ESTUDO DO EFEITO DA ADIÇÃO DE ARGÔNIO NA

CAMADA FORMADA POR NITRETAÇÃO IÔNICA A PLASMA EM

AÇO P20

SÍNTILA KLAROSK PAIFER

ORIENTADORA: Dra. Luciana Sgarbi Rossino

Iniciação Científica Fatec/ Sorocaba

Relatório Final

Sumário

1. Introdução e justificativa...............................................................................5

2. Revisão bibliográfica ......................................................................................6

3. Objetivo.........................................................................................................17

4. Materiais e Métodos ..................................................................................... 17

4.1 Caracterização do substrato ....................................................................... 17

4.2.Reator ......................................................................................................... 20

4.3. Preparação das amostras antes do tratamento ........................................... 21

4.4. Etapas para o tratamento de nitretação ..................................................... 21

4.4.1. Sputtering ............................................................................................... 22

4.5.Ensaios........................................................................................................ 23

4.5.1. Metalografia ........................................................................................... 23

4.5.2. Perfil de durezas ..................................................................................... 25

5. Resultados .................................................................................................... 26

6) Conclusões ................................................................................................... 32

7) Referências .................................................................................................. 34

Resumo

O tratamento termoquímico de nitretação iônica a plasma é um método de

endurecimento superficial que consiste na mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio

introduzido por difusão na superfície do aço até uma determinada profundidade em uma

câmara a vácuo, obtendo alta dureza superficial, com aumento da resistência ao

desgaste, à fadiga e à corrosão. No presente estudo, o tratamento de nitretação a plasma

foi realizado no material AISI P20, que é utilizado em moldes para injeção plástica,

onde é preciso suportar um alto teor de calor e desgaste. Foi adicionado, além dos gases

nitrogênio e hidrogênio, o gás argônio no tratamento, para analisar a sua influência na

camada formada por nitretação. Foram realizados três tratamentos, nas proporções de

gases: 80%N2 - 20% H2; 60% N2- 15% de H2 - 25% argônio; 32% de N2 - 32% de H2 -

36% argônio. Verificou-se que para porcentagens de nitrogênio menor (32%), a

porcentagem maior de argônio (36%) propicia uma camada espessa com 320 µm, e

dureza na faixa de 700 HV. Porém, para porcentagens maiores de nitrogênio (60%),

altas porcentagens de argônio diminuem a espessura da camada formada, quando

comparado ao tratamento sem a presença deste elemento.

Palavras-chave: nitretação iônica a plasma, influência do argônio, camadas formadas.

Abstract

The thermochemical treatment of ionic plasma nitriding is a superficial

hardening method consisting of the gas mixture of nitrogen and hydrogen introduced by

diffusion on the steel surface interstitially to a certain depth in a vacuum chamber,

obtaining high surface hardness, resistance to detrition and increasing of resistance to

fatigue and corrosion. In the present study, the treatment of plasma nitriding was carried

out on AISI P20 material, which is used in plastic injection molds, where it is necessary

to withstand a high content of heat and detrition. In addition to the nitrogen and

hydrogen gases, the argon gas was added in the treatment to analyze its influence on the

layer formed by nitriding. Three treatments were carried out, in the following

proportions of gases: 80% N2 - 20% H2; 60% N2- 15% H2 - 25% argon; 32% N2 -

32% H2 - 36% argon. In the images obtained in this study it is possible to identify the

formed layers and the hardness of them. It was verified that when the nitrogen content

was low (32%) and the argon was high (36%), the layer was thick, with 320 μm and

hardness in the 700 HV range. However, when it is high in nitrogen (60%), the amount

of argon can not be high.

Keywords: ionic plasma nitriding, influence of argon, formed layers.

5

1.Introdução e justificativa

A nitretação que é um processo de introdução de nitrogênio por difusão na

superfície de um material pelo aquecimento do mesmo tem como objetivo o

endurecimento superficial pela formação de camada de nitretos. Com isso consegue-se

uma peça de superfície dura e resistente ao desgaste e um núcleo tenaz, oferecendo a

vantagem de resistir à propagação de trincas. (CALICCHIO, 2009)

Existem algumas formas de nitretação, como por exemplo a nitretação a gás,

que tem como principal resíduo é a amônia dissolvida na água, considerado poluente,

podendo ocasionar mortalidade aquática, degradar o lençol freático entre outros danos.

