EFEITO DA TEMPERATURA DE REVENIMENTO CONCOMITANTE COM NITRETAÇÃO NA DUREZA E RESISTÊNCIA AO DESGASTE DO AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO AISI D2

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1 EFEITO DA TEMPERATURA DE REVENIMENTO CONCOMITANTE COM NITRETAÇÃO NA DUREZA E RESISTÊNCIA AO DESGASTE DO AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO AISI D2 Rafael Sato de Oliveira [Bolsista Iniciação Científica/CNPq] 1, Márcio Mafra 1,2, Marina Izabelle Grabarski 1 1 Depto. Acadêmico de Mecânica 2 Programa do Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Materiais Campus Curitiba Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Av. Sete de Setembro, Rebouças CEP Curitiba - PR - Brasil sato.rafaeloliv@gmail.com, mafra@utfpr.edu.br, mgrabarski@gmail.com Resumo Ao se trabalhar com aços ferramentas, principalmente aços como o AISI D2, que são utilizados para fabricação de moldes de injeção e ferramentas de conformação e sofrem com desgaste abrasivo durante sua vida útil, é interessante entender como ocorre tal desgaste e utilizar-se de algum tratamento térmico e/ou termoquímico para reduzir o desgaste da ferramenta. No presente trabalho o tratamento de revenimento foi realizado concomitantemente com a nitretação por plasma, sendo estudada influência da temperatura de revenimento/nitretação e do número de revenimentos/nitretações sobre o comportamento em desgaste por microabrasão do aço D2. Os resultados mostram que a temperatura de revenimento concomitante com nitretação exerce uma influência baixa sobre este tipo de desgaste, mas a mistura gasosa no tratamento por plasma e a quantidade de revenimentos apresentam influência significativa. Palavras-chave: Nitretação a plasma; Revenimento; Desgaste microabrasivo; Aço AISI D2. Abstract When working with tool steels, especially steels like AISI D2, that are used as injection molds and conformation tools and suffer with abrasive wear during its useful life, it s interesting to understand how that wear occurs and make use of some sort of thermical and/or thermochemical treatments to reduce the tool wear. In the present study the temper treatment was realized concomitantly with plasma nitriding, being studied the influence of the temper/nitriding temperature and the numbers of tempers/nitridings over the behavior under microabrasion wear of D2 steel. The results show that the temper/nitriding temperature exert a low influence over this type of wear, but the plasma nitriding gas mixture and the quantity of tempers/nitridings exert significantly influence. Keywords: Plasma Nitriding; Tempering; Microabrasion wear; AISI D2 steel.

2 INTRODUÇÃO O estudo de tratamentos térmicos e termoquímicos é de alta importância no meio industrial. Com a escolha certa de tratamentos é possível aumentar significativamente a vida útil, por exemplo, de uma ferramenta de conformação ou de um molde de injeção Uma das possibilidades deste tratamento é uma melhora significativa na dureza e resistência ao desgaste abrasivo de diversos aços. No presente trabalho foi usado como material de teste o aço AISI D2, que possui composição química mostrada na Tabela 1. O aço AISI D2 possui elevada temperabilidade devido a seus elementos de liga, como cromo, vanádio e molibdênio. Essas características permitem que, com tratamentos térmicos e termoquímicos adequados, este aço obtenha um elevado ganho em suas propriedades mecânicas. Por ser um material classificado como aço ferramenta para trabalho a frio e ser amplamente utilizado na indústria metal mecânica, é importante que sejam realizados tratamentos que venham a aumentar significativamente sua vida útil como ferramenta. O presente estudo foca em determinar qual a influência do número de revenimentos e da temperatura de revenimento sobre a resistência ao desgaste por microabrasão do aço D2. A nitretação a plasma consiste em adicionar nitrogênio à superfície da amostra, utilizando-se um reator de plasma, fazendo ocorrer a formação de nitretos superficiais que melhoram as propriedades mecânicas, como dureza, químicas, como corrosão, e tribológicas, como desgaste abrasivo. Os objetivos principais deste trabalho foram determinar a influência do número e a temperatura de revenimentos concomitantes com nitretação na profundidade de difusão do nitrogênio e na resistência ao desgaste micro abrasivo. E determinar se a dureza é um fator determinante sobre o desgaste micro abrasivo do aço AISI D2. METODOLOGIA O Laboratório de Plasma da UTFPR vem realizando estudos em nitretação a plasma de diversos aços, com um reator de fabricação própria esquematizado na Figura 1. Figura 1. Representação esquemática do reator de plasma do Laboratório de Plasma da UTFPR. Tabela 1. Composição química do aço AISI D2 [1]. Elemento C Cr Mo V Si % 1,5 12 0,9 0,9 0,3

