CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
COMPARAÇÃO DOS AÇOS AISIP20, AISIP20N e AISIP20S EM
RESPOSTA AO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE NITRETAÇÃO.
CURITIBA
2006
ALEXANDRE TIEPPO
DAVID RAFAEL CORDEIRO MARINERO
COMPARAÇÃO DOS AÇOS AISIP20, AISIP20N e AISIP20S EM
RESPOSTA AO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE NITRETAÇÃO.
Projeto Final de Curso apresentado como
requisito para a conclusão do Curso de
Graduação em Engenharia Mecânica no
Centro Universitário Positivo.
Orientador: Prof. Sérgio Henke
CURITIBA
2006
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................... iv
LISTA DE TABELAS....................................................................................... v
GLOSSÁRIO ................................................................................................... vi
RESUMO .......................................................................................................viii
1 INTRODUÇÃO.............................................................................................. 1
1.1 OBJETIVOS ...........................................................................................................2
1.2 JUSTIFICATIVAS..................................................................................................2
1.3 METODOLOGIA A SER EMPREGADA...............................................................3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 4
2.1 AÇOS......................................................................................................................4
2.1.1 Conceito de Aço ...................................................................................................4
2.1.2 Classificação dos Aços .........................................................................................5
2.1.3 Aços para Moldes de Injeção Plástica ...................................................................6
2.1.4 Aços para Nitretação ............................................................................................7
2.2 TRATAMENTOS TÉRMICOS.............................................................................10
2.2.1 Tratamento Termoquímico de Nitretação............................................................14
2.2.2 Nitretação a Gás .................................................................................................15
2.2.3 Nitretação Líquida ou Banho de Sais ..................................................................16
2.2.4 Nitretação a Plasma ou Ionitretação ....................................................................17
2.3 MOLDES PARA INJEÇÃO PLÁSTICA ..............................................................18
2.3.1 Material Plástico.................................................................................................18
2.3.2 Projeto do Molde ................................................................................................19
2.3.3 Fabricação do Molde ..........................................................................................23
3 DESENVOLVIMENTO .............................................................................. 27
3.1 METODOLOGIA DE ENSAIO ............................................................................27
3.1.1 Equipamento de Ensaio ......................................................................................28
3.1.2 Corpos-de-Prova.................................................................................................30
3.1.3 Tratamento Termoquímico dos Corpos-de-Prova................................................31
3.1.4 Medições dos Corpos-de-Prova ..........................................................................31
4 RESUTLADO E DISCUSSÃO.................................................................... 32
5 CONCLUSÃO.............................................................................................. 35
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................... 36
iii
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - COMPONENTES MÓVEIS DO MOLDE ..............................................................2
FIGURA 2 - RELATÓRIO DE NÃO CONFORMIDADES (NITRETAÇÃO) ...........................3
FIGURA 3 - CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS AÇOS................................................................6
FIGURA 4 – (%) CARBONO X DIFUSÃO DO NITROGÊNIO ..............................................10
FIGURA 5 - CAMADA NITRETADA DE UM AÇO SAE 8620..............................................14
FIGURA 6 - FORNO PARA NITRETAÇÃO A GÁS ...............................................................15
FIGURA 7 - FORNO PARA NITRETAÇÃO LÍQUIDA...........................................................17
FIGURA 8 - FORNO PARA NITRETAÇÃO IÔNICA OU PLASMA .....................................17
FIGURA 9 - ESQUEMA BASICO PARA NITRETAÇÃO IÔNICA ........................................18
FIGURA 10 - PETRÓLEO E SEUS DERIVADOS ...................................................................19
FIGURA 11 - MODELO DE UM PÁRA-CHOQUE EM CAD .................................................20
FIGURA 12 - DEFINIÇÃO DA JUNTA DE FECHAMENTO DO MOLDE DE PÁRACHOQUE ................................................................................................................20
FIGURA 13 - MODELO FINAL DE UM MOLDE DE PÁRA-CHOQUE – LADO MOVEL
E FIXO....................................................................................................................21
FIGURA 14 - MOVIMENTO A EXTRAÇÃO...........................................................................22
FIGURA 15 - POSTIÇO BAYER DE UM MOLDE DE PÁRA-CHOQUE ..............................22
FIGURA 16 - BLOCO DE AÇO BRUTO DE UM MOLDE DA LATERAL DE PORTA E
BLOCO ESQUADREJADO...................................................................................23
FIGURA 17 - OPERAÇÃO DE DESBASTE EM UMA CAVIDADE DE MOLDE DE
PARACHOQUE .....................................................................................................24
FIGURA 18 - MÁQUINA DE ELETROEROSÃO ....................................................................25
FIGURA 19 - MODELO DE UM ELETRODO DE GRAFITE .................................................25
FIGURA 20 - POLIMENTO DE UM MOLDE DE PAINEL DE INSTRUMENTOS ..............26
FIGURA 21 - ESTRUTURA DE TESTES .................................................................................27
FIGURA 22 - PROCEDIMENTO PARA TESTE DE RESISTÊNCIA AO DESGASTE
SEGUNDO HORST CZICHOS .............................................................................28
FIGURA 24 – MODIFICAÇÃO PARA ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO DESGASTE .........29
FIGURA 25 - POLITRIZ STRUERS MODELO DP-10 ............................................................29
FIGURA 26 - CORPOS-DE-PROVA .........................................................................................30
FIGURA 27 – ANÁLISE METALOGRÁFICA DO AÇO AISIP20S NITRETADOERRO! INDICADOR NÃO DEFINI
iv
LISTA DE TABELAS
TABELA1 - TABELA DOS AÇOS PARA MOLDES A SEREM COMPARADOS..................7
TABELA 2 - EFEITOS DE ELEMENTOS DE LIGA EM RELAÇÃO À FORMAÇÃO DE
NITRETOS ...............................................................................................................8
TABELA 3 - CLASSIFICAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA.................................................30
TABELA 4 - RESULTADOS .....................................................................................................32
TABELA 5 - MEDIÇÕES DE DUREZA ...................................................................................33
v
GLOSSÁRIO
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
AISI: American Iron and Steel Institute
AISIP20: Aço ferramenta para moldes de injeção plástica
AISIP20N: Aço ferramenta para moldes de injeção plástica com adição de
níquel
AISIP20S: Aço ferramenta para moldes de injeção plástica com adição de
enxofre
ASTM: American Society for testing and Materials
Austenítica: Fase do aço cúbica de face centrada (CFC), com boa resistência
mecânica, apreciável tenacidade, amagnética, com solubilidade máxima de
carbono de 2%
CAD: Computer Aided Design
CAE: Computer Aided Engineering
CAM: Computer Aided Manufacturing
Cementita: Carboneto de Ferro (Fe3C). Fase muito dura e quebradiça, de
estrutura ortorrômbica
Design: Esforço criativo relacionado à configuração, concepção, elaboração
e definição de algo, como um objeto, uma imagem, entre outros, em geral
voltados a uma determinada função.
