CLAUDINEI JOAQUIM FRANCO
Joinville, 2014
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CLAUDINEI JOAQUIM FRANCO
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DOS AÇOS ABNT 1020 E 1045 SUBMETIDOS A TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
SÓLIDOS
JOINVILLE 2014
Dissertação apresentada ao programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito parcial para obtenção do grau de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.
F825a Franco, Claudinei Joaquim.
Avaliação do comportamento tribológico dos aços ABNT 1020 e 1045 submetidos a tratamentos termoquímicos sólidos / Claudinei Joaquim Franco. - 2014.
158 p. : il. ; 21 cm
Orientador: Júlio César Giubilei Milan Coorientador: César Edil da Costa Bibliografia: 1149-158 p.
Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2014.
1. Metais. 2. ABNT 1020 . 3. ABNT 1045. 4. Tratamento termoquímico. I. Milan, Júlio César Giubilei. II. Costa, César Edil da. III. Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. IV. Título.
CLAUDINEI JOAQUIM FRANCO
AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DOS
AÇOS ABNT 1020 E 1045 SUBMETIDOS A TRATAMENTOS
TERMOQUÍMICOS SÓLIDOS
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais na área de concentração “Metais”.
Banca Examinadora
Joinville, SC, 30 de outubro de 2014.
Orientador:
Coorientador:
AGRADECIMENTOS
Inicio meus agradecimentos a Deus, que me deu mais uma chance de poder estar concluindo mais esta etapa e por ter colocado em minha vida pessoas tão especiais, sem as quais certamente não teria conseguido superar todas as barreiras ao longo de todo o mestrado.
Ao professor Júlio César Giubilei Milan pela orientação e ao professor César Edil da Costa pela co-orientação, agradeço ambos pela competência e dedicação, que certamente foram fundamentais para a realização deste trabalho. Agradeço pelo acolhimento e por terem acreditado em mim, e terem contribuído para o meu crescimento profissional. Agradeço pelo apoio nos momentos de dúvida. Quero que saibam que vocês são referências profissionais e pessoais, exemplos a serem seguidos.
Ao Professor do Instituto Federal de Santa Catarina – IFSC e estudante de doutorado na UDESC, Anael Preman Krelling pela ajuda, apoio e colaboração para a realização deste trabalho.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC pela infraestrutura de seus laboratórios e instalações.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela bolsa de estudo.
À todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PGCEM, que de alguma forma contribuíram para a realização desse trabalho.
"O Perigo não é você pensar grande e não conseguir o que deseja. O Perigo é pensar pequeno e conseguir".
RESUMO
FRANCO, Claudinei Joaquim. Avaliação do Comportamento Tribológico dos Aços ABNT 1020 e 1045 Submetidos a
Tratamentos Termoquímicos Sólidos. 2014. 158 p.
Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais – Área: Metais) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2014.
O interesse por melhorias nas propriedades tribológicas de materiais, mais específico em aços com baixo e médio teor de carbono são de grande importância para a vida útil de componentes mecânicos. Neste trabalho foram realizados diversos tratamentos termoquímicos em aços ABNT 1020 e ABNT 1045, com o objetivo de comparar e avaliar o comportamento tribológico e também as fases e camadas
boretação e nitretação. Foram realizados ensaios de desgaste por deslizamento do tipo pino sobre disco, com esferas de WC-Co (metal duro) como contra corpo. Foram avaliados: o coeficiente de atrito, o volume de material removido e os mecanismos de desgaste. A dureza da camada formada foi avaliada por microdureza na superfície e na seção transversal. Difratometria de raios-X foi utilizada para a comprovação da formação das camadas de nitretos, boretos e boro-nitretos (duplex). Os resultados mostraram melhoras principalmente na dureza da camada superficial e redução no volume de material removido, em todos os tratamentos termoquímicos, quando comparado com amostras sem tratamento. Em relação ao comportamento tribológico, avaliando as amostras tratadas termoquimicamente, as amostras nitretadas do aço ABNT 1020 foram as que apresentaram os piores resultados com volume de material removido de 0,078 mm3 e dureza de 436 HV0,05. Já a boretação no aço ABNT 1020 foi o tratamento que apresentou o melhor desempenho em volume de material removido com 0,013 mm3. O aço ABNT 1045 com tratamento de boretação apresentou a maior dureza média na superfície, com 1750 HV0,05 e o tratamento duplex NB neste mesmo material proporcionou a maior dureza na seção transversal, resultante da camada formada de nitretos-boro com 2270 HV0,05.
Palavras-chave: ABNT 1020; ABNT 1045; Tratamento termoquímico; Boretação multicomponente; Comportamento tribológico.
ABSTRACT
the hardness of the surface layer and a reduction in the amount of removed material (volume) in all thermochemical treatments comparing with the condition of non-treated samples. Regarding the tribological behavior, by evaluating the thermochemically treated samples, the nitrided samples of ABNT 1020 presented the highest amount of removed material (0,078 mm3) and its hardness was 436 HV
0.05. The boronized ABNT 1020 steel presented the lower amount of removed material (0,013 mm3). The boronized ABNT 1045 steel reached the highest mean hardness on the surface (1750 HV0.05) and the NB duplex treatment in this material provided the highest hardness of the formed layer, about 2270 HV0.05.
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 25
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 29
2.1 TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE
BORETAÇÃO ... 29 2.1.1 Formas de Boretação ... 44
2.2 TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE
NITRETAÇÃO... 46 2.3 TRATAMENTO DUPLEX OU MULTICAMADAS 51 2.4 TRIBOLOGIA ... 58 2.4.1 Processos de Desgaste ... 58 2.4.2 Adesão ... 60 2.4.3 Abrasão ... 65 2.4.4 Fadiga de Superfície ... 68 2.4.5 Corrosão e Oxidação (Desgaste Triboquímico) ... 70
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 73
3.1 MATERIAIS ... 73 3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 73 3.3 EQUIPAMENTOS ... 75 3.4 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS... 75 3.4.1 Tratamentos Termoquímicos de Boretação ... 76 3.4.2 Tratamentos Termoquímicos de Nitretação ... 78 3.4.3 Tratamentos Termoquímicos Múltiplos ... 80 3.5 CARACTERIZAÇÃO ... 81 3.5.1 Microscopia Óptica ... 81 3.5.2 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ... 81 3.5.3 Microdureza ... 82 3.5.4 Difração de Raios-X ... 82 3.5.5 Ensaio de Desgaste ... 82
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 87
4.2 ANÁLISE MICROSTRUTURAL ... 87 4.2.1 Boretação ... 88 4.2.2 Nitretação ... 92 4.2.3 Tratamento Duplex Boretação e Nitretação (BN) ... 94 4.2.4 Tratamento Duplex Nitretação e boretação (NB) ... 98 4.2.5 Todos os Tratamentos ... 101 4.3 DIFRAÇÃO DE RAIOS-X ... 103 4.4 MICRODUREZA ... 107 4.5 COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO ... 115 4.5.1 Coeficiente de Atrito ... 116 4.5.2 Resistência ao Desgaste ... 129 4.5.3 Análise das Superfícies de Desgaste ... 135
5 CONCLUSÕES ... 145
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS . 147
1 INTRODUÇÃO
Tendo em vista o desenvolvimento industrial houve a consequente busca por materiais mais sofisticados e resistentes, alinhados com competitividade empresarial que visa o baixo custo e durabilidade de ferramentas e componentes mecânicos.
