Carbonitretação Por Plasma do Aço Ferramenta AISI H13. R. M. M. Riofano, L. C. Casteletti, E. D. Francisco

Transcrição

1 Carbonitretação Por Plasma do Aço Ferramenta AISI H13 R. M. M. Riofano, L. C. Casteletti, E. D. Francisco Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística, C.P. 440, São Carlos SP, Brazil romemuri@sc.usp.br No presente trabalho, o aço AISI H-13 foi carbonitretado por plasma variando-se as temperaturas de tratamento e freqüência do pulso visando-se a obtenção da camada mais adequada. Utilizou-se a mistura gasosa 2%CH 4-78%H 2-20%N 2. As camadas foram caracterizadas por meio de ensaios metalográficos e medidas de dureza. A resistência ao desgaste foi avaliada por meio de ensaio abrasivo do tipo pino-sobre-disco. Todos os tratamentos produziram camadas com elevada dureza (1394 a 1728HV). Todas as amostras carbonitretadas apresentaram um grande aumento em suas resistências ao desgaste abrasivo, quando comparadas com as amostras não nitretadas. Palavras-chave: Carbonitretação por plasma, Aço AISI H-13, Desgaste abrasivo Plasma Carbonitriding AISI H13 Tool Steel In the present work, ion carbonitriding of AISI H13 steel was conducted in differents treatments temperatures and pulse frequencies in attempt to obtaining the most appropriate layer. The nitriding atmosphere consisted of a mixture of 2%CH 4-78%H 2-20%N 2. The layers were characterized by means of pin-on-disk abrasive test, hardness measurements and metallography. All the treatments produced layers with high hardness ( HV) and all the carbonitrided samples presented a great increase in its abrasive wear resistance, when compared with the non nitrided alloys. Keywords: Plasma carbonitriding, AISI H-13 steel, Abrasive wear. Introdução O aço AISI H13 apresenta, devido às suas características especiais, uma grande versatilidade de aplicação, sendo usado na fabricação de matrizes e punções de forjamento, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28201

2 matrizes de recalque a quente, insertos para forjamento, moldes e componentes para máquinas de fundição sob pressão de ligas de zinco e alumínio, matrizes de extrusão de alumínio, latão e magnésio, mandris e outros componentes de extrusoras, moldes para plásticos e facas para trabalho a quente. Devido ao endurecimento secundário no revenimento, esse aço pode ser utilizado até aproximadamente 500 o C. É temperável ao ar, o que resulta em menores tensões residuais após a têmpera. A fadiga térmica nos equipamentos industriais que utilizam ferramentas de trabalho a quente constituí-se num problema de importância fundamental. É o mecanismo principal que limita a vida das matrizes de injeção sob pressão e o segundo mecanismo limitante da vida das matrizes de forjamento, sendo o primeiro o desgaste. As trincas de fadiga térmica podem aparecer no inicio da vida de operação da ferramenta, e serão regiões preferenciais para o desgaste erosivo provocado pelo fluxo do metal. A rede de trincas que aparece na superfície da cavidade das matrizes é conhecida como heat checking. O crescimento contínuo dessas trincas pode levar a acabamentos inaceitáveis dos produtos ou ocasionar a falha catastrófica da matriz. O aço H13 apresenta boa resistência à fadiga térmica em ferramentas para trabalho a quente, confeccionadas com o mesmo, e que podem ser resfriadas com água ou outros fluidos, entre as operações constituindo-se no aço mais utilizado de sua classe 1-3 (As matrizes são submetidas a condições severas de serviço. A fundição sobre pressão é um processo de alta produção, que resulta em peças geometricamente complexas de metais não ferrosos, com excelente acabamento superficial e baixa taxa de sucateamento. Taxas de produção de 200 peças por hora ou jornadas de produção de até peças são possíveis. Estas condições de severas cargas mecânicas e térmicas limitam os tipos de materiais que podem ser usados em suas fabricações, sendo o aço AISI H13 o mais comumente utilizado 3 ). Alguns mecanismos de desgastes presentes, como a erosão, choques térmicos, e corrosão podem levar a falhas prematuras das matrizes. Endurecimentos superficiais por meio de nitretação ou carbonitretação podem ampliar a vida útil dessas matrizes. 4-7 Como o tratamento de carbonitretação pode ser realizado em temperaturas próximas as do revenido, no caso de aço AISI H13, existe a possibilidade de se utilizar o segundo revenido concomitantemente com a carbonitretação, evitando-se o uso do duplo revenido. O objetivo deste trabalho foi o de avaliar a influência da temperatura de tratamento e freqüência do pulso sob as características das camadas carbonitretadas em um aço AISI H13. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28202