DIN 50 190 – 3: Norma utilizada para verificar a profundidade da camada
nitretada
DIN EN ISO 6507 – 1: Norma utilizada para medições de micro dureza
Vickers
Engripamento: tipo de desgaste que ocorre em função do atrito de duas
peças de mesmo material, podendo causar a união dos dois materiais
Ferrita: Fase do ferro com estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), com
boa ductilidade
Grana: especificação do tamanha de grão da lixa
vi
HRA: Hardness Rockell type A, medida de dureza
HRC: Hardness Rockwell type C, medida de dureza
Mandriladora: Máquina de usinagem que tem como característica principal a
execução de furações de grande comprimento.
Martensítica: Fase metaestável que corresponde a uma solução sólida
supersaturada de carbono em ferro. É uma fase extremamente dura
Monômero: Estrutura molecular constituída por apenas um mero.
Perlita: Microestrutura eutetóide da liga ferro-carbono constituída de ferrita
e cementita, com teor global de carbono de 0,8%
Placas de içamento: componente utilizado para suspensão ou transporte do
molde
Postiço-Bayer: Componente fixo de um molde de injeção plástica que tem
como principal finalidade direcionar o material plástico para dentro da
cavidade do molde e eliminar o canal de injeção no momento da extração da
peça plástica
Polímero: Macromolécula constituída por vários meros
Polibilidade: facilidade de realizar polimento em um material
Politriz: equipamento rotativo utilizado para lixar e polir materiais para
preparação de amostras metalográficas
SAE: Society of Automotive Engineering
ºC: unidade de temperatura, (Célsius)
km: unidade de comprimento, (quilômetro)
m: unidade de medida de comprimento, (metro)
m/s: unidade de medida de velocidade, (metro por segundo)
N: unidade de medida de força, (Newton)
N 2 : Molécula de Nitrogênio
Feα : Ferro alfa
H 2 : Molécula de hidrogênio
NH 3 : Molécula de amônia
vii
RESUMO
O presente trabalho compara os aços AISIP20, AISIP20N e AISIP20S, usados na
fabricação de componentes móveis para moldes de injeção plástica. Esta
comparação visou determinar qual dos três aços responde melhor ao tratamento
termoquímico de nitretação, no que diz respeito à resistência ao desgaste. Os
corpos de prova foram submetidos aos tratamentos de nitretação iônica e gasosa.
Para a realização do comparativo foram feitos ensaios utilizando uma máquina
politriz com um dispositivo que simulou as mesmas condições de um
equipamento pino contra disco. A medição do desgaste foi realizada através da
variação de massa dos corpos de prova antes e depois do ensaio. Após a
realização dos ensaios constatou-se que o material AISIP20S com nitretação
iônica foi o que melhor respondeu ao tratamento apresentando a maior resistência
ao desgaste se comparado aos outros dois aços estudados no presente trabalho.
viii
1 INTRODUÇÃO
O mercado automobilístico tem o dever de responder cada vez mais rápido
às necessidades e desejos do consumidor tendo que fabricar carros e modelos
novos em espaço de tempo cada vez menor. Segundo Bernadino Marques (2001),
ultimamente tem-se lançado novos modelos de carros numa média de dois a três
anos, incluindo re-estilização, detalhes de design ou projetos totalmente novos.
Entretanto, para atender a esta demanda, as montadoras e seus fornecedores
devem evoluir no mesmo ritmo, investindo em novas tecnologias e buscando
profissionais cada vez mais dinâmicos e criativos, desta forma os fabricantes de
moldes trabalham como fornecedores de ferramentas para a fabricação das peças
plásticas.
As empresas em questão fornecem soluções para fabricação de
ferramentas que posteriormente darão origem a uma peça plástica (moldes de
injeção plástica). Os moldes são basicamente construídos de aços especiais para
moldes e matrizes, os quais devem atender às necessidades básicas de
usinabilidade, polibilidade, tenacidade, resistência ao desgaste, boa resposta a
tratamentos termoquímicos de superfícies entre outros. Os aços que possuem
todas as características já citadas são conforme a AISI classificados como “P”
(aços para moldes e matrizes).
Nestes moldes existem componentes móveis que sofrem elevado atrito
durante seu funcionamento, exigindo que apresentem alta resistência ao desgaste.
Esta resistência é adquirida durante o processo de fabricação dos moldes, em
uma etapa em que se realiza um tratamento termoquímico superficial, dentre os
quais o mais indicado é a nitretação.
A nitretação é um tratamento termoquímico que realiza uma alteração
superficial na peça da ordem de décimos de milímetros através da adição de
nitrogênio na estrutura do aço e que se combinará com elementos de liga afim de
formar nitretos de elevada dureza.
2
1.1 OBJETIVOS
Este estudo tem como objetivo comparar a resistência ao desgaste de três
tipos de aços usados para a fabricação de moldes de injeção plástica. Os aços a
serem comparados são de acordo com a norma AISI: AISIP20, AISIP20N e
AISIP20S. Os três aços serão submetidos ao tratamento termoquímico de
nitretação e serão comparados em função da perda de massa utilizando um ensaio
de resistência ao desgaste conforme será demonstrado adiante.
1.2 JUSTIFICATIVAS
O presente trabalho foi desenvolvido na empresa Simoldes Aços Brasil
(multinacional portuguesa fabricante de moldes de injeção plástica), após ter sido
observado um elevado índice de componentes móveis nitretados que não tiveram
boa resistência ao desgaste durante o funcionamento no molde. Na FIGURA 1
pode-se visualizar componentes móveis típicos de um molde de injeção.
FIGURA 1 - COMPONENTES MÓVEIS DO MOLDE
FONTE: SIMOLDES AÇOS BRASIL
3
Pode ser visualizado na Figura 2 um histórico sobre os problemas
relacionados ao desgaste de componentes móveis ocorridos nos últimos seis
meses. Neste gráfico o eixo horizontal representa os meses em que ocorreram os
problemas e no eixo vertical a quantidade de peças não conforme. Desta forma
deseja-se fazer com que este tipo de ocorrência tenda a zero nos meses seguintes
após a conclusão do trabalho. É importante ressaltar que mesmos nos meses onde
aparecem ocorrências entre 1 e 3 os prejuízos podem ser significativos
dependendo do tamanho e geometria das peças.
FIGURA 2 - RELATÓRIO DE NÃO CONFORMIDADES (NITRETAÇÃO)
OCORRÊNCIAS
S IM O L D E S A Ç O S
9 BR A S IL
8
8
7
6
5
4
4
3
3
3
2
2
1
1
0
dez/05
jan/06
fev/06
mar/06
abr/06
mai/06
FONTE: SIMOLDES AÇOS BRASIL
1.3 METODOLOGIA A SER EMPREGADA
Diante destes problemas foi criada uma tabela comparativa entre os aços
utilizados em componentes móveis indicando qual o mais resistente ao desgaste
após o tratamento termoquímico de nitretação. Para se obter os dados necessários
foram realizados ensaios de dureza e resistência ao desgaste. O ensaio de
resistência foi realizado utilizando uma máquina politriz com um dispositivo
adaptado de forma a simular as mesmas condições de um ensaio de resistência ao
desgaste conhecido como pino contra disco.
