Influência do tempo e temperatura de nitretação a plasma na microestrutura do aço ferramenta ABNT H13

Influência do tempo e temperatura de nitretação a plasma na

microestrutura do aço ferramenta ABNT H13

L. J. de Paula, M. V. Leite, A. Sinatora

Laboratório de Fenômenos de Superfícies – LFS, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – EPUSP.

E-mail para contato: leandroj@usp.br.

Resumo

Neste trabalho foi estudado o efeito de tempo (1 h, 4 h, 9 h e 16 h) e temperatura (360 ºC, 400 ºC, 440 ºC, 480 ºC e 520 ºC) de nitretação a plasma, sob atmosfera controlada de 20 % de N2 e 80 % de H2, sobre a dureza do aço ferramenta ABNT H13, que foi medida mediante

a técnica de dureza instrumentada. O perfil de dureza obtido com esta técnica possibilitou concluir que a maior espessura endurecida por este tratamento é obtida na maior temperatura de nitretação (520 ºC por 4 h), porém esta camada nitretada apresenta uma transição abrupta de dureza, o que está relacionado a um valor grande na relação entre a camada de compostos com a camada de difusão. Exceto a amostra nitretada a 480 ºC por 4 horas, que apresentou proporcionalidade entre as camadas de compostos e de difusão, as demais não apresentaram a formação da camada de compostos, dentre as quais, aquela nitretada a 400 ºC por 16 horas apresentou a maior camada de difusão.

Palavras-chave: Nitretação a plasma, dureza instrumentada.

Resumen

En este trabajo fue estudiado el efecto del tiempo (1 h, 4 h, 9 h e 16 h) y la temperatura (360 ºC, 400 ºC, 440 ºC, 480 ºC e 520 ºC) de nitruración a plasma, en atmósfera controlada de 20% de N2 e 80 % de H2, sobre la dureza del acero herramienta ABNT H13, la cual fue

medida utilizando la técnica de dureza instrumentada. El perfil de dureza obtenido con esta técnica posibilitó concluir que el mayor espesor endurecido por este tratamiento es obtenido a la mayor temperatura de nitruración (520 ºC por 4 h), sin embargo, esta capa nitrurada presenta una transición abrupta de dureza, lo cual está relacionado a un gran valor en la relación entre la capa de compuestos con la capa de difusión. Excepto la muestra nitrurada a 480 ºC por 4 horas, que presentó proporcionalidad entre las capas de compuestos y de difusión, las demás no presentaron la formación de la capa de compuestos, entre las cuales, aquella nitrurada a 400 ºC por 16 horas presentó la mayor capa de difusión.

Palabras clave: Nitruración a plasma, dureza instrumentada.

1. INTRODUÇÃO

Aços ferramenta são materiais que tem como principais características: elevada dureza, boa resistência à abrasão e a corrosão, alta tenacidade e manutenção de suas propriedades em elevadas temperaturas. Devido a estas propriedades os aços ferramentas são muito utilizados como ferramentas de corte, ferramentas de

uma durabilidade destas ferramentas cada vez maior e uma forma de aumentar a vida útil dessas é realizar tratamentos superficiais daqueles materiais.

Dentre as técnicas de tratamento de superfície encontra-se a nitretação que se mostra muito útil quando se objetiva o endurecimento superficial. Das técnicas de nitretação destaca-se aquela na qual o nitrogênio é ionizado num ambiente característico, conhecida como nitretação iônica ou por plasma. Essa técnica apresenta algumas vantagens em relação aos processos convencionais de nitretação, tais como: curto tempo de tratamento, baixa temperatura de tratamento, amostras limpas, além de ser menos poluentes Alves jr. (2002).

A nitretação a plasma é a técnica na qual se introduz nitrogênio na superfície de um material, com o objetivo de conferir-lhe propriedades específicas Simon (1995), dentre as quais se destacam: dureza superficial elevada, maior resistência à fadiga, ao desgaste e corrosão. Estas propriedades devem-se à formação de nitretos na superfície e a difusão de nitrogênio na forma atômica ou combinada para o interior do material.