3 Os tratamentos térmicos e termoquímicos realizados consistem na têmpera ao ar, após austenitização a 1025 C e, em seguida, realizar de um a três revenimentos concomitantes com nitretação por plasma em três temperaturas diferentes, 480, 520 e 560 C. Foram variados os números e temperaturas de revenimento para que ocorresse uma variação na profundidade de penetração do nitrogênio estimada através das metalografias. As temperaturas de revenimento foram escolhidas para fazer uma comparação entre as durezas e resistência ao desgaste abrasivo das matrizes. Foram realizados ensaios de dureza e ensaios de micro abrasão. Tabela 2. Quadro de amostras. Amostra Número de Temperatura de Atmosfera de revenimentos Revenimento Nitretação (1 hora cada) 1R R R C 10%H 2 +40%Ar+50%N 2 2P %H 2 +75%Ar+5%N 2 1R R R C 10%H 2 +40%Ar+50%N 2 2P %H 2 +75%Ar+5%N 2 1R R R C 10%H 2 +40%Ar+50%N 2 2P %H 2 +75%Ar+5%N 2 Para o processo de revenimento concomitante com nitretação, utilizou-se um suporte retangular com dimensões de 65 x 120 mm. As amostras 1R480, 2R480 e 3R480 foram inicialmente posicionadas sobre o suporte, iniciando um tratamento de uma hora. Após o término desta primeira etapa, quando o catodo atingiu uma temperatura de 80 C, abriu-se o reator e retirou-se a amostra 1R480. Fechou-se o reator e iniciou-se um novo tratamento de uma hora, sendo retirada a amostra 2R480 ao final deste. Em seguida o terceiro e último tratamento de 480 C com atmosfera rica (50%N 2 ) foi realizado. O mesmo procedimento foi tomado para as amostras em atmosfera rica de 520 e 560 C (amostras 1R520, 2R520 e 3R520 e amostras 1R560, 2R560 e 3R560 respectivamente). Para as amostras 2P480, 2P520 e 2P560 foram realizados tratamentos com atmosfera pobre em nitrogênio (5%N2) para reduzir a formação de camada branca para comparar as influências das camadas brancas e de difusão sobre as propriedades do aço AISI D2. Posteriormente às nitretações, foram realizados ensaios de micro abrasão, pois, segundo Cozza [3], ao fazer-se a análise da cratera de desgaste é possível estimar o comportamento ao desgaste abrasivo do material. Os ensaios foram rodados em uma máquina CALOWEAR da CSM Instuments, mostrada na Figura 3. Para estes ensaios, foi utilizada uma esfera de aço inoxidável de 25,4mm (uma polegada) de diâmetro e solução de alumina de 1µm como abrasivo. As amostras eram fixadas no equipamento, a força normal de contato inicial era ajustada em 0,100N e os ensaios tiveram duração de 15, 30, 60, 120 e 240 segundos. Foram anotadas as forças antes, durante e depois dos ensaios e feita uma média e desvio padrão. Ao final de cada ensaio, foram tiradas três medidas de cada marca de desgaste,

4 com a utilização de uma câmera e de Software, fornecidos pela CSM Instruments. E também tiradas médias e desvio padrão. Figura 2. Máquina Calowear da CSM Instruments utilizada para ensaio de desgaste micro abrasivo. Com os valores obtidos, utilizou-se a equação (1) [4] para calcular o coeficiente de desgaste dimensional (K[mm²/N]), definido como: Onde b é o diâmetro do eixo rotor, d o diâmetro da calota de desgaste, F N a força normal média sobre a amostra e L a distância de rolamento. Sendo no caso deste estudo b constante e igual a 12,7mm. Foram plotados os gráficos de Tempo x Coeficiente de Desgaste, sendo os pares de comparação escolhidos para se avaliar a mudança do coeficiente de desgaste com variação da temperatura de revenimento, quantidade de revenimentos e atmosfera de nitretação. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados foram organizados em quatro comparações principais, onde foram representados os extremos de cada grupo de variáveis. Sendo assim, as Figuras 3, 4 e 5 representam as metalografias, as crateras de desgaste e os gráficos comparativos entre as amostras citadas acima. (1)