Já na nitretação em banho de sais, composto de cianeto, cianato, enxofre, carbonatos e

cloretos, é de custo alto da desintoxicação dos efluentes. E por último, a nitretação

iônica a plasma que pode ser considerada uma evolução industrial, não gerando resíduos

sólidos. (COSTA, 2010)

O incremento do argônio nas propriedades tribológicas da superfície é

atribuído à melhor combinação dos gases no processo onde o nitrogênio difundido na

matriz martensítica e os carbonetos não dissolvidos nos tratamentos térmicos propiciam

um aumento significativo da dureza superficial e, consequentemente, um aumento na

resistência ao desgaste. (CONCI; FRANCO, 2012)

Para verificar o a eficiência do tratamento de nitretação iônica a plasma em

P20, adicionou-se o argônio na mistura gasosa de N2 e H2 para analisar a influência na

camada formada no tratamento.

6

2. Revisão bibliográfica

2.1 Físicas das descargas e o plasma

Os tratamentos a plasma são realizados em uma câmara fechada, criando

plasma pela aplicação de um campo elétrico que gera íons positivos e elétrons

negativos, cujos cátions são bombardeados em direção ao material, provocando

aquecimento do mesmo (COSTA, 2010).

A descarga em um gás neutro, contido em um recipiente fechado pode ser

entendida como a passagem de uma corrente elétrica neste gás, que é estabelecida pela

diferença de potencial entre dois eletrodos (cátodo e ânodo) imerso no recipiente. Tanto

as características quanto a manutenção da descarga dependem da geometria e do

material do qual são feitos o ânodo e o cátodo, da corrente elétrica aplicada e da pressão

de trabalho. Quando uma diferença de potencial é estabelecida entre os eletrodos, estes

elétrons e íons positivos são acelerados e poderão colidir com os átomos ou moléculas

do gás. O produto destas colisões resulta na formação de novos elétrons e íons

positivos, e também na formação de átomos ou moléculas no estado excitado.

(CONRADS, 2000; CHAPMAN, 1980).

O processo necessita da pulsação da tensão elétrica para garantir a

uniformidade do plasma e evitar a ocorrência de superaquecimento do aço em áreas

específicas. Em virtude dessa necessidade de se pulsar o plasma, o processo de

nitretação iônica também é conhecido como nitretação a plasma pulsado.

(VENDRAMIM, 2002)

7

Na média, um plasma é eletricamente neutro, sendo que qualquer

desbalanceamento de carga resultará em campos elétricos que tendem a mover as cargas

de modo a restabelecer o equilíbrio (ALVEZ, 2001).

A coexistência destas partículas carregadas e das espécies neutras que forma o

plasma. Assim, o plasma pode ser definido como um gás parcialmente ionizado que

contém partículas neutras (átomos e moléculas) e partículas carregadas (elétrons e íons

positivos). (BALLES, 2004). A Figura 1 mostra esquematicamente o que ocorre dentro

do reator durante o tratamento de nitretação a plasma.

Figura 1: Representação esquemática das reações que ocorrem na superfície na presença do

plasma

Fonte: (VENDRAMIM, 1997).

PLASMA

ADSORÇÃO

8

2.2 Equipamento

Um equipamento típico de nitretação iônica está esquematizado na Figura 2.

Figura 2: Esquema do sistema de nitretação a plasma.

Fonte: (STRÄMKE, 1995).

Ele é constituído de um sistema de vácuo, com a presença de um purgador para

retirar todo ar dentro do reator, uma fonte de potência para geração da energia elétrica e

um reator. (ALVEZ, 2001). Para o controle da temperatura, no sistema é colocado um

termopar para identificar a mesma. Para ter o controle da pressão dentro do reator, é

necessário um medidor para identificá-la com a presença dos gases colocados e obter

um tratamento sem variações para ser efetivo.

Quando espécies ionizadas são usadas para modificação da superfície, elas

podem ser empregadas de dois diferentes modos. Um deles é a implantação iônica, a

9

qual consiste de um pequeno fluxo iônico com uma alta energia média por íon; o

segundo método é a deposição assistida por plasma, a qual consiste de um grande fluxo

iônico com energia média por íon, suficiente para causar pulverização catódica

(sputtering) e defeitos na rede cristalina do material. Esses processos oferecem a

possibilidade de variar amplamente as propriedades dos filmes através do controle dos

parâmetros do plasma (densidade de elétrons, energia e sua função de distribuição)

(ALVEZ, 2001).

O catodo é a região mais importante no estudo da nitretação iônica porque é

nele onde se desenvolve a maioria dos eventos responsáveis pelas características da

camada nitretada. Dentre estes eventos, destaca-se a emissão de elétrons secundários, o

sputtering da superfície, a dissipação de calor pelo bombardeio das partículas, criação

de defeitos na rede cristalina do catodo (peça), deposição de nitretos, adsorção e a

difusão de nitrogênio. Quando um íon energético colide com a superfície do catodo, ele

produzirá, além de elétrons secundários, sputtering dos átomos contaminantes ou da

superfície do catodo. Ele pode também ser refletido pela superfície como íon de alta

energia (colisão elástica) ou como uma partícula neutra. (EDENHOFER, 1974).

