RELATÓRIO FINAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA (FATEC) JOSÉ CRESPO GONZALEZ RELATÓRIO FINAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA ESTUDO DE CORROSÃO DO AÇO INOX 420 TEMPERADO E REVENIDO E TEMPERADO E NITRETADO REVENIDO Aluna: Crislaine Pereira da Rocha Orientador: Prof. Msc. Marcos Dorigão Manfrinato Sorocaba 2019

2 Sumário RESUMO 1 ABSTRACT 2 1 INTRODUÇÃO 3 2 OBJETIVOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os Aços Inox Aço Inoxidável Martensítico Aço Inoxidável AISI Corrosão Nitretação a Plasma MATERIAIS E MÉTODOS Metalografia Ensaio de Nevoa Salina Nitretação a Plasma RESULTADOS E DISCUSSÕES CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 33 2

3 RESUMO Os aços inoxidáveis martensíticos AISI 420 são empregados em moldes para injeção plástica e para isso precisam ter resistência ao desgaste, à corrosão e à mecânica. Para se obter essas características, os moldes são temperados, revenidos e depois passam por um tratamento de superfície, a nitretação a plasma. Tento em vista a redução de gastos e tempo de processo, neste trabalho foi analisada a redução de um processo, realizando o tratamento térmico de têmpera seguido de tratamento de nitretação a plasma revenindo. Foi realizado também o estudo da resistência à corrosão do aço AISI 420 temperado e revenido em diferentes temperaturas. O tratamento de têmpera foi realizado na temperatura de 1000 C e o revenimento em temperaturas de 400 C, 450 C, 500 C e 550 C, a nitretação a plasma foi realizada com mistura gasosa de 80% de Nitrogênio e 20% de Hidrogênio com pressão de 5,05 torr e na temperatura de 400 C. As amostras foram submetidas a ensaio de dureza, análise metalográfica e teste de corrosão por Salt Spray com duração de 48 horas. Este mostrou uma melhora na resistência a corrosão para o material temperado nitretado revenido. A estrutura e dureza do substrato da amostra nitretada foram comparadas com a amostra temperada e revenida, mostrando ser possível a redução de um processo sem afetar nas propriedades do material..com os ensaios de dureza e de corrosão nas amostras revenidas foi possível observar o segundo endurecimento e identificar macroscopicamente que quanto maior a temperatura de revenimento, maior será a quantidade de pontos de corrosão que se formará. Palavras chave: Nitretação a plasma, AISI 420, corrosão, Salt spray. 3

4 ABSTRACT The AISI 420 martensitic stainless steels are used in molds for plastic injection and for this they must have resistance to wear, corrosion and mechanics. To obtain these characteristics, the molds are tempered, tempering and then passed through a surface treatment, plasma nitriding. In order to reduce costs and process time, in this work the reduction of a process was studied, performing the quenching treatment followed by the treatment of nitriding to the plasma tempering. The study of the corrosion resistance of AISI 420 tempered and tempering steel at different temperatures. The quenching treatment was performed at a temperature of 1000 C and tempering at 400 C, 450 C, 500 C and 550 C, plasma nitriding was performed with a gas mixture of 80% Nitrogen and 20 % Hydrogen with a pressure of 5,05 torr and a temperature of 400 C. The samples were subjected to a hardness test, metallographic analysis and a Salt Spray corrosion test with a duration of 48 hours. This showed an improvement in the corrosion resistance for the tempered nitrided tempering material. The structure and hardness of the substrate of the nitrided sample were compared with the tempered sample and showed that it was possible to reduce a process without affecting the properties of the material. With the tests of hardness and corrosion in the tempering samples it was possible to observe the second hardening and to identify macroscopically that the higher the tempering temperature, the greater the amount of corrosion points that will form. Keywords: Plasma Nitriding, AISI 420 corrosion, salt spray 4

5 1 INTRODUÇÃO As ligas de baixo teor de carbono contendo cromo como principal elemento de liga, aços inoxidáveis, foram descobertas aproximadamente há 100 anos por pesquisadores franceses, alemães, ingleses e posteriormente pelos americanos. Entre os anos de 1904 e 1909, pesquisadores franceses publicaram estudos referentes a três classes de aços: Ferríticos, Martensítico e Austenítico. Os duplex foram descobertos em 1930 e alguns anos depois, em 1940, os aços endurecíveis por precipitação foram desenvolvidos por americanos. (POLLETO, 2014) A principal propriedade desses aços é a resistência à corrosão que se dá por apresentar uma grande quantidade de cromo em sua composição, pelo menos 11% em peso, o qual é responsável pela formação de uma película que protege o material contra os meios corrosivos. (MACEDO, 2016) Dentre as vastas aplicações desses aços, está a utilização na fabricação de moldes para injeção de polímeros os quais, para sua aplicação, necessitam ter alta dureza; ser altamente resistente à corrosão por conter cloro na sua composição; e ser resistente ao desgaste, devido à adição de cargas com partículas abrasivas. Por apresentar essas características, o aço inoxidável martensítico AISI 420 vem sendo usado na fabricação dos moldes para injeção de polímeros. (PINEDO; MONTEIRO, 2011). Atualmente para se obter um aumento na resistência mecânica e ao desgaste estes aços passam por tratamentos térmicos de têmpera e revenimento o que possibilita o aumento da dureza para 500 HV. E posteriormente submetidos ao tratamento termoquímico superficial de nitretação, normalmente a plasma, obtendo uma camada fina de nitretos com dureza superior há 1400 HV. (PINEDO; MONTEIRO, 2011) O tratamento de têmpera consiste no aquecimento do aço acima da sua temperatura de austenitização seguido de resfriamento rápido em meios como água, ar ou óleo, para obtenção de uma estrutura metaestável martensítica. Esta apresenta alta resistência mecânica devido às suas tensões internas, o que torna o material frágil; assim sempre que se realiza uma tempera deve-se fazer um tratamento de revenimento para alívio das tensões internas e melhorar a sua ductilidade. (MEI, 2011) 5

