Avaliação da resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO ESPÍRITO SANTO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS

MAYCOLN DEPIANTI CONCI

AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO DESGASTE MICROABRASIVO DO AÇO FERRAMENTA AISI D2 NITRETADO A PLASMA

Vitória 2012

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MAYCOLN DEPIANTI CONCI

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Adonias Ribeiro Franco Junior

Vitória 2012

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C744a Conci, Maycoln Depianti

Avaliação da resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma / Maycoln Depianti Conci. – 2012.

145 f. : il. ; 30 cm

Orientador: Adonias Ribeiro Franco Junior.

Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

1. Resistência de materiais. 2. Aço – Tratamento térmico. 3. Materiais – Fadiga. 4. Nitretação. 5. Plasma (gases ionizados). I. Franco Junior, Adonias Ribeiro. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.

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MAYCOLN DEPIANTI CONCI

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Aprovado em 13 de Novembro de 2012

COMISSÃO EXAMINADORA

Prof. Dr. Adonias Ribeiro Franco Junior Instituto Federal do Espírito Santo

Orientador

Prof. Dr. Estéfano Aparecido Vieira Instituto Federal do Espírito Santo

Prof. Dr. Antonio Cesar Bozzi

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DECLARAÇÃO DO AUTOR

Declaro, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que a presente Dissertação de Mestrado pode ser parcialmente utilizada desde que se faça referência à fonte e ao autor.

Vitória, 13 de Novembro de 2012.

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AGRADECIMENTOS A Deus, sempre presente.

Aos meus pais que me ensinaram os valores da honestidade e da educação. A minha mulher Danielle por sempre ficar ao meu lado.

Ao meu grande amigo Maurício S. de Araújo pela ajuda fundamental.

Ao professor Dr. Adonias Ribeiro Franco Júnior pelo apoio constante na realização dos experimentos e paciência nas orientações.

Aos professores, técnicos e monitores do laboratório de processos de usinagem da Escola Centro Universo pela ajuda na preparação das amostras.

Aos colegas e professores do Instituto Federal do Espírito Santo, André Melado pela ajuda com informações preciosas e Luiz Antonio Coco pelo grande apoio com o corte, embutimento e realização dos ensaios de microdureza.

Aos professores do Laboratório de Ensaios Metalográficos do Instituto Federal do Espírito Santo, Flávio A. de Morais Pinto e Antonio C. G. de Queiroz pela colaboração com preparação de amostras para metalografia.

Ao técnico do IFES, Ricardo Boldrini pela ajuda com as difrações de raios-x e na produção das imagens das camadas nitretadas.

Aos professores Dr. Estefano A. Vieira e Dr. Leonardo C. Contijo pelo constante exemplo e incentivo às pesquisas.

Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do IFES – PROPEMM, por tornar possível a realização deste trabalho.

Aos muitos amigos que fiz durante a realização do mestrado, dentre os quais destaco: Denner Nespoli, Pedro Viana, Armando Marques, Iraldo, Rafael Stange, Conceição, Evelyn e Amanda.

Ao Prof. Dr. Antonio Cesar Bozzi do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Espírito Santo pelo apoio nas micrografias de MEV. À empresa Villares Metals S.A pelo fornecimento do aço ferramenta AISI D2. Por fim, a todos que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho, que por acaso não tenha citado aqui. MUITO OBRIGADO.

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“Qualquer caminho é apenas um caminho e não constitui insulto algum - para si mesmo ou para outros – abandoná-lo quando assim ordena o seu coração. (...) Olhe cada caminho com cuidado e atenção. Tente-o tantas vezes quantas julgar necessárias... Então, faça a si mesmo e apenas a si mesmo uma pergunta: possui esse caminho um coração? Em caso afirmativo, o caminho é bom. Caso contrário, esse caminho não possui importância alguma.”

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RESUMO

A nitretação iônica ou nitretação a plasma é considerada uma das primeiras técnicas a plasma amplamente usada para a modificação das superfícies de materiais em aplicações tribológicas na indústria. O presente trabalho estuda relações entre resistência ao desgaste microabrasivo, tempo de tratamento e temperaturas aplicadas na formação de camadas nitretadas do aço ferramenta AISI D2. Amostras foram tratadas em dois diferentes patamares de temperatura a 470 ºC e 500 ºC com uma pressão fixada em 4 Torr e três diferentes potenciais de nitrogênio foram usados na composição das misturas gasosas de N2 e H2, sendo 5% de N2com 95% de H2, 10% de N2com 90% de H2e 20% de N2com 80% de H2, todos por períodos de 1, 3 e 6 horas, produzindo assim um conjunto de 18 condições de tratamento. O aprimoramento das propriedades tribológicas do aço ferramenta AISI D2 foi analisado por meio de ensaios de microdureza superficial, pelo delineamento do perfil de dureza das camadas nitretadas e ensaio de desgaste microabrasivo com esfera livre. A caracterização do material foi realizada usando microscopia óptica com diferentes tipos de reagentes e por meio de difração de raios-X. Por fim, as calotas produzidas durante os ensaios de microabrasão foram investigadas com auxílio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) no intuito de identificar a predominância dos mecanismos de desgaste impostos ao material. Ficou evidenciado que curtos períodos de tempo são responsáveis por um pico de endurecimento do material próximo da superfície em torno 1375 HV, associado aos melhores índices de resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 mesmo com camadas de menor espessura. As condições que apresentaram melhor desempenho tiveram um incremento de 20% na resistência ao desgaste e de 100% na dureza superficial quando comparadas ao material não tratado.

Palavras-chave: Desgaste Microabrasivo. Aço Ferramenta AISI D2. Nitretação a Plasma.

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ABSTRACT

Ion nitriding or plasma nitriding is one of the first widely used techniques using plasma for modification of material surfaces in industrial tribological applications. This paper studies the relations between microabrasive wear resistance, treatment time and temperatures applied in the formation of nitrided layers of AISI D2 tool steel. Samples were treated at two different levels of temperature, 470 °C and 500 °C, at a pressure set at 4 Torr and three different potentials of nitrogen were used in the composition of the gas mixture of N2 and H2, 5% N2- 95% H2, 10% N2- 90% H2 and 20% N2- 80% H2, all for periods of 1, 3 and 6 hours, thereby producing a set of 18 treatment conditions. The improvement of tribological properties of AISI D2 tool steel was analyzed by microhardness tests, the design of the hardness profile of the nitrided layers and microabrasive wear test with free ball. The characterization of the material was performed using optical microscopy with different types of reagents and by X-ray diffraction. Finally, the craters produced during microabrasion wear test were investigated with the aid of scanning electron microscopy (SEM) in order to identify the prevalence of the wear mechanisms imposed on the material. It was demonstrated that short periods of time are responsible for a hardening peak in the material near the surface, about 1375HV, associated with the best combination of microabrasive wear resistance AISI D2tool steel even with layers of lesser thickness. The conditions that showed the best performance had a 20% wear resistance increase and a 100%hardness increase when compared to the untreated material.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1- Tipos de desgaste que ocorrem em máquinas industriais. ... 28

Figura 3.2 - Distribuição das falhas por desgaste. ... 29

Figura 3.3 - Fatores tribológicos com influência no desgaste abrasivo ... 30

Figura 3.4 - Modelo simplificado do desgaste abrasivo ... 31

Figura 3.5 - Desgaste abrasivo a dois-corpos. ... 32

Figura 3.6 - Desgaste abrasivo a três-corpos. ... 32

Figura 3.7 - Configurações mecânicas dos processos abrasivos. ... 33

Figura 3.8 - Representação do desgaste abrasivo a dois-corpos e a três corpos...34

Figura 3.9 - Interação física entre partículas abrasivas e superfícies de materiais...35

Figura 3.10 - Seção transversal do sulco/risco de desgaste para definição dos valores de Fab. ... 36

Figura 3.11 - Relação de microcorte para microssulcamento como função da relação entre o ângulo de ataque e o ângulo critico de ataque da partícula abrasiva... 37