O plasma é obtido em um regime de descarga pulsada mediante aplicação de

uma tensão elétrica da ordem de 300 a 1000 Volts entre a peça (catodo) e a parede

interna da câmara (anodo). O aquecimento das peças à temperatura de nitretação para

cada tipo de aço ocorre pelo bombardeamento de íons que se deslocam entre o anodo e

o catodo, ou com o auxilio de resistências elétricas (VENDRAMIM, 2002)

10

2.3 Sputtering da superfície

Dentre as técnicas de engenharia de superfícies que ressoam na formação

de filmes finos o PVD (Deposição Física a Vapor), o processo de pulverização catódica,

ou magnetron sputtering, é um dos maiores expoentes das diversas tecnologias de

revestimento superficial. Este procedimento faz parte da classe de revestimentos

atomísticos, no qual os átomos de um material alvo sólido com potencial elétrico

negativo são bombardeados por íons energéticos que viajam através da câmara de vácuo

formando o filme fino na amostra. Visto que na indústria metal mecânica os filmes finos

mais utilizados são os nitretos e óxidos de metais de transição, um dos filmes de maior

proeminência é o nitreto de titânio (TiN). Este revestimento apresenta alta dureza,

satisfatória resistência ao desgaste e a corrosão e devido a sua coloração dourada,

também é empregado em aplicações decorativas. (MORÉS, 2007).

Além do PVD o sputtering é definido como um processo de desarranjo e ejeção

de átomos da superfície de um sólido devido a troca de momentum associado com o

possua uma energia maior ou igual à energia de ligação do átomo na superfície (energia

de sublimação) bombardeamento da superfície por partículas energéticas. Para haver

sputtering na superfície de um material, é necessário que a espécie incidente. A sua

função é realizar uma limpeza superficial da peça com um gás inerte, normalmente

utilizando o argônio ou hidrogênio ou ainda a mistura dos dois, com maior quantidade

de argônio, com a função de eliminar qualquer tipo de sujidade superficial (ALVEZ,

2001).

Geralmente a remoção de átomos de uma superfície por sputtering não ocorre

uniformemente sob a área bombardeada. Assim, durante o sputtering, a superfície

11

desenvolverá uma topografia que é totalmente diferente daquela do estado original.

Numa superfície lisa monocristalina, pequenos traços de impurezas ou defeitos da

superfície podem causar diferenças locais na taxa de erosão. Para uma superfície

policristalina, as diferentes taxas de sputtering devidas aos componentes e orientações

cristalográficas dos grãos fazem com que a topografia original da superfície também

seja modificada (BEHRISCH, 1983).

2.4 Nitretação a plasma

Na metalurgia, a nitretação é um tratamento termoquímico, ou seja,

endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição

química. Essa alteração da composição química do aço pode ser feita através da

aplicação de calor e a profundidade dessa alteração depende da temperatura de

aquecimento e do tempo que o aço permanece nessa temperatura. A grande importância

dos tratamentos termoquímicos é que produzem um material mais duro e resistente ao

desgaste na superfície e a ductilidade e a tenacidade do núcleo permanecem. Materiais

com essas características são capazes de suportar altas tensões (CHIAVERINI, 2003).

Nitretação a plasma é a técnica utilizada para a modificação da superfície por

meio de plasma de metais mediante a difusão de átomos de nitrogênio que combina com

os elementos presentes no metal formando nitretos e/ou solução sólida de nitrogênio,

proporcionando modificações superficiais que tendem a: a) incrementar a dureza

superficial; b) reduzir o coeficiente de atrito; c) incrementar a resistência à fadiga em

alto ciclo; d) melhorar a resistência ao desgaste; f) aumentar à resistência a corrosão

(PYE, 2003).

12

As vantagens da nitretação a plasma são: temperaturas relativamente baixas,

sendo possível tratar peças no plasma a partir de 375ºC; tempo reduzido de tratamento,

pois a alta concentração de nitrogênio na superfície é o principal fator para acelerar a

difusão; melhor controle das camadas produzidas e não gera resíduo. (KNERR, 1991;

EDENHOFER, 1974; SKONIESKI, 2008).

Um dos grandes atrativos do processo de Nitretação é que não é necessário o

resfriamento rápido, portanto as alterações dimensionais são mantidas a um mínimo.

Porém as alterações ainda existem, estas mudanças causam um tensionamento do

substrato, resultando em tensões de tração que são balanceadas por tensões

compressivas na camada nitretada. Os aumentos e as distorções nos componentes

nitretados são governados amplamente pela composição, temperatura de revenido,

tempo e temperatura de nitretação, espessura relativa de camada e substrato. A

nitretação por plasma é a que causa a menor deformação, pois seu resfriamento é lento,

sendo resfriado dentro do reator, até ficar a temperatura ambiente. (FÜLLGRAF,

2011).

