DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS DE TRATAMENTO QUE TORNEM O PERFIL DE DUREZAS DO AÇO SAE 4140 SIMILAR AO DE UM FERRO FUNDIDO NODULAR TEMPERADO E NITRETADO

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1 DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS DE TRATAMENTO QUE TORNEM O PERFIL DE DUREZAS DO AÇO SAE 4140 SIMILAR AO DE UM FERRO FUNDIDO NODULAR TEMPERADO E NITRETADO Lucas Biazon Cavalcanti [Bolsista Fundação Araucária] 1, Guilherme Lasari Melo [Bolsista Fundação Araucária] 1, Prof. Dr. Julio Cesar Klein das Neves [Orientador] 1 ¹Departamento Acadêmico de Mecânica DAMEC Campus Curitiba Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Avenida Sete de Setembro, 3165 Curitiba/PR, Brasil CEP lbiazoncavalcanti@gmail.com, guilhemelo@hotmail.com, jkneves@utfpr.edu.br Resumo - Este trabalho apresenta uma continuação dos estudos visando encontrar um material de referência para comparação de desempenho em fadiga de contado com um ferro fundido nodular temperado. Neste artigo são apresentados resultados de perfis de dureza do aço SAE 4140 para diferentes parâmetros de tratamento térmico e termoquímico, a fim de encontrar um perfil de dureza semelhante ao do ferro fundido nodular tratado nitretado. Previamente à nitretacão no reator de plasma da UTFPR as amostras foram temperadas e revenidas obtendo uma microestrutura martensítica. Após os tratamentos de nitretação e difusão em atmosfera sem gás nitretante as amostras não apontaram formação de camada de compostos. Os perfis de dureza obtidos no aço SAE 4140 são relativamente próximos do perfil do ferro fundido nodular obtido em trabalhos prévios, mas ainda podem ser melhorados com nova série de tratamentos. Palavras-chave: Nitretacão por plasma; Camada de difusão; Aço SAE 4140; Ferro fundido nodular. Abstract This work presents a new step on the research for finding a reference material for rolling contact fatigue performance of a ductile cast iron. In this paper hardness profiles of SAE 4140 steel subjected to heat and thermo-chemical treatments are presented. These treatments were carried out as an attempt to reach a hardness profile similar to the one found in previous work for quenched, tempered and nitride ductile cast iron. SAE 4140 samples were quenched, tempered, plasma nitrided, and submitted to diffusion treatment in non-nitriding gas atmosphere. After these processes only diffusion layer was observed. SAE 4140 hardness profiles were relatively close to that found to ductile cast iron in previous work, but they still must be improved by a new series of treatments. Keywords: Plasma nitriding; Diffusion layer; SAE 4140 steel; Ductile cast iron. INTRODUÇÃO O fenômeno da fadiga de contato de rolamento em ferros fundidos nodulares vem sendo estudado na UTFPR, como em trabalhos já realizados por Leite (2005) e Brunetti (2008). Em um estudo realizado por Neves (2006) foi verificado que a imposição mecânica de tensões residuais compressivas a um ferro fundido nodular temperado e revenido não resultou em melhora significativa na vida em fadiga de contato de rolamento, diferentemente do que é esperado para aços. Dessa forma, o estudo do tratamento de nitretação por plasma é apresentado como outra opção de inserir tensões residuais, a fim de entender-se mais