Figura 3.12 - Taxa de desgaste relativo ... 38

Figura 3.13 - Indentação da superfície. ... 38

Figura 3.14 - Formas de partículas de quartzo. ... 39

Figura 3.15 - Influência do tamanho da partícula abrasiva no desgaste abrasivo a dois, três-corpos e erosão ... 40

Figura 3.16 – Curvas de têmpera e revenimento para um aço AISI D2 ... 42

Figura 3.17 - Mecanismos de desgaste microabrasivo em função da concentração de SiC e da carga de ensaio para um aço ferramenta temperado e revenido (775 HV). Abrasivo: SiC (4,25µm) ... 44

Figura 3.18 - Superfície de desgaste de um aço ferramenta temperado e revenido após ensaio de microabrasão. Fração volumétrica de SiC de 0,237 (1,0 g.cm-3) e carga aplicada de 0,25 N ... 44

Figura 3.19 - Superfície de desgaste de um aço ferramenta temperado e revenido (775 HV) após ensaio de microabrasão. Fração volumétrica de diamante na lama abrasiva de 0,0009 (0,003g cm-3) e carga de ensaio de 0,25 N... 45

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Figura 3.20 - Representação esquemática de um reator típico usado no

tratamento termoquímico de nitretação a plasma ... 49 Figura 3.21 - Curva tensão de descarga brilhante, “glow-discharge” X

densidade de corrente elétrica, destacando a região propícia para

nitretação a plasma ... 50 Figura 3.22 - (a) Aspecto do plasma durante a descarga luminosa anômala e (b) queda de tensão na região do catodo ... 51 Figura 3.23 - Principais interações plasma–superfície do catodo durante

bombardeio iônico ... 53 Figura 3.24 - Representação da morfologia da camada nitretada. ... 57 Figura 3.25 - Redistribuição do carbono no aço AISI M2 nitretado a plasma a

550 ºC com 25 % de N2 e 75% de H2 na composição da mistura gasosa por tempos de 30 minutos e 2 horas. ... 58 Figura 3.26 - Configurações da metalurgia da superficie nitretada em função

da composição gasosa presente no plasma ... 59 Figura 3.27 - Perfil de dureza do aço ferramenta AISI H13 nitretado com uma

mistura gasosa com 30% de N2, por 5 horas em várias temperaturas .. 60 Figura 3.28 - Diagrama de fases do sistema Fe-N ... 62 Figura 3.29 - A esquerda: Precipitação in situ do nitreto: Fe4N-Ɣ‟ (agulhas) a

partir do nitreto: Fe16N2-α‟‟ (plaquetas) na microestrutura de um aço baixo carbono (Fe-0,15%C) nitretado a 530 °C, por 6 horas, e envelhecido a 300 °C, por 6 horas (95). A direita: :Micrografia eletrônica da região onde coexistem os nitretos Fe4N, Fe16N e microconstituinte perlita na amostra de aço carbono AISI 1010, nitretada a 500 ºC, com 20% de N2 e 80% de H2 por 2 horas ... 62 Figura 3.30 - Corte isotérmico a 575 °C do diagrama ternário do sistema

Fe-C-N: α, ferrita; Ɣ, austenita; χ, Fe5C2 e z, Fe3C carbonetos de ferro; ε, Fe2-3(N,C) e Ɣ‟, Fe4(N,C) carbonitretos de ferro ... 64

Figura 3.31 - Micrografia óptica mostrando a microestrutura de uma camada nitretada obtida em aço ferramenta AISI D2 nitretado por 10 horas, com 75% de N2, a 520 ºC ... 66 Figura 3.32 - Influência do teor de carbono na espessura: (a) camada de

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Figura 3.33 - Influência de elementos de liga na profundidade da zona de difusão. Aço com 0,35%C, 0,3%Si e 0,7Mn ... 68 Figura 3.34 - Perfis de endurecimento da camada nitretada em função do

tempo de nitretação para o aço-ferramenta H13 nitretado a plasma ... 69 Figura 3.35 - Curva potencial início de formação de camada branca para o

aço baixa liga AISI 4140 (0,3%C; 1,0%Cr; 0,2%Mo). Temperatura de nitretação: 480°C ... 70 Figura 3.36 - Influência do teor de elementos de liga na posição das curvas

potencial início de formação de camada branca ... 70 Figura 4.1 - Curvas de revenimento em função da temperatura de

austenitização para o aço ferramenta do tipo D2 ... 73 Figura 4.2 - Reator de nitretação a plasma usado neste trabalho ... 74 Figura 4.3 - Equipamento de desgaste microabrasivo por esfera livre,

“calowear” ... 77 Figura 4.4 - Montagem experimental mostrando equipamento e acessórios

para ensaio de microabrasão “calowear” ... 78 Figura 4.5 - Dimensões do eixo motor usado nos ensaios de microabrasão ... 80 Figura 4.6 – Vista de uma cratera de desgaste com diâmetro “b” ... 81 Figura 5.1 - Microestrutura do aço ferramenta AISI D2 no estado recozido.

Carbonetos globulares (pequenos) e grandes (formato irregular) distribuídos na matriz ferrítica. Ataque Nital 3 %, Dureza: 230 HB (seção transversal). Aumento 1000X ... 82 Figura 5.2 - Difratograma de raios-x do aço ferramenta AISI D2 no estado

recozido ... 83 Figura 5.3 - Microestrutura do aço ferramenta AISI D2 no estado temperado

(austenitizado a 1080 °C, por 30 minutos, e resfriado em óleo).

Carbonetos grandes e pequenos carbonetos globulares numa matriz de martensita. Nital 3 %, Dureza: 65 HRC (seção transversal) ... 84 Figura 5.4 - Difratograma de raios-x do aço ferramenta AISI D2 no estado

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Figura 5.5 - Microestrutura do aço ferramenta AISI D2 no estado temperado e revenido (austenitizado a 1080 °C, resfriado em óleo e revenido a 540°C por 2 horas). Martensita revenida e carbonetos M7C3. Ataque químico: Nital 3%, Dureza: 57 HRC (seção transversal).

Aumento:1000X ... 85 Figura 5.6 - Difratograma de raios-x do aço ferramenta AISI D2 no estado

temperado e revenido ... 86 Figura 5.7 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função da distância

deslizada para o aço ferramenta AISI D2 temperado e revenido... 87 Figura 5.8 - Calota de desgaste do aço ferramenta D2 após ensaio de

microabrasão com concentração de SiC na lama abrasiva de 0,75 g.cm-3, força normal de 0,26 N, distância deslizada de 488 m.

Aumento: 70X ... 88 Figura 5.9 - Superfície de desgaste do aço ferramenta D2 após ensaio de

microabrasão com concentração de SiC na lama abrasiva de 0,75 g.cm-3, força normal de 0,26 N, distância deslizada de 488 m. Região central da cratera de desgaste. Aumento: 1000X ... 88 Figura 5.10 - Micrografia da camada nitretada a 470°C, com 5% de N2 por

um tempo de 6 horas. Ataque Nital 3%. Aumento: 200X ... 89 Figura 5.11 - Difratograma de raios-x do aço ferramenta AISI D2 nitretado a

470°C, com 5% de N2, por diferentes tempos ... 90 Figura 5.12 - Micrografia da camada nitretada a 470°C, com 10% de N2 por

um tempo de 3 horas. Ataque Nital 3%. ... 91 Figura 5.13 - Micrografia da camada nitretada a 470°C, com 10% de N2 por

um tempo de 6 horas. Ataque Nital 3%. ... 91 Figura 5.14 - Difratograma de raios-x do aço ferramenta AISI D2 nitretado a

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Figura 5.18 - Difratograma de raios-x do aço ferramenta AISI D2 nitretado a 470°C, com 20% de N2, por diferentes tempos ... 95 Figura 5.19 - Micrografia da camada nitretada a 500°C, com 5% de N2 por

um tempo de 1 hora. Ataque Nital 3%. ... 99 Figura 5.24 - Micrografia da camada nitretada a 500°C, com 20% de N2 por

500°C, com 20% de N2, por diferentes tempos ... 101 Figura 5.26 - Perfis de dureza das camadas nitretadas obtidas a 470°C, com

