8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 AVALIAÇÃO DO AÇO H10 NITRETADO EM BANHOS DE SAL E A PLASMA Ranalli G. A.*, Pereira V. F. ; Pallone A. S. N. ; Mariano N. A. * Universidade São Francisco - Programa de Pós Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais, Rua Alexandre R. Barbosa, 45, Centro, Itatiba - SP. neide.mariano@saofrancisco.edu.br RESUMO A Nitretação consiste de um tratamento de endurecimento superficial, sob a ação de um ambiente nitrogenoso e a uma temperatura determinada, podendo ser convencional (líquida e gasosa) ou plasma. Neste trabalho, o aço ferramenta AISI H-10 foi nitretado por plasma e a sal, visando a obtenção de uma camada adequada. A superfície do aço foi caracterizada por meio de ensaios metalográficos, microdureza na superfície e corrosão. A resistência à corrosão foi avaliada por ensaios potenciodinâmicos em solução aquosa de 0,5 mol L -1 de cloreto de sódio. A microestrutura obtida após o tratamento térmico de têmpera e revenimento, foi uma matriz constituída de martensita revenida, com a presença de finos carbonetos dispersos homogêneamente na matriz. A camada nitretada em banho de sal apresentou as camadas de difusão e composta. A camada nitretada a plasma não apresentou a camada composta, apenas a camada de difusão de nitretos. Os gradientes de microdureza obtidos mostraram melhor desempenho para a camada nitretada a plasma. A superfície da amostra após nitretação em banho de sal apresentou dureza de 1100 HV e após nitretação a plasma foi de 1020 HV. As superfícies nitretadas a plasma apresentaram maior resistência à corrosão quando exposta em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L -1. Palavras Chaves: AISI H-10, nitretação, corrosão. 1603

2 INTRODUÇÃO Aços ferramentas são aqueles quem tem como características elevada dureza, boa resistência à abrasão, corrosão e tenacidade, mantendo as propriedades de resistência mecânica mesmo sob elevadas temperaturas. Tais características são obtidas com a adição de altos teores de carbono e elementos de ligas como: tungstênio, molibdênio, vanádio, manganês e cromo. A maioria dos aços-ferramentas são forjadas, mas também podem ser fabricados por fundição de precisão ou por metalúrgica do pó, porém para obter tais características é necessário uma boa seleção da matériaprima, principalmente da sucata utilizada. Assim, esse tipo do aço pode ser utilizado em operações de conformação, corte, afiação, estampagem ou quaisquer outras atividades relacionadas com a modificação de um material. Existem aços ferramentas para trabalho a quente como os das classes H10 ao H19, H21 ao H26 e H42 e H43 e os aços ferramenta para trabalho a frio. Neste trabalho foi utilizado o aço H10, pois apresentam elevada resistência a choque, boa tenacidade e elevada dureza, sendo aplicado em ferramentas para extrusão a quente, matrizes para forja, matrizes para fundição sob pressão e outros [1]. A unificação dos mercados mundiais pela globalização das economias, ocorrida mais intensamente, a partir da década de noventa, trouxe implicações para a indústria, tal como a competitividade necessária, na busca de processos de fabricação e pesquisas, objetivando a redução de custos industriais. Para o caso da indústria metal-mecânica, em especial a indústria de moldes e matrizes, vem aumentando a procura por tratamentos térmicos no sentido de melhorar a produtividade e a vida útil desses ferramentais, reduzindo com isso, os custos industriais. Nos últimos anos, vem ocorrendo um grande crescimento no número de técnicas que modificam as propriedades da superfície do metal base, sem alterar as propriedades do seu volume. A principal razão para esse crescimento é que as falhas que ocorrem em componentes e peças de muitas aplicações tecnológicas concentram-se na superfície, requerendo dessa maneira, propriedades superficiais