INFLUÊNCIA DO TEMPO DE NITRETAÇÃO A GÁS SOBRE A RESISTÊNCIA AO DESGASTE DO AÇO FERRAMENTA VH13ISO PARA A FABRICAÇÃO DE MATRIZ EM EXTRUSÃO DE ALUMÍNIO

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1 INFLUÊNCIA DO TEMPO DE NITRETAÇÃO A GÁS SOBRE A RESISTÊNCIA AO DESGASTE DO AÇO FERRAMENTA VH13ISO PARA A FABRICAÇÃO DE MATRIZ EM EXTRUSÃO DE ALUMÍNIO Guilherme Pereira Menegaz 1 Resumo: O presente trabalho investiga a resistência ao desgaste em corpos de prova do aço ferramenta VH13ISO tratado termicamente e superficialmente, tendo esse último a avaliação da variação de tempo de permanência das amostras em meio nitretante nos intervalos de 8, 10, 12, 14, 16 e 18 horas. Foram feitas análises metalográficas nos corpos de prova para avaliação de espessura de camada nitretada formada e, também, para análise do perfil de dureza da região nitretada. Os ensaios de desgaste nos corpos de prova foram feitos de acordo a norma ASTM G99-95a. O aço VH13ISO apresentou melhor desempenho nas variações de tempo de 8 e 10 horas, tendo características muito parecidas em relação ao desgaste. Para o estudo feito em condições ideais, o processo de extrusão de alumínio terá um melhor comportamento com a utilização do aço VH13ISO para a fabricação de matrizes, sendo o processo de nitretação gasosa feita a um tempo de permanência em meio nitretante de 8 horas. Palavras-chave: Desgaste; Aço VH13ISO; Nitretação gasosa. V Congresso Internacional do Alumínio de Abril de Centro de Exposições Imigrantes São Paulo/SP Brasil 1 Engenherio Mecânico. MENEGAZ Representações e Engenharia Tubarão/SC Brasil guilherme@menegazre.com.br website: Nota: Este foi um Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), apresentado no dia 28 de junho de 2011, solicitado pelo Curso de Engenharia Mecânica, da Faculdade SATC (Rua Pascoal Meller, 73 CEP Criciúma/SC Brasil), para a obtenção da Graduação em Engenheiro Mecânico e que teve como orientador o Professor Norton Zanatte Kejelin.

2 1. Introdução Dentre os métodos industriais de transformações de metais, o processo de extrusão de alumínio é um dos mais severos processos no que diz respeito a solicitações sobre o ferramental. A associação de elevados esforços mecânicos, altas temperaturas, ataque químico produzido pelo alumínio sobre a superfície da matriz e a própria complexibilidade geométrica das peças produzidas constituem extrema solicitação, exigindo matrizes de alta performance, tanto em vida útil quanto em estabilidade, que permita elevada produção. (Yoshida, 1997) A garantia das propriedades mecânicas para suportar as tensões a que a matriz é submetida está na seleção do material e nos tratamentos térmicos. Além da necessidade de garantir as propriedades mecânicas para altas tensões envolvidas, o desgaste superficial decorrente do contato aço-alumínio também deve ser levado em consideração para a fabricação de uma matriz, tendo como finalidade aumentar a vida útil da mesma. O tratamento superficial de nitretação gasosa pode ser utilizado como um método eficiente para solucionar o problema de desgaste em matrizes de extrusão de alumínio. Os aços ferramenta são uma classe de materiais com propriedades específicas para o uso a que se destinam, ou seja, para a transformação de outros materiais. Isso é perfeitamente compreensível quando se considerar os requisitos que eles devem preencher (solicitações mecânicas) e os tipos de serviços a que eles se destinam. Idealmente, a seleção de um determinado aço para emprego como ferramenta em uma operação deveria ser feita correlacionando-se as características metalúrgicas do aço com as exigências de desempenho da ferramenta. Em geral, diversos aços poderiam ser selecionados para uma mesma aplicação. A vida da ferramenta em cada caso deve ser julgada juntamente com os fatores: produtividade, facilidade de fabricação da matriz e custo. O critério final da seleção será, obviamente, o custo de ferramenta por peça produzida por ela. (Silva, 2006) Este trabalho tem por objetivo estudar a resistência ao desgaste de amostras do aço ferramenta VH13ISO tratado termicamente e superficialmente, tendo esse último a avaliação dos efeitos da variação do tempo em 8, 10, 12, 14, 16 e 18 horas de permanência das amostras em meio nitretante. A partir dos resultados experimentais, pretende-se identificar o aço e o tratamento superficial que melhor resiste ao desgaste para aplicação na fabricação de matrizes para extrusão de alumínio. 2. Revisão Bibliográfica Extrusão é um processo de conformação mecânica no qual um tarugo de metal é reduzido em sua seção transversal quando forçado a fluir através do orifício de uma matriz, sob o efeito de altas pressões (ABAL, 2001). A Fig. 1 mostra o processo de extrusão de alumínio do tipo direta. Em vista das grandes forças envolvidas, a maior parte dos metais é extrudada a quente, isto é, quando a resistência à deformação é baixa e a temperatura é superior a de recristalização do metal. As temperaturas ideais de extrusão recomendadas variam de 340 a 530 C, dependendo da liga. As temperaturas dos tarugos de alumínio podem ser de 40 a 130 C menores e essa diferença é compensada pela força de atrito nas paredes do recipiente e pela força de cisalhamento do alumínio na matriz. (ABAL, 2001)