2 claramente o efeito dessas tensões na vida em fadiga de ferros fundidos. Um aspecto importante a ser considerado é que devido ao contato de rolamento intrinsecamente apresentar cargas concentradas em áreas muito pequenas, deve-se dar preferência a camadas nitretadas isentas de região de compostos, ou seja, a camada formada deve apresentar exclusivamente zona de difusão. Dessa forma evita-se o rompimento de forma frágil da camada superficial de elevada dureza. Para que a análise seja a mais ampla possível é importante que o ferro fundido seja comparado com um material isento de grafita, de maneira a isolar o efeito da presença de nódulos como elementos concentradores de tensões. Faz-se então necessária a utilização de aços como material de referência. Para adequada comparação, os perfis de durezas do aço e do ferro fundido nodular devem ser semelhantes. Em trabalho prévio Melo (2011) encontrou um conjunto de parâmetros de processamento que gerou satisfatória aproximação entre os perfis de durezas do aço SAE 1060 e de um ferro fundido nodular, ambos nitretados e temperados. Entretanto, o aço SAE 4140 é usado como referência para fadiga de contato de rolamento em diversos trabalhos (DOMMARCO, 2003; DOMMARCO, 2006). Dessa forma, o objetivo deste trabalho é encontrar um conjunto de parâmetros tratamentos térmicos e termoquímicos que levem o aço SAE 4140 a apresentar perfil de dureza semelhante ao do ferro fundido nodular temperado, definido em trabalhos anteriores de nitretação desse material (WOLLMANN, 2009). O conhecimento gerado por essa pesquisa permitirá a melhor comparação de desempenhos entre aços e ferros fundidos em estudos futuros de fadiga de contato de rolamento. METODOLOGIA A fim de utilizar o aço SAE 4140 como referência de desempenho sob fadiga de contato para ferros fundidos nodulares temperados, é necessário encontrar um conjunto de parâmetros de tratamentos termoquímicos que conduza a um perfil de durezas semelhante ao já obtido para o ferro fundido nodular. Nesse trabalho foram aplicados tratamentos de têmpera e revenido (TR), têmpera revenido e nitretação (TRN) e têmpera, revenido, nitretação e difusão em atmosfera sem nitrogênio (TRND-t), onde t designa o tempo em horas do tratamento de difusão. Materiais. O material utilizado foi um aço SAE 4140, fornecido na forma de barras de seção circular com diâmetro de uma polegada e de microestrutura ferrítico-perlítica no estado de fornecimento. A barra foi seccionada de maneira a ficar com 10 mm de comprimento e com a mesma uma polegada de diâmetro para a realização da têmpera. A austenitização ocorreu a 850ºC por uma hora e seguidamente a amostra foi resfriada em óleo e revenida a 180 C por uma hora. A fim de caracterizar o material que a ser nitretado, foi realizado exame metalográfico, como mostra a Figura 1. Como é possível se perceber, a matriz é martensítica, sendo essa a microestrutura inicial para o processo de nitretação por plasma.

3 Figura 1 - Micrografia do aço SAE 4140 após têmpera e revenimento a 180ºC. Revenimento. De maneira a alcançar uma dureza de núcleo próxima a 490 HV (Wollmann, 2009), após os tratamentos de nitretação e difusão, foram analisados os efeitos de revenimento nas temperaturas de 350 e 400ºC, por tempos correspondentes a duração desses dois tratamentos. Para essa análise foram utilizadas duas barras com 50 mm de comprimento, as quais foram submetidas à têmpera e um primeiro revenimento a 180ºC. Cada barra foi seccionada em quatro discos com aproximadamente 10 mm de comprimento. Das oito amostras, quatro foram revenidas a 350 C, em tempos distintos representando cada etapa da nitretação e difusão, enquanto outras quatro foram tratadas a 400 C com os mesmos tempos. Após cada revenimento, foram realizadas medidas de dureza que corresponderiam às durezas do núcleo das amostras submetidas aos tratamentos de nitretação e difusão. As condições analisadas e os resultados de dureza do segundo revenimento são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Dureza do núcleo esperada após nitretação e difusão. Tempo de revenimento Correspondência com tratamentos termoquímicos 350 C (HV 30) 400 C (HV 30) 8h TRN h TRND h TRND h TRND Nitretação e Difusão. A partir da tabela XX, a temperatura em que a dureza do núcleo do aço SAE 4140 mais se aproximou com a do ferro fundido nodular nitretado e difundido foi a de 350 C, ou seja, essa foi a temperatura selecionada para o tratamento termoquímico. A nitretação por plasma foi realizada no laboratório de plasma do GrMaTS da UTFPR. As condições de trabalho da nitretação são apresentadas na Tabela 2.

4 Tabela 2 - Parâmetros do tratamento de nitretação realizado. Temperatura Tempo Pressão Composição gasosa Fluxo 350ºC 8h 1 Torr (133 Pa) 16%Ar - 64%H 2-20%N cm 3 /min Foram nitretadas quatro amostras de 10x10x10 mm. Uma delas foi analisada na condição nitretada e outras três sequencialmente submetidas ao tratamento de difusão a 350 C pelos tempos de 4, 8 e 16 horas. O objetivo deste tratamento foi aumentar a profundidade de endurecimentos pela difusão do nitrogênio para o interior do material, além de dissolver eventuais traços de camada de compostos. Para as medições de dureza as amostras foram seccionadas, sendo uma metade usada para obtenção do perfil e outra para dureza de topo. Os resultados de dureza de topo indicam a existência ou não de uma camada de compostos, enquanto os perfis de microdureza servem para avaliar a profundidade de endurecimento causada pelo tratamento. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os valores de dureza de topo são apresentados na Tabela 3. Eles mostram uma tendência de diminuição da dureza com o aumento do tempo de do tratamento de difusão. Esse resultado é coerente com efeito do tempo na movimentação do nitrogênio para o interior do material. As análises metalográficas não apontaram a existência de camada de compostos, como é possível observar na Figura 2, mesmo para a condição apenas nitretada. Também é possível perceber o efeito do tempo de difusão na microestrutura, que se manifesta pela perda da morfologia acicular da martensita. Tabela 3 - Média das medidas de dureza de topo para cada condição de nitretação e difusão. Condições de nitretação 1 Torr 20%N 2 8 horas Tempo de difusão (h) Dureza Vickers (HV0,05)