diferentes das do núcleo do material. Existem diversas técnicas de tratamentos de superfície que visam alteração das propriedades superficiais do metal base, proporcionando uma camada de proteção de modo a aumentar a vida útil do componente. As disponibilidades desses tratamentos superficiais abrem novas possibilidades na melhoria das propriedades dos componentes para uma dada aplicação [2-5]. A nitretação pode ser convencional (líquida e gasosa) ou iônica (ou plasma) e consiste de um tratamento de endurecimento superficial, sob a ação de um ambiente nitrogenoso e a uma temperatura determinada. A nitretação a sal é um tratamento térmico, na qual é necessária a adição de calor, de elementos químicos na superfície do aço e execução de banho de sais a base de bário, cianeto, estrôncio, cianato, carbonatos, nitratos, nitritos, entre outros [2]. A nitretação a plasma é um processo termo-físico-químico que permite a introdução de nitrogênio atômico na superfície do material com a conseqüente formação de nitretos conferindo-lhe melhores propriedades mecânicas e tribológicas. O tratamento superficial de nitretação por plasma difere dos outros tratamentos superficiais por usar o fenômeno de descarga luminescente [6-8]. As principais vantagens que a nitretação a plasma exerce sobre o processo convencional em banho de sal são: aumento da vida útil dos componentes tratados, a não formação de rejeitos poluentes, economia de energia, tempo de processamento mais curto e não requerimento de acabamento adicional após nitretação. O objetivo desse trabalho foi avaliar o aço ferramenta H10, nitretado a sal e por plasma quanto à resistência a corrosão e dureza superficial. MATERIAIS E MÉTODOS A Tabela 1 mostra a composição química do aço ferramenta AISI H10 usada neste trabalho e obtida pela técnica de emissão ótica. O aço foi recebido no estado recozido (aquecido a 850ºC por 2 horas e resfriado dentro do forno até a temperatura de 600ºC, com posterior resfriamento ao ar livre), a partir do qual foram usinados corpos de prova cilíndricos com 10mm de diâmetro e 10mm de altura. Os corpos de prova foram submetidos ao tratamento térmico de têmpera, que consistiu na austenitização a 1030 o C por 3 horas, com resfriamento ao ar até temperatura ambiente. Posteriormente foi realizado o revenido a 600 o C por duas horas para acerto da faixa de dureza especificada. Tabela 1: Composição química do aço ferramenta AISI H10 em % em peso C Mn Si Cr Mo V P S 0,33 0,32 0,39 2,96 2,86 0,41 0,028 0,002 Uma parte dos corpos de prova foram nitretados com pré-aquecimento a 400ºC por 60 minutos e 3 horas em banho de sal a 570 o C. Outros corpos de provas foram nitretados em um reator termoquímico a plasma, utilizando

3 uma descarga pulsada, desenvolvido pela Plasma LIITS. As amostras foram submetidas a um pré-aquecimento a plasma em atmosfera de hidrogênio por 30 minutos. Na Tabela 2 são fornecidos os parâmetros utilizados na descarga de nitretação a plasma. Tabela 2: Parâmetros utilizados na descarga de nitretação a plasma Parâmetros Composição dos gases H 2 : 80%; N 2 : 20% Temperatura 510 o C Tempo 12 horas Valores utilizados Após os tratamentos térmicos (têmpera/revenido) e termoquímicos (a sal e a plasma), os corpos de prova foram cortados perpendicularmente à superfície tratada e avaliou-se a microestrutura ao longo da profundidade, por microscópia óptica. Os corpos de prova foram embutidos em resina tipo baquelite de cura a quente, lixados em lixa de carbeto de silício com granulações entre 220 e 1200 mesch, com posterior acabamento superficial em aluminas de 1 e 0,5 µm. A microestrutura foi revelada após imersão em reagente Nital 5%. Para estudar as características de endurecimento do substrato, foi realizado medidas de microdureza (Vickers), utilizando carga de 1 Kgf, tempo de impressão de 15 segundos e gradiente com steps