Dependendo dos parâmetros do processo de nitretação quando se utiliza um material ferroso, a nitretação pode produzir duas camadas ou zonas superficiais distintas como mostra a Figura 1.

Figura 1. Representação esquemática das camadas nitretação.

A camada mais externa, constituída por uma ou duas fases de nitretos de ferro γ’-Fe4N e/ou

ε

-Fe2-3N, e outros nitretos de elementos de liga presentes no material, é

denominada de camada de compostos, (Borgioli et al., 2002). A zona de difusão é a região do substrato sob a camada de nitretos, formada pela difusão do nitrogênio no metal e que possui dureza elevada que decai à medida que se afasta da superfície, em direção ao interior do metal, com a redução da concentração de nitrogênio.

Caracterizar a camada nitretada é uma tarefa difícil dado o fato de que para identificar os nitretos e o nitrogênio difundido no material do substrato exige técnicas experimentais bastante sofisticadas e consequentemente de difícil disponibilidade. Uma forma de verificar o efeito da nitretação de forma indireta é medir as propriedades mecânicas do material do substrato após este tratamento.

Substrato Zona de difusão Camada de compostos

Uma ferramenta que tem sido utilizada para caracterizar propriedades mecânicas de regiões restritas, como a sub-superfície de um material nitretado, é o ensaio de dureza instrumentada, no qual a profundidade de penetração é monitorada ao longo do ensaio. Para isso, os equipamentos que utilizam esta técnica são dotados de sensores capazes de registrar continuamente a carga e a profundidade de penetração. Quando comparado com o ensaio de microdureza convencional, o ensaio de dureza instrumentada leva uma grande vantagem porque são dispensadas técnicas complementares, como microscopia eletrônica ou microscopia óptica, usadas para medir parâmetros geométricos da impressão residual. Pode-se determinar a dureza intrínseca regiões pequenas, como no caso de filmes finos, pois com as pequenas profundidades de penetração obtidas com pequenos carregamentos, evitam o efeito do substrato nas medidas de suas propriedades Franco (2002). No presente trabalho objetiva-se encontrar uma correlação das variáveis do processo de nitretação (tempo e temperatura) com a dureza sub-superficial do aço ABNT H13 utilizando o ensaio de dureza instrumentada.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E TÉCNICAS DE ANÁLISE 2.1 Material de estudo.

Neste trabalho utilizou-se o aço ABNT H13. Este foi recebido na forma de barra laminada com 40 mm de diâmetro onde a composição química nominal esta descrita na Tabela 1.

Tabela 1. Composição química nominal do aço ABNT H13 (Metals Handbook, 1990).

O material no formato de barra laminada foi torneado em discos de 36 mm de diâmetro e 7,3 mm de espessura. Os discos foram tratados térmicamente: temperados em óleo a partir de uma temperatura de austenitização de 1030 ºC e duplamente revenidos a 580 ºC por 2 horas cada. Após o tratamento térmico os discos foram retificados até a espessura de 7 mm. Finalmente foi feito o tratamento de nitretação a plasma com atmosfera nitretante constante de 20% N2 e 80% de H2,

numa condição com tempo fixo em 4 horas e temperaturas de 360 ºC, 440 ºC, 480 ºC e 520 ºC e em outra condição com temperatura fixa em 400 ºC com tempos de 1 h, 4 h, 9 h e 16 horas.

2.2 Metalografia

Para análise metalográfica foram obtidas amostras a partir dos discos nitretados, usando cortadeira metalográfica de precisão, marca Buellher, modelo ISOMET 4000. Cada amostra foi preparada utilizando uma politriz automática modelo TegraPol 25

COMPOSIÇÃO QUIMICA NOMINAL (%)

C Mn Si Cr Mo V

grosseiro com abrasivos de diamante em suspensão com tamanho médio de 3 µm e iii/ polimento final com abrasivos de diamante em suspensão com tamanho médio de 1 µm.