5% de N2, por diferentes tempos, para o aço ferramenta AISI D2 .... 102 Figura 5.27 - Variação da dureza no topo da camada nitretada do aço

ferramenta AISI D2 após nitretação a 470°C, com 5% de N2, por

diferentes tempos ... 103 Figura 5.28 - Micrografias das camadas nitretadas a 470°C, com 10% de N2

por tempos de 1, 3 e 6 horas (esquerda para direita). Ataque Nital... 104 Figura 5.29 - Perfis de dureza das camadas nitretadas obtidas a 470°C, com

10% de N2, por diferentes tempos, para o aço ferramenta AISI D2 .. 104 Figura 5.30 - Variação da dureza no topo da camada nitretada do aço

ferramenta AISI D2 após nitretação a 470°C, com 10% de N2, por diferentes tempos ... 105 Figura 5.31 - Micrografias das camadas nitretadas a 470°C, com 10% de N2

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Figura 5.33 - Variação da dureza no topo da camada nitretada do aço ferramenta AISI D2 após nitretação a 470°C, com 20% de N2, por diferentes tempos ... 107 Figura 5.34 - Micrografias das camadas nitretadas a 470°C, com 20% de N2

5% de N2, por diferentes tempos, para o aço ferramenta AISI D2 .... 108 Figura 5.36 - Variação da dureza no topo da camada nitretada do aço

diferentes tempos...109 Figura 5.37 - Micrografias das camadas nitretadas a 500°C, com 5% de N2

por tempos de 1, 3 e 6 horas (esquerda para direita). Ataque

Nital...109 Figura 5.38 - Perfis de dureza das camadas nitretadas obtidas a 500°C, com

10% de N2, por diferentes tempos, para o aço ferramenta AISI D2...110 Figura 5.39 - Variação da dureza no topo da camada nitretada do aço

ferramenta AISI D2 após nitretação a 500°C, com 10% de N2, por diferentes tempos...111 Figura 5.40 - Micrografias das camadas nitretadas a 500°C, com 10% de N2

por tempos de 1, 3 e 6 horas (esquerda para direita). Ataque Nital...111 Figura 5.41 - Perfis de dureza das camadas nitretadas obtidas a 500°C, com

20% de N2, por diferentes tempos, para o aço ferramenta AISI D2...112 Figura 5.42 - Variação da dureza no topo da camada nitretada do aço

diferentes tempos...113 Figura 5.43 - Micrografias das camadas nitretadas a 500°C, com 20% de N2

por tempos de 1, 3 e 6 horas (esquerda para direita). Ataque Nital...113 Figura 5.44 - Curvas PLN para o aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma

nas temperaturas de 470ºC...114 Figura 5.45 - Curvas PLN para o aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma nas temperaturas de 500ºC ... 114 Figura 5.46 - Curvas PLN para o aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma

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Figura 5.47 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de nitretação para as camadas nitretadas a 470°C, com 5% de N2 na mistura gasosa... 117 Figura 5.48 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de

nitretação para as camadas nitretadas a 470°C, com 10% de N2 na mistura gasosa...118 Figura 5.49 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de

nitretação para as camadas nitretadas a 470°C, com 20% de N2 na mistura gasosa... ...118 Figura 5.50 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de

nitretação para as camadas nitretadas a 500°C, com 5% de N2 na

mistura gasosa...119 Figura 5.51 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de

nitretação para as camadas nitretadas a 500°C, com 10% de N2 na mistura gasosa...119 Figura 5.52 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de

nitretação para as camadas nitretadas a 500°C, com 20% de N2 na mistura gasosa...119 Figura 5.53 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do potencial

de N2 na mistura gasosa para as camadas nitretadas a 470°C, por

tempos de 1 hora...120 Figura 5.54 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do potencial

de N2 na mistura gasosa para as camadas nitretadas a 470°C, por tempos de 3 horas...120 Figura 5.55 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do potencial

de N2 na mistura gasosa para as camadas nitretadas a 470°C, por tempos de 6 horas...121 Figura 5.56 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do potencial

de N2 na mistura gasosa para as camadas nitretadas a 500°C, por tempos de 1 hora...122 Figura 5.57 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do potencial

de N2 na mistura gasosa para as camadas nitretadas a 500°C, por

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Figura 5.58 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do potencial de N2 na mistura gasosa para as camadas nitretadas a 500°C, por tempos de 6 horas...122 Figura 5.59 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função da temperatura

de nitretação para as camadas nitretadas com 5% de N2, por

diferentes tempos...124 Figura 5.60 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função da temperatura

diferentes tempos...124 Figura 5.61 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função da temperatura

diferentes tempos...124 Figura 5.62 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função do tempo de

nitretação para as camadas nitretadas a 470°C e 500ºC, com 5, 10 e 20% de N2 na mistura gasosa...126 Figura 5.63 - Volume de desgaste em função do tempo de nitretação das

camadas nitretadas a 470°C, com 5, 10 e 20% de N2...127 Figura 5.64 - Volume de desgaste em função do tempo de nitretação das

camadas nitretadas a 500°C, com 5, 10 e 20% de N2...127 Figura 5.65 - Volume de desgaste em função do tempo de nitretação das

camadas nitretadas a 470ºC e 500°C, com 5, 10 e 20% de N2...128 Figura 5.66 - Massa desgastada em função do tempo de nitretação das

camadas nitretadas a 470ºC e 500°C, com 5, 10 e 20% de N2...128 Figura 5.67 - Resistência ao desgaste em função do tempo de nitretação das

camadas nitretadas a 470ºC e 500°C, com 5, 10 e 20% de N2...129 Figura 5.68 - - Calota de desgaste da camada nitretada do aço ferramenta

D2 nitretado a 470 ºC com 10 % de N2 por 3 horas após ensaio de microabrasão. Região central da cratera de desgaste...129 Figura 5.69 - Superfície desgastada da camada nitretada do aço ferramenta

D2 nitretado a 470ºC com 10 % de N2 por 3 horas. Região central da cratera de desgaste...130 Figura 5.70 - Superfície desgastada da camada nitretada do aço ferramenta

D2 nitretado a 500 ºC com 10 % de N2 por 3 horas. Região de borda da cratera de desgaste...130

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Figura 5.71 - Calotas de Desgaste, centro da superfície desgastada e borda da calota de desgaste do aço ferramenta AISI D2 nitretado com 10% de N2, a 470°C, por 1 hora (a), 3 horas (b), e por 6 horas (c) (da esquerda para direita)...131 Figura 5.72 - Calotas de Desgaste, centro da superfície desgastada e borda

da calota de desgaste do aço ferramenta AISI D2 nitretado com 10% de N2, a 500°C, por 1 hora (a), 3 horas (b), e por 6 horas (c) (da esquerda para direita)...132 Figura 5.73 - Superfície desgastada da camada nitretada do aço ferramenta

D2 nitretado a 470 ºC com 10 % de N2 por 3 horas com diamante como abrasivo. (da esquerda para direita) Calota de desgaste, região central da calota, e borda da cratera de desgaste...132

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LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1- Tipos de Aços Ferramentas (AISI/ SAE) ... 41

Tabela 3.2 - Fases presentes no sistema Fe-N e solubilidade máxima do nitrogênio a 500 ºC. ... 63

Tabela 3.3 - Alguns carbonetos presentes no sistema ternário Fe-C-Cr ... 65

Tabela 3.4 - Coeficientes de difusão do nitrogênio no Fe-α e nos nitretos de ferro (Fe4N e Fe2-3N) a 530 °C ... 67

Tabela 4.1 - Composição química (% em massa) do aço AISI D2 Villares Metals S.A ... 71

Tabela 4.2 - Composição química (% em massa) do aço AISI D2. ... 71

Tabela 4.3 - Condições de austenitização dos aços ferramenta D2 ... 72

Tabela 4.4 - Condições de revenimento do aço ferramenta D2...72

Tabela 4.5 - Parâmetros empregados na nitretação das amostras. ... 76

Tabela 5.1 - Espessura das camadas nitretadas do aço ferramenta AISI D2 após nitretação a plasma a 470 °C, com 5% de N2 na mistura gasosa, por diferentes tempos. ... 102

Tabela 5.2 - Espessura das camadas nitretadas do aço ferramenta AISI D2 após nitretação a plasma a 470 °C, com 10% de N2 na mistura gasosa, por diferentes tempos ... 105

Tabela 5.3 - Espessura das camadas nitretadas do aço ferramenta AISI D2 após nitretação a plasma a 470 °C, com 20% de N2 na mistura gasosa, por diferentes tempos. ... 106

Tabela 5.5 - Espessura das camadas nitretadas do aço ferramenta AISI D2 após nitretação a plasma a 500 °C, com 10% de N2 na mistura gasosa, por diferentes tempos...110

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Tabela 5.7 - Coeficiente de desgaste microbrasivo das camadas nitretadas a 470°C em função do potencial de N2 e do tempo de nitretação ... 116 Tabela 5.8 - Coeficiente de desgaste microbrasivo das camadas nitretadas a 500°C em função do potencial de N2 e do tempo de nitretação ... 116

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LISTA DE ABREVIATURAS

AISI – American Iron and Steel Institute.