De modo geral a mistura gasosa usada na nitretação a plasma é constituída de

N2 e H2 em diferentes concentrações. A presença de H2 no plasma, além de atuar na

redução de impurezas na superfície da amostra, influencia na formação da camada

nitretada. Grandes concentrações de H2 na mistura nitretante produzem camadas de

difusão com espessuras superiores às camadas produzidas apenas com N2 puro. Assim,

pela escolha adequada da mistura gasosa, é possível determinar qual a fase de nitreto

que constituirá a camada nitretada. ( BALLES, 2004; ALVEZ, 2001).

13

O processo de Nitretação de superfícies se aplica, entre outras, à indústria

mecânica, automotiva, hidráulica, de deformação de metais, forjaria; siderúrgica,

biomédica e alimentação. O processo é utilizado no tratamento de moldes de injeção de

plásticos, de peças automotivas (válvulas, engrenagens, pistões, etc.), moldes de

extrusão de alumínio, ferramentas de corte e usinagem de metais, punções de matrizes

para corte em geral, tratamento de próteses, etc. (FÜLLGRAF, 2011).

2.5 Camadas formadas

A superfície nitretada é composta por duas regiões: a camada de compostos

(camada branca), e a zona de difusão, conforme ilustrado na Figura 3.

Figura 3 – Efeito da composição do gás na camada nitretada a plasma.

Fonte: Silva, 2010.

A primeira região formada é a camada de compostos, também conhecida como

camada branca devido à coloração característica quando observadas em ensaios

metalográficos a qual é extremamente dura e frágil. A camada de compostos é assim

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chamada por, na maioria das vezes, ser formada pelas fases (mais na superfície) e ’

(logo abaixo) (PYE, 2003).

Os nitretos formados na camada de compostos são: fase Épsilon () – Fe2-3N

constituída por nitreto com teor de nitrogênio superior a 8,0% em peso e de

configuração atômica hexagonal compacta (HC), frágil; e a fase Gama Linha (’) –

Fe4N constituída por nitreto com teor de nitrogênio entre 5,9 e 6,5% em peso e de

configuração atômica corpo de face centrada (CFC), dúctil. (VENDRAMIM, 2008).

Já a zona de difusão refere-se à camada abaixo da camada branca sendo

constituída de nitretos tipo gama linha (agulhas) e nitrogênio dissolvido na matriz. Essa

camada responde principalmente pela melhoria das propriedades de fadiga e sua

profundidade pode alcançar até 1 mm. Possui dureza elevada que decai à medida que se

afasta da superfície, em direção ao interior do metal, a com a redução da concentração

do nitrogênio. A profundidade depende do gradiente de concentração de nitrogênio, do

tempo de tratamento a uma dada temperatura, e da composição química da peça. Em

regiões mais próximas à superfície a concentração de nitrogênio é maior havendo a

formação de precipitados coerentes muito finos. Estes precipitados, nitretos de ferro e

outros metais, podem existir nos contornos e dentro dos grãos, distorcendo o reticulado

e aumentando sensivelmente a dureza da peça. Em determinadas ligas não se consegue

observar a zona de difusão, isto ocorre quando os precipitados formados são muito

pequenos. (FÜLLGRAF, 2011; VENDRAMIM, 2008; BALLES, 2004)

2.6 Adição de argônio ao tratamento

15

Além de nitrogênio e hidrogênio, a realização de tratamento de nitretação a

plasma pode ser realizada adicionando argônio ao processo. A adição de argônio ao

tratamento se deve ao fato que o mesmo é aproximadamente 65% mais pesado em

relação ao nitrogênio. Por essa razão acredita-se que os átomos de argônio, por serem

maiores que os de nitrogênio, criem uma maior quantidade de defeitos cristalinos cuja

presença facilita a difusão do nitrogênio no interstício, aumentando a camada de ƔN que

é a austenita expandida no caso do aço inox austenítico. No material P20 pode-se

aumentar a formação de nitreto de ferro, ferrita expandida, martensita expandida ao

utilizar este gás na mistura gasosa durante a realização do tratamento de nitretação

iônica a plasma. (VITOI E FRANCO, 2012)

Embora o argônio não seja tão eficiente na remoção de óxidos, apresenta uma

ação física mais forte e junto com o nitrogênio, torna a mistura bastante eficaz na

remoção de óxidos. (FÜLLGRAF, 2011).

Diversas misturas gasosas são utilizadas com diferentes proporções de gases. As

mais comuns são misturas gasosas de nitrogênio puro, nitrogênio e argônio, nitrogênio e

hidrogênio ou uma combinação dos três juntos. Adições de hidrogênio e de argônio

podem ser benéficas dependendo do tipo de fonte utilizada e do material a ser nitretado.