6 O revenimento consiste no aquecimento seguido de um resfriamento lento, ao ar. Nos aços inox que contêm elementos como silício, molibdênio, vanádio e cromo, quando revenidos em temperaturas próximas de 500 C, estes elementos vão para o contorno de grão e se ligam com o carbono formando carbonetos, provocando o chamado segundo endurecimento. (COLPAERT, 2008) O tratamento termoquímico de nitretação a plasma consiste em uma mistura gasosa de íons positivos e negativos, além de partículas neutras. O fornecimento de íons de nitrogênio é feito através de uma descarga luminescente, onde esta é mantida através de dois eletrodos metálicos dentro de um tubo sobre vácuo. Em uma câmara de vácuo, é criado um campo elétrico de íons de nitrogênio que são acelerados em direção da peça (catodo), este bombardeio de íons provoca o aquecimento da peça além da limpeza da sua superfície e introdução de nitrogênio no aço. (MEI, 2011) 2 OBJETIVOS Realizar o revenimento do aço inoxidável martensítico AISI 420 junto com o tratamento de nitretação a plasma, reduzindo assim gastos e tempos na fabricação de matrizes. Os objetivos suplementares são: Analisar a resistência à corrosão do aço AISI 420 em diferentes temperaturas pelo método de Salt Spray; Comparar a resistência à corrosão do aço temperado e revenido com o temperado nitretado revenindo em 400 C, como também caracterizar a microestrutura e dureza de ambos os processos. 6

7 3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os Aços Inox Devido sua alta gama de variedades e emprego, o aço se tornou um dos principais elementos usado pela engenharia. Os aços são ligas constituídas basicamente de ferro e carbono (Fe-C), podendo ou não ter elementos adicionais para melhorar suas propriedades ou dar ao material uma característica específica, como aumentar sua resistência à corrosão. (MEI, 2011) Devido a grande perda de peças pela ação da corrosão esta é uma das propriedades mais desejadas no momento da escolha de um material. (CALLISTER & RETHWISCH, 2016). Para obtenção desta característica é adicionada a liga FeC pelo menos 11% em peso de cromo, tornando assim uma liga de Aço Inoxidável. Este teor de Cr inibe a corrosão do material como ilustra a Figura 1. Figura 1- Influência da porcentagem de cromo sob a resistência a corrosão Fonte: CHIAVERINI, 1982 Estas ligas, por apresentarem alto teor de cromo, ao entrarem em contato com o oxigênio do ar formam uma pequena camada passiva de óxido de cromo, o qual além de ser muito aderente, protege o material do meio corrosivo. (MACEDO, 2016) A Figura 2 apresenta a formação da camada passiva, esta é insolúvel em água o que evita a corrosão do material. Se por algum motivo esta camada se desfizer, e na matriz o material 7

8 apresentar teor de cromo superior a 10,5 %, a camada volta a se formar com a saída do cromo da matriz para superfície, ligando-se com o oxigênio do ar formando novamente a camada protetora. Figura 2 - Processo de repassivação do aço inoxidável. Fonte: WALTER, 2018 Os aços inoxidáveis são divididos em cinco classes: martensítico, austenítico, duplex, ferríticos e endurecidos por precipitação (PH). Eles se diferenciam de acordo com as propriedades adicionais que se deseja tais como a alta resistência mecânica, a conformabilidade, a boa soldabilidade, entre outras. (SOARES, 2018) Aço Inoxidável Martensítico Das classes dos aços inoxidáveis, os martensíticos são empregados na cutelaria, na fabricação de moldes para injeção plástica, na confecção de instrumentos cirúrgicos e odontológicos, na fabricação de peças de turbinas a vapor, nos dispositivos de fixação e nas peças que necessitam de elevada resistência mecânica e serem resistentes à corrosão no seu emprego. (MACEDO, 2016). Os aços inox da classe martensíticos apresentam em sua composição química teor de carbono superior a 0,10% e teor de cromo que variam de 11 a 18% em peso, fator responsável pelo aumento da temperabilidade do material, assim elevando sua resistência mecânica (GOMES; FERRAIRA, 2015). 8