3 Figura 1 Extrusão de alumínio do tipo direta. De modo proporcional à temperatura, está a velocidade. Quanto maior for a velocidade de extrusão, mais violenta será a deformação do metal ao passar pela matriz e maior o calor desenvolvido, portanto, maior será o aumento da temperatura e consequentemente maior a taxa de desgaste da matriz. (ABAL, 2001) Percebe-se que o atrito e o desgaste, no caso específico de extrusão, tornamse impossíveis de eliminá-los. Porém, a diminuição dessas inconveniências pode ser compensada com tratamento superficial de nitretação gasosa. Esse cuidado, obviamente, faz com que a durabilidade da matriz aumente, e consequentemente a produtividade de produto acabado também. Sem os devidos cuidados superficiais, surgem matrizes danificadas e perfis extrudados defeituosos, como mostra a Fig. 2. A Fig. 2a é resultado do excesso de atrito metal-alumínio tendo alto desgaste gerando, inclusive, trincas. Desgastes produzem perfis extrudados com dimensionamentos fora de tolerância e trincas, perfis extrudados com deformações em forma de riscos e/ou arranhões, como mostra a Fig. 2b. (a) (b) Figura 2 Extrusão de alumínio: a Matriz de extrusão; b Perfil extrudado arranhado. 2.1 Tribologia A palavra tribologia deriva da palavra grega tribos que tem o significado de atrito, de modo que uma tradução literal daria tribologia como a ciência do atrito. Essa interpretação é demasiado apertada e foi decidido dar a esta palavra o significado

4 seguinte: ciência e tecnologia das superfícies interactuantes em movimento relativo e matérias e métodos com elas relacionadas. (Silva, 2000) As variáveis fundamentais a qual a tribologia encara os vários problemas, industriais ou não, são desgaste e atrito. Em muitos casos, procura-se reduzir o desgaste ao mínimo, dado que ele representa uma perda de eficiência e de material também. Com relação ao atrito, em certos casos procura-se sua redução, pois essa quanto maior representa uma perda de energia, porém, em outros casos, procura-se a obtenção de seu valor elevado, como no caso de uma simples ligação de porca e parafuso. Geralmente, um elevado atrito é acompanhado também de um elevado desgaste, e uma relação entre esses dois é de extrema complexibilidade. Considerando o estudo sendo feito sobre o processo de conformação mecânica, aonde é inevitável o surgimento do alto atrito e do alto desgaste devido ao contato metal-metal, os controles dessas variáveis são feitos por tratamentos termoquímicos de nitretação, objetivando o endurecimento superficial do material e prolongando a vida útil. A natureza das superfícies metálicas é uma consequência direta do processo de fabricação a que foram submetidas. Apesar de um mesmo processo poder produzir peças com uma ampla gama de qualidade superficial diferentes (torneamento, eletroerosão, etc.), em termos microscópios cada processo deixa suas marcas características, quase que um tipo de assinatura. (Stoeterou, 2004) Os processos de usinagem (torneamento, fresamento, brunimento, lapidação, EDM, outros) representam um dos principais processos de fabricação na indústria, variando de 60% a 70%. Uma superfície usinada pode ser dividida em três camadas distintas (Fig. 3): uma denominada de camada superficial externa, que apresenta um filme de lubrificante (graxa/óleo); uma segunda camada, denominada de camada superficial interna, constituída principalmente de material encruado resultante do processo de usinagem; e a área não afetada, onde se encontra o material de base da peça. (Stoeterou, 2004) Figura 3 - Camadas superficiais de uma peça usinada. (Stoeterou, 2004) De forma resumida, não existe camada superficial perfeita. Dentre os modos de usinagens existentes atualmente, a imperfeição dessa superfície está associada à rugosidade (Fig. 4), onde, dependendo do tipo de aplicação, pode haver superfícies com alta ou baixa rugosidade. De um modo geral, quanto mais lisa a superfície, menor a rugosidade, e consequentemente menor o atrito gerado. (Stoeterou, 2004) Figura 4 Definição de rugosidade. (Stoeterou, 2004)