4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A nitretação é um tratamento termoquímico que tem como objetivo
aumentar a resistência ao desgaste de uma peça através da adição de nitrogênio a
alta temperatura, que posteriormente irá formar nitretos de elevada dureza
quando em contato com o aço. Segundo Höltz (1992) a nitretação pode ser
dividida em dois tipos de processos: nitretação a gás e nitretação líquida. Na
nitretação a gás o nitrogênio chega ao aço através de um fluxo gasoso de amônia
a temperaturas que variam de 500ºC a 550ºC, e na nitretação líquida o aço tem
sua superfície endurecida através de um banho de sais fundidos a temperaturas de
500ºC a 570ºC. Segundo Chiaverini (1998), além dos processos de nitretação
líquida e gasosa, há também um terceiro tipo de processo conhecido como
nitretação iônica, o qual usa o mecanismo de aceleração dos íons de nitrogênio e
os bombardeia na superfície do aço, causando assim um endurecimento
superficial na peça, este processo também é conhecido como nitretação a plasma.
2.1 AÇOS
2.1.1 Conceito de Aço
Aços são ligas ferro-carbono que possuem concentrações de carbono de
até 2% de toda a liga. Embora o aço seja composto basicamente por ferro e
carbono, outros elementos de liga podem ser incluídos na liga para atender às
necessidades em que ele será aplicado. Portanto, os aços podem ser divididos em
dois grandes grupos: aços carbono e aços ligados.
Segundo Chiaverinni (1998), aços carbono são aços que possuem de
0,008% a 2,1% de carbono, porém estes aços também possuem baixas
concentrações de alguns elementos residuais que são resultados do seu processo
de fabricação. A aplicação destes aços varia de acordo com a necessidade de
resistência
mecânica
desejada
e
outros
fatores
como
soldabilidade,
temperabilidade, etc. Dentro da categoria de aços carbono, Chiaverini (1998) cita
outra subdivisão que leva em conta o percentual de carbono contido no aço.
5
Abaixo são descritos os três subgrupos dos aços carbono:
-
aços de baixo teor de carbono: São aços que possuem menos de 0,3%
de carbono na estrutura e geralmente não oferecem boa resistência
mecânica devido a sua baixa concentração de carbono. Em
contrapartida são muito fáceis de soldar. Exemplos de aplicação:
Construção de pontes, Portões residenciais, caldeiras, etc.
-
aços de médio teor de carbono: São aços que possuem 0,3% a 0,7% de
carbono em sua composição. Estes aços possuem uma resistência
mecânica razoável, mas que pode ser elevada com o auxílio de
tratamentos térmicos como a têmpera. Exemplos de aplicação:
engrenagens, bielas, etc.
-
aços de alto teor de carbono: São aços que possuem de 0,7% a 2,1% de
carbono. Devido à alta concentração de carbono, estes aços possuem
uma elevada dureza, o que dá condições para fabricar componentes de
alta solicitação como: molas e componentes sujeitos ao desgaste.
Além dos aços ao carbono há também os aços ligados que podem ser
subdivididos da seguinte forma:
- aços de baixo teor de ligas, contendo menos de 8% de elementos de liga.
- aços de alto teor de ligas, contendo elementos de liga acima de 8%.
2.1.2 Classificação dos Aços
Segundo Callister (2002), os aços podem ser divididos em vários grupos
de maneira a classificá-los com sua aplicação. Na Figura 3 pode-se visualizar o
aço para moldes de injeção que será abordado no trabalho.
6
FIGURA 3 - CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS AÇOS
FONTE: CALLISTER
2.1.3 Aços para Moldes de Injeção Plástica
De acordo com Chiaverini (1998), os aços podem ser classificados em
diversos tipos, dentre eles um grupo é conhecido como aços ferramentas que são
utilizados em operações de corte, formação, afiação e quaisquer outras
relacionadas com a modificação de um material para um formato utilizável. Estes
aços são caracterizados por possuírem ligas como tungstênio, molibdênio,
vanádio, manganês e cromo em sua composição. Os aços ferramentas ainda
podem ser subdivididos em outros tipos como: aços rápidos, aços para trabalho a
quente, aços para trabalho a frio e aços para moldes de injeção plástica.
Os aços para moldes devem possuir características principais como boa
usinabilidade, soldabilidade, uniformidade de dureza e resistência ao desgaste.
Estes aços são compostos principalmente pelos elementos de liga contendo
7
níquel e cromo. Na TABELA1 pode ser visualizada a composição química dos
principais aços para moldes e que serão abordados no desenvolvimento do
trabalho.
TABELA1 - TABELA DOS AÇOS PARA MOLDES A SEREM COMPARADOS
INFORMAÇÕES TÉCNICAS
AÇO 1
AÇO 2
AÇO 3
AISI "P"
AISI P20
AISI P20N
AISI P20S
NORMA DIN W.NR
1. 2311
C= 0,36 - Mn=1,60 - Cr=1,80 Mo=0,20
1. 2738
C= 0,36 - Mn=1,60 - Cr=1,80 Mo=0,20 - Ni=0,7
1. 2312
C= 0,36 - Mn=1,60 - Cr=1,80 Mo=0,20 - S=0,06
COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%)
FONTE: VILLARES MODIFICADO
2.1.4 Aços para Nitretação
Segundo Chiaverini (1998), atualmente os processos de nitretação
permitem que uma grande variedade de aços ao carbono e/ou aços ligados
possam receber o tratamento superficial.
Em decorrência da grande utilização do processo de nitretação a gás,
foram desenvolvidos alguns aços específicos como os Nitralloy, característicos
pela adição de alguns elementos de liga capazes de formar nitretos estáveis nas
condições de nitretação gasosas, como alumínio, cromo e molibdênio.
Segundo Chiaverni (1998), as principais funções desses elementos são:
- carbono - 0,30% a 0,45% - confere ao aço não só temperabilidade como
também suporte adequado à camada nitretada extremamente dura e muito
fina;
- alumínio e cromo - 0,85% a 1,20% e 0,90% a 1,80% respectivamente são elementos que formam prontamente nitretos; quanto maior a
quantidade desses elementos dissolvidos na ferrita, tanto mais fácil a
difusão do nitrogênio e tanto mais espessa a camada nitretada para um
tempo de nitretação determinado;
- molibdênio - 0,15% a 0,45% - diminui a fragilidade de revenido e
confere resistência ao revenido às temperaturas de nitretação;
8
- níquel - normalmente ausente, é adicionado em teores de 3,25% a
3,75%, quando se deseja um núcleo de dureza mais elevada.
A seguir podem ser visualizados na tabela Tabela 2 os efeitos dos
elementos de liga em relação à formação de nitretos.
