resultados de difração de raios x e de microscopia óptica para o aço D2 após duplo revenimento. As análises de difração indicam a presença de carbonetos do tipo M7C3 e da martensita

(44)

Figura 2.19 ± Digratograma para o aço D2 austenitizado a 1080ºC, resfriado em óleo e duplo revenido a 540ºC(FRANCO JÚNIOR, 2003).

Figura2.20 ± Aço ferramenta D2 austenitizado a 1080ºC, resfriado em óleo e duplo revenido a 540ºC. Martensita revenida e carbonetos M7C3. Ataque químico: Nital 3% (20 segundos) + Behara III (10

(45)

2.5.4 - NITRETAÇÃO DO AÇO D2

A figura 2.21 apresenta micrografia do aço D2 nitretado a plasma, apresentando a camada de compostos e a zona de difusão.

Figura 2.21 ± Micrografia óptica do aço D2 temperado e nitretado a plasma durante 26 h a 510ºC, ataque nital a 4% (DEVI, M.UMA E MOHANTY, O.N., 1998).

A zona de difusão é claramente visível na micrografia da amostra nitretada e fora da zona de difusão a microestrutura é a mesma da amostra não nitretada como mostrado nas figuras 2.22 A e B.

Figura 2.22 ± Micrografia óptica do aço D2 Temperado e revenido e não nitretado (A) e micrografia

óptica mostrando a micro-estrutura de uma camada nitretada obtida em aço ferramenta AISI D2 nitretado por 10 horas, com 75% de N2, a 520 ºC (Pinedo et al., 2002) (B).

(46)

A estrutura consiste de martensita revenida e no núcleo carbetos de cromo. A estabilidade da estrutura do núcleo se deve a escolha da temperatura de nitretação em torno de 20-30ºC abaixo da temperatura de revenido. A espessura da camada de compostos para a nitretação 510ºC durante 26 horas está na faixa de 5-12µm e espessura total de camada em torno de 70µm. O aumento na espessura da camada de compostos é acompanhado do aumento na porosidade. Este aumento de porosidade na zona de difusão deve-se principalmente a presença de carbetos de cromo.

Os difratogramas de raios-X, para a mostra nitretada a 510ºC durante 26 horas mostram que a camada consiste principalmente de H-carbonitreto (Fe2-3N), e

de aproximadamente mesma quantidade de J_¶-Fe4N. A microdureza com carga de

100 gf foi em torno de 1280 HV (DEVI, M.UMA E MOHANTY, O.N., 1998).

A figura 2.23 apresenta a espessura da camada nitretada em função da razão N2

para H2.

Figura 2.23 ± Variação da espessura da zona de difusão em função do conteúdo de nitrogênio (STOIBER, M. et al., 2003).

(47)

para 80% e em seguida a espessura da camada decresce quando o teor de nitrogênio aumenta de 80% até 100% (sendo apenas de 10µm).

A figura 2.24 apresenta difratogramas de raios-X do aço D2 nitretado com

diferentes razões e N2 para H2.

Figura 2.24 ± Difratogramas de raios-X do aço D2 nitretado em plasma para diferentes razões de N2/H2 (STOIBER, M. et al., 2003).

(48)

Capítulo 3

(49)

Materiais e Métodos 47

O material de partida utilizado foi uma chapa de aço AISI D2, fornecido no estado recozido pela Böhler. Confeccionou-se 9 amostras com dimensões de 31,8mm de diâmetro e 5,0mm de espessura, que foram identificadas.

Colocou-se as 9 amostras simultaneamente no forno, aquecendo-as até a temperatura de 650ºC, durante 3 horas, para alívio de tensões e resfriadas no forno. Em seguida seis destas amostras sofreram tratamento térmico, sendo três delas tratamento de têmpera a 1050ºC durante 3,5h com resfriamento em óleo vegetal e depois retornaram ao forno para receber o tratamento de revenido, que ocorreu na temperatura de 300ºC, durante 3h e resfriadas ao ar. Três outras amostras retornaram ao forno e foram tratadas termicamente na temperatura de revenimento máximo (300ºC), durante 2,5 horas com arrefecimento no ar. As últimas três amostras seguiram para a nitretação apenas com alívio de tensão, chamadas de recozidas. Retirou-se uma amostra de cada condição de tratamento térmico, inclusive daquela apenas recozida, para caracterização microestrutural, ensaio de dureza e difração de raios±X e depois todas elas foram nitretadas em plasma com gaiola catódica usando as seguintes condições:

- Mantendo-se o tempo de nitretação e variando-se a temperatura; - Mantendo-se a temperatura de nitretação e variando-se o tempo.

