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CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28201
Carbonitretação Por Plasma do Aço Ferramenta AISI H13
R. M. M. Riofano, L. C. Casteletti, E. D. FranciscoUniversidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia de Materiais,
Aeronáutica e Automobilística, C.P. 440, 13566-590 São Carlos – SP, Brazil✻e-mail: [email protected]
No presente trabalho, o aço AISI H-13 foi carbonitretado por plasma variando-se as
temperaturas de tratamento e freqüência do pulso visando-se a obtenção da camada mais
adequada. Utilizou-se a mistura gasosa 2%CH4-78%H2-20%N2. As camadas foram
caracterizadas por meio de ensaios metalográficos e medidas de dureza. A resistência ao
desgaste foi avaliada por meio de ensaio abrasivo do tipo “pino-sobre-disco”. Todos os
tratamentos produziram camadas com elevada dureza (1394 a 1728HV). Todas as amostras
carbonitretadas apresentaram um grande aumento em suas resistências ao desgaste abrasivo,
quando comparadas com as amostras não nitretadas.
Palavras-chave: Carbonitretação por plasma, Aço AISI H-13, Desgaste abrasivo
Plasma Carbonitriding AISI H13 Tool Steel
In the present work, ion carbonitriding of AISI H13 steel was conducted in differents
treatments temperatures and pulse frequencies in attempt to obtaining the most appropriate
layer. The nitriding atmosphere consisted of a mixture of 2%CH4-78%H2-20%N2. The layers
were characterized by means of pin-on-disk abrasive test, hardness measurements and
metallography. All the treatments produced layers with high hardness (1394-1728HV) and all
the carbonitrided samples presented a great increase in its abrasive wear resistance, when
compared with the non nitrided alloys.
Keywords: Plasma carbonitriding, AISI H-13 steel, Abrasive wear.
Introdução
O aço AISI H13 apresenta, devido às suas características especiais, uma grande
versatilidade de aplicação, sendo usado na fabricação de matrizes e punções de forjamento,
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matrizes de recalque a quente, insertos para forjamento, moldes e componentes para máquinas
de fundição sob pressão de ligas de zinco e alumínio, matrizes de extrusão de alumínio, latão
e magnésio, mandris e outros componentes de extrusoras, moldes para plásticos e facas para
trabalho a quente.
Devido ao endurecimento secundário no revenimento, esse aço pode ser utilizado até
aproximadamente 500oC. É temperável ao ar, o que resulta em menores tensões residuais após
a têmpera.
A fadiga térmica nos equipamentos industriais que utilizam ferramentas de trabalho a
quente constituí-se num problema de importância fundamental. É o mecanismo principal que
limita a vida das matrizes de injeção sob pressão e o segundo mecanismo limitante da vida
das matrizes de forjamento, sendo o primeiro o desgaste. As trincas de fadiga térmica podem
aparecer no inicio da vida de operação da ferramenta, e serão regiões preferenciais para o
desgaste erosivo provocado pelo fluxo do metal. A rede de trincas que aparece na superfície
da cavidade das matrizes é conhecida como “heat checking”. O crescimento contínuo dessas
trincas pode levar a acabamentos inaceitáveis dos produtos ou ocasionar a falha catastrófica
da matriz.
O aço H13 apresenta boa resistência à fadiga térmica em ferramentas para trabalho a
quente, confeccionadas com o mesmo, e que podem ser resfriadas com água ou outros fluidos,
entre as operações constituindo-se no aço mais utilizado de sua classe1-3
(As matrizes são submetidas a condições severas de serviço. A fundição sobre pressão
é um processo de alta produção, que resulta em peças geometricamente complexas de metais
não ferrosos, com excelente acabamento superficial e baixa taxa de sucateamento. Taxas de
produção de 200 peças por hora ou jornadas de produção de até 300.000 peças são possíveis.