TABELA 2 - EFEITOS DE ELEMENTOS DE LIGA EM RELAÇÃO À FORMAÇÃO DE
NITRETOS
Manganês
Níquel
Cromo
Alumínio
Molibdênio
NITRETOS QUE
SE FORMAM
COM AMÔNIA
Mn3N5
Cr2N, CrN
Al3N3
-
Tungstênio
Titânio
Zircônio
Vanádio
nenhum
TiN
ZrN (Zr3N2)
VN
Silício
Si2N3
ELEMENTO
EFEITO SOBRE O ENDURECIMENTO SUPERFICIAL
quase nulo
sozinho, nulo
forte
muito forte
medíocre; junto com o cromo, mais forte (aumenta a penetração)
nulo
bastante forte, máximo com o Cr
bastante forte, máximo com o Cr
medíocre ou fraco; entretanto, é notável nos aços contendo Cr e Al
quase nulo
FONTE: CHIAVERINI
Segundo Chiaverini (1998), existem também alguns aços chamados
Grafíticos com altos teores de carbono (1,25% a 1,50%) e altos teores de silício
(1,25% a 1,50%), como cromo, alumínio e molibdênio que tem apresentados
resultados interessantes na nitretação, pois são produzidas nesses aços superfícies
duras e resistentes ao desgaste contendo depressões ou verdadeiros orifícios
originalmente cheios de grafitas, de modo que pelo menos temporariamente, o
aço será dotado de uma espécie de lubrificação, tornando esta superfície bem
utilizada em mancais operados a altas temperaturas devido à retenção de dureza e
à presença de grafitas.
Os aços inoxidáveis também são comumente nitretados de modo a
aumentar sua resistência superficial ao desgaste, o que contribui também para
melhorar a resistência ao engripamento, indesejável em certas peças de aço
inoxidável. Além disso, esses aços inoxidáveis com altos teores de cromo e
9
níquel, ou até mesmo os que contêm apenas cromo, adquirem grande resistência
ao vapor superaquecido, ao vapor saturado e aos combustíveis a base de petróleo
após a nitretação, entretanto reduzindo a resistência à corrosão por parte do ácido
nítrico concentrado.
Chiaverini (1998) cita também que quando se pode obter dureza
superficial menor, pode ser utilizada os aços AISI contendo cromo e molibdênio
sem alumínio. Alguns exemplos bem conhecidos são os aços para matrizes e aços
inoxidáveis. Um aço AISI - SAE H11 com (0,35%C, 5%Cr, 0,4%V 1,5%Mo)
nitretado pode apresentar dureza superficial de 65 a 70 HRC, com um núcleo de
dureza 50HRC característico de endurecimento secundário que o aço apresenta.
Pode-se resumir então que os aços para nitretação têm como característica
principal, a presença de elementos que formem nitretos estáveis nas temperaturas
de nitretação que giram em torno de 500 a 580ºC.
Segundo Santos (2003), em um tratamento termoquímico de nitretação, a
melhor estrutura que se pode ter no aço é a sorbítica, pois esta tem como
característica deixar a superfície do aço com uma boa tenacidade.
Chiaverini (1998) também cita que a melhor estrutura que representa a
nitretação é a sorbítica, porque a presença na superfície do aço de carbonetos em
emulsão na ferrita contribui para que a camada nitretada formada adquira as
desejadas qualidades de tenacidade. Esta estrutura sorbítica é obtida por um
revenido prévio, entre as temperaturas de 540ºC a 700ºC.
Segundo Santos (2003), outro fator que influencia em um aço a ser
nitretado é a porcentagem de carbono, pois ela inibe a difusão do nitrogênio com
o aço. Conforme pode ser visualizado na Figura 4, quanto maior o teor de
carbono menor será a difusão do nitrogênio no aço.
10
FIGURA 4 – (%) CARBONO X DIFUSÃO DO NITROGÊNIO
FONTE: SANTOS
2.2 TRATAMENTOS TÉRMICOS
Os tratamentos térmicos, segundo Santos (2003), são conjuntos de
operações de aquecimento com controle de temperatura, tempo, atmosfera e
velocidade de resfriamento a fim de alterar as propriedades e características
mecânicas e/ou estruturais dos aços em função de suas aplicações. Os
tratamentos térmicos podem ser divididos em tratamentos térmicos e tratamentos
termoquímicos, os quais têm como principais finalidades:
-
remover tensões provenientes de trabalhos mecânicos;
-
melhorar a resistência mecânica;
-
melhorar ductilidade;
-
melhorar a usinabilidade;
-
modificar as propriedades elétricas e magnéticas;
-
aumentar a dureza;
-
aumentar a resistência à fadiga;
-
aumentar a resistência à corrosão;
-
aumentar a resistência ao desgaste;
11
As últimas quatro finalidades caracterizam também os tratamentos
termoquímicos de nitretação, e destes, o aumento da resistência ao desgaste pode
ser considerado como o foco principal relacionado ao tema deste trabalho.
A diferença entre os tratamentos térmicos e os tratamentos termoquímicos
está relacionada à influência de alterações da composição química dos materiais.
O que ocorre no caso dos tratamentos termoquímicos é que, além de
aquecimentos controlados, também se adicionam elementos de liga na superfície
dos aços.
Segundo Chiaverinni (1998), na divisão dos tratamentos térmicos, podem
ser relacionados os mais comuns aplicados aos aços:
-
recozimento: é o tratamento utilizado a fim de se remover tensões
devido às deformações a quente ou a frio, obter durezas mais baixas,
melhorar a usinabilidade e eliminar efeitos de tratamentos térmicos
anteriores.
-
normalização: é o tratamento caracterizado por um aquecimento acima
da zona crítica com objetivo de se homogeneizar e refinar a granulação
grosseira de peças forjadas, laminadas ou fundidas. Também pode ser
usado para amolecer, endurecer ou aliviar tensões nos aços.
-
têmpera: é o tratamento em que se eleva o aço a uma temperatura em
que sua estrutura se torne austenítica, seguindo-se de um resfriamento
rápido afim de não se obter a transformação de austenita em ferrita +
cementita, mas sim em estrutura martensítica. Buscam-se neste
tratamento altas durezas e propriedades mecânicas como tenaciadade.
-
revenimento: é o tratamento que normalmente acompanha a têmpera,
pois reduz tensões internas, corrige excessivas durezas e fragilidades
dos materiais, aumentando a ductilidade e resistência ao choque.
-
coalescimento: é o tratamento que resulta em uma dureza muito baixa
normalmente inferior à da perlita grosseira, facilitando certas
operações de deformação a frio e usinagem de aços de alto teor de
carbono. Neste tratamento obtêm-se a estrutura esferoidita.
12
Segundo Chiaverinni (1998), na divisão dos tratamentos termoquímicos,
podem ser relacionados os mais comuns aplicados aos aços:
-
cementação: é o tratamento em que se obtém endurecimento
superficial através do enriquecimento e difusão de carbono no aço
podendo ser feito em meios sólidos, líquidos e gasosos.
-
cianetação: é o tratamento em que se tem a transferência simultânea de
carbono e nitrogênio, realizados em banho de sais para se obter
camadas na faixa de 0,35 mm e em temperaturas de aproximadamente
850ºC.
-
carbonitretação: é o tratamento semelhante a Cianetação, diferindo-se
nas temperaturas de processo de 925ºC e em meios gasosos.