3 Analisou-se as características da camada carbonitretada através de ensaios de desgaste do tipo pino-sobre-disco, medidas de perfil de dureza e metalografia ótica. Materiais e Métodos Foram carbonitretadas por plasma amostras cilíndricas com 10mm de diâmetro e 10mm de altura de aço AISI H13 cuja composição química esta dada na tabela 1. Antes dos tratamentos de carbonitretação por plasma, as amostras foram aquecidas a 1050ºC/tempo, temperadas e revenidas a 540 o C para desenvolver uma microestrutura de martensita revenida com uma dureza de aproximadamente 730HV. Tabela 1- Composição química do material testado (% em peso) Cr Mo V C Mn Si 5,30 1,22 0,85 0,38 0,33 0,99 As carbonitretações foram realizadas em um reator cilíndrico de aço inoxidável de 300mm de diâmetro interno e 300mm de altura. A fonte possui tensão máxima de saída de 800V e corrente contínua com uma potência de 2kVA. Além da tensão contínua, pode-se obter uma tensão pulsada (onda quadrada) com freqüência variável de 1 a 10kHz. As amostras foram colocadas na descarga catódica e polarizada negativamente. A temperatura das amostras foi medida através de um termopar cromel-alumel. Previamente à carbonitretação as amostras foram lixadas e polidas mecanicamente e submetidas a um processo de limpeza com éter de petróleo em ultra-som durante 12 minutos. Após da introdução das mesmas no reator foi feito vácuo (~5.32Pa). As amostras então foram carbonitretadas. As tabelas 2a e 2b apresentam as condições de tratamento. Após o tratamento, cortou-se as amostras transversalmente à superfície carbonitretada e realizou-se caracterizações na superfície carbonitretada e ao longo da profundidade. As amostras foram lixadas nas lixas de granulometria 80, 150, 220, 320, 400, 600 e O polimento foi feito com alumina de 0,05µm. Para a revelação das microestruturas, utilizou-se o reagente Nital 5%. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28203

4 Tabela 2a- Condições de tratamento corrente contínua Corrente contínua Temperatura 550 e 600 o C Tempo 5 horas Voltagem 591 e 593 Composição do gás 20%N %H 2 +2%CH 4 Tabela 2b- Condições de tratamento corrente pulsada Corrente pulsada Temperatura 550 o C Tempo 5 horas Freqüência 2 e 9 khz Voltagem 639 e 623 Composição do gás 20%N %H 2 +2%CH 4 Todos os ensaios de dureza foram realizados sobre a superfície e ao longo do perfil da camada. Para este ensaio utilizou-se um microdurômetro do tipo Micromet 2105 digital, empregando uma carga de 50gf para todos os ensaios. Utilizou-se o desgaste abrasivo do tipo pino-sobre-disco. Os ensaios foram realizados em um ambiente seco, usando uma carga de 320g e com velocidade de rotação de 45rpm. A cada 200 giros sobre o abrasivo, que era constituído de lixa de granulometria 500, retirava-se e limpava-se a amostra, para em seguida pesá-la em uma balança de precisão de 0,1mg. Realizou-se este procedimento até um total de 2000 giros. Os resultados foram colocados em um gráfico onde tem-se a perda de massa versus o número de giros. A perda de massa foi dado pela expressão (M i M f ), na qual M i é a massa inicial e M f é a massa a cada 200 giros. Resultados e Discussão Na figura 1 está apresentada a fotomicrografia do aço em estado temperado. Sua microestrutura é totalmente martensítica. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28204