5 Figura 2 Micrografia do aço SAE 4140 (a) somente nitretado e (b) nitretado e difundido por 16 horas. A Figura 3 apresenta os resultados dos perfis de dureza das amostras do aço SAE A pronunciada diferença de dureza entre superfície e núcleo, mesmo sem presença de camada de compostos (Figura 2), evidencia o potencial de endurecimento do tratamento de nitretação no aço SAE Esse fato está provavelmente relacionado à forte tendência a formação de nitretos de alguns dos elementos cromo e molibdênio presentes na liga. Outra questão é a diferença da dureza do núcleo da matriz com a nitretação e difusão em relação ao que foi previsto anteriormente com o revenimento (Tabela 1). Este fato se deve, provavelmente, a diferenças entre o sistema de medição de temperatura do forno e do reator de plasma. No forno mede-se a temperatura do ar em contato com as paredes quentes e própria peça, enquanto no reator é medida a temperatura do suporte da peça, sendo dependente da condução de calor. Comparando os perfis de dureza do aço SAE 4140 com perfis dos trabalhos desenvolvidos por Wolmann (2009) e Melo (2011), Figura 4, verificou-se que o perfil do aço SAE 4140 que melhor se aproxima desses é o TRND-8. Porém, esse perfil ainda não é suficientemente semelhante ao do ferro fundido para utilizar o SAE 4140 como material de referência, pois a embora as durezas próximas à superfície das duas ligas sejam bastante próximos, a diferença entre durezas dos núcleos apresenta-se excessivamente alta. Um perfil de durezas mais próximo entre SAE 4140 e ferro fundido pode ser obtido mediante a utilização de uma menor temperatura de nitretação, pois isso levaria não apenas à elevação da dureza do núcleo, como possivelmente à diminuição do teor de nitrogênio na camada nitretada, com consequente redução de dureza.

6 Figura 3 - Perfis de dureza das amostras do aço SAE 4140 nitretadas e com 0, 4, 8 e 16 horas de difusão. Figura 4 - Perfis de dureza do ferro fundido, do aço SAE 1060 e do aço SAE 4140 nitretados e difundidos.

7 CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho permitem as seguintes conclusões: A diferença no método de medição de temperatura entre o forno e reator de plasma influenciou nos perfis de dureza. Durante o tratamento de nitretação a temperatura a que a amostra é submetida é provavelmente superior à temperatura nominal do processo, o que faz com que a dureza do núcleo seja inferior à prevista no revenimento em forno. Tratamentos de nitretação por plasma e difusão a fim de encontrar um perfil de durezas do aço SAE 4140 que seja mais compatível com o do ferro fundido, devem necessariamente ser conduzidos a menor temperatura, pois essa é a única forma de elevar a dureza final do núcleo do material. Para o ajuste da dureza superficial é possível trabalhar-se com a variável composição gasosa. Apesar do aço SAE 4140 apresentar em sua composição elementos fortemente formadores de nitretos, os condições de tratamento utilizadas levaram a formação de camadas nitretadas constituídas exclusivamente de zona de difusão, o que é desejável em aplicações de fadiga de contato. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação Araucária pela bolsa de iniciação científica. REFERÊNCIAS [1] LEITE, M. V. Análise dos mecanismos de desgaste por fadiga de contato. Dissertação de mestrado, CEFET-PR, Curitiba-PR. p [2] BRUNETTI, Cristiano. Efeito da preparação de corpos de prova na vida em fadiga de contato de rolamento de ferro fundido nodular austemperado. Dissertação de mestrado, UTFPR, Curitiba-PR. p [3] NEVES, J. C. K.; ANGELO, 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, vol. 263, p [4] MELO, G. L. Aplicação da nitretação por plasma na melhora da resistência a fadiga de contato de ligas ferrosas, 2009, Seminário de Iniciação Científica e Tecnologia da UTFPR SICITE UTFPR, 2011, Ponta Grossa. SICITE UTFPR 2011, [5] DOMMARCO, R.C.; SALVANDE, J. D. Contact fatigue resistance of austempered and partially chilled ductile irons. Wear, vol. 254, p [6] DOMMARCO, R.C.; JAUREGUIBERRY, A. J.; SIKORA, J.A. Rolling contact fatigue resistance of ductile iron with different nodule counts and matrix microstructures. Wear, vol. 261, p [7] WOLLMANN, D. Nitretação por Plasma de Ferro Fundido Nodular Temperado e Revenido sem Formação de Camada Branca, 2009, Trabalho de Diplomação em Tecnologia Mecânica Departamento Acadêmico de Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 50p.