-
nitretação: é o tratamento realizado na superfície dos aços em meios
líquidos ou gasosos com enriquecimento de nitrogênio. Obtém-se
aumento nas durezas dos aços e resistências a fadiga em função dos
nitretos formados que evitam a deformação dos cristais de ferro.
-
boretação: é o tratamento aplicado a peças sujeitas ao desgaste por
abrasão em que se utiliza boro como elemento a ser difundido na
superfície do aço, podendo ser feita em meios sólidos, líquidos e
gasosos.
Segundo Santos (2003), existem muitos fatores que devem ser
considerados durante os tratamentos térmicos, pois são fundamentais para que se
consiga obter bons resultados nos aços a serem tratados. Podem ser descritos
como principais:
-
fabricação: deve ser tomados cuidados em relação a estocagem dos
materiais a fim de se evitar a troca de material a ser tratado, correndo
assim o risco de processar um material diferente do que foi
especificado.
13
-
seleção: deve ser realizada através de catálogos de fornecedores e/ou
pessoas especializadas, pois é comum se especificar um material
pensando apenas no custo e desconsiderando a sua aplicação conforme
indicado pelo fornecedor.
-
defeitos de fabricação: podem ocorrer provenientes de outros processos
e que devem ser evitados quando possível, como por exemplo, “cantos
vivos”, furos próximos das bordas das peças ou “sobre metal”.
-
temperaturas de aquecimento: devem ser rigorosamente controladas
conforme as faixas específicas para cada tipo de material em função de
sua composição química.
-
velocidade do aquecimento: deve ser rigorosamente controladas, para
que não ocorram fissuras ou empenamentos devido a tensões residuais
já existentes no material quando submetido a aquecimentos rápidos.
-
tempos de aquecimento: deve ser rigorosamente controlado a fim de
influenciar no crescimento dos grãos e também na dissolução de
elementos de ligas, podendo em função de um longo tempo em uma
determinada temperatura ser dissolvido por completo ou não. Estes
longos ou curtos tempos podem também ser prejudiciais podendo
causar oxidações e carbonetações nos materiais. Deve-se também levar
em conta os tempos em função dos tamanhos e geometrias das peças
de forma a uniformizar por completo toda sua secção.
-
resfriamento: deve ser rigorosamente controlado para que se obtenham
as propriedades e estruturas finais dos aços, podendo ser de várias
formas como nos próprios fornos de tratamentos, ao ar ou em meios
líquidos.
-
atmosfera do forno: seu controle tem como finalidade minimizar ou
eliminar a ocorrência de descarbonetação (perda de carbono na
superfície) ou oxidação (formação de casca de óxidos nas superfícies).
-
instrumentação: engloba os aparelhos utilizados para medições de
temperatura no interior dos fornos.
14
O foco deste trabalho está vinculado ao tratamento termoquímico de
nitretação e por este motivo será mais detalhado do que os tratamentos térmicos e
outros tratamentos termoquímicos.
2.2.1 Tratamento Termoquímico de Nitretação
Segundo Santos (2003), quando se deseja melhorar as propriedades físicas
de resistência ao desgaste, corrosão e fadiga dos aços, uma das alternativas é a
realização do tratamento termoquímico de nitretação que é constituído pela
adição de nitrogênio (N) na superfície do material.
A dureza obtida após o tratamento, resulta da formação de nitretos de alta
dureza na superfície do material, chamada de camada nitretada.
A camada nitretada, vista na FIGURA 5, pode ser subdividida em duas
partes: camada branca e camada de difusão.
FIGURA 5 - CAMADA NITRETADA DE UM AÇO SAE 8620
Camada Branca
Camada de Difusão
Núcleo do Material
FONTE: SANTOS
Entende-se por camada branca a região onde se formam dois tipos de
nitretos de ferro, Fe2−3 N e Fe4 N , esta camada é caracterizada por ser
extremamente frágil, além de ser indesejável para materiais que possuam
elementos de liga, como é o caso dos aços estudados neste trabalho. A outra
camada gerada durante o processo de nitretação é a de difusão, esta é a principal
15
responsável por elevar a dureza superficial do material em profundidades maiores
do que a da camada branca.
As principais características desses processos de nitretação estão
relacionadas às temperaturas de tratamento inferiores à temperatura crítica,
dentro da faixa de 500ºC a 575ºC, conseqüentemente influenciando menos nas
peças quanto a distorções geométricas e empenamentos. A ordem de dureza
atingida pode chegar a 70 HRC e processados em peças já acabadas, não
necessitando tratamentos anteriores ou posteriores, conseguindo-se atingir
camadas superficiais da ordem de 0,1 a 0,9 mm.
Segundo Santos (2003) os processos de nitretação podem ser baseados em
métodos químicos (nitretação gasosa e líquida) e físicos (nitretação iônica ou
plasma).
2.2.2 Nitretação a Gás
A nitretação a gás pode ser realizada em fornos conforme mostra a
FIGURA 6, deixando-se as peças em contato com atmosferas de gases de
amônia.
FIGURA 6 - FORNO PARA NITRETAÇÃO A GÁS
FONTE: WELLMAKE
Segundo Santos (2003) para que se obtenham reações entre os metais Feα
e os gases de processo N 2 deve-se haver uma boa interação entre as moléculas
16
Fe − N 2 , ligação esta que não é suficiente somente com atmosfera de átomos N 2 .
Para que se consiga uma melhor e mais rápida dissociação dos átomos de N 2
deve-se adicionar átomos de H 2 , dissociação esta promovida com atmosferas de
amônia, sendo assim, pode-se demonstrar a principal reação deste processo
conforme a equação (1).
2 NH 3 → 2 N + 3H 2
(1)
Segundo Chiaverini (1998), a nitretação a gás pode ser realizada em
estágio simples com 15% a 20% de dissociação da amônia, produzindo assim
uma camada superficial frágil rica em nitrogênio chamada camada branca. Podese também realizar nitretação em estágio duplo em que a faixa de dissociação da
amônia é 65% a 85%.
2.2.3 Nitretação Líquida ou Banho de Sais
Segundo Santos (2003), a nitretação também pode ser realizada em meio
líquidos contendo sais de cianetos fundidos com temperaturas de tratamento
entre 500ºC e 570ºC além de serem caracterizados por formar mais nitretos do
que carbonetos no aço.
Durante o processo, as amostras são aquecidas entre 350ºC e 400ºC,
depois carbonitretadas a 570ºC. As principais reações podem ser visualizadas na
equação (2) em que estão sendo demonstradas a oxidação do cianato de sódio e
posteriormente quando em contato com a superfície do aço ocorrem as seguintes
reações conforme mostrado na equação (3).
4 NaCN + O2 → 4 NaCNO
(2)
4 NaCN + O2 → Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2 N
(3)
Um típico forno para nitretação líquida esta mostrado na Figura 7.