(50)

Nitretação: 80%N2 e 20%H2

Duração: 3 e 4h, 300 e 400ºC

Figura 3.4 - Fluxograma.

TRATAMENTO TÉRMICO (6 amostras)

9 AMOSTRAS

Diâmetro: 31,8mm; Espessura: 5,0mm

Alívio de tensão: 650ºC Duração: 3h resfriamento: forno

AÇO AISI D6

Estado como recebido: Recozido: 800ºC

Tratadas termicamente Temperatura: 300ºC; 2,5 h Arrefecimento: ar

Têmpera: 1050ºC; 3,5 h

Arrefecimento: óleo vegetal

Nitretação: 80%N2 e 20%H2

Duração: 3 e 4h, 300 e 400ºC Revenimento: 300ºC

Duração: 3 h Arrefecimento: Ar

Nitretação: 80%N2 e 20%H2,

Duração: 3 e 4h, 300 e 400ºC

(51)

O tratamento térmico foi realizado em um forno elétrico de marca SANCHES, modelo BTT 1200; n° 1.371; data de fabricação: 15/12/2000; P=7Kw; voltagem: 220V; temperatura máxima atingida: 1200°C. (figura 3.1)

Figura 3.1 ± Fotografia do forno utilizado nos tratamentos térmicos.

(52)

Figura 3.2 - Desenho esquemático do equipamento de nitretação por plasma.

Figura 7 - Fotografia do equipamento de nitretação.

Figura 3.3 - Fotografia do equipamento de nitretação.

-

+

FONTE

Bomba de vácuo Entrada de gases

Termopar Cátodo

Ânodo

Visor

Reator a plasma

(53)

O sistema básico é composto pelas seguintes partes:

a) Reator de nitretação: recipiente cilíndrico fabricado em aço inoxidável com 400 mm de diâmetro e 320mm de altura e fechado por flanges de aço inoxidável. A YHGDomRpIHLWDFRPJD[HWDVGH³YLWRQ´HPSHUILO/1RIODQJHVXSHULRUpFRQHFWDGRR terminal positivo da fonte de potência, que constitui o ânodo. O flange inferior possui 7 orifícios, dos quais um é central e, é usado para entrada da haste de suporte do porta-amostra, esse por sua vez, é ligado ao terminal negativo da fonte (cátodo). Os seis orifícios, periféricos, servem para conexões necessárias ao sistema de vácuo, entrada de gases e sensor de pressão.

b) Sistema de vácuo: dentro do reator a pressão é reduzida por uma bomba mecânica rotativa Edwards (modelo E2M40), com capacidade de vácuo até 1 Pa. O monitoramento da pressão de trabalho é feito por um sensor de pressão de membrana capacitiva Edwards, modelo barocel W600 21811, com escala de fundo de 1000 Pa.

c) fonte de tensão: foi utilizado um sistema de retificação que recebe tensão da rede elétrica convencional (corrente alternada, 220 V) e converte em corrente contínua (0 ± 1200 V).

d) sistema de alimentação de gases: foi utilizado um mistura composta por N2 e H2. Os gases são inseridos na câmara individualmente por meio de fluxímetros 1179A. Os gases são misturados na linha de fluxo. O fluxo total foi fixado em 20 sccm (centímetro cúbico por minuto)

Após a nitretação, essas amostras foram também caracterizadas quanto ao aspecto microestrutural, ensaio de dureza e difração de raios-X.

3.1 - CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS.

3.1.1 - PREPARAÇÃO METALOGRÁFICA E ANÁLISE POR

MICROSCOPIA ÓPTICA E ELETRÔNICA

Os aspectos microestruturais foram observados com o auxílio de um microscópio óptico acoplado a um sistema de aquisição e análise de imagens.

(54)

com lixas de grana 220, 360, 400, 600, 1000 e 1200 (diâmetro médio de abrasivos de 66Pm; 30,2Pm; 21,8Pm; 15,3Pm e 9,2Pm; respectivamente). Polidas em pano de feltro com alumina de 1 e 0,3Pm numa máquina politriz, marca Arotec APL-4. Atacadas com nital a 4% por imersão durante 30 segundos. Após o ataque, as amostras eram lavadas em álcool etílico e atacadas imediatamente. Com isso, evitou-se a formação de óxidos naturais passivos que dificultariam a eficiência do ataque e poderiam mascarar os resultados. Em seguida, as imagens microestruturais, obtidas num microscópico óptico OLYMPUS BX60M, eram armazenadas e processadas num programa image-pro plus.