5 Atrito pode ser definido como o deslizando entre dois corpos, um sobre o outro, havendo a resistência a esse movimento. A teoria da adesão (Fig. 5) considera que quando superfícies metálicas são postas em contato, as junções ocorrem somente nos picos das asperezas, ou seja, nas irregularidades formadas durante o processo de usinagem. Essa consideração implica em que a área real de contato é pequena e a força é suficientemente elevada para causar deformação plástica, ou seja, desgaste. (Stoeterou, 2004) Figura 5 Vista esquemática de uma interface entre duas superfícies. (Stoeterou, 2004) De forma geral, o desgaste pode ser definido como uma mudança cumulativa e indesejável em dimensões, motivada pela remoção gradual de partículas discretas de superfícies em contato e com movimento relativo, devido, predominantemente, a ações mecânicas. (Stoeterou, 2004) O desgaste é um processo complexo, resultado de diferentes processos que podem ocorrer independentemente ou em combinações. Alguns dos processos mais comuns são: adesão, abrasão, corrosão e fadiga superficial (Stoeterou, 2004). Desses, a maior ênfase é dada ao desgaste por adesão, por ser o maior responsável pelos danos na maioria dos sistemas práticos, inclusive no processo de extrusão de alumínio. Esse tipo de desgaste depende de vários fatores, onde variáveis como a natureza das superfícies em escorregamento, sua compatibilidade e a existência de lubrificantes ou contaminantes na interface podem determinar seu grau de agressividade no processo. (Stoeterou, 2004) Deve ser salientado que os estudos sobre desgaste são relativamente recentes e uma análise quantitativa desse fenômeno ainda encontra-se em um estágio inicial. As incertezas associadas com previsões de volumes de desgaste são muito grandes, de modo que as técnicas hoje utilizadas são mais apropriadas para decidir sobre alternativas de projeto do que tentar prever, com precisão, a vida de um sistema em escorregamento. (Stoeterou, 2004) 2.2 Aço Ferramenta para Trabalho a Quente De forma geral, as propriedades mecânicas dos aços para trabalho a quente são: resistência a deformação na temperatura de uso, resistência ao impacto, resistência a erosão, resistência a deformação no tratamento térmico, usinabilidade e resistência a trincas a quente. Para essas finalidades, os grupos de aço da série H são mais usuais tendo como principais elementos de liga o cromo (Cr), tungstênio (W) e molibdênio (Mo). Esses elementos de liga são adicionados, propositalmente, em valores com variações bem definida. A complexibilidade dos processos de adição desses elementos não permite descrevê-los, mas se pode informar individualmente suas aplicações nas ligas, como mostrado na Tab. 1:

6 Tabela 1 Aplicações dos principais elementos de liga do grupo de aço da série H. (Villares Metals, 2010) Cromo (Cr) Tungstênio (W) Molibdênio (Mo) Aumenta a resistência à corrosão e à oxidação, eleva a dureza dos aços e a resistência ao desgaste quando junto com carbono alto. Melhora a resistência mecânica a altas temperaturas. É um grande formador de carbonetos formando partículas duras e resistentes ao desgaste nos aços ferramentas, além de manter durezas elevadas em altas temperaturas. Ajuda a diminuir o crescimento do grão, aumenta a profundidade de têmpera, eleva a dureza e a resistência a quente, melhora a resistência à corrosão nos aços inoxidáveis. Nos aços ferramenta para trabalho a frio e aços rápidos, aumenta a resistência ao desgaste. 2.3 Nitretação Nitretação é um processo termoquímico que visa na adição, por difusão, de nitrogênio na superfície do aço objetivando aumentar a dureza e a resistência ao desgaste dessa superfície, ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantém homogêneo, sem perdas de propriedades mecânicas. O processo de nitretação é utilizado em peças já acabadas, podendo atingir uma dureza de até 70 HRc (aproximadamente 1150 HV). (Silva, 2006) Os fatores que influenciam no procedimento de controle do processo de nitretação são: Potencial do meio gasoso, em que a peça está imersa, para fornecer o elemento químico nitrogênio; Capacidade da peça absorver esse elemento químico. Isto está relacionado à solubilidade e difusão do elemento químico no aço. A introdução do nitrogênio é feita pelo aquecimento do aço entre 500 e 570 C, faixa de temperatura em que o aço encontra-se na condição ferrítica α (Fig. 6) e no caso especifico de nitretação a gás, essa consiste em submeter o aço a uma atmosfera de amônia (NH3). Nessa temperatura, a amônia decompõe-se segundo uma reação química (N + 3/2 H2) e dependendo do tempo do material neste meio nitretante, haverá uma espessura e uma dureza de camada formada associada. Uma vez não controlado a taxa de amônia e o tempo em meio nitretante, o processo produz uma camada branca quebradiça na superfície, inviabilizando, em muitos casos, a utilização desse material. (Silva, 2006) Figura 6 Diagrama Ferro-Nitrogênio. (Silva, 2006)

7 Basicamente são empregados aços que contém elementos formadores de nitretos estáveis à temperatura de nitretação como: alumínio, cromo e vanádio, e dentre as suas classificações, pode-se citar: Aços baixa liga contendo alumínio; Aços médio carbono ao cromo das séries 41xx, 43xx, 51xx, 61xx, 86xx, 87xx e 98xx; Aços ferramenta com 5% cromo do tipo H11, H12 e H13; Aços baixo carbono ao cromo das séries 33xx, 86xx e 93xx. Aços carbono em geral não são utilizados na nitretação a gás, pois formam uma camada nitretada extremamente fina e quebradiça. (Silva, 2006) Composição da camada nitretada A composição da camada nitretada é formada por duas zonas distintas, como mostrado na Fig. 7. Fig.7 Zonas resultantes do processo de nitretação. (Ferreira, 2001) A difusão atômica do nitrogênio no aço forma uma camada composta e próximo a esta, uma camada de difusão. Como resultado da nitretação, essa camada composta sempre estará presente. (Ferreira, 2001) A zona composta, também chamada de camada branca, devido a sua morfologia, pode levar o ferramental à quebra prematura diminuindo a vida útil do material. A camada branca tem as seguintes características: Fase (Fe2,3N): microconstituinte duro (concentração acima, em peso, de 7,35%, N). Fig. 6; Fase (Fe4N): microconstituinte tenaz (concentração excedente, em peso, a 5,5% N e não mais que 6,1% N). Fig. 6. Pode-se dizer que em relação ao processo gasoso, a formação dessa camada é dada pela formação das fases e resultando em uma camada frágil e quebradiça. Essa mistura de fases na camada branca é devida a variação na dissociação da amônia. A variação da taxa de dissociação pode ser explicada da seguinte forma: com a zona de compostos se formando, a dissociação de amônia torna-se mais lenta sem a ação catalisadora da superfície do aço. Assim, quando ambas as fases existem na camada branca, ela é denominada camada de dupla fase (fase e fase ). Em razão da fraca adesão entre as fases e e a diferença de expansão térmica entre elas, essa combinação faz com que o material seja mais susceptível à fratura. Dessa forma, camadas demasiadamente espessas ou que são submetidas a variações de temperatura em serviço estão sujeitas a falhas. Outro mecanismo de enfraquecimento na camada branca do processo gasoso é a porosidade na superfície do material. (Ferreira, 2001) Abaixo da camada branca, é formado uma camada de difusão constituída por nitretos formados pela reação do nitrogênio com elementos de maior afinidade, tais