A microestrutura foi revelada com a aplicação de reagente Vilella, por imersão durante 7 s e fotografada em um microscópio óptico OLYMPUS BX60M com câmera JVC TK-1380 e aplicativo analisador de imagem LEICA.

2.3 Indentação instrumentada

Os ensaios de indentação instrumentada foram realizados no equipamento Ficherscope H100V que utiliza um penetrador Vickers com ângulo de 136º com carga máxima utilizada de 0,1 N. As indentações foram feitas numa área perpendicular à superfície nitretada sendo que a distância da indentação mais próxima desta superfície foi de 10 µm, seguida por outras distantes da superfície de 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm, 80 µm, 110 µm e 140 µm; em cada uma destas distâncias foram realizadas 10 indentações. A Figura 2 apresenta de forma esquemática o ciclo de indentação que consiste de: i/ carregamento até a carga máxima (0,1 N); ii/ manutenção na carga máxima (creep 1) durante 20 s para garantir a máxima deformação do material; iii/ descarregamento até a carga mínima de 0,4 x 10-3 N; e iv/ manutenção na carga mínima (creep 2) de 20 s para que possa ser feita a correção das variações de temperatura (thermal drift). Nas etapas de carregamento e descarregamento foram adquiridos 60 pontos a cada 0,1 s e 100 pontos a cada 0,1 s, respectivamente, onde as variações da carga e do tempo são constantes.

Figura 2. Ciclo de carregamento (carga versus tempo) utilizado no ensaio de indentação instrumentada.

Após os ensaios de indentação instrumentada foram determinados os principais parâmetros que caracterizam a curva carga-deslocamento (P-h), conforme indicado na Figura 3 onde:

hmax : profundidade de penetração máxima;

hf : profundidade residual;

We: trabalho elástico, área abaixo da curva de descarregamento;

Wp: trabalho plástico correspondente à área entre a curva de carregamento e

descarregamento;

Wt: trabalho total que corresponde à soma do trabalho elástico e do trabalho

plástico;

dP/dh = S, rigidez de contato, que é a derivada da curva de descarregamento quando o deslocamento da deformação residual é máximo;

Pmax:carga máxima;

Figura 3. Representação esquemática da curva carga versus deslocamento, adaptado de Chollacoop et al. (2003).

A partir da curva (P-h) obtida no ensaio, podem-se calcular algumas propriedades mecânicas como dureza e o módulo de elasticidade. Neste trabalho será utilizada apenas a informação de dureza.

Para o calculo da dureza Vickers utilizou-se uma rotina em um aplicativo matemático ( Matlab®) desenvolvida por Meza et al. (2007), que se baseia no método de (Meza e Cruz, 2007; Oliver e Pharr, 1992). Neste método, a dureza Vickers (HV) é calculada por meio da Eq. (1).

max v

P

HV

A

=

(1)

Sendo (Av) a área da impressão formada pelo penetrador Vickers que se calcula

por meio da Eq. (2).

2 v

D

A

2sen

θ

=

(2) onde:

θ

: semi-ângulo do penetrador

D: valor médio do comprimento das diagonais da impressão, calculado por:

2 S D Er

π

β

= (3) Onde:

β

: é uma constante que depende da geometria do penetrador, do raio do penetrador, do material penetrado e da profundidade de penetração (Meza e Cruz, 2007). Neste trabalho adotou-se o valor de 1,012 baseado no método de Oliver Pharr (1992).

Er: módulo de elasticidade reduzido dado por:

(

2

) (

2

)

i r i 1 1 1 E E E υ υ − − = + (4) Onde:

υ

: coeficiente de Poisson da amostra, para materiais metálicos (

υ

) é igual a 0,3;

υ

i: coeficiente de Poisson do penetrador, para o diamante (

υ

i) é igual a 0,07;

E: módulo de elasticidade da amostra;

Ei: módulo de elasticidade do penetrador, no caso do material do penetrador

usado, diamante, (Ei) é igual a 1029 GPa;

S: rigidez de contato é calculado por:

max 1

(

)

h m f

dP

S

Km h h

dh

−

=

−

(5) Onde:

K e m: São constantes empíricas obtidas no ajuste da Eq. (4).