O custo de um aço de baixo ou de médio teor de carbono é menor quando comparado com aqueles de alto teor de carbono ou com os aços ligados. Além de apresentarem uma grande vantagem no endurecimento da superfície, por manter o núcleo dúctil e terem apenas a superfície endurecida, sem apresentarem os problemas de distorção e trincas associados ao endurecimento através de seções espessas (ASM INTERNATIONAL, 1991).
Com isto, tem-se tentado de diversas formas modificar as características de superfície dos materiais com a finalidade de obter melhores propriedades tribológicas (GARCIA-BUSTOS et al., 2013).
A engenharia de superfície abrange uma vasta gama de processos como: tratamentos mecânicos, químicos, térmicos, bombardeamento de íons e por difusão (ALMEIDA, 2001). Alguns dos tratamentos que possibilitam alteração de superfície dos materiais são: carbonitretação, nitretação e boretação (ATIK, 2003). Atualmente ampliou-se o número de estudos referente aos tratamentos duplex ou multicomponentes que visam a combinação de dois ou mais tratamentos que atuam em conjunto, podendo alcançar melhores propriedades, que não é possível serem alcançada por cada um deles isoladamente (HECK, 2010).
A boretação em aços carbono ou aços ligados permite a formação de uma camada de boretos. Esta técnica geralmente é aplicada na indústria em ligas ferrosas principalmente para melhorar sua dureza superficial e resistência ao desgaste, mas pode levar à fragilização da superfície devido ao aumento demasiado de dureza. Dessa forma, é essencial que se modifique o tratamento de boretação (KULKA e PERTEK 2003; MARTINI, PALOMBARINI e CARBUCICCHIO, 2004; CAMPOS et al., 2008; CAMPOS-SILVA et al., 2010;
AGHAIE-KHAFRI e MOHAMADPOUR NZAR ABADY, 2012; KRELLING et al., 2012; MOROZO et al., 2013).
A nitretação é um tratamento termoquímico no qual o nitrogênio atômico é introduzido a partir da superfície para o interior do material, com a finalidade de através da difusão do nitrogênio, obter melhorias como: aumento de dureza superficial, aumento da resistência ao desgaste e aumento do limite de fadiga (FORATI, AMADEH e MORADI, 2011; PANICAUD et al., 2012).
A nitretação é muito utilizada pelas indústrias mecânica, automotiva, hidráulica, siderúrgica, biomédica, conformação de metais e na forjaria (WISNIVESKY e ALVAREZ, 2004).
Tratamento duplex ou multicomponente é um tratamento que utiliza a junção de várias camadas sobre um substrato, estas combinações de revestimentos duros, podem ser produzidas usando técnicas como a deposição química de vapor (CVD), deposição física de vapor (PVD) e/ou difusão térmica reativa (TRD).
Muitas técnicas de tratamento duplex vêm sendo estudadas, utilizando vários processos para a sua obtenção, alguns deles são:
• Boretação, seguido de nitretação (MARAGOUDAKIS
et al., 2002);
• Cromagem, seguido de nitretação a plasma (SCHEID, VASCONCELOS e OLIVEIRA 2003; WEI e CHEN 2005; TAKTAK et al., 2008; HAKAMI et al., 2011; HAKAMI,
SOHI e GHANI 2011);
• Nitretação a plasma, seguido de aluminização (HAFTLANG, HABIBOLAHZADEH e SOHI 2014a; HAFTLANG, HABIBOLAHZADEH e SOHI 2014b);
• Nitretação a plasma, seguido por deposição física de vapor (PVD) (HÖCK et al., 1995; PODGORNIK et al., 2001;
LEE, KIM e HONG 2005).
O objetivo deste trabalho foi realizar um estudo comparativo, avaliando o comportamento tribológico em aços de baixo e médio teor de carbono, ABNT 1020 e 1045, submetendo-os aos tratamentos termoquímicos de boretação, nitretação e duplex: (i) boretação, seguido de nitretação (BN) e (ii) nitretação, seguido de boretação (NB).
Os objetivos específicos foram: planejar as formas de tratamentos; avaliar e comparar o efeito do substrato relacionado à microestrutura, ao suporte e interface das camadas formadas nos tratamentos realizados; caracterizar as camadas formadas, os mecanismos e formas de desgastes para os diversos tratamentos e comparar entre os dois materiais.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo apresenta a revisão bibliográfica dos principais temas abordados nesta pesquisa, ou seja, tratamento termoquímico de boretação e nitretação, tratamento termoquímico duplex, tribologia, desgaste por deslizamento e a resistência ao desgaste.
2.1 TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE BORETAÇÃO
Boretação é um tratamento termoquímico no qual átomos de boro são difundidos para o interior de um substrato com o objetivo de, através da formação de boretos, aumentar a dureza superficial do material.
O boro por ser um átomo com um tamanho menor do que o átomo da maioria dos outros metais se difunde facilmente nas ligas de ferro, níquel, cobalto, aços carbonos ligados e ligas refratárias (ASM INTERNATIONAL, 1991; BINDAL, 2005).
O processo de boretação é uma técnica muito bem desenvolvida, além de ser amplamente utilizada na indústria para produzir nos aços superfícies duras e com elevada resistência ao desgaste (SELÇUK, 2003; BINDAL, 2005; KRELLING, 2012; GARCIA-BUSTOS, 2013).
O tratamento termoquímico de boretação é mais eficiente em termos de resistência ao desgaste por abrasão em comparação com outros tratamentos termoquímicos como a cementação e a nitretação (GARCIA-BUSTOS, 2013).
Como linha futura para o desenvolvimento da técnica de boretação está a formação de camadas de boretos de múltiplos elementos ou camadas compósitas (PERTEK e KULKA, 2002).
das fases de Fe2B e FeB juntas, com a fase FeB próximo a superfície e a fase Fe2B próximo ao substrato) (ASM INTERNATIONAL, 1991; ALLAOUI et al., 2006).