9 Na família dos aços inoxidáveis temos: AISI 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, 440B, 440C e 501. Estes são magnéticos e podem ser endurecidos por tratamento térmico de têmpera (CHIAVERINI, 1982). 3.3 Aço Inoxidável AISI 420 Os aços inoxidáveis martensíticos AISI 420 são conhecidos por seu emprego em cutelaria, moldes para injeção plástica e componentes mecânicos que necessitam ser resistente à corrosão e ter resistência mecânica. Estes são comercializados no estado recozido com dureza aproximadas de 200 HB, após a conformação, são submetidos a tratamentos térmicos para obter a dureza que se deseja. (PINEDO, 2004). O AISI 420 tem teor de cromo de 12 a 14 % em peso, dentre os aços inoxidáveis, é o que apresenta menor resistência à corrosão. Por seu teor de carbono ser acima de 0,15%, é responsável pela obtenção de uma estrutura martensítica. (MACEDO, 2016) Para o tratamento de têmpera, este aço é aquecido em temperatura de austenitização que variam de 980 C a 1065 C, faixa que promove a completa dissolução dos carbonetos, sem que ocorra um crescimento acentuado dos grãos austeníticos, obtendo assim a maior dureza para o material. (MACEDO, 2016) O aumento da dureza até a temperatura de 1050 C ocorre devido a completa dissolução do cromo e do carbono na matriz, aumentando a supersaturação da martensita, ocorrendo uma distorção na estrutura, provocando dessa forma o aumento na dureza. Em temperaturas maiores, ocorre a diminuição da dureza devido ao aumento da austenita retida, a qual é livre de discordâncias (PINEDO, 2004). A Figura 3 ilustra esse processo. 9

10 Figura 3 - Curva de tempera para diferentes temperaturas de austenitização Fonte: CANDELÁRIA; PINEDO, Após a têmpera, deve-se fazer o revenimento para diminuir as tenções internas do material, aumentando a ductilidade, a tenacidade e viabilizando assim seu uso. Neste tratamento, o material é reaquecido em temperaturas inferiores a de austenitização, seguido de resfriamento lento, ao ar, para transformação da estrutura martensita revenida (MACEDO, 2016). Em temperaturas de revenimento superiores a 350 C, ocorre o endurecimento secundário do material, onde se tem um aumento na dureza do material devido à precipitação de carbonetos do tipo M3C. Este aumento se mantém até 500 C quando começa a ocorrer diminuição na dureza do material em decorrência da transformação dos precipitados de M3C7 em M23C7, como mostra a Figura 4. (SANTOS, et. al., 2015). 10

11 Figura 4 - Curva de revenimento do aço AISI 420 Fonte: PINEDO, 2004 No aço inox martensítico 420, a resistência à corrosão está diretamente associada ao número de tensões internas do material, ao seu tamanho de grão e a quantidade de cromo dissolvido na matriz. A Figura 5 mostra a comparação da perda de massa após ensaio a 0,5 M de H2SO4 por tipo de tratamento, ambas tendo como base o aço no estado recozido o qual apresenta menor nível de tensões internas e maior número de carbonetos de cromo. Devido ao aumento de carboneto de cromo na matriz, nas temperaturas entre 900 C a 1025 C, Figura 5 (a), se obtém a melhor resistência. Acima desta faixa se obtém um aumento considerado na perda de massa causada pelo aumento das tensões internas decorrentes do aumento no tamanho dos grãos pela temperatura austenitização. Porém a 1100 C se obtém uma redução na perda, em decorrência da presença de austenita retida após a têmpera, a qual é livre de tensões, compensando a perda atribuída pela martensita virgem (PINEDO, 2004). Na Figura 5 (b), observa-se que no revenimento a 200 C por duas horas ocorre o alívio das tensões internas, melhorando assim a resistência à corrosão, porém em períodos muito longos isso não ocorre devido à precipitação de carbonetos de cromo. Já na temperatura de 11

12 500 C, apesar de apresentar um máximo alívio nas tensões internas, a resistência deste é inferior a de 200 C devido ao endurecimento secundário, havendo maior perda de cromo na matriz, podendo promover um aumento das tensões internas (PINEDO, 2004). Figura 5 (a) variação da perda de massa por H2SO4 em relação à temperatura de austenitização; e (b):variação de perda de massa em relação ao tipo de tratamento. (a) (b) Fonte: PINEDO, Corrosão A corrosão causa muitos problemas em um país, sendo responsável por 5% da receita de uma nação em gastos com manutenção, prevenção e substituição de componentes corroídos. Ela é definida como o ataque seguido de degradação indesejada de um metal e ocorre por mecanismo de natureza eletroquímica, tendo início, normalmente, na superfície de um material. (CALLISTER; RETHWISCH, 2016) Neste mecanismo, ocorre a formação de pilhas de corrosão, onde se encontram potenciais eletroquímicos diferentes entre duas ou mais superfícies ou estrutura metálica, formando uma ou mais pilhas, causando uma dissolução metálica na área específica, ou seja, uma corrosão localizada. Nesta é possível identificar macroscopicamente a parte catódica e a anódica. Esta diferença de potencial está relacionada à heterogeneidade do material, de estrutura ou do meio corrosivo. (GEMELI, 2014) As diferenças no contorno do grão ocorrem geralmente devido à presença de precipitados e fases diferentes da solução sólida inicial, que pode ocasionar a formação de uma pilha. (GENTIL, 2011) 12