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Figura 4 apresenta a microestrutura da seção transversal da amostra nitretada a 520 ºC por 4 h. Observa-se na micrografia com maior aumento que a

microestrutura é típica de um material temperado e revenido (martensita revenida) com uma região mais escura, também visível na micrografia com menor aumento, com espessura de aproximadamente 60 µm, que representa a camada nitretada.

(a) (b)

Figura 4. Microestrutura da amostra nitretada a 520 ºC por 4 horas. (a) 50x de aumento e figura (b) 500x, ataque químico com Villela.

A Figura 5 apresenta a microestrutura da seção transversal da amostra nitretada a 400ºC por 4 h. Nestas fotos não se tem de forma tão evidente a revelação da camada nitretada como no caso da amostra nitretada em 520 ºC por 4 horas. Este resultado mostra que utilizar a microscopia óptica para caracterizar um material nitretado pode ser pouco útil. As micrografias da amostra apresentada na Figura 5 são representativas para as demais nitretadas.

(a) (b)

Figura 5. Microestrutura das figuras (a) 50x de aumento e figura (b) 500x de aumento consiste em matriz martensítica revenida com uma camada nitretada de

aproximadamente 5 µm, ataque Villela.

A Figura 6 apresenta os resultados de dureza HV (GPa) em função da profundidade (µm), do aço H13 nitretado a 400ºC com diferentes tempos.

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Distância [um] D u re z a H V [ G P a ] 1h 4h 9h 16h 36h

Figura 6. Curvas da dureza HV (GPa) em função da distância [µm] para o aço H13 nitretado com a temperatura fixa em 400 ºC e variando o tempo em 1 h, 4 h, 9 h, 16

h e 36 h.

Foi identificado que quando o aço H13 é nitretado a temperatura fixa de 400 ºC, quanto maior o tempo de nitretação maior a dureza da camada. Além disso, após 50 µm em relação à borda existe uma estabilização da dureza para todos os tempos.

Na posição de 10 µm em relação à borda, não existe diferença significativa de dureza entre as amostras nitretadas a 400 ºC com o tempo de 9 h, 16 h e 36 h, e ambas possuem valores médios de dureza maiores que as amostras nitretadas a 400 ºC com os tempos de 1 h e 4 h.

Observa-se nas posições 20 µm e 30 µm em relação à borda que existe uma diferença significativa quando nitretadas a 400 ºC com diferentes tempos, sendo que o maior valor de dureza encontrado foi para amostra de 36 h e o menor valor para amostra de 1 h. Já nas amostras nitretadas com o tempo de 4 h, 9 h e 16 h nas posições 40 µm e 50 µm em relação à borda não existe diferença significativa, o mesmo não acontece com a amostra de 1h que possui valor médio de dureza menor que as demais.

Exceto a amostra nitretada a 400 ºC por 1 h, todas as outras tiveram um aumento da dureza média significativa em relação à dureza da matriz.

Observa-se que na amostra nitretada a 400ºC / 1 h que exceto a 20 µm em relação à borda não existe diferença significativa da dureza em relação à dureza da matriz.

Observa-se que a amostra nitretada a 400 ºC / 16 h possui um valor médio de dureza superior a todos os outros tempos na mesma temperatura.

Na Figura 7 apresenta-se os resultados de dureza HV (GPa) em função da profundidade (µm), do aço H13 nitretado por 4 h com diferentes temperaturas.

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Distância [um] D u re z a H V [ G P a ] 360ºC 440ºC 480ºC 520ºC

Figura 7. Curvas da dureza HV (GPa) em função da distância (µm) para o aço H13 nitretado com a tempo fixo a 4 h e variando a tempo em 360 ºC , 440 ºC, 480 ºC e

520 ºC.