5 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Figura 3. Micrografias das amostras (a) 1R480, (b) 1R560, (c) 1R520, (d) 3R520, (e) 2R520, (f) 2P520, (g) 2P480 e (h) 2P560.

6 Analisando as micrografias, é possível ver que, nas amostras de 520 e 560ºC, os carbonetos próximos à borda apresentam uma coloração diferente nos carbonetos (indicados por setas). Foi excluída a possibilidade de mancha pelo ataque químico, realizado com vilela, pois os carbonetos mais afastados da borda não apresentam tal coloração. Isso significa que existe alguma reação ocorrendo com os carbonetos próximos à camada durante o tratamento, inclusive em mistura pobre. É visível também o crescimento da camada de difusão com o aumento da temperatura (borda mais esbranquiçada) e com o aumento do número de revenimentos concomitantes com nitretação. 15s 30s 60s 120s 240s (a) (b) (c) (d) (e) (f) - (g)

7 Coeficiente de Desgaste (mm²/n) Coeficiente de Desgaste (mm²/n) Coeficiente de Desgaste (mm²/n) Coeficiente de Desgaste (mm²/n) (h) - Figura 4. Fotografia das crateras de desgaste das amostras (a) 1R480, (b) 1R560, (c) 1R520, (d) 3R520, (e) 2R520, (f) 2P520, (g) 2P480 e (h) 2P560. 9,0x10-6 1R480 1R560 7,0x10-6 6,0x10-6 1R520 3R520 5,0x10-6 6,0x10-6 4,0x10-6 3,0x10-6 3,0x Tempo (s) (a) 2,0x Tempo (s) (b) 6,0x10-6 5,0x10-6 2P480 2P560 6,0x10-6 5,0x10-6 2R520 2P520 4,0x10-6 4,0x10-6 3,0x10-6 3,0x10-6 2,0x Tempo (s) (c) 2,0x Tempo (s) (d) Figura 5. Gráficos de Coeficiente de desgaste dimensional x Tempo das amostras (a) 1R480 x 1R560, (b) 1R520 x 3R520, (c) 2R520 x 2P520 e (d) 2P480 x 2P560. Sendo estes gráficos as condições extremas de cada variável controlada durante os experimentos, é possível notar que a variação na temperatura de revenimento, independente do número de revenimentos e da atmosfera de nitretação, não exerce uma influência significativa sobre o coeficiente de desgaste dimensional do material. Ao variar o número de revenimentos a variação no coeficiente de desgaste ocorreu de forma não linear ao número de revenimentos. Porém, para a mesma temperatura e números de revenimentos, as amostras nitretadas em mistura pobre sempre apresentaram menor coeficiente de desgaste dimensional em relação às amostras nitretadas em atmosfera rica.

8 CONCLUSÕES Analisando todos os dados, é possível se concluir que: 1. O número e a temperatura de revenimento exercem influência diretamente proporcional sobre a espessura da camada de difusão; 2. A dureza nem sempre é o fator predominante sobre a resistência ao desgaste; 3. O número e a temperatura de revenimento não exercem influência significativa sobre o coeficiente de desgaste dimensional do material. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Prof. Dr. Rodrigo Perito, da Universidade Federal do Paraná pela disponibilização do equipamento de desgaste e ao CNPq pela bolsa cedida em prol deste projeto. REFERÊNCIAS [1] AçoTrio Comércio de Aços Especiais, Catálogo de Aços, adquirido em [2] Villares Metals, Catálogo Aços para trabalho a frio, Disponível em: acesso em 22/09/2012. [3] COZZA, R.C.; Estudo do comportamento de desgaste e modos de desgaste abrasivo em ensaios de desgaste micro-abrasivo. Dissertação de Mestrado. São Paulo, [4] CSM Instruments, Hardware Manual, Calowear, 2009.