A difusão do boro no reticulado cristalino de materiais ferrosos, resulta na formação das fases de boretos de ferro que são correspondentes ao percentual em peso de boro nas superfícies dos aços, tais como: com percentuais menores que 8,83% de boro ocorre a formação da camada monofásica composta por Fe2B, com percentuais entre 8,83 % e 16,23 % ocorre a formação das duas fases juntas denominada camada bifásica composta por Fe2B e FeB e com percentuais acima de 16,23 % ocorre a formação da camada monofásica composta por FeB, como podem ser visto na Figura 1. (CAMPOS-SILVA et al., 2010).
Figura 1 – Diagrama de equilíbrio Fe-B.
Fonte: ALLAOUI et al., 2006.
Temp
er
at
ur
a °
C
Segundo Martini, Palombarini e Carbucicchio (2004), a dinâmica de crescimento dos boretos de ferro foi descrita em três estágios. Esta dinâmica é ilustrada esquematicamente na Figura 2.
No estágio 1, o boro ativo é fornecido para o material somente nas regiões de contato entre a superfície do metal e as partículas de boretos. Os cristais de Fe2B crescem preferencialmente ao longo da direção cristalográfica [001]. Esta direção é o caminho mais fácil para a difusão de boro por apresentar a menor distância entre os átomos vizinhos de boro. O crescimento das agulhas de Fe2B leva a um aumento do seu volume em aproximadamente 16%, associado com a transformação de Fe em Fe2B sendo limitado pela pequena quantidade de boro ativo. Neste estágio os cristais podem criar diferentes orientações cristalográficas de crescimento nos eixos [001] paralelos à superfície externa.
Figura 2 – Representação esquemática dos estágios de crescimento dos cristais de Fe2B.
Fonte: Martini; Palombarini; Carbucicchio, 2004. Cristais
Fe2B
(110) (002) (200)
[001]
(002) Cristais Fe2B
Textura (002)
Direção de crescimento [001]
Amostra Fe
Superfície metálica
Estágio 1
Estágio 2
No segundo estágio ocorre o crescimento dos cristais de Fe2B para dentro do material. Como ocorre o crescimento superficial ao longo do eixo [001], há um aumento de cristais que são forçados a crescer para o interior do material.
Quando cristais não paralelos entram em contato, as tensões mecânicas geradas, fazem com que estes cristais sejam forçados a crescer para o interior do material, perpendicularmente à superfície, com o crescimento das agulhas resultantes da quantidade de boro, que foi consumida na superfície do metal, desta forma mais boro pode se difundir para as pontas das agulhas, que crescem para o interior do substrato.
Tabela 1 – Propriedades dos boretos de ferro.
Propriedade FeB Fe₂B
Microdureza (GPa) 19 - 21 18 - 20
Módulo de elasticidade (GPa) 590 290
Densidade (g/cm³) 6,75 7,43
Coeficiente de expansão térmica
(10-6/°C) 23 7,7
Composição (% em peso de
boro) 16,23 8,83
Estrutura Ortorrômbica Tetragonal de corpo centrado
Fonte: SILVA e MEI, 2006.
Os fatores mais importantes no crescimento e na morfologia da camada de boretos são o tempo de tratamento, a temperatura e a quantidade de elementos de liga no substrato.
Figura 3 – Efeito do tempo e da temperatura na espessura de camada na boretação sólida de aço baixo carbono (Ck 45).
Fonte: ASM INTERNATIONAL, 1991.
Figura 4 – Seção transversal de uma camada de FeB/Fe2B em ferro, mostrando a morfologia colunar das fases e a trinca propagando-se preferencialmente na interface das fases FeB e Fe2B.
Fonte: MARTINI et al.,2004.
De modo geral, quanto maior a quantidade de elementos de liga do substrato, menor será a espessura da camada de boretos. Isto ocorre porque os elementos de liga atuam como barreiras dificultando a difusão dos átomos de boro. Além disso, alguns elementos de liga como carbono e cromo, entre outros, apresentam pouca solubilidade na fase de boretos.
pequena quantidade de carbono (AISI 1018), com uma maior espessura de camada de boretos característica pela morfologia dente de serra e não é possível notar a presença de aglomerados de carbono a frente da camada de boretos.
A Figura 5 (b) apresenta um aço com maior quantidade de carbono e outros elementos de liga (AISI 4340), nota-se uma menor espessura de camada de boretos, como este aço contém maior quantidade de carbono e de elementos de liga, eles atuam como barreiras difucultando a difusão dos átomos de boro, e também é possível observar uma região escura a frente da camada de borretos, correspondentes aos elementos que foram empurrados pela camada de boretos para o interior do material. (PETROVA et al., 2008).
Figura 5 – Imagens de microestrutura óptica, (a) aço de baixo teor de carbono (AISI 1018) e (b) liga de aço de alta resistência (AISI 4340).
Fonte: PETROVA et al., 2008.
camada de boretos e o substrato com menor característica de “dente de serra” do que aços ao carbono.
Krelling (2012), apresentou a formação de camadas de boretos em um aço para trabalho a quente AISI H13 utilizando o pó comercial Ekabor®. Como o aço AISI H13 contém elementos de liga, apresenta menor formação da camada de boretos na interface dente de serra do que um aço carbono (TAKTAK; TASGETIREN, 2006). O aço AISI H13 é muito utilizado para tratamentos superficiais como nitretação e boretação (TAKTAK, 2007).
É possível verificar na microestrutura apresentada na Figura 6 as camadas formadas de boretos num aço AISI H13 contendo a camada bifásica compostas de FeB e Fe2B e também uma subcamada entre as fases de boretos e o substrato denominada de subcamada mole rica em silício.
Figura 6 – Micrografia óptica mostrando a formação da camada de boretos para o aço H13 na condição de boretação com pó Ekabor®.
Assim como o cromo (Cr), o silício (Si) também apresenta baixa solubilidade na camada de boretos, desta forma o Si é empurrado para o interior da amostra conforme apresentado por (HECK, 2010).
A microestrutura apresentada no trabalho de Heck (2010), utilizando o mesmo material aço AISI H13 apresentando uma microestrutura semelhante ao apresentado por (KRELLING, 2012), com a formação da camada dupla de boretos e a formação da subcamada Figura 7.
Figura 7 – Microestrutura do aço AISI H13 boretado a pó a 1000°C por 4h.
Fonte: HECK, 2010.