5 Fig. 1. Microestrutura martensítica do aço temperado As figuras 2 a 5 correspondem às fotomicrografias do aço carbonitretado em várias condições. Em todas elas verifica-se as espessas camadas de difusão formadas no tratamento. Fig. 2. Camada de difusão produzida na amostra carbonitretada a 600oC durante 5 horas em corrente contínua. Fig. 3. Camada de difusão produzida na amostra carbonitretada a 550oC durante 5 horas em corrente contínua. Fig. 4. Camada de difusão produzida na amostra carbonitretada a 550oC durante 5 horas com freqüência de 2kHz. Fig. 5. Camada de difusão produzida na amostra carbonitretada a 550oC durante 5 horas com freqüência de 9kHz. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28205

6 Na figura 6 são apresentadas os perfis de dureza do aço carbonitretado em várias condições. Todas as camadas apresentaram níveis de dureza elevados, na faixa de 1394 a 1728HV. Na figura 7 são mostradas as curvas referentes às perdas de massa no ensaio abrasivo. Verifica-se a grande efetividade do tratamento de carbonitretação quanto a essa característica, quando comparada com a amostra sem esse tratamento /5h/cc 550/5h/cc 550/5h/2kHz 550/5h/9kHz DUREZA (HV) PROFUNDIDADE (µm) Fig. 6. Relação de dureza vs. Profundidade, das amostras carbonitretadas por plasma nas diferentes condições. 0,040 0,036 PERDA DE MASSA (g) 0,032 0,028 0,024 0,020 0,016 0,012 0,008 0, o C/5h/cc 550 o C/5h/cc 550 o C/5h/2kHz 550 o C/5h/0kHz Não Carbonitretado NÚMERO DE GIROS Fig. 7. Perda de massa em função do número de giros das amostras carbonitretadas por plasma. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28206

7 Conclusões O tratamento de carbonitretação foi efetivo produzindo-se espessas camadas de difusão com elevadas durezas, em todas as condições de tratamento e que apresentaram acentuada melhora em suas resistências ao desgaste abrasivo, quando comparadas com amostras não submetidas àquele tratamento. Agradecimentos - A CAPES pela concessão da bolsa de estudo do Doutorado. - Ao FAPESP, pelo financiamento do proc. 1995/ Equipamento de Nitretação por Plasma. Referências Bibliográficas \ 1- Branco, J. R. T. Et al., Alloy Partitioning and Grain Growth Control of H13 Steel. Heat Treating and Surface Engineering New Technology and Practical Aplications Conference Proceeding, ASM International, 1988, p Bengtsson, K. et al., Hardening and Tempering H13 Die Casting Dies. Heat Treating, november, 1992, p Tool Material in Metals Handbook, v. 1., 8 th edition, Properties and Selection of metals, 1961, ASM, p Tool Materials, p Venkatesan, K. et al. Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Process Parameters on the Erosive Wear of Die Casting Dies. Journal of Materials Engineering and Performance, v. 4, n o. 2, April, 1995, p Hikh, A. J. Heat Treatment: A review of current and future process developments. The Institute of Metallurgical Technicians number IMT/2 Conference Papers, July, 1979, MT, p Nowill, P. H. Ion Nitriding Extrusion Dies. Ion Nitriding and Ion Carburizing Conference Proceedings, ASM International, Ohio, USA, Sept, 1989, p Lidster, P. C. Et al., Ion Nitriding of Cold Forging Die Alloys. Ion Nitriding and Ion Carburizing Conference Proceedings, ASM International, Ohio, USA Sept, 1989, p CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28207