O hidrogênio é citado como sendo um gás fornecedor de elétrons que ajudaria a ionizar

o nitrogênio e que também pode causar uma descarbonetação facilitando a entrada de

nitrogênio na amostra. A adição de argônio na mistura gasosa seria para arrancar óxidos

da superfície da peça e facilitar assim a nitretação. Para nitretar alumínio e aços

inoxidáveis é comum utilizarem-se misturas de argônio e hidrogênio justamente para

quebrar e evitar reformação da camada de óxidos superficial. É necessário, no entanto,

16

verificar para cada aplicação específica qual a combinação de gases mais efetiva.

(WALCOWICZ, 2003; HIROHATA, 2001)

Em um dos estudos da adição de argônio ao tratamento de nitretação a plasma

foram realizados com a adição de 1% (4 sccm), 5% (20 sccm) e 10% (40 sccm) de

argônio à mistura gasosa, pressão de 4 Torr, por 6 horas e na temperatura de 420°C. As

amostras foram analisadas antes e depois da nitretação por microscopia óptica, difração

de raio X e teste de desgaste microabrasivo e verificou-se que adições de 5% de argônio

provocam um crescimento de 100% na espessura da camada de austenita expandida

(ƔN), porém a resistência ao desgaste do material se mantém igual a do material

nitretado sem argônio. A adição de apenas 1% de argônio favoreceu a formação de

nitreto de cromo, provocando uma diminuição da resistência ao desgaste do material.

(VITOI E FRANCO, 2012)

Em um outro estudo, s melhores resultados em termos de resistência ao

desgaste microabrasivo foram obtidos para tempos de tratamento mais curtos (1,3,6

horas) sendo que a introdução de 2% de argônio acarretou um aumento de

aproximadamente 200 HV na dureza superficial do material. Este incremento nas

propriedades tribológicas da superfície é atribuído à melhor combinação dos gases no

processo onde o nitrogênio difundido na matriz martensítica e os carbonetos não

dissolvidos nos tratamentos térmicos propiciaram um aumento significativo da dureza

superficial e, consequentemente, um aumento na resistência ao desgaste. (CONCI E

FRANCO, 2012).

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3. Objetivo

No presente estudo o objetivo foi analisar o efeito da adição do argônio na

camada formada por tratamento termoquímico de nitretação iônica a plasma no material

de aço AISI P20.

4. Materiais e Métodos

A seguir serão descritos sobre a caracterização do substrato, reator, preparação

das amostras antes do tratamento, parâmetros de tratamento e ensaios realizados.

4.1 Caracterização do substrato

O material utilizado nesse estudo é o aço AISI P20. Fornecido no estado

beneficiado com dureza entre 28 – 34 HRC (aproximadamente 314 HV), possui

excelente propriedade mecânica. Este aço é principalmente utilizado para confecções de

moldes para injeção de plásticos dos mais variados tipos, mas de baixa ou média

abrasividade, moldes para formação por sopro e em certas circunstâncias pode ser

utilizado em fundição de ligas não-ferrosas. Nunca são utilizados em moldes para

plásticos clorados (ASM, 2005). A análise química do material em estudo foi realizada

no espectrômetro de emissão óptica Ametek Spectro Maxx modelo LMF05 alocado no

laboratório de análise química da Fatec-So. Sua composição química está apresentada

na Tabela 1.

18

Tabela 1 – Composição química nominal, % em peso, do aço AISI P20 (a) ASM, 2005 (b)

obtido.

MATERIAL

C Si Mn Cr Mo Ni

(a) AISI P20

nominal (ASM) 0,35-0,45 0,20-0,40 1,30-1,60 1,80-2,10 0,15-0,25 0,90-1,20

(b) AISI P20

Obtido 0,307 0,321 1,62 1,86 0,194 0,758

Cada processamento modifica a estrutura do material, alterando suas

propriedades, que por sua vez delimitam o seu desempenho, que pode ocorrer na

composição química do material, variando as porcentagens exigidas, tanto acima como

abaixo do especificado, podendo notar no valor do carbono, manganês e níquel, uma

pequena escala de variação no material no presente estudo.

A Figura 4 apresenta o material de estrutura martensítica revenida utilizada no

presente estudo. A dureza obtida do substrato é de 250 ± 24 HV.

Figura 4: Micrografia do aço ferramenta AISI P20 no estado beneficiado.

Ataque químico: Nital 3%. Aumento: 200x. Fonte: Elaborado pela autora.

19

Partindo de uma barra temperada e revenida, os corpos de provas foram

preparados para tratamento termoquímico nas dimensões apresentadas na Figura 5.

Figura 5: Dimensões dos corpos de prova em milímetros (mm).

Fonte: Elaborada pela autora.