de 0,1mm da superfície até uma profundidade de 1,0mm. As medidas foram realizadas ao longo da profundidade da zona de difusão, levando à determinação do gradiente de microdureza, segundo a norma ASTM E [9]. Os ensaios de corrosão foram realizados segundo a norma ASTM G5 94 [10], utilizando a técnica de polarização anódica potenciodinâmica e a solução eletrolítica empregada foi uma solução aquosa 0,5 mol L -1 de NaCl, exposto à atmosfera, ph=5,8 e na temperatura ambiente ( 25 o C). Utilizou-se uma célula eletroquímica convencional com três eletrodos conectados, um eletrodo de calomelano saturado (SCE) como referência, um contra-eletrodo de platina e o eletrodo de trabalho. O eletrodo de trabalho utilizado foi cada uma das superfícies: temperado/revenido, nitretado a sal e nitretado a plasma. A área da superfície dos corpos de prova foi de 78 mm 2 e foram embutidos em resina de poliéster de cura a frio. As curvas de polarização foram programadas para iniciar após estabilização do potencial em circuito aberto, ou se não registrasse uma variação de 1mV por um período de 180segundos, este potencial de inicio da varredura foi definido como potencial de corrosão. Os ensaios foram realizados com velocidade de varredura constante igual a 1mV/s. Todos os ensaios foram realizados no mínimo em triplicata. A partir das curvas de polarização foram obtidos os parâmetros de corrosão: potencial de corrosão (Ecorr) e a densidade de corrente de corrosão (Icorr). Utilizando os valores de densidade de corrente de corrosão obtidos para as superfícies sem tratamento termoquímico (I o corr), e para as superfícies nitretadas sob diferentes condições (Icorr), foi determinada a eficiência de proteção pelos diferentes tipos de tratamento. Essa eficiência foi determinada pela Eq. (1) [11]: I Eficiência (%) = 1 corr 0 (1) Icorr RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1a mostra a microestrutura após tratamento térmico de recozimento e constituída por uma matriz ferrítica com carbonetos esferoidizados. A Figura 1b apresenta a microestrutura após tratamento térmico de têmpera e revenimento, observa-se que a matriz é constituída de martensita revenida, com a presença de finos carbonetos dispersos homogêneamente na matriz.

4 (a) (b) Fig. 1: Microestrutura do aço AISI H10, após tratamentos térmicos. (a) Recozimento. (b) Têmpera e revenido. Ataque químico Nital 5%. A Figura 2a mostra a microestrutura da camada obtida por nitretação a sal do aço AISI H10. Observa-se a formação das camadas de difusão (região escura) e composta (ou camada branca), a qual é constituída de nitretos de ferro γ (Fe 4 N) e por nitretos de ferro ε (Fe 2,3 N). Sendo que a fase γ é um microconstituinte tenaz e a fase ε é um microconstituinte duro. Observa-se que a camada composta apresenta-se com 0,015mm de profundidade e um elevado grau de porosidade, característico do processo de nitretação em banho de sal. A camada de difusão apresenta-se com aproximadamente 0,12mm de profundidade e observa-se nitretos em contorno de grão (elementos fragilizantes). camada composta camada de difusão camada de difusão (a) (b) Fig. 2: Microestrutura do AISI H10, após nitretação. (a) nitretação a sal. (b) nitretação a plasma. Ataque químico Nital 5%. A Figura 2b mostra a microestrutura da camada nitretada do aço AISI H10, após nitretação a plasma. Observa-se que não há a presença da camada composta (branca), apenas a camada de difusão de nitretos (região escura) com aproximadamente 0,15mm de profundidade e com nitretos dispersos. A Figura 3 mostra o gradiente de microdureza em Vickers, obtido na camada nitretada dos corpos de prova após nitretação em banho de sal e a plasma e no corpo de prova com tratamento térmico de têmpera e revenido. As superfícies após nitretação em banho de sal apresentaram dureza de 1100 HV e após nitretação a plasma foi de 1020 HV.