8 como: ferro, cromo, vanádio, alumínio e molibdênio. A camada de difusão também dependente do tempo e da temperatura. Ainda é nessa região que as resistências à fadiga térmica e mecânica são determinadas. A zona de difusão de uma camada nitretada pode ser melhor descrita como sendo a microestrutura original do núcleo com algumas soluções sólidas e precipitações de nitretos. Os átomos de nitrogênio encontram-se em solução sólida intersticial até que o limite de solubilidade do nitrogênio no ferro seja excedido formando depois Fe4N. (Ferreira, 2001) A profundidade da zona de difusão depende do gradiente de concentração de nitrogênio, do tempo a uma dada temperatura e da composição química do material que está diretamente ligada à quantidade de elementos de liga com afinidade com o nitrogênio no substrato. Quanto maior a quantidade desses elementos, menor será a profundidade de camada alcançada, uma vez que a presença destes diminui a difusão do nitrogênio em direção ao núcleo em função da rápida formação de nitretos na superfície. (Ferreira, 2001) 3. Procedimento Metodológico O material empregado para a realização deste trabalho foi o aço ferramenta VH13ISO. As composições químicas desse aço, apresentada na Tab. 2, indicam ser um aço de baixo teor de carbono ligado ao cromo. Tabela 2 Composição química do aço VH13ISO. (Certificado de Qualidade VILLARES METALS) C 0,38 W 0,06 Si 0,95 Cu 0,06 Mn 0,32 Nb <0,01 AÇO FERRAMENTA VH13ISO P S Cr Mo Ni V 0,022 <0,001 5,18 1,28 0,20 0,86 Al Pb Sn <0,005 As <0,005 Bi <0,005 N 0,0117 0,027 <0,0025 Foram fabricados 12 corpos de prova em formatos de discos, com dimensões de 60 mm de diâmetro e 4 mm de espessura (Fig. 8a). Foram fabricados, também, 6 corpos de prova em formato de blocos nas dimensões de 10 mm por 10 mm por 20mm (Fig. 8b). Esses corpos de prova foram retirados de discos vindos da siderurgia VILLARES METALLS que possuíam medidas de 200mm de diâmetro e 20mm de espessura. Após a fabricação dos corpos de prova, foram feitos tratamentos térmicos de têmpera e revenimento para a obtenção de uma dureza entre HRC, dureza essa necessária para suportar as solicitações de esforços sobre o ferramental. A Tab. 3 mostra as condições de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento utilizados. (b) (a) Figura 8 Corpos de prova: a - Corpo de prova para ensaio de desgaste; b - Corpo de prova para ensaio metalográfico e de microdureza.

9 Tabela 3 Condições do tratamento térmico de tempera e revenimento. Têmpera Revenimento Tratamento Térmico T[ C] VH13ISO Alívio de tensão (2h) 550 Resfriado 200 Homogeneização (30min) 700 Homogeneização (2h) 1020 Resfriado Óleo 180 1º Revenimento (2h) 500 Resfriado 25 2º Revenimento (2h) 580 Resfriado 25 3º Revenimento (2h) 530 Resfriado 25 Depois de tratados termicamente, os corpos de prova foram submetidos ao processo de nitretação. As condições de tempos são mostradas na Tab. 4. Tabela 4 Distribuição das temperaturas nos corpos de prova. Tempo [h] Sequência dos blocos no aço Sequência dos discos no VH13ISO aço VH13ISO 08 A 01 e B 03 e C 05 e D 07 e E 09 e F 11 e 12 Para todas as situações, o processo de nitretação manteve as mesmas condições, variando apenas a temperatura. Na Tab. 5, estão as condições de tratamento superficial de nitretação: Tabela 5 Condições do tratamento superficial de nitretação. Temperatura ( C) Volume do forno (l) Injeção de NH 3 (m 3 /h) Ciclos por hora ,4 3.1 Ensaio de pino-disco Para a avaliação de resistência ao desgaste, o aço em estudo foi submetido à realização de ensaios a seco em equipamento de pino-disco com variáveis utilizadas (Tab. 6) seguindo a norma ASTM G99 95a. Tabela 6 Variáveis utilizadas para a realização do ensaio ao desgaste. Velocidade de Distância total percorrida Carga (N) Raio da Pista (mm) deslizamento (m/s) (m) 0,