D2 – Aço Ferramenta AISI D2 para Trabalho a Frio.

Torr – Torricelli, Unidade de Pressão (1 Torr = 133,32 Pa (Pascal)). N2– Nitrogênio.

H2– Hidrogênio.

PIB – Produto Interno Bruto.

DIN – Deutsches Institut für Normung.

SAE – Society of Automotive Engineers – EUA. HB – Dureza Brinell.

HRC – Dureza Rockwell. HV – Dureza Vickers. MO – Microscopia Óptica.

MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura. c.a – Corrente Alternada.

c.c – Corrente Contínua.

PVD – Physical vapor deposition. d.d.p – Diferença de Potencial. SiC – Carbeto de Silício.

sccm– Centímetros Cúbicos por Minuto (unidade de fluxo). Hz – Hertz.

V – Volt.

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 23 2 OBJETIVOS ... 25 2.1OBJETIVOSESPECÍFICOS ... 25 3 REVISÃO DA LITERATURA ... 26 3.1TRIBOLOGIA ... 26 3.1.1 Desgaste ... 27 3.1.1.1 Desgaste Abrasivo ... 30 3.1.1.1.1 Modelagem Teórica ... 31

3.1.1.1.2 Dureza da Partícula Abrasiva ... 37

3.1.1.1.3 Forma da Partícula Abrasiva... 39

3.1.1.1.4 Tamanho da Partícula Abrasiva ... 40

3.2AÇOSFERRAMENTA ... 40

3.2.1 Aços Ferramenta para Trabalho a Frio ... 41 3.2.2 Aço Ferramenta AISI D2 ... 42 3.2.3 Abrasão de aços ferramentas (substrato) ... 42

3.3NITRETAÇÃO ... 46

3.3.1 Nitretação assistida por plasma... 47 3.3.2 Plasmas usados no tratamento de materiais ... 47 3.3.3 O processo ... 48

3.3.3.1 Descargas luminosas ... 49

3.3.4 Técnica do Plasma Pulsado ... 52 3.3.5 Reações e Interações do plasma coma superfície do catodo ... 53 3.3.6 Morfologia, microestrutura e formação da camada nitretada ... 57 3.3.7 Influência dos parâmetros de processo na camada nitretada ... 59 3.3.8 Sistemas Fe-N, Fe-C-N e Fe-C-Cr ... 61 3.3.9 Sistema Fe-C-N ... 63 3.3.10 Sistema ternário Fe-C-Cr ... 64 3.3.11 Sistema Fe-Cr-N... 65 4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 71 4.1MATERIAISDOSUBSTRATO... 721 4.1.1 Composição Química ... 71 4.1.2 Corpos de prova ... 71 4.2TRATAMENTOSTÉRMICOS ... 72 4.2.1 Austenitização ... 72 4.2.2 Revenimento ... 72 4.3METALOGRAFIA... 73 4.4TRATAMENTOTERMOQUÍMICODENITRETAÇÃOAPLASMA... 74

4.4.1 Equipamentos ... 74 4.4.2 Outros acessórios necessários à nitretação das amostras ... 75 4.4.3 Condicionamento e limpeza das amostras para nitretação ... 75 4.4.4 Condições de nitretação ... 75 4.4.5 Perfis de dureza das camadas nitretadas ... 76 4.4.6 Análise microestrutural da camada nitretada ... 77

(24)

4.5.1 Condições de ensaio ... 78 4.5.2 Distância de deslizamento (L) ... 79 4.5.3 Volume de desgaste (V) ... 80 4.5.4 Coeficiente de desgaste (K) ... 81 4.5.5 Análise das calotas geradas nos ensaios de desgaste microabrasivo ... 81 5 RESULTADOS EDISCUSSÃO ... 82

5.1CARACTERIZAÇÕESDOMATERIALDESUBSTRATO ... 82 5.1.1 Material no estado recozido ... 82

5.1.2 Material no estado temperado ... 83 5.1.3 Material no estado temperado e revenido ... 85 5.1.4 Ensaio de desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 ... 86

5.2MICROESTRUTURASDASCAMADASNITRETADAS ... 89

5.2.1 Camadas nitretadas na temperatura de 470°C ... 89

5.2.1.1 Camada nitretada com 5% de N2, por diferentes tempos ... 89 5.2.1.2 Camada nitretada com 10% de N2, por diferentes tempos ... 90 5.2.1.3 Camada nitretada com 20% de N2, por diferentes tempos ... 92

5.2.2 Camada nitretada na temperatura de 500°C ... 96

5.2.2.1 Camada nitretada com 5% de N2, por diferentes tempos ... 96 5.2.2.2 Camada nitretada com 10% de N2, por diferentes tempos ... 97 5.2.2.3 Camada nitretada com 20% de N2, por diferentes tempos ... 99 5.3DUREZASDETOPOEPERFISDEDUREZA ... 101

5.3.1 Camada nitretada na temperatura de 470 °C ... 101

5.3.1.1 Camada nitretada com 5% de N2, por diferentes tempos ... 101 5.3.1.2 Camada nitretada com 10% de N2, por diferentes tempos ... 104 5.3.1.3 Camada nitretada com 20% de N2, por diferentes tempos ... 106

5.3.2 Camadas nitretadas na temperatura de 500 °C ... 108

5.3.2.1 Camada nitretada com 5% de N2, por diferentes tempos ... 108 5.2.2.2 Camada nitretada com 10% de N2, por diferentes tempos ... 110 5.2.2.3 Camada nitretada com 20% de N2, por diferentes tempos ... 111 5.4CURVASPOTENCIALLIMITEDENITRETAÇÃO(PLN) ... 114 5.5RESISTÊNCIAAODESGASTEMICROABRASIVO ... 116

5.5.1 Coeficientes de desgaste ... 116 5.5.2 Influência do tempo de nitretação a plasma na resistência ao desgaste microabrasivo ... 116 5.5.3 Influência do potencial de nitrogênio na resistência ao desgaste

microabrasivo ... 120 5.5.4 Influência da temperatura de nitretação a plasma na resistência ao

desgaste microabrasivo ... 123 5.5.2 Volume de desgaste ... 126 5.5.3 Perda de massa e resistência ao desgaste ... 128 5.5.4 Mecanismos de desgaste ... 129 6 CONCLUSÕES ... 133 7 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ... 134 REFERÊNCIAS ... 135

(25)

1 INTRODUÇÃO

A indústria metal mecânica para a fabricação de ferramentas de conformação e corte a frio tem o aço AISI D2 como um dos mais amplamente utilizados por combinar propriedades de resistência ao desgaste e tenacidade. O aço ferramenta AISI D2 é destinado à fabricação de matrizes de estampos de grande porte, matrizes de extrusão a frio, ferramentas de furação, cunhagem, corte e puncionagem, rolos laminadores de roscas, calibradores, entrepontos para tornos, moldes para cerâmica, entre outras aplicações.