13 Isso acontece com os aços inox quando ocorre a precipitação de cromo no contorno de grão, este se liga ao carbono, formando carbeto de cromo do tipo Cr23C6, ou ao ferro, (Cr,F)23C6. Nesta região a quantidade de cromo diminui, destruindo a passividade e formando um par galvânico, onde o grão é o catodo e o contorno o anodo, o qual sofre a corrosão. As pilhas galvânicas são geradas em decorrência das diferenças de composição química, de óxidos formados, da presença de impurezas e inclusões, de fases metalúrgicas diferentes ou de microssegregação. (GENTIL, 2011) 3.5 Nitretação a Plasma Atualmente tem-se desenvolvidos processos para melhorar as propriedades nos materiais metálicos, dentre esses processos os tratamentos de superfície vêm ganhando espaço no mercado, por melhorar propriedades como resistência ao desgaste, à corrosão, à mecânica, à fadiga, entre outras. Para obtenção destas propriedades, os tratamentos termoquímicos vêm sendo usados. (ZAMBON, 2011) Estes visam a correção da dureza superficial de um material que necessita de uma certa resistência mecânica, porém mantendo o núcleo dúctil. Um destes tratamentos é a nitretação, o qual promove o endurecimento devido à difusão de nitrogênio na superfície do material que interage com o substrato. A nitretação pode ser sólida, a gás, em meio líquido ou a plasma. (CHIAVERINI, 1982) A nitretação a plasma tem sido a mais utilizada por proporcionar um controle maior na espessura da camada formada, redução nos tempos de tratamento e utilização de temperaturas relativamente baixas, além de não gerar resíduos. (PAIFER, 2018) O plasma, também conhecido como descarga elétrica, descarga gasosa ou descarga luminescente é, na maioria das vezes, eletricamente neutro, e pode ser definido como um gás contendo espécies neutras e as eletricamente carregadas como íons negativos, positivos, átomos e moléculas. Para a geração do plasma, é necessário um equipamento constituído de um sistema de vácuo, responsável pela diferença de potencial na pressão usada, o qual gera uma descarga elétrica inatingível em pressão atmosférica. (ALVEZ JUNIOR, 2001) Para obtenção do vácuo, normalmente se utiliza uma bomba mecânica. Primeiro é feito a expulsão do gás presente na câmara para a atmosfera, a fim de obter a pressão adequada. Após atingir a pressão, inicia-se o sputtering (pulverização catódica) que promove uma limpeza na 13

14 superfície da amostra, retirando óxidos e impurezas. Esta pulverização é feita com gás hidrogênio e argônio por ser um gás inerte. (SOARES, 2018) A descarga elétrica utilizada na nitretação ocorre através da diferença de potencial elétrico, gerada entre a peça (catodo) e a carcaça do reator (anodo), na presença de gás em baixa pressão. (MANFRINATO, 2006) O tratamento de nitretação tem sido feito com utilização de gases com meio nitretante e agentes aquecedores. Entre os gases, normalmente é utilizada uma mistura de N2 e H2, em diferentes proporções. (ZAMBON, 2011) A formação da camada nitretada e sua espessura estão diretamente associadas à proporção desses gases, além da pressão, tempo e temperatura utilizados durante o tratamento, como ilustra a Figura 6. Figura 6 - Camada Nitretada. Fonte: MANFRINATO, 2006 Na Figura 6 pode se perceber que a camada nitretada é formada por camada composta (CC) e camada de difusão (CD). A camada composta também é chamada de camada branca por não ser atacada por reagente, ela fica localizada na parte externa e é formada, basicamente ɛfe2-3n e γ-fe4n. A zona de difusão apresenta uma precipitação homogênea e fina de nitretos de ferro ou liga de ferrita saturada de nitrogênio e pode ser composta por precipitados no contorno do grão. (PANNONI; PINEDO, 2006) Nos aços inoxidáveis em temperaturas acima de 425 C, o cromo apresenta alto coeficiente de difusão, saindo da matriz e indo para o contorno de grão, no qual se encontram o carbono que já saiu da matriz e o nitrogênio que está sendo difundido para o interior da estrutura, onde se poderá ter tanto a formação de nitreto de cromo (CrN) quanto carbonetos de 14