A sequência realizada durante todo o processo em estudo é apresentada na

Figura 6, destacando-se o principal objetivo os retângulos em cor laranja, de modo que

são: regular os parâmetros de tratamento, tratamento de nitretação a plasma e a análise

metalográfica . Após o tratamento, o corte da amostra foi realizado no sentido

transversal, para poder analisar a profundidade e dureza da camada produzida.

Figura 6: Sequência para o tratamento de nitretação a plasma.

LIXAR E POLIR AS AMOSTRAS

ANTES DO TRATAMENTO

REGULAR OS PARÂMETROS

DE TRATAMENTO

REALIZAR A LIMPEZA DO BANHO DE

ULTRASSOM

REALIZAR OS SPUTTERING

TRATAMENTO DE NITRETAÇÃO

A PLASMA

ANÁLISE METALOGRÁFIC

A

MICRODUREZA DA CAMADA

ANÁLISE DOS RESULTADOS

20

4.2.Reator

Para a realização do tratamento referido, foi utilizado o equipamento de

nitretação iônica a plasma no Laboratório de Tecnologia em Engenharia de Superfície

(LabTES) da FATEC Sorocaba, desenvolvido pelo aluno de mestrado Daniel Cruz em

conjunto com os docentes responsáveis. Na Figura 7 são apresentados os componentes

do sistema de tratamento e o reator utilizado para a realização de nitretação iônica a

plasma.

Figura 7 – Sistema de Tratamento a Plasma.

Fonte: Elaborada pela autora.

Conforme a Figura 7, os principais constituintes para a formação do sistema

são:

(1) Câmara de aço inox AISI 316L com dimensões de 450 mm de diâmetro

interno, altura de 500 mm e espessura de ¼”, prato onde será colocado o material a ser

nitretado com diâmetro de 180 mm e espessura de 12 mm que age como o catodo.

Ambos são também de aço inox AISI 316L.

1

2 3

4

5b 5a

21

(2) Fonte DC pulsada de alta tensão;

(3) Válvula e fluxômetro que permitem a entrada dos gases;

(4) Bomba de vácuo;

(5) Medidor de pressão (a) e de temperatura (b).

4.3. Preparação das amostras antes do tratamento

Antes de realizar efetivamente o tratamento, as amostras foram preparadas no

laboratório de metalografia da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba (FATEC-SO). A

superfície da peça deve primeiramente passar pelo lixamento nas quatro lixas

220,320,400 e 600, seguindo com o polimento com massa de polir (Pérola). Após esses

preparos, é feito uma limpeza utilizando detergente em banho ultrassônico para retirada

de gordura da superfície da peça. Após, as amostras são limpas em água corrente e

colocam-se as peças em um béquer cobrindo-as com água álcool isopropílico, deixando

por cinco minutos. As peças então são secas com secador elétrico e colocadas no reator

para realização do tratamento.

4.4. Etapas para o tratamento de nitretação

As etapas para o tratamentos são mostradas nos próximos itens. Primeiramente

é o sputtering e posteriormente a nitretação.

22

4.4.1. Sputtering

As peças após limpeza são colocadas no prato (que age como catodo) do reator,

fecha-o e aciona a bomba até atingir a pressão de 9 ou 8x10-2 torr . Depois é realizado o

tratamento de sputtering (com argônio + hidrogênio), durante uma hora, que tem a

função de remover possíveis impurezas retidas no material, assim como óxidos na

superfície, deixando o caminho livre para a difusão de nitrogênio no metal. Os dados do

sputtering estão apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Dados do sputtering.

Composição de gases (%) Pressão

(Torr)

Potência

(W)

Temperatura

(ºC)

A 100% Ar 2 200 - 580 374 - 426

B 80% Ar e 20 H2 2,22 470 - 850 390 - 512

C 80% Ar e 20% H2 2,15 390 - 490 310 - 387

4.4.2Nitretação

Após realizar o sputtering, introduzem-se os gases de tratamento de nitretação e

regula os parâmetros desejados. Foram realizados três tratamentos, considerando que

todos foram duas horas de nitretação a uma temperatura de 520ºC. Na Tabela 3 mostra

as condições utilizadas nos presentes tratamentos, conforme a potência, pressão de

trabalho (torr), porcentagem de gases, fluxos de N2/H2 e Ar.

23

Tabela 3 – Condições gerais de tratamento

Potência (W) Pressão de

trabalho

(Torr)

Porcentagem de

gases

Fluxo de N2

(sccm)

Fluxo de

H2

(sccm)

Fluxo de

Argônio

(sccm)

A 840 7,11 80% N2 -20% H2 700 175 0

B 670 4,28 60% N2 -15% H2–

25% Ar

700 175 300

C 800 6,20 32% N2 -32% H2 –

36% Ar

260 260 300

Após os tratamentos, as amostras foram resfriadas dentro do reator em vácuo.