Nota-se que quando o aço H13 é nitretado em um tempo fixo de 4 h, quanto maior a temperatura de nitretação maior a dureza da camada.

Exceto a amostra nitretada a 520 ºC por 4h todas as outras temperaturas utilizadas obtiveram uma estabilização da dureza após 50 µm da borda. Já a de 520 ºC por 4h estabilizou após 110 µm da borda.

Quando comparadas as diferentes temperaturas nas posições 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm e 50 µm da borda encontrou-se uma diferença significativa da dureza.

Nas amostras nitretadas a 360 ºC por 4h nota-se que após 20 µm da borda a dureza se estabilizou em relação à dureza do substrato.

4. CONCLUSÕES

Somente na amostra nitretada a 520 ºC por 4h foi possível avaliar o efeito do tratamento de nitretação a plasma por meio de microscopia óptica. Por outro lado, as demais condições de nitretação estudadas, apesar de não possuírem camada identificada por microscopia óptica, houve endurecimento, pois a dureza da sub-superfície é superior a 10% do valor do substrato.

As variáveis do processo de nitretação (tempo e temperatura) podem ser correlacionadas com o endurecimento da sub-superfície do aço ferramenta ABNT H13 da seguinte forma: quanto maior o tempo e temperatura de nitretação a plasma

Na amostra nitretada a 400 ºC por 1 h e 4 h a espessura da camada nitretada é de aproximadamente 20 µm. Para aquelas nitretadas por 9 h, 16 h e 36 h a espessura foi de aproximadamente 50 µm.

Para as amostras nitretadas com tempo fixo de 4 h e variando a temperatura em 360 ºC, 440 ºC, 480 ºC e 520ºC, quanto maior a temperatura maior o valor da camada nitretada, onde o menor valor de 20 µm foi para as amostras nitretadas a 360 ºC e 440 ºC e o maior valor foi 80 µm para a amostra nitretada a 520 ºC por 4 h.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Professor Dr. Carlos Figueroa, da Universidade de Caxias do Sul, pelo tratamento de nitretação a plasma realizado no Instituto de Física “Gleb Wataghin” da Universidade Estadual de Campinas.

6. REFERÊNCIAS

Alves Jr., C. “Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações”, Ed. UFRN, Natal, 2001.

ASM “American Society for Metals, Metals Handbook”, 10th, Metals Park, Ohio, v. 1, 1990.

Borgioli, F., Galvanetto, E., Fossati, A. e Bacci, T. “Glow-discharge nitriding and post-oxidising treatments of AISI H11 steel”. Surface and Coating Technology, v. 162, 2002, p. 162.

Chollacoop, N., Dao, M. e Suresh, S. “Depth - sensing instrumented indentation with dual sharp indeters”. Acta materialia, v. 53, 2003, p. 3713- 3729.

Franco, R.A. “Determinação da dureza e do módulo de elasticidade de materiais por Nanoidentação”, Departamento de engenharia metalúrgica e de matérias, EPUSP, 2002.

King, R.B. “Elastic analysis of some punch problems for layered medium”. International Journal of Solids Structures v. 23, 1987, p. 1657-1664.

Oliver, W.C. e Pharr, G.M. “An Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and sensing indentation experiments”. Journal of Materials Research, v. 7, 1992, p. 1564-1583.

Souza A.S., “Composição química dos aços ", Ed. Edgard Blücher, S.Paulo, Brazil, 1989, p.120

Simon, G. Aços nitretados a plasma. Porto Alegre, 1995. Dissertação (Mestrado em Ciências) - Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Meza, J. M., e Cruz, J. “Efecto del radio del indentador en la medición de propiedades Mecánicas por medio de ensayos de indentación”. Scientia et Technica Año XIII, No 36, Septiembre 2007. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701.

Meza, J.M., Farias, M. C. M., Souza, R. M. e Cruz, J. Using the ratio: maximum load over unload stiffness squared, Pm/Su 2, on the evaluation of machine. Journal of Materials Research, v. 10, p. 437-447, 2007.