15 nitrogênio na camada composta. A presença de CrN irá diminuir a resistência que o material apresenta contra a corrosão. (SOARES, 2018) 4 - MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foram utilizadas amostras do aço inoxidável martensítico AISI 420 cortadas com largura de 10mm, espessura 15mm e comprimento 30mm. A composição química deste material foi analisada em espectrômetro de emissão ótica da marca Espectro Maxx está na Tabela 1, juntamente com o valor nominal da liga. Tabela 1 - Composição química, em % em peso, do aço inoxidável martensítico AISI 420, conforme norma ASTM A AISI 420 C Si Mn Cr P S Ni Mo Nominal 0,15 min 1,0 máx. 1,0 máx ,04 máx. 0,03 máx. - - Espectrômetro 0,37 0,31 0,41 12,76 0,034 0,018 0,56 0,06 Após a composição química, foi feita a caracterização da estrutura do material. Em seguida, foram realizados os tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, utilizando fornos tipo mufla com medidor de temperatura acoplado, nas temperaturas de 950 C, 1000 C e 1050 C. A Figura 7 ilustra o forno utilizado. Figura 7 - Forno mufla com termopar externo. 15

16 Os corpos de provas foram resfriados em óleo pré-aquecido a 60 C; estes ficaram dentro do forno por 30 minutos para a completa austenitização de toda a sua estrutura. Para o tratamento de nitretação, os corpos de prova foram temperados a 1000 C, resfriados em óleo, a 60 C, e, após serem lixados e polidos, foram nitretados a 400 C por duas horas, com mistura gasosa de 80% de Nitrogênio e 20% de Hidrogênio. Para o revenimento foi utilizado o mesmo forno mufla, Figura7, porém nas temperaturas de 400 C, 450 C, 500 C, e 550 C durante duas horas de tratamento. As medidas de dureza após cada tratamento de têmpera e revenimento foram realizadas em um durômetro da marca Mitutoyo modelo DT-20, na escala HRC. Ao todo foram 15 impressões ao longo das 4 faces do corpo de prova para se obter a média e o desvio padrão Metalografia Para avaliar a microestrutura formada em todas as condições de tratamento, as amostras foram cortadas transversalmente. Para as amostras nitretadas colou-se uma chapa de aço carbono galvanizado e colada para que a camada nitretada não quebre durante o processo de corte, como mostra a Figura 8. Figura 8 - Amostra nitretada com uma chapa de aço galvanizada colada em uma das faces Após o corte, as amostras foram embutidas em baquelite e lixadas, seguindo a sequência de ordem crescente de granulométrica da lixa -100, 200, 320, 400, 600 e Após o 16

17 lixamento, as amostras foram polidas com óxido de alumina de granulométrica de 1 μm e 0,5μm. As amostras foram preparadas conforme o estabelecido pela norma ASTM E Para revelar a microestrutura do aço inoxidável martensítico AISI 420 utilizou-se o reagente Vilella -5 ml HCl + 2 gr. Ácido Pícrico ml Álcool Etílico. A análise da microestrutural foi realizada com auxílio de microscópios ótico da marca Leica, modelo DM18C acoplado com câmara, modelo MC 170 HD e software de captura LASv5.0 com aumento de 200x, como ilustra a Figura 9. Figura 9 - Microscópio Ótico do laboratório de Micrografia da FATEC Sorocaba Ensaio de Nevoa Salina O ensaio de nevoa salina, salt spray, foi realizado na temperatura de 35 C ± 2 C e com concentração de 5% de solução de Cloreto de sódio, com ph entre 6,50 a 7,20. Os ensaios de névoa salina foram realizados conforme as normas ABNT NBR 8094 e a DIN As amostras foram ensaiadas com 48 horas de exposição a nevoa salina. Após 24 horas de ensaio, foi coletada uma amostra de solução salina recolhida da proveta, que fica localizada no centro da câmara, e realizada a medição do ph e do volume coletado, este deve ser entre 1 e 2 ml por hora. As regiões da amostra que não estariam em contato com a névoa salina foram pintadas 17

18 com tinta epóxi, deixando a face maior exposta para o ensaio de salt spray. O equipamento utilizado no experimento de salt spray esta apresentado na Figura 10. Figura 10 - Máquina de ensaio de corrosão por salt spray (LEITE, 2014). Após o ensaio de salt spray, as amostras foram colocadas em uma placa de Petri e limpas com auxílio do reagente Ferrox. Como o Ferrox é um removedor e neutralizador de ferrugem, as amostras foram cobertas com este reagente para remover as regiões que foram corroídas, conforme ilustra a Figura 11. Figura 11 Limpeza das amostras após ensaio de salt spray com auxílio do FERROX. 18

19 Após a remoção da camada corroída as amostras foram lavadas e secas com o secador. Para a avaliação da superfície que sofreu corrosão pelo salt spray e que foi limpa utilizou-se um estereoscópio da marcar Microscópio Eletrônico Digital USB com zoom de 1000x e software de captura de imagem Mensure conforme ilustra a Figura 12. Figura 12 - Microscópico eletrônico USB digital Nitretação a Plasma A nitretação a plasma foi realizada no reator da FATEC Sorocaba, para o tratamento utilizou-se uma mistura gasosa de 80% de Nitrogênio e 20% de Hidrogênio, uma pressão de nitretação de 5,05 torr, tempo de tratamento de 2 horas, temperatura de tratamento 400 C. Os parâmetros utilizados na nitretação estão apresentados na Tabela 2, e a Figura 13 mostra o equipamento de nitretação utilizado. 19