Quando carregamentos elevados são aplicados pode ocorrer a fratura da camada de boretos devido à baixa capacidade de suporte de carga do substrato. Este fenômeno é conhecido como efeito “casca de ovo” (GENEL, 2006).
boretada com pó Ekabor® após ensaio de desgaste do tipo pino sobre disco. Na Figura 8 (a), pode-se perceber a formação de trincas na camada de boretos, devido à fragilidade da fase FeB e na Figura 8 (b), a presença de partículas de desgaste removidas da superfície que podem atuar como agentes abrasivos, reduzindo a resistência ao desgaste do material. Figura 8 – Detalhe das partículas de desgaste sobre a pista para a condição de boretação com pó Ekabor® seguida de têmpera e revenimento.
Fonte: KRELLING, 2012.
Krelling et al., (2012) apresentaram as microestruturas
da camada boretada no aço AISI H13 (Figura 9) no qual é possível identificar a subcamada mole através das indentações (detalhe) marcado na Figura 9 (b), a espessura das camadas de boretos na Figura 9 (a). Na Figura 10 apresenta-se o perfil de microdureza que inicia com alta dureza na região de boretos e diminui em direção ao substrato (subcamada mole) e volta a subir atingindo a dureza característica do substrato.
Figura 9 – Micrografias do aço H13 boretado. Espessura média da camada boretada (a), detalhe da subcamada mole (b).
Fonte: KRELLING et al., 2012.
Figura 10 – Perfil de dureza para o aço AISI H13 boretado a 1000°C por 2 horas.
Fonte: KRELLINGet al., 2012.
(a)
(b)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 25, 71 30, 79 35, 24 40, 95 68, 89 69, 53 72, 06 72 ,7 12 7, 83 13 4, 12 139, 64 145, 17 193, 3 198, 82 201, 18 204, 34 262, 74 263, 51 265, 1 266, 69 M icr od u re za HV 0, 1
Posição [μm]
PERFIL DE DUREZA
SAHIN (2009) avaliou a influência da boretação na rugosidade do aço AISI 1020. Duas condições foram estudadas, uma com rugosidade alta e outra com rugosidade baixa.
Para a condição que apresentava baixa rugosidade antes do tratamento, foi verificado um aumento da rugosidade após a boretação. Isto foi atribuído à formação dos cristais de boretos de ferro formados na superfície metálica. A Figura 11 apresenta a topografia das amostras antes (a) e depois (b) do tratamento termoquímico de boretação para esta condição. Figura 11 – Imagens de MEV de aço AISI 1020 com superfícies lisas (× 1000): (a) antes da boretação, (b) após a boretação.
Fonte: SAHIN, 2009.
Amostras com rugosidade alta, por sua vez, apresentaram uma diminuição no valor da rugosidade após o tratamento de boretação. Os cristais da fase de boretos preenchem, por assim dizer, os vales provenientes da maior
rugosidade. A Figura 12 apresenta uma amostra com rugosidade elevada antes (a) e após (b) o tratamento de boretação.
Figura 12 – Imagens de MEV de aço AISI 1020 com superfície rugosa (× 200): (a) antes boretação, (b) após boretação.
Fonte: SAHIN, 2009.
A Figura 13 ilustra micrografias de seis amostras de aço AISI 1018 que foram boretadas a 850 °C em diferentes tempos, com o intuito de mostrar a formação da camada de boretos em função do tempo. A Figura 13 (a) e (b), são de amostras que foram boretadas por um período de 5 e 30 min respectivamente. Ambas apresentam uma fina camada de FeB sobre a camada de Fe2B. Como a fase FeB é mais frágil do que a fase Fe2B as fissuras são facilmente iniciadas na fase FeB devido a diferença de coeficiente de expansão térmica existente entre estas fases. A Figura 13 (c) e (d), são de amostras que foram boretadas durante 60 e 90 min respectivamente. Nota-se a presença de uma fase FeB contínua, com uma espessura superior a 20 µm, seguida da fase Fe2B. A Figura 13 (e) e (f),
amostras boretadas por um período de 120 e 240 min respectivamente, apresentam somente a camada monofásica de Fe2B, sendo esta a mais desejada quando se precisa evitar a nucleação e crescimento de trincas entre as fases de boretos (YU et al., 2005).
Figura 13 – MEV do aço AISI 1018 boretada a 850 °C com durações diferentes: (a) 5 min, 1800x, (b) 30 min, 1800x, (c) 60 min, 1200x, (d) 90 min, 600x, (e) 120 min, 600x, (f) 240 min, 600x.
2.1.1 Formas de Boretação
A boretação pode ser realizada em uma variedade de meios como: pós, sais, óxidos fundidos, gases e pastas (PETROVA e SUWATTANANONT, 2005). O boro pode ser disponibilizado na superfície do substrato de diferentes formas: Por via líquida utilizando banhos de sais fundidos com aquecimento externo, ou por eletrólise (passagem de corrente elétrica). Neste tipo de tratamento as peças são submersas em um tanque por um determinado tempo, numa temperatura específica.
Por via gasosa utilizando gás BCl3 (tricloreto de boro), o substrato é submetido a uma atmosfera com o gás dentro de uma câmara, através de aquecimento ocorre a difusão dos átomos de boro para o substrato.
Por via sólida, utilizando pós ou pastas boretantes. A boretação sólida pode ser realizada a partir de substâncias que são fontes de boro: boro amorfo, ferro-boro e carbonetos de boro (B4C), sendo este último o de menor custo.
A boretação em pasta geralmente é utilizada quando não é possível aplicar a boretação sólida ou quando se deseja boretar apenas uma região da peça.
A boretação com pó tem sido mais utilizada devido a segurança, fácil manuseio, baixo custo, utilização de equipamentos simples e possibilidade de mudança na composição do pó boretante (ASM INTERNATIONAL, 1991; SILVA e MEI, 2006).
Na boretação com pó, as peças a serem tratadas são colocadas em caixas e cobertas com uma camada de 10 a 20 mm de pó boretante. As caixas são aquecidas entre 840 a 1050°C por um tempo determinado e o resfriamento é feito ao ar.
boretante (JAIN; SUNDARARAJAN, 2002; BEJAR; MORENO, 2006; SAHIN, S, 2009).
As misturas comerciais utilizadas para a boretação sólida a pó têm como nome comercial EKABOR®. (ASM INTERNATIONAL, 1991; MARTINI et al., 2004;
CHIAVERINI, 2008; HECK, 2010; TARAKCI, GENCER e CALIK, 2010; SILVA e MEI, 2006). A Figura 14 ilustra como funciona o processo de boretação com pó.
Figura 14 – Diagrama de empacotamento para peça única no processo de boretação com pó.
Fonte: ASM INTERNATIONAL, 1991.