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) com sonda eletrônica foi utilizada para confirmação de resultados da microscopia ótica e determinação da composição química da região nitretada. As análises foram realizadas num microscópio eletrônico de varredura da marca Philips, modelo XL 30 ESEM.

3.1.2 - ENSAIO DE MICRODUREZA

Foram realizadas microdurezas na superfície das amostras com cargas de 0,025 e 0,1kgf e, para confecção do perfil de microdureza em função da profundidade da camada, utilizou-se 0,025kgf. Utilizou-se tempo de 20 segundos para cada impressão do microdurômetro Pantec 1000.

3.1.3 _±

ANÁLISE POR DIFRAÇÃO DE RAIOS-X

A difratometria de raios-X foi realizada com a geometria Bragg-Brentano e ângulo rasante no difratômetro (SIEMENS D5000) sob as seguintes condições:

- radiação Cu-kDȜ QPHPROLEGrQLRȜ QP

- ângulo de varredura (2T): de 20 a 80o - ângulo de avanço: 0,02o

- Tempo de contagem: 1,5 s.

(55)

Capítulo 4

(56)

Resultados e Discussão 54

4.1± ANÁLISE SEM TRATAMENTO TERMOQUÍMICO

A figura 4.1 mostra o difratograma do aço D2 sem tratamento termoquímico. Nele, observam-se reflexões correspondentes ao carboneto M7C3, além de picos de

ferrita (Fe-ĮFRQILUPDQGRRTXHKiQDOLWHUDWXUD

Figura 4.1: Gráfico do aço D2 ± sem tratamento

(57)

4.2 ± ANÁLISE COM TRATAMENTO TERMOQUÍMICO (NITRETAÇÃO)

As figuras 4.2, 4.3 e 4.4 apresentam micrografias ópticas do aço D2 nitretado após tratamento térmico prévio.

4.2.1 ± AMOSTRAS RECOZIDAS

Amostra 1-1 (3h 480ºC). Amostra 1-2 (4h 480ºC). Amostra 1-3 (4h 400ºC) Figura 4.2 ± Micrografias das amostras do aço AISI D2 recozidas e nitretadas em condições variadas de temperatura e tempo.

As amostras recozidas nitretadas durante 4 horas (400ºC e 480ºC) não apresentaram zona de compostos.

4.2.2 ± AMOSTRAS REVENIDAS

(58)

Para as amostras revenidas (isto é, tratadas termicamente na temperatura de revenimento máximo), apenas a amostra nitretada durante 4 horas na temperatura de 480ºC não apresentou zona de compostos, sendo que a amostra nitretada por 4 horas a 400ºC apresentou uma camada de compostos fina.

4.2.3 ± AMOSTRAS TEMPERADAS E REVENIDAS

Amostra 3-1 (3h 480ºC) Amostra 3-2 (4h 480ºC) Amostra 3-3 (4h 400ºC) Figura 4.4 ± Micrografias das amostras do aço AISI D2 temperadas e revenidas, nitretadas em condições variadas de temperatura e tempo.

Para as amostra temperadas e revenidas a que apresentou maior camada de compostos foi nitretada a 480ºC durante 3 horas.

Observa-se que nas três situações (recozida, tratada termicamente na temperatura de revenimento máximo e temperada e revenida), a condição que apresentou maior espessura de camada de compostos foi obtida para amostra nitretada durante 3 horas na temperatura de 480 ºC para a amostra temperada e revenida e a condição de menor espessura da camada de compostos foi, para qualquer situação, a 480ºC, durante 4 horas. Este fato deve-se ao grande teor de carbono e de cromo que favorece, para maior duração de tratamento, a formação de carbetos de cromo e dificultam a formação de nitretos de ferro e cromo, que são os componentes que formam a camada de compostos.

(59)

melhor que o ferro. Assim, formando esses carbetos em vez dos compostos de ferro, espera-se uma menor espessura.

Nas figuras 4.5 a 4.10 são apresentados os difratogramas das amostras tratadas termicamente e nitretadas em plasma com gaiola catódica.

30 40 50 60 70 80

z z In tensidade (u. a. )

2 T

3h - 480°C 4h - 480°C

z CrN

Cr₂N

Cr₇C₃

z

(60)

30 40 50 60 70

# In tensidade (u. a. )

2 T

4h - 480 4h - 400 Fe₃N

Cr₇C₃ # D-Fe

#

Figura 4.6 ± Difratogramas das amostras recozidas, analisando a redução de temperatura de tratamento.

30 40 50 60 70

z z z z z CrN

Cr₂N

Cr₇C₃

In

tensidade (u.

a.

