NitretaçÃo a plasma do aço aisi d2: uma revisãO



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ESTUDO DA NITRETAÇÃO A PLASMA DO AÇO AISI D2 COM E SEM O EMPREGO DE GAIOLA CATÓDICA

G. Simonelli1, A. R. F. Júnior2, D. C. Gripa1



1IFES, Discentes do PROPEMM – Avenida Vitória, 1729 - Bairro Jucutuquara – 29040780 – Vitória – Espírito Santo – ggsimonelli@gmail.com

2IFES, Docente do PROPEMM – Avenida Vitória, 1729 - Bairro Jucutuquara – 29040780 – Vitória – Espírito Santo.

RESUMO
A nitretação a plasma é um tratamento termoquímico empregado especialmente na elevação da resistência ao desgaste microabrasivo e à corrosão de materiais. A técnica permite que se introduza nitrogênio na superfície do material proporcionando melhorias em suas propriedades tribológicas. Tendo em vista que para as aplicações do aço ferramenta AISI D2 é desejável uma significativa resistência ao desgaste microabrasivo, em virtude do mesmo ser utilizado para trabalho a frio, este estudo objetiva propor condições alternativas de nitretação deste material com e sem a presença de gaiola catódica. O aço AISI D2 é aplicado basicamente em matriz para estampagem, rolos laminadores de roscas e centros para tornos. As condições propostas na pesquisa são resultado da revisão bibliográfica do trabalho de diferentes autores, e indicam a necessidade do uso de técnicas estatísticas na otimização das propriedades do material nitretado. Através do delineamento de experimentos é possível conhecer as variáveis que mais afetam as características finais do material tratado, bem como otimizá-las. A investigação da nitretação com gaiola catódica também é discutida no trabalho porque proporciona a eliminação de problemas que normalmente ocorrem quando são nitretadas peças com geometria complexa.
Palavras-chave: Nitretação Iônica, Tratamento, Superfície, Aço ferramenta D2.
1. INTRODUÇÃO
De forma geral, a nitretação é um termo utilizado para se referir às técnicas nas quais se introduz nitrogênio na superfície de um material, objetivando-se a melhoria em propriedades específicas do mesmo (1), tais como: elevada dureza superficial, maior resistência à fadiga, ao desgaste e à corrosão.

Estas melhorias estão associadas à formação de nitretos na superfície e a difusão de nitrogênio na forma atômica ou combinada para o interior do material.

Entre os diferentes modos de nitretação, destaca-se a nitretação por plasma. Para peças com geometria complexa, o tratamento de nitretação por plasma apresenta alguns inconvenientes. São eles: o efeito de borda, efeito de cátodo oco nos furos e reentrâncias das peças, temperatura não uniforme e abertura de arcos. Na busca de corrigir os efeitos indesejáveis surgiu uma técnica alternativa, denominada Active Screen Plasma Nitriding (ASPN). Na ASPN, antes de ser iniciada a nitretação, as amostras são envolvidas por uma tela, sobre a qual um potencial catódico alto é aplicado. Desta forma, o plasma atua na tela e não sobre a superfície das amostras, o que beneficia a eliminação dos problemas que normalmente ocorrem em peças geometricamente complexas (2).

Contudo, este trabalho objetiva propor condições alternativas de nitretação a plasma do aço AISI D2 com e sem o emprego de gaiola catódica, utilizando o planejamento experimental.


2. METODOLOGIA


  • Apresentar as condições experimentais que tem sido utilizadas para a nitretação a plasma do aço AISI D2.

  • Propor uma matriz de condições experimentais a serem estudadas, a fim de que seja possível verificar o efeito da temperatura e do tempo como variáveis de nitretação.


3. AÇO-FERRAMENTA AISI D2
3.1 Características
Entre os aços para trabalho a frio da série D, o aço AISI D2 é o mais utilizado. Este material tem sido amplamente empregado em decorrência da combinação positiva entre resistência mecânica, dureza, e resistência ao desgaste(3).

O aço AISI D2 é aplicado em matrizes para estampagem, cunhagem e repuxo, rolos e pentes laminadores de roscas, centros para tornos, punções e calibres (4).

A estrutura do aço AISI D2, assim como de todos os aços ferramenta para trabalho a frio, consiste em uma matriz de martensita revenida contendo dispersão de carbonetos complexos. Embora as propriedades mecânicas se apresentem como um fator relevante nestes materiais, as propriedades tribológicas são as mais estudadas, porque em suas aplicações estes materiais sempre sofrem constantes solicitações de desgaste (5).

3.2 Nitretação a plasma
Gobbi (5) estudou a influência do tempo de nitretação na formação da camada nitretada, e na resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2. No estudo, os corpos de prova foram nitretados a 400ºC com uma pressão de 4,5 mbar (450 Pa), e utilizando-se uma mistura gasosa de 80% em volume de H2 e 20% de N2. Os tempos de tratamento empregados foram de 30, 60, 120, 180 e 360 minutos.