4.5.Ensaios

As amostras tratadas foram caracterizadas por metalografia e dureza. Os

métodos estão descritos a seguir.

4.5.1. Metalografia

Ensaios de metalografia das amostras tratadas foram feitos no laboratório de

metalografia da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba (FATEC-SO).

Foram cortadas as amostras no sentido transversal no equipamento cut-off

ArotecArocor 40 e embutida em baquelite pelo equipamento de embutidora

metalográfica EM40D TECLAGO, conforme a ilustra a Figura 8.

24

Figura 8 – (a) cut-off ArotecArocor 40; (b) embutidora EM40D TECLAGO

Fonte: Elaborada pela autora.

Após embutir a amostra, foi feito lixamento manual das peças nas cinco lixas:

220, 320, 400, 600 e 1200, polimento com pasta de diamante com granulometria de

3 µm utilizando lubrificante e então o ataque químico com o reagente Nital 3% (3%

ácido nítrico e 97% álcool etílico) a qual revela as possíveis camadas formadas através

do contraste. As análises foram feitas no microscópio LEICA MC170 HD com câmera

de captura de imagens e software analisador de imagens, conforme mostrada na Figura

9.

25

Figura 9 – Equipamento de microscopia LEICA MC170 HD.

Fonte: Elaborado pela autora.

4.5.2. Perfil de durezas

O perfil de durezas foi realizado na Faculdade de Tecnologia de Sorocaba

(FATEC-SO) no laboratório de microscopia, no microdurômetro Mitutoyo Hardness

Testing Machine HM-100, de acordo com a Figura 10.

Figura 10 – Microdurômetro

Fonte: Elaborado pela autora.

26

O perfil de durezas foi realizado nas amostras preparadas para análise

metalográfica, fazendo as endentações andando em profundidade na peça, conforme

mostra a Figura 11. A carga utilizada foi de 0,01 Kg.

Figura 11: Representação do tipo de corte transversal e perfil de dureza.

Fonte: Elaborado pela autora.

5. Resultados

Na Figura 12 é apresentada a micrografia das amostras de todos tratamentos

em estudo. Sendo (a) 80%N2 e 20%H2 sem argônio, obtendo a espessura de camada

branca homogênea em toda a extensão da superfície, com espessura de 8,957 µm.

Figura 12 – Micrografia das amostras tratadas (a) 80%N2 + 20%H2; (b) 60%N2+ 15%H2 + 25%

de argônio; (c) 32%N2 + 32%H2 + 36% de argônio

27

Ataque: Nital 3%. Aumento: 500x

Já na amostra representada pela letra (b) tem adição de argônio no tratamento.

As proporções de gases foram: 60%N2+ 15%H2 + 25% de argônio. A espessura de

camada branca foi de 7,233 µm. De acordo com Füllgraf (2011) o argônio apresenta

uma ação física mais forte e junto com o nitrogênio, torna a mistura bastante eficaz na

remoção de óxidos.

Vitoi e Franco (2012) dizem que atmosferas contendo 1% e 5% de argônio

levam a um aumento significativo da espessura da camada, desde que a porcentagem de

nitrogênio seja elevada.

28

Esta afirmação é observada para tratamentos com alto teor de nitrogênio, como

de exemplo o de 75% como utilizado por Vitoi (2012).

A amostra (c), as porcentagens das proporções de gases foram: 32%N2 +

32%H2 + 36% de argônio. Observa-se que a camada de compostos (branca) foi

aproximadamente 2,7 vezes maior que o da anterior (b), com espessura de 19,359 µm.

Nota-se que a porcentagem de nitrogênio é menor, e do argônio foi maior, não

aplicando então aqui o que foi citado por Vitoi.

Para verificar se a camada formada foi homogênea, foi analisada toda a

extensão da peça. Na Figura 13 é apresentada a lateral da amostra A, podendo então

verificar a obtenção da camada de compostos (branca) uniforme em toda a superfície

tratada, inclusive nas laterais da amostra.

Figura 13: Micrografia da amostra A.

Ataque: Nital 3%. Aumento: 200x

29

Conforme observado, na Figura 14 através das durezas medidas, é possível

verificar a espessura da camada nitretada através do micrômetro alocado no medidor de

dureza. A camada branca é medida pelo microscópio, porém a zona de difusão é medida

apenas fazendo o perfil de durezas. Logo, é possível identificar a espessura da camada.

A camada total produzida na amostra (A) sem a presença de argônio foi de 240

µm. Já na amostra (B) obteve 200 µm e (C) com 320 µm, ambos com adição de

argônio.