Estas condições de severas cargas mecânicas e térmicas limitam os tipos de materiais que
podem ser usados em suas fabricações, sendo o aço AISI H13 o mais comumente utilizado3).
Alguns mecanismos de desgastes presentes, como a erosão, choques térmicos, e
corrosão podem levar a falhas prematuras das matrizes. Endurecimentos superficiais por meio
de nitretação ou carbonitretação podem ampliar a vida útil dessas matrizes.4-7
Como o tratamento de carbonitretação pode ser realizado em temperaturas próximas as
do revenido, no caso de aço AISI H13, existe a possibilidade de se utilizar o segundo revenido
concomitantemente com a carbonitretação, evitando-se o uso do duplo revenido.
O objetivo deste trabalho foi o de avaliar a influência da temperatura de tratamento e
freqüência do pulso sob as características das camadas carbonitretadas em um aço AISI H13.
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Analisou-se as características da camada carbonitretada através de ensaios de desgaste do tipo
“pino-sobre-disco”, medidas de perfil de dureza e metalografia ótica.
Materiais e Métodos
Foram carbonitretadas por plasma amostras cilíndricas com 10mm de diâmetro e
10mm de altura de aço AISI H13 cuja composição química esta dada na tabela 1. Antes dos
tratamentos de carbonitretação por plasma, as amostras foram aquecidas a 1050ºC/tempo,
temperadas e revenidas a 540oC para desenvolver uma microestrutura de martensita revenida
com uma dureza de aproximadamente 730HV.
Tabela 1- Composição química do material testado (% em peso)
Cr Mo V C Mn Si5,30 1,22 0,85 0,38 0,33 0,99
As carbonitretações foram realizadas em um reator cilíndrico de aço inoxidável de
300mm de diâmetro interno e 300mm de altura. A fonte possui tensão máxima de saída de
800V e corrente contínua com uma potência de 2kVA. Além da tensão contínua, pode-se
obter uma tensão pulsada (onda quadrada) com freqüência variável de 1 a 10kHz.
As amostras foram colocadas na descarga catódica e polarizada negativamente. A
temperatura das amostras foi medida através de um termopar cromel-alumel.
Previamente à carbonitretação as amostras foram lixadas e polidas mecanicamente e
submetidas a um processo de limpeza com éter de petróleo em ultra-som durante 12 minutos.
Após da introdução das mesmas no reator foi feito vácuo (~5.32Pa). As amostras então foram
carbonitretadas. As tabelas 2a e 2b apresentam as condições de tratamento.
Após o tratamento, cortou-se as amostras transversalmente à superfície carbonitretada
e realizou-se caracterizações na superfície carbonitretada e ao longo da profundidade. As
amostras foram lixadas nas lixas de granulometria 80, 150, 220, 320, 400, 600 e 1200. O
polimento foi feito com alumina de 0,05µm. Para a revelação das microestruturas, utilizou-se
o reagente Nital 5%.
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Tabela 2a- Condições de tratamento – corrente contínua
Corrente contínuaTemperatura 550 e 600oC
Tempo 5 horasVoltagem 591 e 593
Composição do gás 20%N2 + 78%H2+2%CH4
Tabela 2b- Condições de tratamento – corrente pulsadaCorrente pulsada
Temperatura 550 oCTempo 5 horas
Freqüência 2 e 9 kHzVoltagem 639 e 623
Composição do gás 20%N2 + 78%H2+2%CH4
Todos os ensaios de dureza foram realizados sobre a superfície e ao longo do perfil da
camada. Para este ensaio utilizou-se um microdurômetro do tipo Micromet 2105 digital,
empregando uma carga de 50gf para todos os ensaios.