Os resultados do trabalho mostraram que para todos os tempos de tratamento foi possível obter o endurecimento superficial e o aumento na resistência ao desgaste microabrasivo (5). De acordo com a pesquisa, o melhor resultado, para a nitretação a 400ºC, foi obtido com o tempo de tratamento de 360 minutos. Neste caso, o aumento de dureza superficial alcançado foi de 94,6%, e a resistência ao desgaste microabrasivo de 15%. O aumento de dureza foi explicado pelo autor em termos da alta concentração de nitrogênio na rede cristalina do ferro-α que proporciona maior distorção do reticulado dificultando o movimento de discordâncias e formação adicional de nitretos (5).

Valadão (6) em seu estudo, nitretou a plasma amostras do aço ferramenta AISI D2 em gaiola catódica, em atmosfera de 80% de N2 e 20% de H2, utilizando pressão de 2,5 mbar, e temperaturas de 400 e 480ºC, por tempos de 3 a 4 horas, com o objetivo de avaliar o desempenho em ferramenta de corte.

As amostras temperadas e revenidas apresentaram níveis de dureza de aproximadamente 600 Vickers (HV). Após o tratamento de nitretação na temperatura de 480ºC durante 3 horas, (que foi a melhor condição de tratamento), as amostras apresentaram dureza superficial de 1110 HV (6).

O uso de gaiola catódica no trabalho de Valadão (6) buscou corrigir os efeitos indesejáveis que ocorrem na nitretação a plasma de peças com geometria complexa. São eles: o efeito de borda, efeito de cátodo oco nos furos e reentrâncias das peças, temperatura não uniforme e abertura de arcos (7).

Franco Jr. (8), ao nitretar o aço AISI D2 com 5, 10 e 20% de nitrogênio por 42 minutos, 3, 6 e 11 horas, constatou que com o aumento da porcentagem de nitrogênio na mistura N2/H2, a dureza de pico é atingida em curto intervalo de tempo, aumentando também a cinética de engrossamento de nitreto de cromo e de formação da camada de compostos.

A Figura 1 permite a visualização da zona de difusão na micrografia da amostra nitretada do aço AISI D2.


Fig. 1 - Camada nitretada de um aço ferramenta AISI D2 nitretado por 10 horas, com 75% de N2, a 520ºC (Microestrutura obtida por microscopia óptica) (9).
A Figura 2 apresenta a espessura da camada nitretada do aço AISI D2 em função da razão N2/H2.


Fig. 2 - Espessura da zona de difusão em função do conteúdo de nitrogênio (10).

Observa-se na Figura 2, que a espessura da zona de difusão aumenta quando o teor de nitrogênio é elevado na mistura nitretante até o valor de 80% de N2, em seguida, a espessura da camada decresce quando o teor de nitrogênio aumenta de 80 para 100%.


4. CONDIÇÕES ALTERNATIVAS DE NITRETAÇÃO DO AÇO AISI D2
Tendo em vista as condições de nitretação ressaltadas no item 3.2, este trabalho propõe o estudo da influência do tempo e da temperatura (variáveis independentes) sobre a resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma com e sem gaiola catódica, utilizando-se um delineamento composto central rotacional (DCCR). Neste caso, pode-se empregar um planejamento experimental para duas variáveis independentes (22 incluindo 4 ensaios nas condições axiais e 3 repetições no ponto central), cujos valores reais e codificados são apresentados na Tabela 1.
Tab. 1 – Valores utilizados no DCCR para dois fatores.

FATORES

CÓDIGOS

-1,41

-1

0

1

1,41

Temperatura (°C)

x1

420

434,5

470

505,5

520

Tempo (Minutos)

x2

30

78

195

312

360

Para um DCCR de 2 variáveis independentes são necessários 11 ensaios (Tabela 2). Os ensaios são resultado da combinação entre os valores de mínimo e máximo da temperatura e do tempo, bem como de ensaios nas condições axiais, e repetições no ponto central. Através dos trabalhos mencionados no item 3.2 foram determinadas as faixas de estudo do tempo (tempo mínimo: 30 minutos; tempo máximo: 6 horas) e da temperatura (temperatura mínima: 420°C; temperatura máxima: 520°C) para o DCCR. Vale ressaltar que nenhum dos trabalhos que já foram desenvolvidos com o aço AISI D2 apresentam o estudo do efeito da temperatura e do tempo simultaneamente na nitretação desse material.



Tab. 2 – Matriz do planejamento experimental para o aço AISI D2 com e sem o emprego de gaiola catódica.

ENSAIOS

TEMPERATURA (°C)

TEMPO (Minutos)

1

434,5

78

2

505,5

78

3

434,5

312

4

505,5

312

5

420

195

6

520

195

7

470

30

8

470

360

9

470

195

10

470

195

11

470

195

O DCCR é uma técnica estatística que possibilita através do planejamento fatorial de experimentos a otimização de produtos e processos com menos custos e tempo, maximizando a qualidade, o rendimento e a produtividade. Aliado à análise de superfícies de respostas, o DCCR fornece informações seguras sobre o processo em estudo, ao contrário da técnica de tentativa e erro (11).