Figura 14 – Microdurezas obtidas.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

200

300

400

500

600

700

800

Dure

za (

HV

)

Distância em profundidade (mm)

% (80% N - 20% H s/ argônio (A))

60% N2 - 15% H2 - 25% argônio (B)

32% N2 - 32% H2 - 36% argônio (C)

30

A Tabela 4, como complemento mostra com mais clareza as durezas obtidas

nas camadas formadas, podendo analisar que a amostra C, a espessura foi maior tanto na

camada branca como na zona de difusão.

Tabela 4: Microdurezas das respectivas regiões.

AMOSTRA

A

AMOSTRA

B

AMOSTRA

C

713 660 727

686 524 624

401 515 453

368 413 446

363 321 407

395 378 363

384 301 373

373 305 413

325 350 384

313 343 313

339 293 301

297 297 343

266 293 334

305 290 313

257 234 339

260 234 313

290 - 283

- - 263

- - 257

A cor cinza (mais forte) representa aproximadamente a região da camada

branca de cada amostra. Logo abaixo dela, a dureza caindo, é representada pela cor

cinza mais claro, que é a zona de difusão. E a cor branca, é a dureza do substrato. Nota-

se que tanto a camada branca quanto a zona de difusão na amostra (c) caiu mais

lentamente a dureza em relação às amostras anteriores.

LEGENDA:

Camada branca

Zona de difusão

Substrato

31

Observa-se, na Figura 14, que a dureza máxima da amostra C é semelhante à

da amostra A. Porém, a dureza da amostra C se mantém mais elevada a maiores

profundidades de camada produzida. A amostra B apresentou a menor dureza de

camada.

De acordo com Füllgraf (2011), o sputtering, que antecede o tratamento de

nitretação a função do argônio é fazer a limpeza da superfície da peça, removendo os

óxidos presentes na mesma. No tratamento, presente com o meio nitretante (nitrogênio

+ hidrogênio) a função do argônio é arrancar átomos de ferro do substrato, fazendo com

que o ferro se ligue com o nitrogênio, e então ocorrer a difusão de nitrogênio para o

interior da peça. A limpeza ocorre pelo bombardeamento de íons, responsáveis pela

remoção de átomos da superfície das peças por transferência elástica de energia

cinética.

Para ter como base, a massa atômica do nitrogênio é de aproximadamente 14u.

Já o argônio, sua massa atômica é de 40 u, e isso explica o beneficio de se adicionar no

tratamento, melhorando a difusibilidade do nitrogênio para o interior da peça além de

dar estabilidade ao plasma.

Para descobrir o tamanho da zona de difusão foi preciso obter a espessura total

das camadas formadas, de acordo com a Figura 14, subtraindo da camada branca que foi

medida no microscópio segundo as micrografias realizadas. Na Tabela 5 são

apresentados, então, os valores da espessura da camada branca, espessura da camada

nitretada e espessura da zona de difusão.

32

Tabela 5: Dimensões das camadas formadas.

AMOSTRA CAMADA TOTAL

(µm)

CAMADA BRANCA

(µm)

ZONA DE

DIFUSÃO (µm)

A 240 8,957 231,043

B 200 7,233 192,767

C 320 19,359 300,641

Nota-se que a maior espessura de camada branca e zona de difusão foi obtida

na amostra C, de modo que Füllgraf (2011) diz que a profundidade da camada branca

diminui a ductilidade da camada nitretada. Porém, para cada aplicação essa camada é

exigida conforme as especificações, podendo então garantir resistência ao desgaste e à

corrosão.

6) Conclusões

Para todo setor produtivo existe a aplicação para determinado segmento. Logo,

no presente estudo o objetivo é determinar a camada produzida com adição de argônio

no tratamento em um aço ferramenta AISI P20 utilizado para moldes metálicos para

injeção de material plástico, onde a camada desejada é aquela que resista o calor, à

corrosão e ao desgaste, que é a camada branca, tendo uma ferramenta com vida útil

prolongada.

33

Se o material nitretado no trabalho irá sofrer desgaste sem impacto, a camada

branca é desejável, pois ela é dura e frágil. Já se o material for sofrer impacto durante o

trabalho, a camada de difusão, sem a presença de camada branca, é a desejável, pois a

mesma é dúctil, o nitrogênio está dissolvido na matriz do material.

O estudo do argônio mostrou que quando o teor de nitrogênio for menor (na

faixa de 32%) e o teor de argônio relativamente alto (na média de 36%, ou seja, acima

do teor de nitrogênio), a camada total formada ficou espessa, com 320 µm.

Para o tratamento que o a quantidade de nitrogênio foi alta (60%), e argônio

menor (25%), a espessura da camada ficou menor, com 200 µm.

Logo, a finalidade do argônio é ajudar na difusão do nitrogênio para o interior

da peça além de estabilizar o plasma, pois dependendo da composição do meio

nitretante não é possível realizá-lo.

34

7) Referências

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