)

2 T

3h - 48 4h - 48

z

(61)

30 40 50 60 70 8

z z z z z CrN

Cr₂N Cr₇C₃

In

tensidade (u.

a

.)

2T

4h - 480°C 4h - 400°C

Figura 4.8 ± Amostras nitretadas, tratadas termicamente na temperatura de revenimento máximo, analisando a redução de temperatura de tratamento.

20 30 40 50 60 70 80

z CrN Cr₂N

Cr₇C₃

z z z _z z z In tensidade (u. a. )

2 T

3h - 480°C 4h - 480°C

(62)

A amostra nitretada durante 3 horas na temperatura de 480 ºC, não apresenta carbeto de cromo, apresentando apenas nitretos de cromo.

20 30 40 50 60 70 80

z CrN

Cr₂N

Cr₇C₃

z z z z z

In

tensidade (u.

a.

)

2 T

4h - 480°C 4h - 400°C

Figura 4.10 ± Amostra nitretada, temperada e revenida, analisando a redução de temperatura de tratamento.

Observa-se das figuras 4.5 a 4.10 que as fases presentes são nitreto de cromo, carbeto de cromo por se tratar de um aço de alto teor de carbono e de cromo.

Observa-se também que, para as amostras recozidas (figura 4.2 e 4.3), apenas a nitretada durante 3 horas na temperatura de 480ºC, não apresentou a fase carbeto de cromo. Este foi formado nas outras amostras, por isso, pode-se prever que deve haver camada de compostos formada na amostra onde o mesmo está ausente, pois o mesmo inibe a formação de nitretos.

A forte presença dos carbetos de cromo inibe a formação dos nitretos, porque o carbono se liga ao cromo evitando a formação dos nitretos de cromo. A presença do ferro alfa, provavelmente do substrato, também reforça a pequena espessura da camada.

(63)

4.3 ± ANÁLISE DE MICRODUREZA

Os perfis de microdureza apresentados nas figuras 4.11 A, B e C, confirmam a maior espessura de camada de compostos para as amostras nitretadas durante 3 horas na temperatura de 480 ºC, porque nas três condições estudadas, a microdureza é maior para estas amostras.

(A)

(B)

Aço K110 - Recozidos

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Distância (௝m)

D u rez a H V ( 100g /f ) 480°C/3H 480°C/4H 400°C/4H

AÇO AISI D2 - RECOZIDO

'LVWkQFLDȝP

Aço K110 - Revenidos

0 200 400 600 800 1000 1200

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AÇO AISI D2 - REVENIDO

(64)

(C)

Figura 4.11 ± Perfil de Microdureza para as amostras nitretadas e (A) Recozida; (B) Revenidas e (C) Temperadas e Revenidas.

Na figura 4.11 (C) observa-se uma menor variação entre a microdureza da camada nitretada e a microdureza do substrato, quando comparadas com as duas situações anteriores, embora apresente uma variação de aproximadamente 83,3% (de 600 para 1100HV).

Quando os carbetos aparecem a dureza na camada também diminui, pois a dureza medida no perfil provavelmente não seja da camada de compostos e sim da camada de difusão, que é baixa.

Aço K110 - Têmperados e Revenidos

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AÇO AISI D2 - TEMPERADO E REVENIDO

(65)

(66)

Conclusões e Sugestões 64

Etevaldo Macedo Valadão 5.1 ± CONCLUSÕES

1. A nitretação a plasma em Gaiola Catódica produz as mesmas propriedades em relação a nitretação a plasma convencional (NI), eliminando os problemas comuns associados com o processo, especialmente, o efeito de bordas, proporcionando a formação de camadas uniformes.

2. As melhores condições para a nitretação em gaiola catódica do aço D2 foram: duração de três horas na temperatura de 480ºC, para o aço temperado e revenido.

3. A NGC proporcionou a formação de camadas de compostos para uma duração de tratamento muito menor quando comparado com a nitretação iônica convencional.

4. O aço D2 nitretado em gaiola gaiola catódica apresentou aumento substancial na microdureza (83,3%), sem prejuízo na tenacidade. As fases presentes são: nitretos de ferro e de cromo e carberto de cromo.

5.2 - SUGESTÕES

1. Analisar o efeito da variação dos parâmetros do plasma na técnica da gaiola catódica, especialmente a pressão, sobre a espessura da camada formada;

2. Avaliar o uso de uma fonte de tensão auxiliar na polarização das amostras tratadas na técnica da gaiola catódica;

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Referências 66

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Tese de Doutorado ± Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.