Peso
Pó boretante ou
componente inerte 100 mm
10-20 mm
10-20 mm Vista frontal
2.2 TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE NITRETAÇÃO
O tratamento termoquímico de nitretação é um método de endurecimento superficial muito utilizado em aços, o processo ocorre através da difusão de nitrogênio para dentro da superfície do substrato, formando nitretos. A nitretação utiliza temperaturas menores do que a cementação, desta forma a distorção e a tendência de formar trincas no material são menores, e também não são necessários tratamentos térmicos como têmpera para produzir o endurecimento da camada nitretada (SILVA e MEI, 2006).
A nitretação é um tratamento que trabalha abaixo da linha A1 do diagrama de equilíbrio ferro carbono, ou seja, abaixo da faixa de austenitização, não alterando, assim, as propriedades dos aços.
A difusão atômica do nitrogênio no aço pode produzir duas camadas superficiais distintas: a camada composta, também chamada de (camada branca) e a camada de difusão, também chamada de (zona de difusão).
A camada composta (camada branca) é constituída de nitretos de ferro γ’ (Fe4N) quando em concentrações acima de 5,5% em peso de nitrogênio (N) e a camada de difusão (zona de difusão) é constituída de nitretos de ferro ε (Fe2-3N) quando em concentrações acima de 7,35% em peso de N. Abaixo desta camada composta, é formada a camada de difusão, que consiste da reação do nitrogênio por difusão com o material base (substrato). A espessura da camada de difusão irá depender do tempo e da temperatura, podem ser formadas camadas acima de 0,10 mm (RANALLI et al., 2009).
os nitretos γ’(Fe4N). Se as concentrações de nitrogênio excedem 6% começam a surgir os nitretos ɛ (Fe2-3N), de acordo com a Figura 15 que mostra o diagrama de fases Fe-N (PYE, 2003; CHIAVERINI, 1987).
Figura 15 – Sistema Fe-N.
Fonte: SILVA e MEI (2006).
A camada branca composta de nitretos ɛ (Fe2-3N), devido à sua elevada dureza, pode levar o ferramental à quebra prematura, diminuindo a vida útil do material, devido à fase ε ser microconstituinte duro e a fase γ’ um microconstituinte tenaz. A formação e composição da camada branca dependem da mistura gasosa, que pode se escolher a porcentagem de cada gás utilizada no processo iônico (RANALLI,2009).
Na nitretação líquida, a peça na qual se deseja obter a nitretação é submetida a um banho utilizando nitrato de potássio (KNO3), onde a fonte do nitrogênio é obtida através da decomposição de KNO3, em óxido de nitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), utilizando temperaturas entre 520 e 570 °C (MIN-KU et al., 2010; SHEN, 2005).
Na nitretação gasosa a peça é submetida a uma atmosfera de amônia em temperaturas entre 500 e 565 °C, a reação acontece devido à decomposição da amônia (NH3⇌ (N) + 3/2 H2) (SILVA e MEI, 2006; AKHTAR, ARIF e YILBAS, 2010).
Na temperatura de nitretação convencional, para aços, a amônia se encontra em um estado termodinâmico instável e se decompõe em nitrogênio e hidrogênio. Com a liberação dos átomos de nitrogênio eles reagem quimicamente com os átomos de ferro por difusão, formando os nitretos de ferro sobre a superfície do material e formando a chamada camada branca (HASSANI-GANGARAJ e GUAGLIANO, 2013). Na prática a nitretação gasosa não necessita de uma mudança de fase, austenita para ferrita (PYE, 2003).
A nitretação a plasma é uma técnica de endurecimento superficial através de plasma utilizando a tecnologia de descarga luminosa para introduzir átomos de nitrogênio na superfície do metal e difundir nitretos para dentro do material, cuja dureza elevada melhora a resistência ao atrito e ao desgaste (ASM INTERNATIONAL, 1991; PYE, 1995; BASSO et al., 2010). A nitretação a plasma ocorre em três
processos específicos:
Adsorção: processo de adesão de átomos de nitrogênio e outros átomos utilizados na atmosfera sobre uma superfície.
Desorção: processo de saída de átomos e moléculas aderidas em uma superfície para a atmosfera (FIGUEROA, 2006). Estes processos podem ser vistos na Figura 16.
Figura 16 – Esquema do processo de nitretação a plasma.
Fonte: FIGUEROA 2006.
A nitretação sólida é considerada um processo simples se comparada com outros processos de nitretação, mas ainda é pouco utilizada. Neste processo utiliza-se um granulado sólido rico em nitrogênio denominado comercialmente pelo fabricante de Turbonit k-20®.
liberação de nitrogênio do granulado através do aquecimento, possibilitando a difusão deste para a subsuperfície da amostra. Este método de nitretação, apesar de ser chamado de sólida, na realidade ocorre através de nitretação gasosa. Durante o aquecimento o granulado gera nitrogênio atômico que entra em contato com a superfície da amostra possibilitando a introdução deste elemento na superfície.
Por ser um processo de baixo custo, que não utiliza equipamentos especiais e caros, pode-se verificar nele um grande potencial porque possibilita a obtenção de resultados bem significativos com a utilização deste granulado (ALMEIDA, 2009; MILAN et al., 2009; FRANCO et al.,
2011).
FRANCO et al., (2011) realizou nitretação sólida no
aço ferramenta M2 fabricado por metalurgia do pó, O processo foi realizado a temperatura de 560 ºC por 3 h. Já ALMEIDA, (2009) e MILAN et al., (2009) a nitretação sólida foi aplicada
em aços ferramenta (AISI H13, AISI P20 e N-8550), a nitretação foi realizada a temperatura de 560 ºC por um tempo de 10 h.
A Figura 17 ilustra o perfil da micrografia da camada nitretada do aço AISI H10, de duas diferentes maneiras, uma nitretada em banho de sal e outra nitretada a plasma, ambas foram obtidas por microscópio eletrônico de varredura (MEV). A Figura 17 (a) mostra a camada nitretada em banho de sal. Pode-se observar a formação da camada de difusão (região escura) e da camada de compostos (ou também chamada camada branca), a qual é comumente constituída por nitretos de ferro γ’(Fe4N) e nitretos de ferro ε (Fe2,3N).
A Figura 17 (b) mostra que a nitretação a plasma com concentração de 20% [(N2 / N2 + H2)], durante 12 horas e na temperatura de 510°C, resultou na formação de uma camada composta com aproximadamente 7 μm de espessura e uma camada de difusão com nitretos em rede precipitados em contornos de grãos com aproximadamente 170 μm (RANALLI,
et al., 2009).
Figura 17 – Micrografia do perfil da camada nitretada do aço AISI H10 mod., obtida por microscopia eletrônica de varredura. (a) Após nitretação em banho de sal. (b) Após nitretação a plasma.
Fonte: RANALLI et al., 2009.