5 nitretação a plasma nitretação a sal temperado e revenido dureza (HV) ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 profundidade (mm) Fig. 3: Gradiente de microdureza Vickers do aço AISI H10 nas condições: nitretação a plasma, nitretação em banho de sal e temperado e revenido. A Figura 4 mostra as curvas de polarização obtidas para as superfícies do aço: temperada/revenido, nitretada em sal e nitretada a plasma, após imersão de cada uma das superfícies em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L -1, ph 5,8, aerada e sob temperatura de aproximadamente 25ºC. Fig.4: Curvas de polarização do aço H10 em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L -1, ph 5,8. Na Figura 4 observa-se que as densidades de corrente anódica para a superfície da amostra na condição nitretado a plasma, foram menores do que as das superfícies nitretadas a sal e sem tratamento termoquímico (temperado e revenido). Essas observações justificam o deslocamento do Ecorr (potencial de corrosão) da superfície nitretada a plasma para valores mais positivos em relação às demais condições. Esses resultados mostram a eficiência na proteção contra a corrosão nas amostras com a superfície nitretada a plasma, esse fato também está de acordo com os resultados apresentados na Tabela 3, observa-se que a eficiência de proteção contra a corrosão aumentou com nitretação a plasma. Isto pode ser atribuído ao aumento na espessura da camada de difusão associada a presença de nitretos dispersos na camada e não em contorno de grão, como ocorre na nitretação a sal, podendo tornar a camada frágil.

6 Tabela 3: Parâmetros de corrosão das superfícies do aço H10 expostas em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L -1 Tipo de tratamento Ecorr (mv x ESC) Icorr (A/cm 2 ) Eficiência (%) temperado e revenido , padrão nitretação a plasma , nitretação a sal , CONCLUSÃO A microestrutura obtida após o tratamento térmico de têmpera e revenimento, foi uma matriz constituída de martensita revenida, com a presença de finos carbonetos dispersos homogêneamente na matriz. A camada nitretada em banho de sal apresentou as camadas de difusão e composta. A camada nitretada a plasma não apresentou a camada composta, apenas a camada de difusão de nitretos. Os gradientes de microdureza obtidos mostraram melhor desempenho para a camada nitretada a plasma. A superfície da amostra após nitretação em banho de sal apresentou dureza de 1100 HV e após nitretação a plasma foi de 1020 HV. As superfícies nitretadas a plasma apresentaram maior resistência à corrosão quando exposta em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L -1. REFERÊNCIAS 1. American Society for Testing and Materials. Standard Specification for Tool Steels Alloy, Designation A681 (Reapproved 1992). In: Annual Book of ASTM Standards: Iron and Steel Products. Philadelphia.vol , S. Lampman, Introduction to Surface Hardening of Steels. ASM Handbook. Warriendale: ASM International; vol.4, pp , C.J. Alves, Nitretação a Plasma. Fundamentos e Aplicações, Natal, Ed. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, J.G. Buijnsters; R.P.Shankar; J. Sietsma; J.J. Ter Meulen, Gas Nitriding of Chromium in NH3-H2 atmospheres. Materials Science & Engineering A, vol. A00, pp. 1-7, T. Zakroczymski; N. Lukomski; J. Flis, The Effect of Plasma Nitriding-Base Treatments on the Absorption of Hydrogen by Iron, Corrosion Science, vol. 37, n.5, pp , B.C. Ferreira e M.A.S. Oliveira, Tratamento Termoquímico a Plasma de Aço-Carbono, Boletim Técnico Petrobrás, Rio de Janeiro, vol. 46, pp , D. Wisnivesky e F. Alvarez, Máquinas e Metais, 464, 120, C. RUCET, Energy Efficiency of Plasma Thermochemical Processing, Heat Treatment of Metals, vol. 2, pp , American Society for Testing and Materials. Standard Methods for Microhardness, Designation E (Reapproved 1979). In: Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia,vol , American Society for Testing and Materials. Standard Reference Test Method for Making Potentiostatic and Potentiodynamic Anodic Polarization Measurement, Designation G5 94. In: Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia, vol , K. Aramaki, Corrosion Science, vol. 43, pp , UNIDADES E NOMENCLATURA Ecorr potencial de corrosão (mv) Icorr densidade de corrente de corrosão (A/cm 2 ) SCE eletrodo saturado de calomelano (adimensional) HV microdureza em Vickers (HV)