17
FIGURA 7 - FORNO PARA NITRETAÇÃO LÍQUIDA
OU BANHO DE SAIS
FONTE: AMPEG
2.2.4 Nitretação a Plasma ou Ionitretação
De acordo com Santos (2003), a nitretação iônica ou também conhecida
como nitretação a plasma já esta sendo utilizada há várias décadas desde que foi
patenteada nos Estados Unidos em 1931. Seu processo é realizado através de um
forno a vácuo como mostrado na Figura 8 com pressões de 10 − 2 torr em que se
introduzem gases de N 2 − H 2 . Neste caso a peça é aquecida entre 300ºC e 600ºC
através de elevadas correntes (fonte de potência), também havendo no processo
um reator em que se encontram dois eletrodos que farão a diferença de potencial
que sobre elevadas pressões fazem com que o plasma acabe revestindo a peça.
Desta forma ocorrerá um bombardeamento de íons que acabará aquecendo a
superfície da peça, este aquecimento é controlado através da corrente. Na
FIGURA 9 é mostrado o esquema básico para nitretação iônica.
FIGURA 8 - FORNO PARA NITRETAÇÃO IÔNICA OU PLASMA
FONTE: BRASIMET
18
FIGURA 9 - ESQUEMA BASICO PARA NITRETAÇÃO IÔNICA
FONTE: JÚNIOR
As principais vantagens deste processo de nitretação iônica são as baixas
temperaturas de tratamento, elevado controle da camada a ser tratada, menor
tempo de tratamento, uniformidade da espessura nitretada, além de possibilitar a
desnitretação da peça.
2.3 MOLDES PARA INJEÇÃO PLÁSTICA
2.3.1 Material Plástico
Segundo Miller (2006), o plástico é um material polimérico originado do
petróleo. Para facilitar o entendimento, deve-se primeiramente conhecer o
processo de refino do petróleo que dá origem a esta resina.
O Petróleo é encontrado no subsolo na forma “bruta” seja de forma
terrestre ou em águas profundas, como se faz no Brasil. Após o petróleo ser
extraído da natureza, o mesmo passa por um processo de refino o qual dá origem
a diversos produtos como pode ser visto na Figura 10.
19
FIGURA 10 - PETRÓLEO E SEUS DERIVADOS
FONTE: OS AUTORES
O principal derivado que dá origem ao material plástico é o nafta, que
depois de processado, em indústrias petroquímicas, produz gases indesejados e
outros monômeros, que em grande quantidade constituem os materiais
poliméricos.
Segundo Callister (2002), os materiais plásticos podem ser divididos em
termoplásticos e termorrígidos. A diferença entre os materiais termoplásticos e
termorrígidos é que os termoplásticos, como o próprio nome diz, são materiais
que se fundem após serem submetidos a altas temperaturas, ou seja, podem ser
retrabalhados e conseqüentemente reciclados. Diferentemente dos termoplásticos,
os materiais termofixos não são recicláveis, ou seja, se tornam duros quando
enfrentam altas temperaturas impossibilitando assim o seu uso para outras
aplicações.
2.3.2 Projeto do Molde
Segundo Harada (2004), antes de se iniciar um projeto, geralmente é
especificado no orçamento do molde, que aço será utilizado para cada
componente.
O projeto do molde é iniciado após o término do projeto do produto, ou
seja, para se dar início a um projeto de molde, o projetista deve possuir um
20
modelo em CAD com espessuras definidas, fixações da peça, contração do
material utilizado, definições de textura, etc., como demonstrado na Figura 11.
FIGURA 11 - MODELO DE UM PÁRA-CHOQUE EM CAD
FONTE: OS AUTORES
Geralmente, uma peça do setor automotivo chega ao projetista na posição
em que ela é montada no veículo, ou seja, sem contração e fora do sentido de
desmoldagem da peça. O modelador então, constrói a junta do molde como pode
ser visto na FIGURA 12, ou seja, as superfícies que irão definir a zona de
fechamento em volta da peça e que irá dividir as duas partes que compõe um
molde de injeção plástica: a cavidade e o macho.
FIGURA 12 - DEFINIÇÃO DA JUNTA DE FECHAMENTO DO MOLDE DE PÁRACHOQUE
FONTE: OS AUTORES
21
Tendo os dois blocos modelados, a etapa restante é a definição do
travamento do molde, em que deverá ser projetada para que o molde não abra
durante o ciclo de injeção, chegando assim num aspecto semelhante ao mostrado
na FIGURA 13.
FIGURA 13 - MODELO FINAL DE UM MOLDE DE PÁRA-CHOQUE – LADO
MOVEL E FIXO
FONTE: OS AUTORES
Para peças mais simples, sem contra-saídas, fixações, clipes, etc., os
trabalhos de modelação acabariam nesta etapa, porém isto não ocorre com muita
freqüência quando se trata de peças automotivas. Na maioria das situações, o
molde de injeção necessita de mecanismos móveis ou fixos para se obter um
preenchimento e uma extração adequada da peça, pois muitas vezes partes que
compõe o produto final não podem ser desmoldados diretamente, ou não seriam
possíveis de serem construídos devido à dificuldade de usinagem em
determinadas regiões. Para isso são criados componentes como: levantadores,
movimentos mecânicos (gavetas), movimentos à extração, etc. A Figura 14
apresenta um exemplo de movimento à extração.
22
FIGURA 14 - MOVIMENTO A EXTRAÇÃO
FONTE: OS AUTORES
O molde também pode conter componentes fixos, como é o caso de
postiços - Bayer, que servem para direcionar o material plástico para dentro da
cavidade sem deixar um canal frio após a extração da peça do molde, a Figura 15
demonstra um exemplo de um postiço - Bayer.
FIGURA 15 - POSTIÇO BAYER DE UM MOLDE DE PÁRA-CHOQUE
FONTE: OS AUTORES
Encerrando-se a etapa de modelação do molde, inicia-se então a definição
dos componentes que compõe um molde como parafusos, placas, anéis
centralizadores, cilindros hidráulicos, etc. Muitos destes componentes geralmente
já existem em um banco de dados do projetista por se tratarem de acessórios que
são comprados prontos, entretanto o projeto de um molde geralmente é feito para
se produzir apenas uma ferramenta, o que muitas vezes implica na modelagem de
alguns componentes como buchas especiais, extratores especiais, placas de
23
içamento, etc. É importante ressaltar que um molde só funciona com o auxílio de
uma máquina injetora, logo todo projeto de molde deve ser feito de maneira a
atender as necessidades da máquina injetora em que ele será utilizado como:
dimensões do molde, curso de extração do molde, peso do molde, pressão de
fechamento máxima da máquina, etc.
2.3.3 Fabricação do Molde
A construção de um molde engloba diversos tipos de processos de
fabricação e também diversos tipos de componentes e materiais. Para ser mais
objetivo, será dado exemplo de como é fabricado o bloco do macho de um molde
de injeção plástica.
O processo de fabricação do bloco do macho começa com o
esquadrejamento do material bruto como pode ser visto na Figura 16.