2.3 TRATAMENTO DUPLEX OU MULTICAMADAS
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.
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.
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.
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.
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
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).
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).
PROCESSOS DE DESGASTE
MOVIMENTO DAS
INTERFACES INTERFACIAL ELEMENTO
DESLIZAMENTO ROLAMENTO EROSÃO IMPACTO OSCILAÇÃO
ABRASÃO
2-CORPOS ABRASÃO 3-CORPOS
Numerosos testes sobre uma variedade de metais estudados de contato metal-metal, mostram que quando há forte adesão, ocorre transferência de material do metal mais fraco (ligações atômicas fracas) para o mais forte (ligações atômicas fortes). A Figura 23 mostra como funciona o processo de transferência de um material para outro através da adesão (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000).
Figura 23 – Processo de transferência de material.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
A adesão pode ser explicada através da transferência de elétrons das superfícies quando dois materiais diferentes ou iguais ficam em contato resultam na formação de ligações adesivas (BHUSHAN, 2013). Como nos metais existem inúmeros elétrons livres, ao entrarem em contato ocorre à transferência de elétrons de um sólido para outro estabelecendo uma ligação química entre eles (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000). A Figura 24 representa o mecanismo de transferência por adesão.
Material fraco Material
forte
Figura 24 – Mecanismo de formação de partícula de transferência por adesão.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
Quando ocorre o contato entre asperezas de alto e baixo ângulo de inclinação, as asperezas com grandes ângulos de inclinação têm a tendência de perder material para as asperezas com baixo ângulo de inclinação. Outros motivos são as propriedades dos materiais que influenciam na deformação das asperezas e na intensidade do desgaste adesivo. Os materiais frágeis produzem menos partículas de desgaste e rompem com pouca deformação podendo ainda ter extensa deformação plástica, diferente dos materiais dúcteis tendo em vista que a ductilidade tem efeito indesejável de acentuar o desgaste adesivo (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000). A Figura 25 mostra o modelo da deformação no contato entre asperezas aderidas com fraturas frágil e dúctil durante a separação das asperezas.
a) b)
c)
e)
d)
Figura 25 – Modelo alternativo da deformação no contato de asperezas aderidas.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
Quando existe contato entre materiais metálicos diferentes deslizando um sobre o outro, ocorre uma ligação mecânica entre eles e a partícula aderida. O contato entre as partículas de desgaste fazem com que elas se juntem e vão se acumulando na superfície de contato fazendo com que ela aumente seu tamanho. Através da pressão de deslizamento exercida pelos materiais esta partícula é comprimida tornando-se achatada, com uma estrutura lamelar e geralmente é mais duro do que o material do substrato devido ao encruamento e são capazes de produzir ranhuras na superfície do substrato (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000). Este mecanismo é mostrado esquematicamente na Figura 26.
Asperezas em contato Deformação mútua
Formação de ligação adesiva ou
Fratura frágil durante a separação das asperezas
Figura 26 – Formação de camada de transferência de estrutura lamelar.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
A Figura 27 ilustra o mecanismo de formação de ranhura em um substrato mais dúctil, por uma partícula aderida, que normalmente são mais duras do que o substrato devido ao encruamento sofrido durante o processo. O sulcamento é uma forma muito ineficiente de corte formada superfície de desgaste que pode levar à formação de trincas na superfície desgastada resultando em elevadas tensões de tração.
Esta partícula aderida envolve a formação de um filme com pedaços grosseiros de materiais que modifica as características de deslizamento de materiais, estas partículas podem soltar ou se manter crescendo cada vez mais. Em alguns casos estes filmes que se formam em pequenas quantidades são eficazes atuando como lubrificantes sólidos favorecendo a redução do atrito e do desgaste, estas camadas de filmes finos
1) Estágio do crescimento inicial da partícula transferida
2) Partícula transferida comprimida em contato com a área A determinada pela pressão
3) Achatamento pela pressão de
deslizamento 4) Crescimento da partícula transferida antes da remoção Partículas
podem ser transferidos de uma superfície de desgaste para outra (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000).
Figura 27 – Mecanismo de formação de sulco em superfícies desgastadas por partículas transferidas encruadas.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
2.4.3 Abrasão
O desgaste abrasivo é a perda de material, pela passagem de partículas sólidas duras sobre uma superfície mole. Esta partícula pode ser, um fragmento de desgaste endurecido pelo trabalho, sujeira de fora do sistema tribológico ou produto do processamento (BHUSHAN, 2013; ZUM GAHR, 1987).
A Figura 28 mostra o mecanismo de desgaste por abrasão. O primeiro mecanismo ilustrado na Figura 28 (a)
Partucula aderida
Forte adesão
Forte adesão Sulco formado na
superfície desgastada
Sulcamento
Deslizamento
representa um grão hipoteticamente afiado ou aspereza dura que corta a superfície de um material mais dúctil, desta forma, o material que é cortado é removido e atua como detrito de desgaste. A situação da Figura 28 (b), ocorre quando o material é frágil. No caso de um material cerâmico, pode ocorrer fratura da superfície desgastada e a partícula de desgaste é o resultado de trincas. A Figura 28 (c), mostra quando um material dúctil é desgastado por um grão, neste processo não ocorre o corte, apenas deformação sucessiva pelo abrasivo, onde o detrito de desgaste resulta em fadiga do metal. A Figura 28 (d), representa o desprendimento ou arrancamento de grãos. Este mecanismo aplica-se principalmente à cerâmica, onde a fronteira entre os grãos é relativamente fraca, neste mecanismo todo o grão arrancado, atua como detrito de desgaste (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000).
Figura 28 – Mecanismo de formação de sulco em superfícies desgastadas por partículas.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
(a) Corte (b) Fratura
(c) fadiga por sulcamento sucessivo (d) Arrancamento de grão
Direção de abrasão Direção de abrasão
Direção de abrasão Direção de abrasão
Deformações sucessivas por abrasivos
O desgaste abrasivo classificado como de dois corpos, é quando existem pequenas partículas presas atuando como se fosse uma ferramenta de corte durante o deslizamento.
O desgaste abrasivo classificado como a três corpos, ou por rolamento, os grãos tem liberdade para rolar ou para escorregar sobre a superfície. A taxa de remoção de material na abrasão a três corpos pode ser de uma a duas ordens de grandeza menor do que na abrasão a dois corpos, porque neste caso as partículas abrasivas soltas, passam apenas 10% do tempo desgastando a superfície, enquanto o restante do tempo passa rolando (ZUM GAHR, 1998; STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000). A Figura 29 mostra como ocorre o desgaste abrasivo a dois e a três corpos.