A resistência ao desgaste é uma das propriedades mais importantes do aço ferramenta AISI D2 e relaciona-se à dureza da matriz martensítica combinada com a presença de carbonetos. Os níveis de resistência ao desgaste podem ser otimizados pela utilização de tratamentos superficiais, neste caso, o tratamento termoquímico de nitretação é um processo importante para elevar a resistência ao desgaste deste material.

Para tratamentos superficiais de ligas metálicas são cada vez mais utilizadas técnicas que fazem uso de feixe de íons ou feixes de elétrons, plasma, laser e deposição química e física de vapor, em substituição às técnicas convencionais, tais como zincagem, galvanoplastia, nitretação gasosa e cementação, que utilizam substâncias nocivas ao meio ambiente.

A modificação de superfícies utilizando partículas ionizadas pode ser feita de dois modos. Um deles é a implantação iônica, que consiste na incidência de um fluxo íons de alta energia acelerado por meio de um campo elétrico e diretamente implantado em um material. O outro método é a nitretação assistida por plasma, que consiste na imersão do material a ser tratado em gás ionizado promovendo a difusão de espécies para o interior da superfície (1,2).

A nitretação assistida por plasma, também conhecida como nitretação por descarga luminescente (3), originou-se na década de 1920, mas só a partir de 1970 começou a ser aplicada comercialmente. O processo físico-químico de endurecimento superficial pela introdução de nitrogênio atômico consiste na utilização de uma mistura gasosa composta de nitrogênio e hidrogênio em quantidades variáveis, em uma câmara com pressão entre 1 e 10 Torr, onde é aplicada uma diferença de

(26)

potencial entre a peça a ser nitretada e o reator. A mistura gasosa é ionizada e íons N+ são acelerados contra a peça (4). Através de processos de adsorção e difusão de nitrogênio termicamente ativado, ocorre a distorção do reticulado através da formação de nitretos de ferro e de nitretos de elementos de liga além do nitrogênio em solução sólida. Com isso, são atingidas propriedades mecânicas e tribológicas superiores àquelas do material base (4).

O processo de nitretação a plasma apresenta vantagens em relação a tratamentos convencionais de nitretação (5,6), especialmente no que diz respeito ao controle das características das camadas obtidas: profundidade, microestrutura e espessura da camada nitretada. Adicionalmente, a nitretação iônica apresenta um baixo consumo de energia e menor distorção nas dimensões das peças.

O intuito do presente trabalho foi efetuar o tratamento superficial de nitretação iônica no aço ferramenta AISI D2 em diferentes temperaturas, identificar as alterações ocorridas nas camadas nitretadas com variação do tempo de tratamento e composição de mistura de gases e verificar as modificações microestruturais responsáveis pelo aprimoramento das propriedades mecânicas na superfície da liga com influência direta na dureza e resistência ao desgaste do material.

(27)

2 OBJETIVOS

Esta pesquisa visa contribuir para a melhoria do conhecimento acerca da resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma, avaliar a influência das características da camada nitretada sobre a resistência ao desgaste microabrasivo deste material e investigar quais parâmetros de nitretação (tempo de nitretação, percentual de nitrogênio na mistura de gás e temperatura) que permitem aumentar a resistência ao desgaste microabrasivo.

2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Efetuar o tratamento superficial de nitretação iônica no aço ferramenta AISI D2 em diferentes temperaturas com variação do tempo de tratamento e composição de mistura de gases

Determinar condições tribológicas para exame de resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma.

Ranquear amostras do aço AISI D2 nas diferentes condições de tratamento quanto sua resistência à ação abrasiva em condições padronizadas.

Identificar as alterações ocorridas nas camadas nitretadas e o efeito da microestrutura sobre a resistência ao desgaste microabrasivo do material.

Avaliar a influência das variáveis de processo (tempo, temperatura e composição da mistura de gases) nas propriedades tribológicas (dureza superficial, perfil de dureza e resistência ao desgaste) do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma.

(28)

3 REVISÃO DA LITERATURA

3.1 TRIBOLOGIA

A tribologia é uma ciência ou tecnologia que trata de superfícies que possuem movimento relativo entre si e envolve o estudo do atrito, desgaste e lubrificação. Nesse sentido, pode ser entendida como uma ciência extremamente complexa que abrange diversas áreas do conhecimento. Nas ultimas décadas vêm sendo reconhecida a importância econômica da tribologia e a necessidade do desenvolvimento de pesquisa sistemática para o aprimoramento do conhecimento e sua progressiva transferência para a prática.

A palavra tribologia é derivada do grego e significa estudo do atritamento. Surgiu em 1966 na Inglaterra com a publicação do relatório Jost, que avaliou as perdas devido ao atrito e desgaste, indicando a necessidade de melhorias nas práticas tribológicas (7)

. Uma pesquisa realizada nos Estados Unidos aponta uma perda econômica de 1,0 a 2,5 % do PIB devido ao desgaste (8). Na Alemanha, uma pesquisa da década de 1980 revela que desgaste e corrosão juntos contribuem com a perda de 4,5% do PIB (8).

Outro fator que contribuiu para o aumento da importância da tribologia foi a crise do petróleo dos anos 1970, a qual levou a necessidade de se desenvolver sistemas mecânicos mais eficientes, através da redução do atrito (7). No intuito de solucionar ou mesmo minimizar os efeitos causados por problemas tribológicos, fatores como a carga a ser suportada, a velocidade de deslizamento, as características das superfícies em contato, o tipo, evolução e extensão do desgaste quando for o caso, a natureza do ambiente e qualquer limitação imposta ao atrito e desgaste, devem ser considerados na definição das propriedades que compõem o sistema tribológico.

(29)

3.1.1Desgaste

Dentre os fundamentos que compõem a tribologia – atrito, desgaste e lubrificação – o estudo científico do desgaste é o mais recente (9). O desgaste pode ser entendido como perda gradativa de substância da superfície de um corpo como resultado de movimento relativo entre as superfícies. Pela norma DIN 50320, o desgaste é a perda progressiva de material da superfície de um corpo sólido por ação mecânica, como por exemplo, o contato e o movimento relativo contra um material sólido, líquido ou gasoso. Diferentemente dos outros mecanismos de falha, o desgaste apresenta-se como uma variável de projeto que, normalmente, não é equacionável de maneira precisa, sendo assim, um parâmetro tratado predominantemente de forma empírica e qualitativa (10).

As dificuldades na previsão do comportamento do desgaste estão associadas às variações dos parâmetros que compõem o sistema tribológico (8). De acordo com as condições existentes na utilização de um componente, é possível conhecer qual o mecanismo de desgaste ocorrerá predominantemente, entretanto, a intensidade é de previsão incerta, envolvendo uma série de variáveis implícitas ao sistema.

Devido à natureza complexa do fenômeno de desgaste, é conveniente subdividi-lo em categorias. Em geral, o desgaste pode ser dividido como abrasivo, erosivo, corrosivo, adesivo e outros. Os principais tipos de desgaste são esquematicamente descritos na figura 3.1.

(30)

(31)

Dos diferentes tipos de desgaste o mais importante é o abrasivo, pois acontece com maior frequência e possui maior poder destrutivo. Este tipo é responsável por 50 % dos casos de falha, seguido em importância pelo desgaste adesivo (15 %) e erosivo (8 %), (12) como podemos perceber na figura 3.2.

Figura 3.2 - Distribuição das falhas por desgaste (12).

As perdas decorrentes do desgaste podem ser associadas a diversos aspectos de um sistema produtivo, tais como: produção, montagem, e dispositivos de serviço (8). Desta forma, o controle do desgaste pode ser iniciado desde o projeto e se estender pelo controle do processo de fabricação e sistema de manutenção.

Em razão de ocorrer na maior parte dos casos, ser considerado mais relevante em termos dos danos causados e ser a forma predominante sobre a qual o material estudado estará submetido, o desgaste por abrasão será detalhado neste trabalho.

