AVALIAÇÃO DE CAMADAS DE CARBONETOS E BORETOS PRODUZIDAS EM AÇO AISI 4340 POR MEIO DE TRATAMENTOS TERMORREATIVOS

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1 AVALIAÇÃO DE CAMADAS DE CARBONETOS E BORETOS PRODUZIDAS EM AÇO AISI 4340 POR MEIO DE TRATAMENTOS TERMORREATIVOS Ferreira, S.T.M.; Nascimento, E.M. Universidade Tecnológica Federal do Paraná suellen.terroso@gmail.com RESUMO Camadas muito duras e resistentes foram produzidas no aço AISI 4340 através do TRD (tratamento termorreativo de deposição e difusão) em banhos de bórax fundido adicionado com ferronióbio e carbeto de boro, a 1000 C por 4 h. Microscopia óptica, difração de Raios-X e microdureza Vickers foram utilizadas para caracterização das amostras. A resistência ao desgaste das camadas foi avaliada através de ensaio tribológico esfera contra plano. O comportamento de desgaste do aço AISI 4340 não revestido, temperado, boretado e nitretado também foi analisado para comparação. A camada endurecida é constituída de carbeto de nióbio (NbC) conforme análise de Raio-X. A resistência ao desgaste da camada revestida com NbC foi maior que do material não revestido, temperado, nitretado e boretado. As camadas apresentaramse regulares e bem definidas, com espessuras entre 7,7 ± 0,1 e 192 ± 11 μm e dureza entre 552 ± 27 e 2926 ± 51 HV. Palavras-chave: TRD, boretação, carbeto, AISI INTRODUÇÃO Tratamentos superficiais têm sido muito estudados e aplicados visto que promovem uma melhoria substancial nas propriedades mecânicas dos materiais, aumentando significativamente a vida útil, permitindo a utilização das peças tratadas em condições cada vez mais severas. A aplicação de tratamentos superficiais possibilita o uso de materiais de baixo custo, tal como o aço AISI 4340, conseguindo desempenho similar ou superior quando comparado com o uso de aços de alta liga cujo valor é elevado, e por vezes são de difícil processamento para certas geometrias necessárias aos elementos de máquinas. O tratamento termoquímico de deposição e difusão (TRD) é um processo que consiste em um banho de bórax que produz camadas densas e duras, de carbetos, nitretos ou carbonitretos, metalurgicamente ligados na superfície do substrato, 4578

2 apresentando excelente aderência com o substrato, baixo coeficiente de atrito e boa resistência à corrosão (1). A parte a ser revestida é imersa em um banho de sal de bórax fundido contendo elementos formadores de carboneto (EFC), como vanádio, nióbio ou cromo, sendo que estes podem combinar com o carbono do substrato para produzir camadas de carbeto. Vanádio, nióbio e cromo são excelentes formadores de carbetos para tratamento em banho de bórax, visto que possuem baixa energia de formação de carbetos e energia de formação de óxido maior do que B2O3 (2). A espessura da camada depende dos parâmetros do processo, tais como, conteúdo de carbono no substrato, quantidade de EFC no banho e temperatura e tempo de imersão no banho (3). As temperaturas do banho variam de 850 a 1050 C, para manter as taxas de difusão de carbono adequada (4) e tempo de imersão de 0,5 a 10 h (3). O revestimento obtido pelo processo de TRD apresenta propriedades similares às obtidas pelas técnicas de deposição química de vapor (CVD) e deposição física de vapor (PVD) em termos de aplicação industrial (3), sendo que apresenta vantagens em relação a estes processos por utilizar equipamentos relativamente simples e ser um processo de baixo custo (5). O teste de desgaste apresentou uma redução de aproximadamente 97% quando compara-se a amostra em que a camada endurecida é formada por carbeto de Nb e a amostra em seu estado de fornecimento, 99% comparando-se com a amostra temperada e 96% comparando com a amostra nitretada. Os resultados para a amostra boretada também são excelentes. O desgaste é reduzido em até 39% para a amostra em estado de fornecimento, em 75% para a amostra temperada e 26% para a amostra nitretada. MATERIAIS E MÉTODOS Para a execução deste trabalho, foi utilizado o aço AISI 4340, barra redonda, com diâmetro de 2,5 cortada em discos com 10 mm de espessura, que foram retificados e então polidos antes da execução dos tratamentos térmico e/ou termoquímico. As amostras passaram por diferentes tratamentos. O Quadro 1 resume a principais informações desses tratamentos. 4579