FIGURA 16 - BLOCO DE AÇO BRUTO DE UM MOLDE DA LATERAL DE PORTA E
BLOCO ESQUADREJADO
FONTE: OS AUTORES
Logo após o bloco ser esquadrejado, o operador da máquina recebe um
modelo CAD do macho para desenvolver o programa para desbaste da peça,
utilizando um software de CAM. Nesta etapa da usinagem, são utilizadas
ferramentas mais grosseiras e retiradas de materiais mais bruscas, deixando assim
um sobremetal de aproximadamente três milímetros na superfície da peça. Essa
etapa resulta em uma peça com o aspecto mostrado na Figura 17.
24
FIGURA 17 - OPERAÇÃO DE DESBASTE EM UMA CAVIDADE DE MOLDE DE
PARACHOQUE
FONTE: OS AUTORES
Após ser feito o desbaste, parte-se então para uma etapa de acabamento da
ferramenta, onde são utilizados parâmetros de corte diferentes para se atingir uma
superfície menos rugosa. Após o término do acabamento, a peça já tem um
aspecto muito próximo da peça final. Como moldes de injeção exigem regiões de
usinagem muito profundas e de baixa espessura como frisos, fixações, etc., o
processo de fresagem nem sempre consegue reproduzir estas geometrias no aço.
Portanto, é necessário utilizar outros processos de usinagem como a eletroerosão.
O processo de eletroerosão é utilizado apenas após a peça ter passado pelo
processo de acabamento justamente por ser um processo mais lento e pelo fato de
requerer um eletrodo para cada região a ser usinada. A Figura 18 mostra uma
máquina de eletroerosão e a Figura 19 mostra um modelo de eletrodo de grafite,
material comumente utilizado para fabricação do eletrodo por possuir boa
condutibilidade elétrica e fácil usinabilidade.
25
FIGURA 18 - MÁQUINA DE ELETROEROSÃO
FONTE: OS AUTORES
FIGURA 19 - MODELO DE UM ELETRODO DE GRAFITE
FONTE: OS AUTORES
Após a peça sair da máquina de eletroerosão, a mesma é levada às
máquinas que realizam operações de furação nos moldes como a mandriladora,
ou até mesmo uma fresadora convencional.
Finalmente, após serem utilizados todas as ferramentas para se retirar
material com o uso de máquinas, passa-se para a etapa do polimento. O
polimento é o acabamento final do molde, e por exigir uma ótima precisão,
principalmente na cavidade é feito manualmente como mostrado na Figura 20.
26
FIGURA 20 - POLIMENTO DE UM MOLDE DE
PAINEL DE INSTRUMENTOS
FONTE: OS AUTORES
O nível de acabamento é exigido de acordo com a superfície final do
produto desejado, portanto quanto mais lisa e brilhante for a superfície do
produto plástico desejado, mais acabamento deverá ser dado na peça usinada.
Após todo o processo de retirada de material ser concluído, o molde então
é entregue a uma equipe de bancada, onde macho, cavidade e todos os demais
componentes são reunidos para que se realize a montagem do molde. Estes
profissionais são responsáveis pelo ajuste do molde e também por alguns
serviços que podem ser feitos manualmente como: pintura do molde, lubrificação
dos componentes, instalação de micro - interruptores, montagem do sistema de
injeção no molde, etc.
27
3 DESENVOLVIMENTO
3.1 METODOLOGIA DE ENSAIO
Para serem comparados os três tipos de aços em questão, foram realizados
alguns experimentos a fim de se obter dados suficientes para conclusão de quais
dos aços responde melhor a resistência ao desgaste após sofrer tratamento
termoquímico de nitretação.
Os corpos de prova que foram analisados no trabalho foram nitretados a
gás conforme as condições de nitretação conhecidas no mercado como Deganit,
caracterizada por uma nitrocarbonetação conduzida num meio gasoso (mistura de
NH3 e CO2) a temperaturas variando de 520ºC a 570ºC. Para os corpos de prova
nitretados a plasma, foram realizados nitretações conhecidads no mercado como
Ionit que é um processo de nitretação conduzido sob plasma pulsado.
Segundo Horst Czichos (1978), uma das formas de se avaliar a resistência
ao desgaste dos materiais é através de experimentos de fricção. Estes
experimentos envolvem basicamente uma estrutura de testes conforme a
FIGURA 21, em que são caracterizados pela peça a ser testada, a base de fricção
e lubrificante.
FIGURA 21 - ESTRUTURA DE TESTES
PEÇA
LUBRIFICANTE
BASE DE FRICÇÃO
FONTE: HORST CZICHOS
28
Como as peças a serem testadas não trabalham com lubrificantes quando
em funcionamento nos moldes de injeção, para o trabalho em questão foi
dispensado o lubrificante.
Conforme Horst Czichos (1978) existe um procedimento padrão para
realização dos testes conforme mostrado na FIGURA 22 em que alguns
componentes e variáveis físicas devem ser utilizadas como temperatura ambiente
igual à 23ºC, força igual à 10 Newtons, velocidade igual à 0,1 m/s e espaço
percorrido de 1 km. Este tipo de ensaio também é conhecido como pino contra
disco, pois tem-se um corpo de prova geralmente cilíndrico (pino) sendo
submetido a uma força constante contra um disco em rotação.
FIGURA 22 - PROCEDIMENTO PARA TESTE DE RESISTÊNCIA AO DESGASTE
SEGUNDO HORST CZICHOS
FONTE: HORST CZICHOS
3.1.1 Equipamento de Ensaio
Em função da não disponibilidade de um equipamento específico para este
tipo de ensaio, houve a necessidade de projetar uma modificação em uma
máquina politriz Struers modelo DP-10, utilizada na preparação de amostras para
29
ensaios metalográficos. As modificações foram feitas de forma a simular as
mesmas condições exigidas em um ensaio de resistência ao desgaste.
A FIGURA 23 apresenta uma politriz Struer modelo DP-10 com um
dispositivo de fixação elaborado para realização dos ensaios de resistência ao
desgaste.
FIGURA 23 – MODIFICAÇÃO PARA ENSAIO DE RESISTÊNCIA AO DESGASTE
FONTE: OS AUTORES
A FIGURA 25 apresenta os componentes básicos utilizados na
modificação da politriz em que foram realizados os ensaios, com uma lixa
abrasiva para provocar o desgaste forçado nos corpos de prova, assim como um
uma massa conhecida para manter uma força constante nos corpos de prova.
FIGURA 24 - POLITRIZ STRUERS MODELO DP-10
MÁQUINA POLITRIZ - STRUERS - MODELO DP-10
COM DISPOSITIVO - MODIFICADA
Corpo com massa constante
aplicando 7N de força no
corpo de prova
Lixa 320
600rpm
FONTE: OS AUTORES
30
3.1.2 Corpos-de-Prova
Os corpos de prova foram confeccionados conforme a FIGURA 25 em
que estão representadas as dimensões e geometrias de forma que possa ser
utilizado no equipamento indicados na FIGURA 23.
FIGURA 25 - CORPOS-DE-PROVA
FONTE: OS AUTORES
A Tabela 3 mostra como estão divididos e classificados os corpos de
prova de forma que possam ser identificados e rastreados durante todos os
ensaios.
Foram realizados quatro ensaios para cada material, sendo que dois
ensaios eram para nitretação a gás e dois para nitretação iônica.