(32)

3.1.1.1 Desgaste Abrasivo

O desgaste abrasivo pode ser definido como aquele causado pela ação de protuberâncias duras ou partículas duras presentes na interface de corpos que ao moverem-se são forçadas ao longo de superfícies sólidas. Essa definição engloba vários modos ou diferentes mecanismos de desgaste. As superfícies dos materiais podem ser degradadas por micro-cortes, deformação plástica ou arrancamento de material.

O desgaste não é uma propriedade do material, mas sim do sistema tribológico, e depende de vários parâmetros, dentre eles: características de projeto, condições operacionais e propriedades dos materiais, conforme mostra a figura 3.3.

(33)

3.1.1.1.1 Modelagem Teórica

Apesar da complexidade do fenômeno do desgaste abrasivo os modelos teóricos existentes na literatura abordam o fenômeno de maneira simplista, no entanto, fornecem uma boa contribuição para a compreensão de seus mecanismos. Um desses modelos foi desenvolvido por Rabinowicz, que considera a asperidade como sendo cônica e que a mesma risca uma superfície plana com valor de dureza H (13). Veja esquema na figura 3.4.

Figura 3.4 - Modelo simplificado do desgaste abrasivo (13).

.

Sob a ação de uma força (W), uma única asperidade presente no tribossistema imprime sobre a superfície uma área real de contato (Arp), essa área pode ser calculada da seguinte forma:

2 .r H W A_rp  p  (3.1) onde: 2 . . r H W_p 



(3.2) Quando se mover por uma distância (dl) a asperidade irá carregar consigo um

volume de material (dv) que pode ser entendido como: da dl d_v  .

(3.3) onde (da) é a área gerada pelo triângulo de base igual ao diâmetro do círculo base

(34)

Assim: dl r dl x r dv . . .tan . 2    (3.4) logo: H W dl dv p . tan .    (3.5) Segundo a classificação proposta por Avery (14), baseada na configuração mecânica atuante no sistema tribológico, os processos abrasivos podem ser divididos em duas categorias distintas, dentre elas:

 Abrasão a dois-corpos: causada por asperidades ou partículas duras no contra corpo, sulcando ou removendo material da superfície do corpo, como mostra a figura 3.5:

Figura 3.5 - Desgaste abrasivo a dois-corpos (14).

 Abrasão a três-corpos: ocorre quando partículas duras rolam ou deslizam entre duas superfícies em movimento relativo, sulcando ou indentando, removendo material das mesmas, observe a figura 3.6.

Figura 3.6 - Desgaste abrasivo a três-corpos (14).

A abrasão a dois-corpos é produzida quando asperidades duras ou partículas abrasivas fixas que de alguma maneira se mantém solidárias a uma das superficies animada de movimento relativo. Esse mecanismo pode ser ilustrado pelas figura 3.7 (a) e 3.7 (b).

(35)

A abrasão a três-corpos é representada pela interposição de partículas abrasivas livres entre duas superficies animadas de movimento relativo e está ilustrado esquematicamente nas figuras 3.7(d) e 3.7(e).

Figura 3.7 - Configurações mecânicas dos processos abrasivos (12).

Através das configurações mostradas na figura 3.7 pode-se constatar que o processo a três-corpos é substâncialmente menos severo do que o a dois-corpos, porque nesse mecanismo as partículas duras têm liberdade para “rolar” sobre as superficies atacadas. Assim, no mecanismo a dois-corpos o desgaste ocorre devido ao riscamento da superfície e isso implica em uma maior perda de massa (12).

Ainda na figura 3.7 podemos verificar uma relação da distância entre superficies (D) e o tamanho médio da particula abrasiva (d). A relação entre D e (d) evidencia a existência de dois casos distintos de abrasão a três-corpos. No primeiro caso, Dd, figura 3.7 (d) as duas superfícies estão igualmente sujeitas à abrasão e o comportamento de uma superfície pode afetar o desempenho da outra. A inclusão de partículas abrasivas em uma superfície mole ou sua ancoragem nos defeitos superficiais pode produzir o deslizamento desta e transformar o processo em abrasão a dois-corpos, figura 3.7 (a) (12).

No segundo caso, D > d, figura 3.7(e), as características de uma das superfícies não têm efeito direto sobre sua opositora e a abrasão pode ocorrer em apenas uma delas e os choques eventuais são amortecidos por um rearranjo das partículas

(36)

abrasivas. Pode-se ainda admitir que, para cada uma das superfícies consideradas isoladamente não existe diferença fundamental entre a abrasão a três-corpos e a abrasão a dois-corpos com abrasivo livre, figura 3.7 (b) (12).

Assim, o contato entre as partículas abrasivas e a superfície que sofre desgaste tem sido tradicionalmente classificado de dois modos: desgaste abrasivo a dois-corpos (two-body abrasive wear) e desgaste abrasivo a três-dois-corpos (three-body abrasive wear) (8)

. A figura 3.8 mostra um esquema simplificado desses dois tipos.

Figura 3.8 - Representação do desgaste abrasivo a dois-corpos e a três-corpos (8).

Gates (15) e outros pesquisadores (16,17,18) sugerem uma mudança na classificação de desgaste a dois-corpos para desgaste abrasivo por deslizamento (grooving abrasion) e desgaste a três-corpos por desgaste para rolamento (roliing abrasion). Em estudos realizados por Trezona et al.(18) foi observada a transição entre esses dois modos de desgaste, relacionada com a força normal aplicada, a concentração da lama abrasiva, o tamanho das partículas abrasivas e a dureza do material ensaiado.

Ainda detalhando sobre o desgaste abrasivo, pode-se perceber que existe uma subdivisão que trata dos micromecanismos de desgaste, que são: microsulcamento, microcorte e microlascamento (8). Observe o esquema na figura 3.9:

(37)

Figura 3.9 - Interação física entre partículas abrasivas e superfícies de materiais (8).

O microsulcamento puro causa apenas deformações plásticas, não havendo perda de material. É formado um sulco e o material deformado se acumula nas regiões frontais e laterais. No microcorte ocorre a perda do material sem que haja uma deformação plástica. O microlascamento acontece quando as tensões atuantes sobre a superfície que está sendo desgastada são maiores que as tensões críticas, gerando formação e propagação de trincas. O microlascamento ocorre normalmente nos materiais frágeis (8).

Embora alguns autores tenham proposto melhorias para o modelo de Rabinowicz (13) como, por exemplo Buttery (19)_{, Archard} (19)_{, Mewes} (20)_{e Zum Gahr} (8,20)_por considerarem o fator de perda de matéria (fab) e a recuperação elástica, várias constatações indicam que este modelo aprimorado também é bastante simplificado para retratar o fenômeno de desgaste abrasivo (8, 12, 13).

Strud e Wilman (21)

, Moore e Swanson (23)

entre outros (19,22,24)

observaram que durante a abrasão em materiais dúcteis, somente uma proporção do volume de desgaste produzido em único risco ou sulco provocado pela ação da partícula abrasiva era removido na forma de partícula de desgaste.

O restante do volume de desgaste era deformado plasticamente e deslocado para as laterais do risco. A figura 3.10 mostra um modelo simples para descrição teórica da interação entre uma partícula abrasiva e a superficie desgastada, permitindo o cálculo da relação entre microcorte e microssulcamento por meio dos valores de Fab.

(38)

Figura 3.10 - Seção transversal do sulco/risco de desgaste para definição dos valores de Fab (8).

Em um experimento de riscamento único, a relação entre o volume de material removido na forma de partícula de desgaste e o volume do risco de desgaste pode ser expressa pelofator Fab definido como:

V V ab A A A A F  ( 1  2) (3.6) sabendo que Av é a área do risco de desgaste medido a partir do corte da seção transversal de riscamento, abaixo do plano da superfície, e (A1+A2) corresponde às áreas em corte transversal das porções do material que foram deformadas plasticamente para as laterais do risco. Assim, em microssulcamento ideal resulta no fator Fab=0. Em microcorte ideal Fab=1. Microtrincamento ocorre somente em materiais frageis e conduz ao Fab>1.

Valores de Fab entre 0,15 e 1,0 foram medidos experimentalmente em 30 diferentes materiais por Mewes e Zum Gahr (20)

.