3 Tratamento Temperatura Tempo Composição (banho) Resfriamento Têmpera e revenimento 900 C 20 min Martêmpera Nitretação 560 C 2 horas Nitretos e nitratos Água Boretação 1000 C 4 horas 85% Na2B4O7 + 15% B4C Óleo TRD Nb 1000 C 4 horas 65% Na2B4O7 + 20% FeNb + 15% B4C Quadro 1 - Informações sobre os tratamentos executados. Para a caracterização da camada, foi realizada a difração de raios-x, a microdureza superficial, e microscopia ótica. Ensaio de desgaste do tipo esfera contra plano também foi executado e a pista gerada foi analisada via perfilômetro. Para análise no microscópio, foi efetuado o corte transversal à camada, embutimento e lixamento das amostras, iniciando com a lixa de granulação 220 até a lixa O polimento foi feito em pasta diamantada de 1 μm. Para visualizar e medir a camada utilizou-se o microscópio OLYMPUS, modelo BX51M, com captura de imagens e um software de análise de imagens. A medição da microdureza superficial foi realizada com o microdurômetro SHIMADZU HMV-2. Efetuou-se dez medições e uma média foi considerada. Utilizouse uma lente de aumento de 40 vezes, com carga de 490,3 mn durante 15 segundos (HV0,05). Para verificar as fases presentes na camada, foi realizada a difração de raios X (DRX), com o equipamento SHIMADZU XRD Foi utilizada radiação de cobre de 30mA, incidente na superfície com ângulo de 3 e varredura 2θ foi de 20 a 120. O ensaio de desgaste esfera contra plano foi realizado no equipamento CETR- UMT da Bruker. A esfera utilizada é de carbeto de tungstênio e possui diâmetro de 4 mm e 92 HRA de dureza. Foram feitas pistas com curso de 5 mm e utilizou-se frequência de 5 Hz. A carga atuante foi 20 N e o tempo de ensaio foi 30 minutos. Verificou-se o perfil das pistas no perfilômetro Taylor Hobson. Óleo RESULTADOS E DISCUSSÃO A amostra boretada apresentou camada característica, com formato dente-deserra (Figura 1), com fases FeB e Fe2B, conforme mostrado no difratograma de raio X (Figura 2), espessura média de aproximadamente 192 ±11 μm e valor médio igual 1908 ± 59 HV0,05 de microdureza superficial. 4580

4 Figura 1 - Camada Boretada. Figura 2 - DRX da amostra boretada. A amostra TRD Nb apresentou camada homogênea de carbeto de Nióbio (NbC), conforme mostrado nas Figuras 3 e 4, com espessura média de aproximadamente 7,7 ± 0,1 μm e 2926 ± 51 HV0,05 de microdureza superficial média. 4581

5 Figura 3 - Camada de Carboneto de Nióbio. Figura 4 - DRX da amostra TRD Nb. A amostra nitretada apresentou camada com espessura média de aproximadamente 8,6 ± 1,5 μm e microdureza superficial média de 552 ± 27 HV0,05. A amostra temperada e amostra em estado de fornecimento, apresentaram microdureza igual 654 ± 29 e 312 ± 11 HV0,05 respectivamente. 4582

6 No ensaio de desgaste, o menor desgaste foi obtido para a amostra TRD Nb, seguido da amostra boretada e nitretada. A Figura 5 mostra uma grande redução da área desgastada quando comparadas as amostras com camada endurecida com as amostras sem camada. Figura 5 - Resistência ao desgaste das amostras. A Figura 6 mostra a comparação na redução no desgaste para as amostras. A redução no desgaste pode chegar a 97% quando se compara a amostra TRD Nb com a amostra em seu estado de fornecimento, a 99% comparando-se com a amostra temperada e 96% comparando com a amostra nitretada. Os resultados para a amostra boretada também são excelentes. O desgaste é reduzido em até 39% para a amostra em estado de fornecimento, em 75% para a amostra temperada e 26% para a amostra nitretada. 4583