20 Figura 13 - Equipamento de Nitretação a Plasma da Fatec Sorocaba A pulverização catódica (sputtering) foi realizada com 80% de Argônio e 20% de hidrogênio, está também foi utilizada para aumentar a temperatura do sistema para a de tratamento, devido ao atrito gerado entre os elétrons de hidrogênio com a peça. Após o tempo de tratamento de 2 horas as peças foram resfriadas no vácuo. Tabela 2 - Parâmetros do Tratamento de Nitretação Tratamento Temperatura Potência (W) Tensão (V) Corrente (A) Pressão de fundo (torr) Pressão de Trabalho (torr) Sputtering ,2 0,068 1,8 Nitretação ,7 4,94 5,05 Antes do tratamento, as amostras foram preparadas, lixadas e polidas, conforme norma ASTM E3-2015, e feito uma limpeza ultrassônica em uma cuba, para remover as partículas que podem ter sobrado do polimento, possivelmente gorduras transmitidas pela mão e, até mesmo, impurezas da superfície; o que dificultaria a realização da nitretação a plasma. Primeiramente as amostras foram colocadas em um béquer submersas com água e detergente por 10 minutos, em seguidas lavadas para retirada do sabão e limpadas com álcool isopropílico. Uma nova limpeza por ultrassom foi realizada com álcool isopropílico em um béquer e mantidas por 10 minutos no ultrassom e posteriormente secas. 20

21 A Figura 14 ilustra o início da limpeza. Figura 14 Cuba de limpeza ultrassônica. 5 - RESULTADOS E DISCUSSÕES A análise metalográfica do AISI 420, conforme recebido do fornecedor, esta apresentada na Figura

22 100x. Figura 15 Metalografia do aço AISI 420 sem tratamento. Ataque químico com Villela, aumento de Observa-se, na microestrutura, a presença de ferrita, fase branca, e os pontos escuros são os precipitados, possivelmente carbonetos ricos em cromo (M23C6), como os encontrados no trabalho de MACEDO A Figura 16 apresenta o resultado da dureza em função da temperatura de austenitização do aço AISI 420. Realizou-se uma simulação com auxílio do software Origin e modelou-se uma equação do 2 grau, conforme indica a traçagem em vermelho na Figura 16. A equação 1 apresenta a equação da simulação realizada pelo software Origin. HRC = ,63T γ 0,0018T γ 2 eq. 1 22

23 Figura 16 - Dureza do aço AISI 420 em função da variação da temperatura de austenitização. Para determinar a melhor temperatura que produz a melhor dureza, deve-se derivar a equação 1 em função da temperatura e igualar a zero, como apresentado na Equação 2. Resolvendo a equação 2 tem-se: HRC T γ = 0 eq. 2 0 = 3,63 0,0036T γ T γ = 1008,33 C Portanto a melhor temperatura para realizar a tempera do aço AISI 420 é 1008 C. Aplicando esse valor de temperatura na equação 1 pode-se determinar a dureza máxima obtida pelo tratamento de têmpera. HRC = ,63(1008,33) 0,0018(1008,33) 2 HRC = 57,12 23

24 A maior dureza obtida será de 57,12 HRC para a temperatura de austenitização de 1008,33 C. Após a têmpera as amostras foram cortadas, preparadas e atacadas com reagente Villela para verificação da estrutura formada em cada temperatura, onde é possível identificar a estrutura martensítica em todas, como mostra a Figura 17. Devido ao aumento da temperatura de austenitização foi possível observar um aumento na dureza do material, isto ocorre, segundo PINEDO, devido o aumento da dissolução de carbonetos de cromo, elevando o teor de cromo na matriz, e aumentando o grau de saturação da martensita, Porém há 1050 C a austenita retida é elevada, reduzindo a dureza. (a) 24

25 (b) (c) Figura 17: a) amostra temperada à 950 C; b) Amostra temperada há 1000 C; c) Amostra há 1050 C 25

26 Após encontrada a temperatura de maior dureza, 1000 C, foram feitos novos tratamentos térmicos de têmpera seguidos de revenimento de duas horas. Foram revenidas três amostras por temperatura, os resultados foram colocados na Figura 18. HRC = 54, ,42367T r 0, T r 2 eq. 3 Figura 18 - Dureza em HRC do aço Inox 420 revenido em diferentes temperaturas por 2 horas Na Figura 18 é possível observar aumento da dureza com o aumento da temperatura de revenimento, isto ocorre pela precipitação de finos carbonetos na matriz martensítica, e sua redução após 500 C se dá devido ao coalecimento destes carbonetos, em temperaturas maiores. Para determinar a melhor temperatura que produz a maior dureza deve-se derivar a equação 3 em função da temperatura e igualar a zero, como apresentado na Equação 2. Resolvendo a equação 2 tem-se: 0 = 0, , T r T r = 505,97 C 26