TABELA 3 - CLASSIFICAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA
Corpo Prova
Material (Aço)
NOME
AISIP20 AISIP20N AISIP20S
C.P.01
X
C.P.02
X
C.P.03
X
C.P.04
X
C.P.05
X
C.P.06
X
C.P.07
X
C.P.08
X
C.P.09
X
C.P.10
X
C.P.11
X
C.P.12
X
FONTE: OS AUTORES
Nitretação
GÁS IÔNICA
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
31
3.1.3 Tratamento Termoquímico dos Corpos-de-Prova
Para realização dos ensaios foram determinados apenas os processos de
nitretação a gás e iônica, sendo eliminado o processo de nitretação líquida devido
às impurezas depositadas nos componentes.
3.1.4 Medições dos Corpos-de-Prova
Basicamente o desgaste foi avaliado através de um comparativo de massas
dos corpos de prova antes e depois dos ensaios.
As amostras foram torneadas e tiveram suas faces planas retificadas além
de serem tratadas termo-quimicamente pelos processos de nitretação a gás e
iônica. Os corpos foram submetidos ao ensaio de resistência para cada amostra
nas seguintes condições:
- distância percorrida: 377 m
- velocidade constante: 0,3 m/s
- tempo de ensaio: 20 min.
- lixa utilizada: grana 320 (troca a cada ensaio)
- força aplicada: 7 N
As amostras também foram submetidas a ensaios de dureza.
32
4 RESUTLADO E DISCUSSÃO
Após todas as peças terem sido tratadas termo-quimicamente, foram
medidas suas massas antes de se realizar o teste de resistência ao desgaste como
pode ser visualizado na Tabela 4. Este procedimento foi necessário para poder
avaliar as variações de massas que cada corpo de prova teve após ter sido
submetido aos tratamentos em questão, conseqüentemente todos os corpos de
prova foram ensaiados na politriz mostrada na FIGURA 25, sendo desta forma
desgastada devido à lixa abrasiva por um tempo de 20 minutos. A Tabela 4
mostra de forma completa todos os valores obtidos durante os ensaios de
resistência ao desgaste, onde pode ser notado que a menor variação de massa foi
encontrada no corpo de prova C.P.12 com aço AISIP20S tratado termoquimicamente com nitretação iônica, desta forma podem-se fazer uma relação
entre perda de massa e resistência ao desgaste, de forma que quanto menos massa
o corpo perder, maior será a resistência ao desgaste.
TABELA 4 - RESULTADOS
Corpo Prova
Material (Aço)
NOME
AISIP20 AISIP20N AISIP20S
C.P.01
X
C.P.02
X
C.P.03
X
C.P.04
X
C.P.05
X
C.P.06
X
C.P.07
X
C.P.08
X
C.P.09
X
C.P.10
X
C.P.11
X
C.P.12
X
Nitretação
GÁS IÔNICA
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Massa (g)
Massa (g)
ANTES
DEPOIS DIFERENÇA
74,0939 73,7820
0,3119
74,2615 73,9446
0,3169
73,2488 72,9950
0,2538
73,8529 73,6031
0,2498
75,8381 75,5620
0,2761
75,0830 74,8005
0,2825
75,7741 75,4254
0,3487
74,4745 74,1241
0,3504
74,8105 74,5080
0,3025
72,8348 72,5250
0,3098
75,5277 75,3064
0,2213
74,0239 73,8050
0,2189
FONTE: OS AUTORES
Para que se possa observar a variação entre as durezas dos corpos de
provas antes e depois dos tratamentos dos corpos de prova, a Tabela 5 mostra os
valores de dureza obtidas de pelo menos um tipo de aço com um tipo de
tratamento de nitretação, em que pode ser visualizada a maior dureza de
superfície no corpo C.P.12, caracterizando o aço AISIP20S como o aço de maior
33
dureza após a nitretação se comparado com os outros dois aços abordados neste
trabalho. Entretanto é importante ressaltar que os aços AISIP20 são fornecidos
com uma dureza mínima de 27 HRC.
TABELA 5 - MEDIÇÕES DE DUREZA
Material (Aço)
Nitretação
MEDIÇÕES EM HRA
VALORES
Corpo Prova
NOME
AISIP20 AISIP20N AISIP20S GÁS IÔNICA 1
2
3
4
5 MÉDIA EM HRC
C.P.02
X
X
70 70.5 70.1 70.4 70.8 70.36
39.8
C.P.04
X
X
72 72.5 72.5 72.1 72.4 72.3
43.6
C.P.06
X
X
71 70.6 71.3 71.6 70.7 71.04
40.8
C.P.08
X
X
63.9 65.8 64.2 64.9 65.1 64.78
29.2
C.P.10
X
X
71,0 71.2 69.9 71.6 72.2 71.18
40.8
C.P.12
X
X
73 73.4 73.1 73.1 73.1 73.14
44.5
FONTE: OS AUTORES
Após analisados os valores das duas tabelas de resultados, diferença de
massa e dureza observou-se uma relação entre a melhor resistência com a maior
dureza da camada nitretada no caso do aço AISIP20S. Na Figura 26 podes ser
visualizado uma foto retirada da análise metalográfica do corpo de prova de um
aço AISIP20S nitretado a plasma.
FIGURA 26 - ANÁLISE METALOGRÁFICA DO AÇO AISIP20S NITRETADO A
PLASMA
Camada
nitretada
FONTE: OS AUTORES
34
Na Figura 27 está sendo mostrada a foto metalográfica de um aço
AISIP20 nitretado a gás. Em ambas as figuras, pode ser visualizada a camada
nitretada, conforme indicada nos desenhos.
FIGURA 27 - ANÁLISE METALOGRÁFICA DO AÇO AISIP20 NITRETADO A GÁS
Camada
nitretada
FONTE: OS AUTORES
35
5 CONCLUSÃO
Diante do trabalho apresentado, verificou-se que as amostras que foram
tratadas termo-quimicamente com nitretação iônica tiveram resultados mais
satisfatórias em relação à resistência ao desgaste, ou seja, possuíram diferenças
de massa menores do que se comparados com o tratamento termoquímico de
nitretação a gás. Também foi notado que dentre os corpos de provas tratados com
a nitretação iônica, o aço AISIP20S apresentou a menor perda de massa dentre
todas as amostras analisadas além de possuir a maior dureza após o tratamento,
neste caso apresentando 44,5 HRC.
Desta forma, uma boa alternativa para especificação de aços de
componentes móveis de moldes de injeção que devam receber tratamento
termoquímico de nitretação pode ser o aço AISIP20S nitretado pelo processo a
plasma.
Com a elaboração deste trabalho, pode-se também aumentar a literatura
disponibilizada na empresa em questão, de forma a complementar as informações
durante a especificação de aços da classe AISIP20 relacionados aos tratamentos
termoquímicos de nitretação, pois a pesquisa foi elaborada baseada em aços e
necessidades específicos de moldes de injeção plástica.
36
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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CZICHOS, Horst. Tribology. Amsterdan: Elsevier, 1978
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