7 Figura 6 - Comparação entre as amostras. Essa elevada redução no desgaste tanto para a amostra TRD Nb quanto para a boretada se deve a elevada dureza das camadas quando comparadas com as durezas das amostras nitretada, temperada e estado de fornecimento. O coeficiente de atrito das amostras também foi medido, e estão mostrados na Figura 7. Verifica-se uma redução de até 24% no coeficiente de atrito quando compara-se a amostra TRD Nb com a temperada e de até 31% quando compara-se a boretada com a temperada. A redução foi de até 11% e 18%, quando compara-se respectivamente, a TRD Nb e a boretada com a amostra em estado de fornecimento. Os processos de TRD Nb e boretação também apresentaram redução no coeficiente de atrito comparando-se com a amostra nitretada, Essa redução chega a 18% e 25%, respectivamente. 4584

8 Figura 7 - Coeficiente de Atrito CONCLUSÕES O presente trabalho teve como objetivo a produção de camadas de boretos e carbetos no aço AISI 4340, por meio de tratamentos termorreativos em banho de bórax. As seguintes conclusões foram observadas. A amostra boretada apresentou camada característica, com formato dentede-serra com fases FeB e Fe2B, espessura média aproximadamente de 192 ± 11 μm e valor médio igual 1908 ± 59 HV0,05 de microdureza superficial. A amostra TRD Nb apresentou camada homogênea de carbeto de Nióbio (NbC), com espessura média de aproximadamente 7,7 ± 0,1 μm e 2926 ± 51 HV0,05 de microdureza superficial média A área desgastada pode ser reduzida em até 99% com a aplicação do TRD com Nióbio e 75% com a utilização da boretação, quando comparado com o processo de têmpera. O coeficiente de atrito foi reduzido para a amostra TRD Nb e boretada em 24% e 31% respectivamente, quando compara-se com a amostra temperada. 4585

9 REFERÊNCIAS (1) S. Plumb, Metalurgia (1985) 59. (2) T. Arai, H. Fujita, Y. Sugimoto, Y. Ohta, J. Mater. Eng. 9 (2) (1987) 183. (3) T. Arai, S. Harper, Thermoreactive Deposition/Diffusion Process, ASM Handbook, vol. 4, ASM International, Materials Park, OH, USA, 1991, p (4) T. Arai, Carbide Coating Process by Use of Molten Borax Bath in Japan, J. Heat Treat., Vol 18 (No. 2), 1979, p (5) C.K.N. Oliveira, R.M. Munõz Riofano, L.C. Casteletti, Micro-abrasive wear test of niobium carbide layers produced on AISI H13 and M2 steels, Surface & Coatings EVALUATION OF CARBIDE AND BORIDE LAYERS PRODUCED IN AISI 4340 STEEL BY THERMORRERATIVE TREATMENTS ABSTRACT Very hard and strong layers were produced in AISI 4340 steel through TRD (thermocorrosive deposition and diffusion treatment) in molten borax baths added with ferroniobium and boron carbide at 1000 C for 4 h. Optical microscopy, X-ray diffraction and Vickers microhardness were used to characterize the samples. The wear resistance of the layers was evaluated by means of a ball versus plane tribological test. The wear behavior of uncoated, tempered, borided and nitrided AISI 4340 steel was also analyzed for comparison. The hardened layer consists of niobium carbide (NbC) according to X-ray analysis. The wear resistance of the NbC coated layer was greater than that of the uncoated material, tempered, nitrided and borided. The layers were regular and well defined, with thicknesses between 7.7 ± 0.1 and 192 ± 11 μm and hardness between 552 ± 27 and 2926 ± 51 HV. Keywords: TRD, boronizing, carbide, AISI