Influência da camada nitretada na resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta aisi h13 nitretado a plasma



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INFLUÊNCIA DO TEMPO E DO POTENCIAL DE N2 NA FORMAÇÃO DA CAMADA NITRETADA DO AÇO FERRAMENTA AISI H13


A. C. MELADO; A. R. FRANCO JR.
Programa de Pós Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo.

Avenida Vitória, 1729, bairro Jucutuquara - CEP 29040-780, Vitória – ES

acaetano@ifes.edu.br

RESUMO
Neste trabalho foi avaliada a influência do tempo e do potencial de N2 na formação da camada nitretada do aço ferramenta AISI H13. Foi realizado um tratamento termoquímico de nitretação a plasma na temperatura constante em 500°C, com o potencial de N2 de 5, 10 e 20%, e por tempos variáveis de 30 minutos a 6 horas. Foram utilizadas as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), ensaio instrumentado de dureza e difração de raios-x para a caracterização das camadas nitretadas. Observou-se que as camadas nitretadas obtidas em tempos mais longos, apresentaram uma maior espessura da zona de difusão e um maior engrossamento dos precipitados de CrN. As camadas nitretadas com um maior potencial de N2, em tempos mais curtos, já apresentam a formação da camada branca. Com os resultados obtidos foi possível construir a curva potencial limite de nitretação (PLN) do aço ferramenta AISI H13 na temperatura de 500°C.

Palavras chave: nitretação a plasma, difração de raios-x, aço ferramenta AISI H13.
INTRODUÇÃO
A aplicação da nitretação a plasma em aços ferramentas vem sendo utilizada com sucesso nas últimas décadas devido ao aumento da vida útil de ferramentas e componentes. A nitretação a plasma é um dos mais efetivos métodos de aumento das resistências ao desgaste, à fadiga térmica e à corrosão de superfícies metálicas. Esse tratamento termoquímico apresenta inúmeras vantagens em relação aos processos convencionais, tais como: baixa temperatura e tempo de tratamento, controle e uniformidade da espessura da camada nitretada, não poluente e menor custo operacional (1).

No processo de nitretação a plasma, usa-se uma mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio a baixa pressão (1 a 10 mbar). O gás é ionizado devido à diferença de potencial elétrico entre o anodo (câmara) e o catodo (peça) e os íons de nitrogênio são acelerados contra a peça (2). A presença de hidrogênio no plasma atua na remoção de óxidos presentes na superfície da amostra, e também provoca um aumento da população de espécies excitadas no plasma, aumentando o suprimento de nitrogênio atômico (3, 4).

A nitretação é um processo difusivo, assim, a morfologia da camada nitretada depende do tempo e da temperatura de tratamento, além da porcentagem de nitrogênio presente na mistura gasosa do plasma. Estudo de Castro et. al(5) mostra um aumento da espessura da camada nitretada com o aumento do tempo de tratamento. Para tempos mais longos, há o surgimento de uma camada dura e frágil de nitretos (Fe4N-γ’-e Fe2-3N-ε) na superfície das amostras, conhecida como camada branca.

Karakan et al(6) caracterizou detalhadamente a microestrutura de camadas nitretadas obtidas com a variação do potencial de N2 numa mistura gasosa constituída por N2 + H2, verificando que o aumento do potencial de N2 promove a formação de camadas brancas mais espessas.



MATERIAIS E MÉTODOS
O aço ferramenta AISI H13 foi fornecido pela empresa Villares Metals S.A. na forma de barras cilíndricas com 28,5 mm de diâmetro e no estado recozido, com a composição química apresentada na tabela 1. As amostras foram retificadas obtendo uma espessura final de, aproximadamente, 4,0 mm. Essas amostras foram austenitizadas a 1020°C por 30 minutos e temperadas em óleo, e em seguida passaram por um duplo revenimento a 600°C por 2 horas.
Tabela 1 - Composição química (% em massa) do aço AISI H13


O tratamento termoquímico de nitretação foi realizada em um reator de nitretação a plasma pulsado constituído de uma câmara cilíndrica (70cm de altura por 50cm de diâmetro) de aço inoxidável AISI 304L, sistema de vácuo, sistema de alimentação para os gases utilizados no tratamento, dois eletrodos (sendo as paredes da câmara o anodo e o porta amostra o catodo - disco de 22cm de diâmetro por 5mm de espessura), fonte de alta tensão (alimentação elétrica), freqüência de 4 KHz, além de um termopar, para medir a temperatura, e um medidor de pressão.

As amostras foram tratadas na temperatura de 500°C, numa atmosfera de nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2) com o primeiro variando de 5, 10 e 20% por tempos de 30 minutos, 1, 3 e 6 horas.



Foi utilizada microscopia eletrônica de varredura para a análise da microestrutura da camada nitretada e difração por raios-x para determinar as fases presentes na camada branca.

RESULTADOS E DISCUSSÃO
A figura 1 mostra os perfis de dureza do aço ferramenta AISI H13 nitretado com 20% de N2, a 500°C, por diferentes tempos.




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