Figura 29 – Modos de desgaste abrasivo a dois e a três corpos.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
Corpo 1
Contato rígido
Abrasivo
Abrasivo
Corpo 2 Sulcos lineares Substrato
Desgaste a dois corpos ou por deslizamento
Grãos = Corpo 3 Corpo 1
Superfície oposta
Desgaste a três corpos ou por deslizamento Corpo 2
Rolamento
Deslizamento
Trilha de abrasão curta
Abrasivo
2.4.4 Fadiga de Superfície
A fadiga superficial é um desgaste gerado pelos ciclos de contato, ou seja, são repetidas um grande número de vezes.
Analisando as superfícies de desgaste em seções transversais é possível verificar a ocorrência de uma intensa deformação do material diretamente abaixo da superfície. Essa deformação é mais intensa na superfície e se desloca na direção de deslizamento devido à força de atrito e os grãos são orientados paralelamente à direção de deslizamento, logo abaixo da superfície a deformação já não é tão intensa e diminui até desaparecer (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000; BHUSHAN, 2001). A Figura 30 ilustra os níveis de deformação de uma superfície.
Figura 30 – Níveis de deformação em uma superfície deformada.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
Material muito deformado
Material moderadamente deformado
Como as superfícies desgastadas contêm níveis muito elevados de deformação plástica se comparadas as superfícies sem desgaste, resulta na modificação da microestrutura do material e tem um grande efeito sobre o processo de desgaste.
A Figura 31 mostra a ilustração de como ocorre a fadiga determinada pelos mecanismos de iniciação e crescimento de trinca e fratura.
Uma trinca se origina na superfície em algum ponto mais fraco e se propaga para dentro do material através de planos preferenciais como planos de deslizamento. A nucleação de uma segunda trinca se inicia a partir da primeira. Quando estas trincas que estão conectadas se propagam e atingem a superfície, ocorre o destacamento desta partícula de desgaste resultando na fratura do material (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000).
Figura 31 – Ilustração esquemática do processo de nucleação e propagação de trinca superficial.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
Adesão ou atrito elevado
1) Nucleação da trinca por fadiga 2) Propagação da trinca primária ao longo de um plano de escorregamento
3) Nucleação de trinca secundária 4) Propagação da trinca secundária e formação de partícula de desgaste
2.4.5 Corrosão e Oxidação (Desgaste Triboquímico)
A corrosão e a oxidação podem ocorrer em muitas situações mesmo com a utilização ou não de lubrificantes. A principal causa na ocorrência dessas formas de desgaste é a reação química que ocorre entre o material desgastado e o meio de corrosão que pode ser um reagente químico, um lubrificante reativo ou o ar atmosférico.
O desgaste corrosivo é um termo geral relativo a qualquer forma de desgaste químico ou processo corrosivo, enquanto que o desgaste oxidativo, refere-se ao desgaste de metais não lubrificados na presença de ar ou oxigênio atmosférico mudando as taxas do coeficiente de atrito e de desgaste (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000).
A Figura 32 mostra os mecanismos do desgaste oxidativo realizados em baixas velocidades de deslizamento abaixo de 1 m/s. Como a temperatura de atrito não é alta o suficiente para causar oxidação rápida nas pontas das asperezas, ocorre apenas a formação de filmes de óxido na superfície desgastada.
Os óxidos fraturados e as partículas de desgaste metálicas oxidadas compactadas formam "ilhas" de óxidos na superfície de desgaste, com o aumento da distância de deslizamento as áreas dessas "ilhas" também aumentam gerando uma redução no coeficiente de atrito.
Figura 32 – Mecanismo de desgaste oxidativo em baixas velocidades.
Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2000.
Filmes iniciais (5nm) de óxidos e
contaminantes
Desgaste severo, perda do filme inicial
Migração das partículas ao longo da superfície Óxidos
Fina camada de óxido não aderida (1 - 5 nm) de espessura
Filme espesso de óxidos em algumas asperezas
Denso filme de óxidos (esmalte) espalhado
sobre as asperezas
1 µm
Partículas compactadas, (5 - 500 nm) de diâmetro
1. Condição inicial 2. Recuperação parcial do
desgaste severo
Detalhe da camada densa de
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são descritos os procedimentos experimentais adotados neste trabalho, bem como os equipamentos e parâmetros utilizados.
Todo o trabalho experimental foi realizado nos laboratórios de Tratamentos Térmicos, Metalurgia do Pó e de Caracterização de Materiais, de Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) do Centro de Ciências Tecnológicas (CCT) da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC) em Joinville - SC.
3.1 MATERIAIS
Os materiais utilizados foram dois aços comuns ao carbono, ABNT 1020 e ABNT 1045. Estes materiais foram usados como substrato por serem aços com percentuais de carbono bem definidos, possibilitando assim, avaliar a influência do teor de carbono na formação de camadas obtidas em tratamentos termoquímicos.
Para a boretação sólida foi utilizado o pó comercial Ekabor 1-V2® como agente boretante. Já para a nitretação, também em meio sólido, utilizou-se um granulado comercial denominado Turbonit k-20®.
Para os tratamentos termoquímicos duplex foram utilizados os mesmos agentes descritos anteriormente, tanto para boretação quanto para nitretação.
3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Figura 33 – Fluxograma das etapas do estudo.
Fonte: produção do próprio autor.
Boretação Nitretação Boretação + Nitretação Nitretação + Boretação
Volume de desgaste Coeficiente de atrito
Mecanismos de desgaste
Tratamentos Termoquímicos ABNT 1020 e 1045
Preparação das amostras
Corte Lixamento
Polimento Análise química
Caracterização Ensaio de desgaste
Análise e discussão dos resultados
MEV Microscopia óptica
3.3 EQUIPAMENTOS
Os equipamentos utilizados foram: • Lixadeira;
• Politriz;
• Forno tipo mufla;
• Tribômetro pino sobre disco;
• Perfilômetro (CV-2000 Contrace Mitutoyo); • Microscópio óptico;
• Microscópio eletrônico de varredura (DSM 940 A – Zeiss);
• Microdurômetro (Shimadzu HMV – 2T); • Difratômetro de raios-X (Shimadzu).
Para realização dos tratamentos termoquímicos foram preparadas 25 amostras de cada material. Inicialmente as amostras foram obtidas de barras cilíndricas com 3/4 polegadas de diâmetro. Foram cortadas amostras com aproximadamente 6 mm de espessura.
As duas superfícies planas de cada amostra foram lixadas até lixa 1200 e polidas com suspensão de alumina de 1 μm para padronização da superfície. Com as amostras polidas e devidamente identificadas, foram realizados os tratamentos termoquímicos.