Com o DCCR é possível quantificar o efeito das variáveis de interesse para que se conheça a robustez do processo, utilizando para este fim um número menor de ensaios experimentais ou repetições, e melhorando a qualidade da informação procurada. A análise simultânea das variáveis do processo (fatores) permite avaliar quantitativamente os efeitos sinérgicos e antagônicos entre as variáveis. O estudo do tempo e da temperatura é um caso clássico, pois, se estes fatores forem investigados isoladamente (fixando-se uma variável por vez), não será possível detectar a interação existente entre eles, nem a condição otimizada do processo (11).

Além disso, a metodologia proporciona otimizar mais de uma variável resposta ao mesmo tempo, e avaliar e calcular o erro experimental que contribui na especificação do nível de confiança estatística da reprodutibilidade do resultado encontrado (11).

A pressão de trabalho, a tensão entre os eletrodos, bem como a mistura gasosa empregada na nitretação estão sendo fixadas em 2,5 torr, 537 Volts, e 20% de nitrogênio (N2) com 80% de hidrogênio (H2).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A nitretação possibilita tratar a superfície dos metais, conferindo a eles novas propriedades. No caso da nitretação a plasma, a técnica representa uma nova alternativa aos processos convencionais de tratamento de superfície.

Para o aço AISI D2, segundo os trabalhos de Franco Jr. (8), Valadão (6) e Gobbi (5), a dureza superficial e a resistência ao desgaste microabrasivo são satisfatoriamente elevadas quando este aço ferramenta é nitretado a plasma.



Através do levantamento bibliográfico das condições de nitretação do aço ferramenta AISI D2, foi possível propor uma matriz de condições experimentais a serem estudadas, a fim de que sejam determinadas melhores condições de nitretação deste material com e sem o emprego de gaiola catódica. Os ensaios experimentais estão sendo realizados no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo.
6 REFERÊNCIAS
1 SIMON, G. Aços nitretados a plasma. Dissertação (Mestrado em Ciências) - Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 1995.
2 LI, C.X.; BELL, T.; DONG, H., A study of active screen plasma nitriding. Surface Enginnering 18 (3), 174 – 181, 2002.
3 MEDANHA, A; GOLDENSTEIN, H; PINEDO, C.E. Tratamentos Térmicos do Aço Ferramenta AISI D2 para Conformação e Corte. Disponível em: . Acesso em: 01 ago. 2011.
4 VILLARES METALS. Aços para trabalho a frio. Jul. 2003. Disponível em: . Acesso em: 08 nov. 2011.
5 GOBBI, V. J. Influência da nitretação a plasma na resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2. Dissertação de mestrado em Ciências Mecânicas. Brasília/DF, 2009.
6 VALADÃO, M. C. Avaliação do desempenho do aço AISI D2 tratado termicamente e nitretado em plasma com gaiola catódica visando aplicação industrial. Dissertação de mestrado. Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais. Natal, agosto de 2008.
7 SOUSA, R. M. et. al. Nitretação em gaiola catódica: influência do tempo de tratamento. Revista Matéria, v. 13, n. 1, pp. 119 – 124, 2008.
8 FRANCO Jr., A. R. Obtenção de revestimentos dúplex por nitretação a plasma e PVD-TiN em aços ferramenta AISI D2 e AISI H13. Tese (Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materias) – Universidade Federal São Paulo, São Paulo, 2003.
9 PINEDO, C.E.; TSCHIPTCHIN, A.P.; FRANCO Jr., A.R. Influência da composição gasosa na rugosidade de aços ferramenta nitretados por plasma. In: 57° Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais (ABM). São Paulo/SP, 22 a 25 de Julho, Anais em CD-ROM, (2002), p. 1993 – 1999.
10 STOIBER, M. et. al. Surface and coating technology. 174, 687 (2003).
11 RODRIGUES, M. I.; IEMMA, A. F. Planejamento de experimentos e otimização de processos. 2. ed. São Paulo: Caso do Espírito Amigo Fraternidade Fé e Amor, 2009.


STUDY PLASMA NITRIDING AISI D2 STEEL WITH AND WITHOUT THE USE OF CAGE CATHODIC
ABSTRACT
The plasma nitriding is a thermochemical treatment employed especially in high wear resistance and corrosion microabrasive materials. The technique allows to introduce nitrogen into the surface of the material providing improvements in their tribological properties. Considering that for the applications of AISI D2 tool steel is desirable microabrasive significant wear resistance, even under be used for cold working, this study aims to propose alternative conditions of nitriding of this material with and without the presence of cathodic cage . The AISI D2 is applied to basically die stamping, thread rollers and centers for lathes. The conditions proposed in the research literature review are the result of the work of different authors, and indicate the need for the use of statistical techniques in the optimization of material properties nitrided. Through the design of experiments is possible to know the variables that most affect the final characteristics of the treated material and optimize them. The investigation of nitriding with cage cathode is also discussed in the work because it provides the elimination of problems that typically occur when nitrided parts with complex geometry.


Key-words: Ion Nitriding, Treatment, Surface, D2 tool steel.
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