10 Os corpos de prova (Fig. 8a) passaram por um procedimento de preparação a fim de se eliminar quaisquer vestígios de impurezas. Os testes foram feitos num equipamento pino-disco, de modelo CZ1000, como mostra a Fig. 9. Figura 9 Equipamento pino-disco utilizado para a realização do ensaio de desgaste. Uma placa, comparada a de um torno, faz a fixação dos corpos de prova e um contra corpo (pino) esférico de alumina polida com 06 mm de diâmetro faz o contato com o corpo de prova, a fim de gerar atrito. A placa girava com uma velocidade constante e um peso pré-definido era posto sobre o pino para gerar uma carga sobre o corpo de prova. Todo o conjunto foi isolado para controlar a umidade, sendo esse controle feito por sílica e controlado por um equipamento digital. Logo em seguida, o disco era removido e passado novamente por um processo de limpeza para a retirada das partículas. Realizados os testes, tinha-se como resultado nas peças ensaiadas uma pista produzida pelo contato pino-disco, conforme mostrado na Fig. 10a. Essas pistas foram medidas por um perfilômetro Mitutoyo de modelo Contracer CV2000, mostrado na Fig. 10b, para detectar o volume de material removido e, consequentemente, a taxa de desgaste. (b) (a) Figura 10 Medição do desgaste: a - Pista gerada nos corpos de prova; b - Perfilômetro. O perfilômetro possui uma ponteira com formato definido para, ao passar pela área removida, analisar a geometria formada e, posteriormente, calcular o volume removido. Toda a análise é feita de maneira computadorizada, sistema esse provido de aparelho de medição.

11 3.2. Microdureza e espessura de camada nitretada Além do ensaio pino-disco, os corpos de prova foram submetidos à análise metalográfica e de microdureza. Os ensaios dos aços em estudo foram realizados em parceria com a siderurgia VILLARES METALLS. A própria siderurgia fez o pedido para que os corpos de prova fossem fabricados nas condições já mostradas na Fig. 7b. 4. Resultado e Análise Tendo em vista os ensaios realizados em corpos de prova nitretados a gás com a variação nos tempos em 8h, 10h, 12h, 14h, 16h e 18h, as seguintes análises com relação à camada formada, microdureza e desgaste serão mostradas a seguir. 4.1 Características Metalográficas Os ensaios metalográficos foram realizados nos blocos para observar microestrutura e a variação de espessura da camada nitretada. Os resultados obtidos são mostrados na Fig. 12. As microestruturas do aço em estudo é constituída basicamente por martensita revenida. Percebe-se que surgiram camadas brancas em todas as situações e, na maioria delas, com características não uniformes. Situações de camadas brancas uniformes apareceram apenas na D. As sequências com seus respectivos corpos de provas e os tratamentos que neles foram feitos estão mostradas na Tab. 8. Verifica-se que quanto maior o tempo em meio nitretante, maior a espessura de camada de nitretação formada. Observa-se que a sequência B não seguiu essa tendência. Isso deve-se tanto ao preparo das amostras quanto a erros inerentes ao processo de nitretação. A camada branca formada está vinculada ao excesso do tempo em meio nitretante, ou seja, a partir de um determinado tempo nesse meio observa-se uma saturação. Essa saturação se dá pela formação da camada branca, com características frágeis, inviabilizando a utilização do material. A Tab. 7 apresenta a medição de espessura da camada nitretada. Tabela 7 Caracterização da camada nitretada Sequência Figura Material Dureza [HRc] Tempo Nitretação [h] Camada Nitretada [µm] Camada Branca [µm] A Figura 12-A VH13ISO a 3 B Figura 12-C VH13ISO a 2 C Figura 12-E VH13ISO a 5 D Figura 12-G VH13ISO ,5 E Figura 12-I VH13ISO a 5 F Figura 12-K VH13ISO a 7 Segue, na Fig. 11, a comparação gráfica entre os estudos feitos.