3.4 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
Foram realizados para os dois tipos de materiais os tratamentos termoquímicos em quatro condições distintas: (1) boretação, (2) nitretação, (3) boretação seguido de nitretação e (4) nitretação seguida de boretação, os dois últimos denominados tratamento duplex ou multicomponente. Todos os tratamentos foram feitos por via sólida.
3.4.1 Tratamentos Termoquímicos de Boretação
O tratamento termoquímico de boretação foi do tipo sólida, utilizando um pó comercial denominado Ekabor 1-V2®. Este pó apresenta a composição aproximada de 5%p B4C, 5%p KBF4 e 90%p SiC (ASM INTERNATIONAL, 1991; USTA et al., 2006; GUNES; ULKER; TAKTAK, 2011).
Para a boretação as amostras foram acondicionadas em um recipiente de aço inoxidável (cadinho) cilíndrico com 46 mm de diâmetro. Foram boretadas até 3 amostras por vez, sendo que entre cada amostra havia uma camada de 15 mm de pó boretante e entre as amostras e a parede do recipiente cerca de 13 mm de pó. Antes de ser colocado no forno, era colocada uma tampa entre o pó Ekabor® e a areia de sílica para uma total vedação e para separar os dois.
Figura 34 – Ilustração do cadinho, amostra e pó Ekabor® para o tratamento termoquímico de boretação.
Fonte: produção do próprio autor.
Areia de Sílica
O tratamento foi realizado em forno do tipo mufla a temperatura de 1000 °C por 2 horas, após o tratamento as amostras foram resfriadas ao ar por 1 hora, as condições de boretação foram obtidas na literatura (KRELLING, 2012). O pó Ekabor® e o cadinho ao ser retirado do forno podem ser vistos na Figura 34. A Figura 35 apresenta, graficamente, as condições para os tratamentos termoquímicos de boretação realizados.
Figura 35 – Materiais utilizados para a boretação: (a) pó Ekabor®, (b) cadinho utilizado para boretação e (c) forno tipo mufla utilizado para os tratamentos termoquímicos.
Figura 36 – Representação gráfica dos tratamentos termoquímicos de boretação realizados.
Fonte: produção do próprio autor.
3.4.2 Tratamentos Termoquímicos de Nitretação
O tratamento termoquímico de nitretação também foi realizado por via sólida utilizando um granulado comercial chamado Turbonit k-20® que apresenta a fórmula estequiométrica Fe4KCN informada pelo fabricante do produto.
Os tratamentos termoquímicos de nitretação foram realizados em forno do tipo mufla, a temperatura utilizada foi de 560 °C por 10 horas e resfriadas ao ar por aproximadamente 1 hora, as condições de nitretação foram obtidas na literatura (ALMEIDA, 2009).
também em relação às bordas do recipiente. Foram totalmente cobertas pelo granulado para a nitretação sólida e recobertas com uma folha de alumínio para a vedação do recipiente e para o encapsulamento do gás gerado durante o aquecimento (Figura 37 (a)).
Figura 37 – Materiais utilizados para a nitretação: (a) recipiente vedado com alumínio, (b) granulado Turbonit k-20®.
Fonte: produção do próprio autor.
Embora este método de nitretação seja denominado nitretação sólida, na realidade o processo de nitretação ocorre de forma gasosa. Durante o aquecimento do granulado é formado um gás contendo nitrogênio atômico. Este nitrogênio é adsorvido pela superfície do material e, em seguida, ocorre difusão do nitrogênio para o interior do material (ALMEIDA, 2009; MILAN et al., 2009; FRANCO et al., 2011).
A Figura 38 apresenta, graficamente em termos de tempo e temperatura, as condições para os tratamentos termoquímicos de nitretação realizados.
Figura 38 – Representação gráfica dos tratamentos termoquímicos de nitretação.
Fonte: produção do próprio autor.
3.4.3 Tratamentos Termoquímicos Múltiplos
Os tratamentos múltiplos também denominados multicomponente ou duplex foram realizados com a finalidade de se formar uma camada dupla sobre a superfície das amostras. Foram realizados tratamentos em duas condições distintas: (i) boretação seguida de nitretação e (ii) nitretação seguida de boretação.
No caso do tratamento (i) as mostras foram boretadas e após resfriadas até a temperatura ambiente, foram trocadas de recipiente e nitretadas. O tratamento (ii) foi realizado de maneira análoga, porém, com a nitretação realizada antes da boretação.
tratamentos únicos, após o resfriamento submetido ao tratamento seguinte. Neste trabalho, estes tratamentos foram denominados de duplex.
3.5 CARACTERIZAÇÃO
As camadas obtidas foram caracterizadas por microscopia óptica e eletrônica de varredura, por difração de raios X e por microdureza vickers. Após esta caracterização foi avaliado o comportamento tribológico em todas as condições.
3.5.1 Microscopia Óptica
A microscopia óptica foi utilizada com o objetivo de analisar as camadas obtidas e o efeito do(s) tratamentos sobre a microestrutura dos aços.
As amostras foram cortadas transversalmente, embutidas, lixadas até a lixa com granulometria de 1200 e polidas com suspensão de alumina de 1 µm. Previamente às análises das superfícies avaliadas foram atacadas com nital 1%.
3.5.2 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
As amostras foram analisadas através de microscopia eletrônica de varredura, para evidenciar a formação e espessura das camadas de nitretos e boretos produzidas. As amostras utilizadas foram as mesmas já preparadas para a microscopia óptica.
3.5.3 Microdureza
Com o objetivo de avaliar a espessura e a resistência mecânica das camadas produzidas foram realizadas medições de microdureza. Foram realizadas medições nas superfícies e também foram levantados os perfis microdureza nas seções transversais das amostras.
Foram realizadas pelo menos três medições na superfície de cada amostra. Para obtenção do perfil de microdureza foram realizadas identações ao longo da seção transversal a partir da superfície. Fez-se uma média de três medidas em cada ponto. A carga utilizada foi de 490,3 mN (HV 0,05) ou 50 g, tempo de identação de 10 segundos e distância entre identações foram de 2,5 – 3 diagonais de identação.
3.5.4 Difração de Raios-X
A técnica de difração de raios-X foi utilizada com o intuito de identificar as fases presentes nas superfícies das amostras após os tratamentos termoquímicos.
Foi utilizado um tubo de cobre de radiação monocromática Cu Kα (l = 1,54060 Ångstrons).
Os difratogramas foram obtidos com ângulo de varredura (2θ) compreendido na faixa de 10 - 100°. Foi utilizado como referência o banco de dados JCPDSICDD (Joint Committee on Powder Diffraction Standards – International Centre for Diffraction Data) e software Phillips para verificação de picos.
3.5.5 Ensaio de Desgaste