De acordo com Zum Gahr (8), existe uma transição entre esses mecanismos, sendo que o caso da transição entre sulcamento e micro-corte é regido por um ângulo crítico e esse ângulo é definido como sendo o ângulo entre a face ativa da partícula e a superfície que está sendo degradada, como mostrado na figura 3.11.

No caso da transição para o microlascamento ou microtrincamento existem dois fatores importantes para que isso ocorra. O primeiro fator é que a carga aplicada atinja um valor crítico na qual o processo de fissuração é iniciado e o segundo fator está relacionado ao tamanho do abrasivo.

(39)

Figura 3.11 - Relação de microcorte para microssulcamento em função da relação entre o ângulo de

ataque e o ângulo critico de ataque da partícula abrasiva (8).

Hutchings (25) aponta as principais propriedades das partículas que influenciam no desgaste abrasivo, que são a dureza, a forma e o tamanho das partículas.

3.1.1.1.2 Dureza da Partícula Abrasiva

A taxa de desgaste é influenciada diretamente pela dureza das partículas abrasivas, quanto maior a dureza, maior será a taxa de desgaste. A figura 3.12 mostra a relação da taxa de desgaste relativa em função da razão entre a dureza do abrasivo (Ha) e a dureza da superfície (Hs) para uma série de materiais metálicos e cerâmicos. A taxa de desgaste torna-se menos sensível quando a razão entre a dureza da partícula abrasiva e a dureza da superfície (Ha/Hs) é um valor menor que 1, ou seja, a dureza da superfície é maior que a dureza do abrasivo (25).

(40)

Figura 3.12 - Taxa de desgaste relativo (25).

Uma partícula abrasiva pode ou não indentar o material, quando a dureza da partícula for maior que 1,2 vezes a da superfície, a primeira irá penetrar a superfície, caso contrário, a partícula sofre deformação plástica.

A figura 3.13 mostra estes dois casos, em (a) ocorre indentação e em (b) ocorre deformação plástica.

Figura 3.13 - Indentação da superfície (25).

Experimentalmente, quando a relação Ha/Hs é maior que 1,2 a partícula risca o material produzindo desgaste severo. Quando a relação Ha/Hs é próxima de 1,2 ocorre abrasão suave (25).

(41)

3.1.1.1.3 Forma da Partícula Abrasiva

A forma das partículas abrasivas tem influência direta na taxa de desgaste, as partículas angulares (facetadas) causam desgaste mais severo que as arredondadas o que pode resultar em diferenças na taxa de desgaste na ordem de até dez vezes (25). A angulosidade ou acuidade da partícula não é fácil de definir, visto que há uma enorme dificuldade de quantificar a forma da partícula. A figura 3.14 mostra duas formas de partículas de quartzo, em (a) a partícula é arredondada e em (b) a partícula é angular.

Figura 3.14 - Formas de partículas de quartzo (25).

Um método simples de descrever a forma das partículas baseia-se nas medições do perímetro e da área projetada da mesma. A forma da partícula pode ser quantificada pela equação 3.7, onde F é o fator de esfericidade, A é a área projetada e p é o perímetro da partícula (25). 2 . . 4 p A F   (3.7)

Quanto mais o valor de F se aproxima de 1, mais arredondada a partícula é. E quanto maior a irregularidade da partícula, menor será o valor de F.

(42)

3.1.1.1.4 Tamanho da Partícula Abrasiva

A figura 3.15 mostra a relação entre o tamanho da partícula abrasiva com os níveis de desgaste abrasivo a dois, a três-corpos e com erosão, quando predominam os mecanismos de deformação plástica.

Figura 3.15 - Influência do tamanho da partícula abrasiva no desgaste abrasivo a dois, três-corpos e

com erosão (25).

Nota-se que a taxa de desgaste cai bruscamente para partículas menores que 100 μm. Uma explicação para esse fenômeno é o “efeito escala” que afeta a resistência do material, causando um aumento localizado na tensão de escoamento, levando a uma redução na taxa de desgaste por deformação plástica (25).

3.2 AÇOS FERRAMENTA

Os aços ferramenta compreendem um conjunto de aços utilizados na fabricação de ferramentas de uso industrial, sejam elas manuais ou mecânicas. São produzidos sob rigorosas tolerâncias de composição química a fim de obter propriedadesde alta qualidade, isto é, com baixo nível de inclusões ou segregações (26,27).

Os primeiros aços ferramenta eram aços comuns ao carbono, sem elementos de liga e classificados como aços W. A partir de 1968 muitos aços complexos,

(43)

altamente ligados, foram desenvolvidos para atender às crescentes exigências de severidade, controle dimensional e isenção de trincas durante o tratamento térmico (26,27)_.

De acordo com as normas AISI/SAE os aços usados para a confecção de ferramentas são classificados em famílias conforme mostra a tabela 3.1 (26,27).

Tabela 3.1 - Tipos de Aços Ferramentas (AISI/ SAE) (26,27).

3.2.1 Aços Ferramenta para Trabalho a Frio

Os aços ferramenta para trabalho a frio se subdividem em três classes distintas denominadas A, D e O. Todas as classes têm em comum altos teores de carbono, que aumentam os valores de dureza e resistência ao desgaste. O que as difere são os elementos de liga, que afetam a quantidade e a distribuição dos carbonetos na matriz (28,29).

Os aços do grupo A são aplicados na produção de punções e corte de chapas para estampagem. O aço AISI A7 tem aplicação específica na extrusão de materiais de elevada dureza como materiais cerâmicos (28). Os do grupo D são aplicados em ferramentas de forjamento, rolos de laminação de rosca e estampagem profunda. Os do grupo O são utilizados em matrizes e punções para corte de chapas para estampagem, rebarbação,trefilação e forjamento.

A estrutura dos aços ferramenta para trabalho a frio consiste em uma matriz de martensita revenida contendo dispersão de carbonetos complexos. Apresentam alta resistência ao desgaste, alta dureza e estabilidade dimensional. Embora as propriedades mecânicas sejam um fator relevante, as propriedades tribológicas são as mais avaliadas nos estudos dos aços ferramenta para trabalho a frio, pois estes sempre sofrem solicitações dedesgaste em suas aplicações (29).

(44)

3.2.2 Aço Ferramenta AISI D2

O aço 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. Entretanto, a tenacidade deste aço é fortemente dependente da distribuição dos carbonetos tipo M7C3 (30,31).

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% em peso visando melhorar a resposta ao revenimento. A sequência de solidificação se inicia pela formação da austenita com líquido sofrendo uma reação eutética para: ɤ + M7C3 (30, 7, 32). Os carbonetos eutéticos são muito importantes na resistência ao desgaste deste aço que depende de fatores particulares relacionados com: sua microestrutura de partida, tamanho, forma e distribuição de carbonetos e diferentes ciclos de tratamento térmico (33). As ferramentas confeccionadas de aço AISI D2 devem ser revenidas imediatamente após a têmpera para evitar a formação de trincas, onde a temperatura de revenimento deve ser escolhida, conforme a dureza desejada, figura 3.16, ou tratamento subsequente.

Figura 3.16 - Curvas de têmpera e revenimento para um aço AISI D2 (30).

3.2.3 Abrasão de aços ferramentas (substrato)

Trezona e colaboradores (18) estudaram o efeito dos parâmetros do ensaio de microabrasão sobre os mecanismos de desgaste abrasivo de aços ferramentas. Esses pesquisadores mostram que o mecanismo de desgaste predominante

(45)

depende da força normal aplicada, da concentração de partículas do abrasivo na lama, da dureza do material ensaiado e de fatores relacionados à natureza, ao tamanho e ao formato das partículas do abrasivo. Assim como Gates (15), eles fazem uma análise crítica sobre a tradicional classificação da abrasão em dois-corpos e três-corpos e propõem a classificação dos mecanismos de desgaste em desgaste abrasivo por deslizamento e desgaste abrasivo por rolamento.