12 Camada Nitretada (µm) Camada Nitretada x Tempo em meio nitretante VH13ISO Tempo em meio nitretante(h) Figura 11 Comparação da camada nitretada do aço VH13ISO em relação ao tempo em meio nitretante. A B C D E F G H I J K L Figura 12 Análise metalográfica das seções transversais do aço VH13ISO. (Relatório técnico VILLARES METALS). 4.2 Microdureza Além das variações da espessura da camada nitretada, os ensaios metalográficos foram realizados, também, para a medição da variação de dureza nos blocos. Estes ensaios foram feitos na escala Vickers (HV) com cargas de 0,2 N, média de 5 valores e são vistos na Fig. 13.

13 Dureza (HV) Dureza (HV) Dureza x Distância da Superfície Distância da Superfície (µm) 8 horas 10 horas 12 horas 14 horas 16 horas 18 horas Figura 13 Perfil de dureza da camada nitretada do aço VH13ISO. (Relatório técnico VILLARES METALS) Os resultados obtidos foram os esperados. Existe alta dureza mais próxima à superfície da peça e a medida que a distância dessa superfície aumenta, há uma redução de dureza associada. Isso se dá pela caracterização do processo de nitretação, que tem por objetivo o aumento significativo apenas da superfície de um determinado material. As durezas nas superfícies dos aços em estudo variam de 1000 HV a 1300 HV, o que resulta em aproximadamente HRc (Provenza, 1994). Na Fig. 14 são vistos os valores de dureza nas superfícies dos corpos de prova para cada tempo de permanência em meio nitretante Dureza x Tempo Tempo (s) VH13ISO Figura 14 Perfil de dureza na superfície da camada nitretada dos aço em estudo. Os perfis de dureza com períodos de 14 e 18 horas de permanência em meio nitretante do aço VH13ISO apresentam valores inferiores a 1000 HV (aproximadamente de 66 HRc), o que para a camada nitretada ainda é o esperado. 4.3 Desgaste A Tab. 8 apresenta o resultado experimental do ensaio pino sobre disco, mostrando o comportamento do desgaste no aço ferramenta VH13ISO na variação do tempo em meio nitretante.

14 Desgaste (mm3) Tabela 8 Caracterização dos corpos de prova submetidos ao ensaio de desgaste. Sequência Material Tempo Nitretação [h] Média de Desgaste [mm 3 ] 01 e 02 VH13ISO 08 0, e 04 VH13ISO 10 0, e 06 VH13ISO 12 0, e 08 VH13ISO 14 0, e 10 VH13ISO 16 0, e 12 VH13ISO 18 0, Segue, na Fig. 15, a comparação gráfica entre os estudos feitos. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Tempo x Desgaste Tempo (h) H13 Figura 15 Comparação gráfica do desgaste dos aços em estudo. Na teoria, sabe-se que quanto maior o tempo de nitretação, maior a camada nitretada e menor o desgaste, levando em consideração que não haja saturação do nitrogênio durante a difusão. Assim como na caracterização da camada nitretada, houve nos períodos de 14 e 18 horas nos corpos de prova do aço VH13ISO uma possível anomalia com relação aos resultados obtidos. Nessas sequências têm-se um aumento do desgaste, o que contradiz da teoria. Uma hipótese está em uma possível falha no decorrer do processo de estudo ao desgaste ou então na própria preparação dos corpos de prova. Porém, para o perfil de dureza desses períodos de tempos, observa-se valores inferiores a 1000 HV (aproximadamente 66 HRc), o que desse modo resulta num maior valor de desgaste. Essa variação de desgaste pode estar vinculada, também, à saturação ocorrida no processo de nitretação para esses corpos de prova, tendo a camada branca formada, um desgaste irregular quando submetido ao atrito. 5. Conclusão Para o aço VH13ISO, tem-se uma espessura de camada nitretada de 100 e de 90 µm para os tempos de 8 e 10 horas, respectivamente. Percebe-se uma proximidade de características, quando comparados com os outros tempos, entre essa variação, até mesmo com relação à saturação, formando camada branca de menor espessura. O desgaste, também, quando comparados são 0, e 0, mm 3 para a variação de tempo em meio nitretante de 8 e 10 horas, respectivamente. Tem-se um perfil de dureza para o tempo de 8 horas superior, quando comparado ao tempo de 10 horas. Dentro dos parâmetros resultantes da nitretação, essa variação é aceitável, já que o perfil de dureza fica na faixa de 68-70HRc.