Utilizou-se o desgaste abrasivo do tipo “pino-sobre-disco”. Os ensaios foram
realizados em um ambiente seco, usando uma carga de 320g e com velocidade de rotação de
45rpm. A cada 200 giros sobre o abrasivo, que era constituído de lixa de granulometria 500,
retirava-se e limpava-se a amostra, para em seguida pesá-la em uma balança de precisão de
0,1mg. Realizou-se este procedimento até um total de 2000 giros. Os resultados foram
colocados em um gráfico onde tem-se a perda de massa versus o número de giros. A perda de
massa foi dado pela expressão (Mi – Mf), na qual Mi é a massa inicial e Mf é a massa a cada
200 giros.
Resultados e Discussão
Na figura 1 está apresentada a fotomicrografia do aço em estado temperado. Sua
microestrutura é totalmente martensítica.
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Fig. 1. Microestrutura martensítica do aço temperado
As figuras 2 a 5 correspondem às fotomicrografias do aço carbonitretado em várias
condições. Em todas elas verifica-se as espessas camadas de difusão formadas no tratamento.
Fig. 2. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 600oC durante 5 horas em
corrente contínua.
Fig. 4. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 550oC durante 5 horas com
freqüência de 2kHz.
Fig. 3. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 550oC durante 5 horas em
corrente contínua.
Fig. 5. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 550oC durante 5 horas com
freqüência de 9kHz.
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Na figura 6 são apresentadas os perfis de dureza do aço carbonitretado em várias
condições. Todas as camadas apresentaram níveis de dureza elevados, na faixa de 1394 a
1728HV.
Na figura 7 são mostradas as curvas referentes às perdas de massa no ensaio abrasivo.
Verifica-se a grande efetividade do tratamento de carbonitretação quanto a essa característica,
quando comparada com a amostra sem esse tratamento.
0 50 100 150 200 250 300 350
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
600/5h/cc 550/5h/cc 550/5h/2kHz 550/5h/9kHz
DU
REZ
A (H
V)
PROFUNDIDADE (µm)
Fig. 6. Relação de dureza vs. Profundidade, das amostras carbonitretadas por plasma nas diferentescondições.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
0,004
0,008
0,012
0,016
0,020
0,024
0,028
0,032
0,036
0,040
600oC/5h/cc 550oC/5h/cc 550oC/5h/2kHz 550oC/5h/0kHz Não Carbonitretado
PER
DA
DE
MAS
SA (g
)
NÚMERO DE GIROS
Fig. 7. Perda de massa em função do número de giros das amostras carbonitretadas por plasma.
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Conclusões
O tratamento de carbonitretação foi efetivo produzindo-se espessas camadas de
difusão com elevadas durezas, em todas as condições de tratamento e que apresentaram
acentuada melhora em suas resistências ao desgaste abrasivo, quando comparadas com
amostras não submetidas àquele tratamento.
Agradecimentos
- A CAPES pela concessão da bolsa de estudo do Doutorado.
- Ao FAPESP, pelo financiamento do proc. 1995/0677-0 – Equipamento de Nitretação por
Plasma.
Referências Bibliográficas
1- Branco, J. R. T. Et al., Alloy Partitioning and Grain Growth Control of H13 Steel. Heat
Treating and Surface Engineering – New Technology and Practical Aplications
Conference Proceeding, ASM International, 1988, p. 195-199.
2- Bengtsson, K. et al., Hardening and Tempering H13 Die Casting Dies. Heat Treating,
november, 1992, p. 18-23.
3- Tool Material in Metals Handbook, v. 1., 8th edition, Properties and Selection of metals,
1961, ASM, p. 637-654 Tool Materials, p.639.
4- Venkatesan, K. et al. Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Process
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5- Hikh, A. J. Heat Treatment: A review of current and future process developments. The
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Conference Proceedings, ASM International, Ohio, USA, 18-20 Sept, 1989, p. 165-168.
7- Lidster, P. C. Et al., Ion Nitriding of Cold Forging Die Alloys. Ion Nitriding and Ion
Carburizing – Conference Proceedings, ASM International, Ohio, USA. 18-20 Sept,
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