27 Portanto a melhor temperatura para realizar o revenimento do aço AISI 420 é 505,97 C. Aplicando esse valor de temperatura na equação 3 pode-se determinar a dureza máxima obtida pelo tratamento de tempera. HRC = 54, ,42367(505,97) 0, (505,97) 2 HRC = 52,90 Portanto a maior dureza obtida será de 52,90 HRC para a temperatura de revenimento de 505,97 C. A Figura 19 mostra as microestruturas após o tratamento térmico de revenimento, na qual se observa um pequeno aumento no tamanho dos precipitados formados. Em todas é possível verificar a microestrutura característica de uma martensita revenida. (a) (b) (c) (d) Figura 19: Microestrutura do material revenido a diferentes temperaturas atacados com Villella e aumento de 200x.16. (a) Amostra revenida a 400 C;16. (b) Amostra revenida a 450 C;16. (C) Amostra Revenida a 500 C; (d) Amostra revenida a 550 C. 27

28 A 550 C, se observa que a estrutura está mais clara, possivelmente pela maior presença de ferritas e é possível observar o aumento do tamanho e quantidade de precipitados. Na Tabela 3, pode se observar macroscopicamente os pontos de corrosão, onde se tem um aumento de corrosão conforme o aumento da temperatura de revenimento. Este se deve à precipitação de carbetos de cromo, no segundo endurecimento, diminui a resistência à corrosão. Tabela 3: Amostras passadas pelo ensaio de corrosão por salt spray Temperatura de Revenimento Amostras após 48 horas no Salt spray 450 C 500 C 550 C As amostras de 400 C apresentam pequenos pontos, localizados principalmente nas bordas do material; já nas amostras a 550 C, vemos que a corrosão está localizada em toda a 28

29 peça, isto devido ao aumento de precipitação de carbonetos o qual estão reduzindo a porcentagem de cromo na matriz e impedindo a formação do filme passivo. A Norma ASTM B diz que o ideal para um aço inoxidável é resistir 24 horas sob as condições deste ensaio, isto não é possível para os aços inoxidáveis martensíticos da série 420. Esses materiais, cuja aplicação exige um material com resistência à corrosão, porém com boa resistência mecânica, não resistem a ambientes tão agressivos. Após as amostras serem retiradas do salt spray e limpadas com ferrox, verificou-se que os pontos de nucleação de corrosão apresentam maior intensidade quanto maior a temperatura de revenimento das amostras. Esse aumento de temperatura de revenimento produz a maior formação de carbonetos de cromo, como visto nos trabalhos de Pinedo. Esses carbonetos de cromo funcionam como par galvânico com a matriz e dessa forma facilita a abertura dos pontos de corrosão localizada como ilustra a Tabela 4. Tabela 4: Amostras passadas pelo ensaio de corrosão por salt spray e limpas com Ferrox Temperatura de Revenimento Fotos tiradas após retirada do óxido formado 450 C 500 C 29

30 550 C Na Tabela 4, observa-se que, na temperatura de 550 C, os pontos de corrosão estão contornando os grãos e o início do desplacamento dele, pela corrosão acentuada. Após os testes de nevoa salina, foi realizada a nitretação na mesma temperatura em que se obteve maior resistência a degradação, no caso a de 400 C. Para o tratamento, três amostras foram temperadas a 1000 C, lixadas, polidas e limpadas em ultrassom antes de entrarem na câmara de nitretação. Ao término do tratamento, uma amostra foi cortada e as outras levadas para o ensaio de corrosão. Na amostra cortada, foi analisada a dureza do substrato em HV 0,2, obtendo uma dureza de 1263 HV na camada nitretada, e 49,8 HRC no substrato. A espessura da camada nitretada foi de 43 μm, Figura 20, este tamanho se deve ao tempo relativamente curto de tratamento, o que diminui a quantidade de nitretos difundidos, e a presença de elementos de liga que prendem o nitrogênio diminuindo a espessura da camada nitretada. A Figura 20 (b) mostra que em uma das extremidades houve a formação de uma camada mais escura, devido sua coloração é possivelmente que seja composta de nitretos de cromo, o qual deve ter se formado pelo efeito de borda. Segundo ALVEZ, este efeito consiste na desuniformidade do potencial elétrico. Já a Figura 20 (a) temos a formação de uma camada nitretada continua, localizado na outra extremidade da peça. A camada nitretada mais clara foi formada em dois dos três lados nitretados, já a camada com nitretos, mais escura, em apenas um deles. O núcleo, mostrado na Figura 20 (c), obteve uma estrutura bem semelhante à do material temperado e revenido, Figura 19(a). 30

31 (a) (b) 31

32 (c) Figura 20: Microestrutura da amostra nitretada a 400 C com mistura gasosa de 80% de Nitrogênio e 20% de Hidrogênio, atacada com reagente Villella e aumento de 200x.16.(a)Camada Nitretada; (b) Camada Nitretada; (c) Núcleo da amostra nitretada A Tabela 5 mostra a comparação dos resultados obtidos nos testes de dureza e ensaio de corrosão por salt spray das amostras temperadas e revenidas, a 400 C, e das amostras temperadas nitretadas revenindo, também a 400 C. Em ambas os tratamentos, é possível observar macroscopicamente a formação de pontos de corrosão preferencialmente nas extremidades das amostras. Após a limpeza da superfície, remoção do oxido, foi possível verificar que nas amostras temperadas e revenidas a corrosão foi localizada nos pontos de pites oriundos da precipitação de carbonetos de cromo, já na amostra temperada e nitretada revenindo a corrosão ocorreu nas bordas da amostra devido ao efeito de borda gerado durante a nitretação a plasma. 32