15 Finalizando, pode-se concluir que para o estudo feito em condições ideais (em laboratório), as matrizes fabricadas em aço VH13ISO para o processo de extrusão de alumínio apresentaram o melhor comportamento com o tratamento superficial de nitretação gasosa no tempo de 8 horas de permanência em meio nitretante. Para trabalhos futuros pode-se sugerir novos estudos na caracterização do desgaste do aço VH13ISO nos tempos de 14 e 18 horas que obtiveram possíveis anomalias nos resultados obtidos devido a uma possível falha nos processos tanto de fabricação dos corpos de prova quanto no tratamento termoquímico de nitretação. Agradecimentos O autor agradece a VILLARES METALS, a Franco Wronski Comeli e a Luiz Carlos de Cesaro Cavaler pela valorosa contribuição neste trabalho e, também, ao apoio financeiro recebido da empresa ALUMASA Indústria de Plástico e Alumínio Ltda. Bibliografia Yoshida, Shun. Aumento da vida útil em ferramenta para fundição sob pressão de alumínio. 6º Seminário de Tecnologia da Indústria do Alumínio, 18 a 20 de Junho de 1997, São Paulo/SP, Brasil, ed. Abal, p Associação Brasileira do Alumínio (ABAL). Extrusão. 2. ed. São Paulo, p. Silva, Fernando A. Pina da. Tribologia. 2. ed. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian, p. Stoeterau, Rodrigo Lima. Tribologia. Apostila. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis p. Silva, André Luiz V. da Costa e; Mei, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. Treinamento de Aços Ferramenta e Tratamentos Térmicos Villares Metalls, Ferreira, Gustavo Emiliano Falcão. Avaliação da resistência a fadiga térmica do aço AISIH13 nitretado pelos processos gasoso e por plasma. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis p. American Society for Testing and Materials. ASTM: G99-95a: Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus p. Provenza, Francesco. Projetista de Máquinas. São Paulo: Editora F. Provenza, Bressan, José Divo; Comeli, Franco Wronski. Estudo da resistência ao desgaste de aço AISI422 tratado termicamente, nitretado e com revestimentos aspergidos de carboneto de cromo-níquel. Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis

16 INFLUENCE OF TIME OF GAS NITRIDING ON THE WEAR RESISTENCE OF STEEL VH13ISO FOR THE FABRICATION OF ARRAY OF ALUMINUM EXTRUSION Guilherme Pereira Menegaz 1 Abstract: This work investigate the wear resistance of nitreded steel VH13ISO the time variation of 8, 10, 12, 14, 16 and 18 hours. Metallographic analysis were conducted to evaluate the thickness of nitrided layer formed and also to analyze the hardness profile of nitrided region. The wear tests were performed according to ASTM G99-95th. The VH13ISO Steel had performed better in the time variations of 8 and 10 hours, with very similar characteristics with respect to wear. For the study done in ideal conditions, the aluminum extrusion process will have a better performance with the use of steel VH13ISO for the manufacture of dies, with the gas nitriding process done at a permanence time in the midst of nitriding 8 hours. Keywords: Wear; VH13ISO Steel; Gas Nitriding. V International Aluminum Congress April Centro de Exposições Imigrantes São Paulo/SP Brazil 1 Mechanical Engineer. MENEGAZ Representações e Engenharia Tubarão/SC Brazil guilherme@menegazre.com.br website: Note: This was a Conclusion Work of Course (TCC), presented on June 28/2011, requested by the Course Mechanical Engineering, of Faculdade SATC (Street Pascoal Meller, 73 CEP Criciúma/SC Brazil), to obtaining Graduation in Mechanical Engineer and had as leader the Teacher Norton Zanatte Kejelin.