No desgaste abrasivo por deslizamento, a partícula abrasiva, que atua como uma asperidade dura, fica aderida à esfera de ensaio (contra-corpo), deslizando sobre a superfície do material. Com isso, na direção do movimento relativo é produzida uma série de riscos paralelos. Já no desgaste abrasivo por rolamento, a partícula abrasiva rola sobre a superfície da amostra, produzindo uma grande quantidade de indentações. Diferentemente do desgaste abrasivo por deslizamento, neste tipo de desgaste não fica evidenciada a direção do movimento relativo.

Para um aço ferramenta temperado e revenido, a figura 3.17 apresenta parte dos resultados de Trezona e colaboradores (18), na forma de mapas de mecanismos de desgaste, e as figuras 3.18 e 3.19 aspectos típicos da superfície das crateras de desgaste produzidas em cada uma das regiões destacadas na figura 3.17.

No gráfico mostrado na figura 3.17, pode-se observar a transição do modo de desgaste, conforme a variação da força normal e a fração volumétrica do abrasivo (SiC). A área entre os pontos tracejados indicam essa transição. À esquerda do gráfico com uma baixa fração volumétrica dos abrasivos e um aumento da força normal, têm-se o desgaste por deslizamento. Já à direita do gráfico com uma alta fração volumétrica e com uma diminuição da força normal, observa-se o desgaste por rolamento.

(46)

Figura 3.17- Mecanismos de desgaste microabrasivo em função da concentração de SiC e da carga

de ensaio para um aço ferramenta temperado e revenido (775 HV). Abrasivo: SiC (4,25µm) (18).

As figuras 3.18 e 3.19 mostram imagens típicas de superfícies que sofreram desgastes abrasivos por rolamento e deslizamento, respectivamente.

Observa-se que no desgaste abrasivo por rolamento (figura 3.18), não é possível saber a direção do movimento da esfera sobre a superfície da amostra. Isso porque as partículas do abrasivo permanecem livres, entre as superfícies sólidas, durante o ensaio, provocando uma grande quantidade de indentações aleatoriamente. Já no desgaste abrasivo por deslizamento (figura 3.19) é possível distinguir a direção de desgaste, pelas várias ranhuras paralelas. Essas ranhuras são formadas pelas partículas do abrasivo que incrustam na superfície de desgaste (esfera) atuando como penetradores fixos.

Figura 3.18 - Superfície de desgaste de um aço ferramenta temperado e revenido após ensaio de

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Figura 3.19 - Superfície de desgaste de um aço ferramenta temperado e revenido (775 HV) após

ensaio de microabrasão. Fração volumétrica de diamante na lama abrasiva de 0,0009 (0,003g cm-3) e carga de ensaio de0,25 N (18).

O rolamento, característico do desgaste abrasivo a três-corpos, é dominante quando são usadas lamas abrasivas com altas concentrações de SiC e quando são aplicadas cargas baixas, figura 3.18. Neste tipo de desgaste, não é possível distinguir a direção do movimento da esfera (contra-corpo) sobre a superfície da amostra, conforme se pode observar na figura 3.19. As partículas de SiC rolam sobre a superfície da amostra, provocando uma grande quantidade de indentações. Segundo Trezona e colaboradores (18), com o aumento da carga de ensaio e da concentração de SiC na lama, o mecanismo de rolamento ainda prevalece uma vez que a indentação da superfície da amostra por cada uma das partículas se dá suavemente.

Na figura 3.19, verifica-se que o riscamento, característico do desgaste abrasivo a dois-corpos, é dominante quando são usadas lamas abrasivas com baixas concentrações de SiC e/ou altas cargas. No movimento do contra-corpo (esfera), o riscamento ocorre quando uma grande quantidade de partículas do abrasivo fica engastada na superfície da esfera, as quais atuam como penetradores fixos. Com o aumento do carregamento, as partículas indentam mais profundamente a superfície do material e, com isso, é produzida uma série de riscos finos e paralelos, como mostra a figura 3.19. Trezona e colaboradores (18) argumentam que os riscos são de fato formados pela ação das partículas do abrasivo, não pela ação das asperezas da esfera, uma vez que existe uma correspondência entre o tamanho dos riscos formados e o tamanho do abrasivo usado.

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Na caracterização das crateras de desgaste, Trezona e co-autores (18) observaram uma transição de mecanismos na qual podem ocorrer concomitantemente o deslizamento e o rolamento de partículas, no centro das crateras havia sulcos e em sua periferia, além dos riscos, algumas indentações.

3.3 NITRETAÇÃO

A nitretação é um tratamento termoquímico de endurecimento superficial por meio da introdução de nitrogênio na superfície do aço, através de um ambiente que contém nitrogênio, em temperaturas que variam de 375 ºC a 590°C, que se difunde em direção ao núcleo do material, reagindo com elementos de liga presentes, formando nitretos de elevada dureza e resistência ao desgaste. A temperatura e tempo do tratamento dependem do tipo de nitretação, que pode ser feito em meio líquido (banho de sais), gasoso ou a plasma (34,35,36)

.

O aumento da dureza na superfície do material é proporcionado por dois mecanismos: o endurecimento por solução sólida intersticial e o endurecimento por precipitação. A presença de átomos de soluto em solução sólida numa matriz produz uma liga mais resistente do que o metal puro, pois eles impõem tensões na rede cristalina do material.

O mecanismo de endurecimento por precipitação ocorre quando a quantidade de soluto presente ultrapassa o limite de solubilidade no solvente e a formação dos precipitados depende da temperatura, tempo de tratamento, tipo de liga tratada, e atividade do nitrogênio no processo. A presença dos precipitados de nitretos e carbonitretos, finamente dispersos pela matriz ferrítica, limita o movimento das discordâncias através do retículo cristalino, promovendo um aumento na resistência mecânica (37).

Por utilizar temperaturas menores que as de cementação (entre 815 – 959°C), a nitretação destaca-se pela mínima distorção e excelente controle dimensional das peças. A nitretação acarreta melhorias como o aumento na dureza superficial, aumento na resistência à fadiga, resistência ao calor até temperaturas equivalentes à da nitretação, melhoria na resistência a corrosão e ao desgaste abrasivo, desde que combinado com um núcleo suficientemente tenaz (38,39,40).

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3.3.1 Nitretação assistida por plasma

A nitretação a plasma usada no endurecimento da superfície de ligas ferrosas foi desenvolvida nas primeiras décadas do século XX (41). O potencial de aplicação de descargas luminosas (plasma) como fonte de energia para o endurecimento de ligas, provavelmente foi reconhecido pela primeira vez por Bason (42). Este pesquisador observou que anéis coletores de motores elétricos usados para o acionamento de bombas a vácuo eram bombardeados por íons de nitrogênio, resultando na sua nitretação.

A técnica, que ficaria conhecida como nitretação em descarga luminosa ou nitretação assistida por íons, desenvolvida e patenteada por J.J.Egan em 1931 nos E.U.A (43) e por Berghaus em 1932 (44,45), na Suíça, teve seu uso comercial iniciado apenas nos anos 1960, com grande avanço na década de 1970, estima-se entre 1300 e 1600 unidades instaladas no mundo após 1980 (46).

Portanto, a nitretação iônica (ou nitretação a plasma) pode ser considerada a primeira técnica a plasma usada para a modificação da superfície de materiais. Embora Berghaus tenha tentado por 30 anos comercializar a sua técnica, não chegou a vê-la aplicada em escala industrial. Os transistores que permitem gerar campos elétricos de corrente alternada (c.a.), e que possibilitaram o controle e a manutenção da descarga luminosa por longos períodos de tempo, foram inventados no final da década de 1950 e comercializados somente na década seguinte (45).

3.3.2 Plasmas usados no tratamento de materiais

Plasma é uma classe particular de gás ionizado. O termo plasma (do grego plasma, modelado ou aquilo que se ajusta) foi usado pela primeira vez por Tonks e Langmuir que realizavam estudos que visavam prolongar a vida útil de filamentos de tungstênio em lâmpadas a vácuo (1929) (48) e para designar descargas elétricas em gases que produziam uma faixa de descargas luminosas (“glow discharge”), idealizaram esse termo em comparação aos glóbulos vermelhos e glóbulos brancos do plasma sanguíneo.