33 revenindo Tabela 5 Comparação das amostras temperadas e revenidas, com amostras temperadas nitretadas Amostra Dureza Amostra Temperada a 1000 C e Revenida a 400 C 51,4 HRC Amostra Temperada a 1000 C e Nitretada Revenindo a 400 C 49,8HRC no substrato e 1263 HV na camada Superfície após ensaio de corrosão Fotos tiradas após remoção do óxido formado. A amostra nitretada apresentou uma das extremidades inteiramente corroída, possivelmente esta é a área onde se formou uma camada com nitretos de cromo, o qual apresenta menor resistência a corrosão e favoreceu a formação de pares galvânicos, acentuando assim a corrosão nesta região. Esta camada de nitretos de cromo pode ser observada na Figura 20.b. Comparando os resultados de dureza encontrados no tratamento de têmpera e revenimento com o substrato da amostra temperada nitretação revenindo, observamos que as durezas estão muito próximas, como também é possível verificar que houve o tratamento de nitretação devido à alta dureza na camada formada. 33

34 6 CONCLUSÕES Com os ensaios de Salt spray foi possível observar macroscopicamente a interferência da temperatura de revenimento na resistência à corrosão dos aços inoxidáveis AISI 420, onde quanto maior a temperatura maior a quantidade de precipitados que se formaram; diminuindo a quantidade de cromo na matriz e aumentando a quantidade de pites nas amostras. O aumento da temperatura de revenimento também proporciona o aumento da dureza devido à formação de precipitados de cromo, os quais são altamente resistentes. É possível observar também que, acima de 500 C, o material volta a diminuir a dureza, o que pode ser explicado pelo aumento dos grãos e dos precipitados formados. As amostras nitretadas confirmam que é possível eliminar uma etapa do processo, no caso o revenimento, sem que se altere a estrutura do substrato. Assim obtém-se em menos tempo uma estrutura martensítica revenida com dureza típica do substrato e com uma camada nitretada que eleva muito a resistência da superfície do material. Para as amostras nitretadas, uma forma de eliminar o efeito de borda seria alterar os parâmetros usados para o tratamento, e com a solução deste problema, poderá se obter uma melhora na resistência a corrosão do material. 34

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36 dos aços inoxidáveis austeníticos AISI-SAE 304 E Dissertação ( Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais) Ciências e Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.doi: /D tde MEI P.R. Aços e ligas especiais. 3.ed. São Paulo: Blucher; PAIFER, S.K..Estudo da adição de argônio na camada formada por nitretação iônica a plasma em aço P20, Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnologia em Processos Metalúrgicos) Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, Sorocaba, 2018.[Orientador : Prof. Dra. Luciana Sgarbi Rossino] PANNONI, F. D.; PINEDO C. E.. Comportamento à corrosão do aço AISI 4140 nitretado sob plasma em diferentes, Congresso Anual da ABM, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais; 61; Rio de Janeiro. Anais da Conferência, São Paulo, ABM, PINEDO, C.E.. Tratamento térmico e superficial do aço inoxidável martensítico AISI 420 destinado a moldes para injeção de polímeros Parte I tratamento térmico1, 2 Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes - ABM, 21 a 23 de setembro, São Paulo/SP; %20AISI%20420%20Parte%201.pdf PINEDO, C.E.. Tratamento térmico e superficial do aço inoxidável martensítico AISI 420 destinado a moldes para injeção de polímeros Parte II - tratamento térmico. 2 Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes - ABM, 21 a 23 de setembro, São Paulo/SP; PINEDO, C.E.. MONTEIRO, W.A.. Tratamento térmico e de nitretação sob plasma do aço inoxidável martensítico AISI 420, Tecnologia em Metalurgia, Materiais e Mineração, São Paulo, v. 8, n. 2, p , abr-jun POLETTO, T. Avaliação Metalúrgica de Tratamento criogênico em aço inoxidável martensítico DIN , Dissertação (Mestrado em Ciências e Tecnologia dos Materiais) Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014 SANTOS, W.C. et. Al. Desenvolvimento de dispositivo e estudo do comportamento ao microdesgaste abrasivo do aço AISI 420 temperado e revenido.revista Matéria, Rio de Janeiro, v.20, n.2, p , Abr./ June SOARES, L.A.S. Influência da Nitretação a Plasma na Resistência ao Microdesgaste Abrasivo do Aço Inoxidavel Austenitico AISI f. Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnologia em Processos Metalúrgicos) Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, Sorocaba, 2018.[Orientador : Prof. Mrs. Marcos Dorigão Manfrinato] 36

37 WALTER, Processo de Passivação, acessado em novembro de ZAMBON, M.F. Modificação por nitretação a plasma das superfícies dos aços AISI 41410, AISI 420 e DIN16MnCr f. Dissertação (Mestrado em Ciências e Tecnologia dos Materiais) Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos,