FADIGA DE CONTATO DE FERRO FUNDIDO NODULAR NITRETADO POR PLASMA

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1 Inserir o Logo do Programa Programa de Pós Graduação em XXXX II MOPP 2010 II Mostra de Pesquisa e Pós-Graduação da UTFPR 30 de agosto a 03 de Setembro de 2010 Curitiba Paraná - Brasil FADIGA DE CONTATO DE FERRO FUNDIDO NODULAR NITRETADO POR PLASMA Daniela Wollmann, daniwollmann@hotmail.com 1 Julio Cesar Klein das Neves, jkneves@utfpr.edu.br 1 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR, Brasil, Resumo: O efeito de tensões residuais no comportamento da fadiga de contato em materiais com segunda fase grande, como é o caso dos ferros fundidos, ainda não é bem entendido. Uma das conclusões obtida em trabalhos anteriores foi que a imposição de tensões residuais por meio mecânico altera a dispersão da vida sob fadiga de contato, mas não a vida média, de corpos de prova submetidos a ensaios de rolamento. Suscita-se então a possibilidade de imposição de tensões residuais por outro método. Baseado no fato de que a nitretação impor tensões residuais na superfície do material através da formação da camada nitretada, aliado ao fato de que informações a respeito desse tratamento termoquímico em ferros fundidos não são facilmente encontradas na literatura, propõe-se um estudo para verificar o efeito da nitretação por plasma na vida em fadiga de um ferro fundido nodular. Como esse material é intrinsecamente heterogêneo do ponto de vista microestrutural, também será usado neste trabalho um material de referencia. Após usinagem, têmpera e revenido, será feito o tratamento de nitretação por plasma. A seguir, as amostras serão caracterizadas com medições de microdureza e microscopia óptica, para a verificação da profundidade de camada nitretada obtida. Após a caracterização das amostras nitretadas, serão realizados os ensaios de fadiga de contato utilizando um equipamento já existente no laboratório. A caracterização das falhas produzidas por fadiga de contato será feita por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e os dados analisados segunda a estatística de Weibull. Palavras-chave: ferro fundido nodular, nitretação por plasma, fadiga de contato, tensões residuais. 1. INTRODUÇÃO A fadiga de contato de rolamentos vem sendo estudada desde as primeiras décadas do século XX. No Laboratório de Superfícies e Contato da UTFPR, são realizados estudos a respeito de fadiga de contato de ferros fundidos [1], inclusive com a concepção de um equipamento de ensaio de fadiga de contato [2]. A imposição de tensões residuais é um método clássico de melhorar o desempenho sob fadiga. Porém, para fadiga de contato de rolamento dos trabalhos de Neves [3,4], no qual tensões de compressão foram impostas a um corpo de prova de ferro fundido nodular montado dentro de uma matriz que atuava comprimindo o mesmo, revelou-se que as tensões impostas mecanicamente aumentam a dispersão da vida sob fadiga de contato, mas não a vida média (Figura 1). Devido a essas conclusões, surge a possibilidade de estudar outra forma de imposição de tensões residuais. A nitretação por plasma é um processo de tratamento termoquímico que melhora a vida em fadiga de ligas ferrosas devido ao aumento de dureza e a imposição de tensões residuais em sua superfície. Porém, não é comum encontrar trabalhos na literatura a respeito da nitretação de ferros fundidos [5], o que reduz também a quantidade de informações a respeito da não formação de camada branca durante o processo, visto que, esta é a condição de nitretação mais adequada a fadiga de contato. Em trabalhos recentes realizados no Grupo de Estudos de Superfícies em Contato [6,7] foi possível obter uma camada puramente de difusão, sem a formação da camada branca, com teores de nitrogênio baixos na mistura gasosa (10%), em temperaturas entre 400 e 450 C. Portanto, serão utilizadas tais condições para nitretar corpos de prova que serão submetidos a ensaios de fadiga de contato, de modo a verificar se o processo contribui para o aumento da vida em fadiga de um ferro fundido nodular. Os tratamentos serão aplicados também a um aço que será usado como material de referência, prática usual no estudo de fadiga de contato de ferros fundidos [8], como mostra a figura 2, de modo a tentar isolar o efeito da grafita.

2 Figura 1 Curvas de probabilidade de falha para as amostras de ferro fundido nodular com (anel) e sem pré-tensionamento (arruela). Figura 2 Vidas em fadiga de contato para um ferro fundido nodular com contagem normal de nódulos de grafita (NNC), um aço SAE 4140 e um ferro fundido nodular com contagem alta de nódulos de grafita (HNC) [8].

3 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O fluxograma geral do procedimento experimental do projeto (figura 3) e o detalhamento de algumas das atividades seguem Material a ser utilizado Figura 3 Fluxograma geral do procedimento experimental do projeto. O material utilizado na fabricação dos corpos-de-prova a serem ensaiados nesse estudo é um ferro fundido nodular que no estado bruto de fusão apresenta estrutura perlítica. Esse material é fornecido na forma de barras lingotadas continuamente e os principais elementos da composição são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Composição do ferro fundido nodular. C Si Mn P Cu Mg CE* 3,75 2,54 0,16 0,068 0,60 0,037 4,60 * CE representa o carbono equivalente da liga. Como o ferro fundido nodular é um material intrinsecamente heterogêneo do ponto de vista microestrutural e já foi verificado que a introdução de tensões residuais compressivas por um método puramente mecânico não causou melhora em sua resistência a fadiga de contato de rolamento [3], será usado neste trabalho um material de referência. Isso significa que além das nitretações e ensaios de fadiga no ferro fundido nodular também será nitretado um aço que apresente dureza e microestrutura semelhante a matriz do ferro fundido no estado temperado e nitretado.

4 2.2. Nitretação por plasma As nitretações por plasma serão realizadas no Laboratório de Plasma da UTFPR, com um reator já montado e em operação. Como o objeto de estudo neste projeto é um ferro fundido temperado, os tratamentos de nitretação serão conduzidos abaixo da temperatura de revenido correspondente a dureza que se espera atingir com a têmpera. No trabalho de Neves [4] foi observado que após têmpera a partir de 900ºC e revenido a 180ºC pode ser atingida a dureza entre 50 e 55 HRC nesse material (composição apresentada na Tabela 1). Devido às altas pressões características do contato não-conforme entre esfera e plano, o tratamento de nitretação será conduzido de forma a evitar uma transição abrupta entre a camada nitretada e o núcleo do material. Em outras palavras, isso significa dizer que se buscará uma condição de nitretação que evite a formação de camada branca sobre os corpos-de-prova Caracterização das nitretações A avaliação da profundidade das camadas nitretadas será efetuada mediante microscopia óptica e medidas de microdureza. O sistema de medição de microdureza será incrementado mediante a aquisição de um penetrador Knoop e de uma lente de ampliação de 100x. Devido a sua geometria, o penetrador Knoop é mais adequado que o penetrador Vickers para a obtenção de perfis de dureza resultantes de tratamentos superficiais em distâncias da ordem de poucas centenas de micrometros Modificação da máquina de fadiga de contato A máquina de fadiga de contato hoje existente no LASC deve sofrer algumas alterações, como por exemplo, a introdução do sistema de montagem do corpo-de-prova sobre um rolamento de assento esférico. Esse sistema é muito mais tolerante do que o atual a pequenos desvios de perpendicularidade entre os componentes, promovendo o auto alinhamento e, portanto, fazendo com que a carga seja mais uniformemente aplicada sobre toda a superfície de ensaio. Nesta alteração serão utilizados os desenhos constantes na tese de doutorado de Neves [4]. 3. RESULTADOS ESPERADOS Esse estudo trará dados de processo ao campo da nitretação de ferros fundidos sem camada de compostos, um campo atualmente carente de informações. Sob uma perspectiva de mais longo prazo, espera-se contribuir para o deslocamento da fronteira que delimita aplicações de ferro fundido ou aço para componentes mecânicos sujeitos à fadiga de contato. Isso porque, embora componentes como engrenagens possam ser produzidos em ferro fundido a preços menores do quem em aço e com vantagens como a diminuição de ruído, em muitas dessas situações o aço apresenta desempenho superior. Melhorando-se as propriedades dos ferros fundidos, componentes de menor preço e desempenho equivalente ao dos aços podem vir a ser produzidos. 4. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Fundição Tupy pelo fornecimento do material, a Capes e a Fundação Araucária pela ajuda financeira. 5. REFERÊNCIAS [1] BRUNETTI, C.; LEITE, M. V.; PINTAÚDE, G. Effect of specimen preparation on contact fatigue wear resistance of austempered ductile cast iron. Wear, V P [2] LEITE, M. V. Análise dos mecanismos de desgaste por fadiga de contato, 2005, Dissertação (Mestrado em Engenharia) Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Curitiba, 97p. [3] NEVES, J. C. K.; ÂNGELO, C. M.; SOUZA, R. M.; SINATORA, A. Effect of mechanically imposed stresses on the contact fatigue resistance of two cast irons with high hardness matrix. Wear, V P [4] NEVES, J. C. K. Desenvolvimento de um equipamento para ensaio de fadiga de contato esfera sobre plano e sua aplicação na caracterização de ferros fundidos com matrizes de elevada dureza, 2006, Tese de Doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo EPUSP, São Paulo, 167p. [5] JEONG, J.-J.; JEONG, B.-Y.; KIM, M.-H.; LEE, C. Characterization of TiN coatings on the Plasma Nitrided Spheroidal Grafitic Cast Iron Substrates. Surface and Coatings Technology, 150, p [6] WOLLMANN, D.; VASCO, M. C.; NEVES, J. C. K. Plasma nitriding of quenched and tempered ductile cast iron without compound layer formation. Proceedings of International Conference: Icam th International Conference on Advanced Materials SBPMat Brazil-MRS. Rio de Janeiro, Brasil, Setembro, [7] VASCO, M. C.; WOLLMANN, D.; NEVES, J. C K. Nitretação por plasma de ferro fundido nodular temperado sem formação de camada branca. SICITE - XIV SEMINÁRIO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E TENCOLÓGICA PIBIC/CNPq. Pato Branco, Brasil, Novembro, 2009.

5 [8] DOMMARCO, R. C.; JAUREGUIBERRY, J. A.; SIKORA, J. A. Rolling contact fatigue resistance of ductile cast iron with different nodule counts and matrix microstructures. Wear, V P DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.