COMPARATIVO DO DESGASTE POR DESLIZAMENTO DE CAMADAS
NITRETADAS A GÁS E EM BANHO DE SAL
Débora Elyodora Cantadeiro*, M. M. Maru**, A. Sinatora***
Resumo
Este trabalho consiste em estabelecer um
comparativo do comportamento tribológico de aço
carbono tratado superficialmente por dois tipos de
nitretação, a gás e em banho de sal. Tais tratamentos
são aplicados para aumentar a resistência ao
desgaste de componentes mecânicos. As amostras
nitretadas foram ensaiadas em um equipamento do
tipo pino-contra-disco com movimento de
deslizamento rotativo. Foram efetuadas análises das
superfícies ensaiadas por microscopia óptica e do
comportamento do coeficiente de atrito médio ao
longo dos ensaios. Os resultados obtidos mostraram
que todos os ensaios apresentaram transição do
desgaste
moderado
para
severo,
com
comportamentos similares do coeficiente de atrito
médio ao longo do tempo, porém o nível do
coeficiente de atrito médio do desgaste moderado do
ensaio com material nitretado em banho de sal foi
ligeiramente inferior. Quanto à proteção da
superfície contra deformação plástica produzida no
deslizamento, as amostras com tratamento de
nitretação em banho de sal apresentaram menor
quantidade de deformação plástica sub-superficial.
Esses resultados foram indicativos de que a
nitretação em banho de sal em aço carbono é
tribologicamente superior comparada à nitretação a
gás, para as condições de deslizamento utilizadas.
Introdução
A nitretação a gás e em banho de sal são
tratamentos de superfície vastamente utilizados em
componentes mecânicos que atuam em situações em
que há necessidade de resistência ao desgaste,
proporcionado principalmente pelo aumento da
dureza superficial. Paralelo ao desenvolvimento de
superfícies resistentes ao desgaste, é fundamental
que haja compatibilidade com os níveis aceitáveis de
atrito resultantes da interação dessas superfícies, de
modo a se evitar uma diminuição da potência
efetiva.
A nitretação em banho de sal é indicada
para vários tipos de material, incluindo aço carbono
comum não ligado. Já a nitretação a gás só é
recomendada para aços-liga, e considera-se que os
aços carbono não ligados não são adequados para
esse tipo de nitretação por haver formação uma
camada extremamente quebradiça, com apenas um
pequeno aumento da dureza superficial do material
na zona de difusão do nitrogênio.
Apesar disso, sabe-se que a prática da
nitretação a gás em aço carbono é comum nas
indústrias,
principalmente
na
indústria
automobilística.
Objetivo
Este trabalho tem como objetivo verificar o
real desempenho do aço carbono nitretado a gás e
em banho de sal, através de caracterização das
diferenças do desgaste e atrito. Os resultados foram
obtidos através de ensaios de desgaste em
equipamento tipo pino-contra-disco sob condição
severa de deslizamento.
Materiais e Métodos
As amostras de ensaio foram pinos de aço
de baixo carbono SAE 1015, normalizado. O
diâmetro das amostras foi de 8 mm com acabamento
retificado na face de ensaio. Produziu-se um
arredondamento da face de ensaio do pino com raio
de 0,5 mm. Os pinos passaram por processos de
nitretação denominados comercialmente de ciclo
curto, e foram ensaiados pinos com dois tipos de
nitretação: a gás (Ngás) e em banho de sal (Nsal).
O material dos discos foi aço liga SAE
8640, temperado e revenido, e não nitretado, com
acabamento de retífica.
Para lubrificação dos ensaios foi utilizado
lubrificante para motores Diesel, SAE 15W40.
Para os ensaios de desgaste foi utilizada
uma máquina pino-contra-disco. O dispositivo
adotado está ilustrado na figura I.
Antes de cada ensaio, foi gotejado 26 ml de
lubrificante sobre o disco na trilha de deslizamento
do pino, sob temperatura do disco de 100 0C,
mantida constante durante o ensaio.
Os ensaios foram realizados em duas
etapas, uma sob baixa carga (20 N) e baixa
velocidade (30 rpm) por 2200 s. A segunda etapa foi
de alta carga (aplicada a uma taxa de
2 N/s até
atingir o máximo de 800 N) e alta velocidade (190
rpm). O raio da trilha do pino no disco foi de 25
mm.
* Aluna de graduação da FATEC-SP, e de Iniciação Científica da USP.
** Aluna de Pós-Graduação (Doutorado) pela USP, responsável pelo aluno de Iniciação.
*** Prof. Orientador
NSAL - 100x
Figura I - Equipamento pino-contra-disco
utilizado ensaios de deslizamento.
A figura II mostra um gráfico das condições
de ensaio ao longo do tempo.
NGÁS - 200x
Figura III - Superfície de desgaste dos pinos. Aamostra Nsal, B- amostra Ngas.
Figura II - Condições de carga, velocidade e
temperatura ao longo do tempo
utilizadas nos ensaios de desgaste.
Repetiu-se o ensaio em vários pinos com o
mesmo tipo de tratamento, com três pinos Ngás e a
mesma quantidade de pinos Nsal.
Para a análise dos resultados foram
observados o comportamento do coeficiente de atrito
médio e foi realizada microscopia óptica das
amostras ensaiadas.
Resultados
A figura III mostra as superfícies dos pinos
Nsal e Ngas após os ensaios, obtidas por
microscopia óptica.
Na figura IIIA nota-se material agregado,
provavelmente resíduo proveniente do disco. Já na
figura IIIB nota-se presença de material severamente
deformado. Ambas as figuras mostram que houve
ocorrência de dano superficial severo, mais
evidenciado na amostra Ngas.
A figura IV mostra o comportamento do
coeficiente de atrito ao longo do tempo. O
coeficiente de atrito foi calculado dividindo-se a
força de atrito pela força normal. Esses valores
foram obtidos automaticamente pelo software da
máquina.
Na figura IV nota-se que, sob desgaste
moderado, o nível do coeficiente de atrito médio foi
ligeiramente maior no ensaio com amostra Ngas,
comparado ao observado no ensaio com pino Nsal.
Nota-se também da figura IV que o comportamento
do coeficiente de atrito ao longo do tempo foi
similar nos dois ensaios, havendo ocorrência de
transição do desgaste. Essa transição foi relacionada
à ocorrência de uma passagem do regime de
desgaste moderado, onde há baixo atrito e produção
de superfícies lisas, para severo, com alto atrito e
produção de superfícies rugosas.
Ainda comparando-se os dois gráficos da
figura IV, nota-se que no ensaio com pino Ngás a
transição do desgaste moderado para severo ocorreu
em tempo menor do que o Nsal, ou seja, a amostra
Nsal resistiu mais tempo sob desgaste moderado até
a transição para desgaste severo.
A figura V mostra as fotos obtidas por
microscopia óptica da seção transversal dos pinos
ensaiados.
A figura VI apresenta os gráficos do
coeficiente de atrito em função do tempo de ensaios
que foram interrompidos imediatamente após a
elevação súbita do coeficiente de atrito.
Coef. Atrito
Carga
Coef. Atrito
Carga
Figura IV - Gráficos de carga normal e
coeficiente de atrito em função do tempo
dos ensaios com pino Nsal e Ngás.
Figura VI - Gráficos de carga normal e
coeficiente de atrito em função do tempo dos
ensaioscom pino Nsal e Ngás. Ensaios
interrompidos logo após a transição do desgaste.
NSAL - 500x
NGÁS - 500x
Figura V - Seção transversal dos pinos, próximo
às superfícies desgastadas.
A- amostra Nsal, B- amostra Ngas.
Nessa figura nota-se a presença de elevada
deformação plástica do material próximo à
superfície ensaiada na direção do deslizamento.
Observa-se que a deformação plástica foi mais
acentuada no pino Ngás comparado à deformação
observada no pino Nsal; logo, a camada superficial
produzida no processo Nsal mostrou-se mais
resistente à deformação plástica.
A figura VI mostra um comparativo
semelhante aos gráficos da figura IV quanto ao nível
do coeficiente de atrito médio sob desgaste
moderado e tempo até a transição do desgaste,
confirmando o menor nível do coeficiente de atrito
sob desgaste moderado e a resistência sob regime de
desgaste moderado por tempo maior resultante no
ensaio com pino Nsal comparado ao ensaio com
pino Ngas.
A figura VII mostra as fotos obtidas por
microscopia óptica da seção transversal dos pinos
Nsal e Ngas, próximo à superfície de ensaio. Nota-se
que o nível de deformação plástica foi menor que o
observado na figura III devido ao menor tempo sob
condição de desgaste severo.
Na figura VIIA observa-se que ainda há
presença da camada branca produzida na nitretação
na superfície de ensaio no pino Nsal, e há ausência
de deformação plástica na região sub-superficial. Já
a figura VIIB mostra que o pino Ngas sofreu
deformação plástica, e a camada branca produzida
no tratamento superficial foi quase toda removida, o
que mostra que a camada Nsal foi mais aderente ao
substrato na transição do desgaste.
Camada
branca
NSAL - 500x
atrito médio foi ligeiramente menor nos ensaios com
pinos nitretados em banho de sal durante o regime
de desgaste moderado. Além disso, notou-se que a
duração dos ensaios sob desgaste moderado até a
ocorrência da transição foi ligeiramente maior com
pinos nitretados em banho de sal. A microscopia
óptica revelou que houve intensa deformação
plástica nas amostras nitretadas a gás, o que não foi
observado nas amostras nitretadas em banho de sal.
Todas essas observações seriam indicativas do
melhor desempenho de superfícies tratadas por
nitretação em banho de sal, comparadas com
superfícies nitretadas a gás, sob as condições de
ensaio de deslizamento utilizadas.
Estão previstos para trabalhos futuros
realizar ensaios adicionais, bem como análises
microestruturais e de microdureza das camadas,
visando fundamentar essas observações.
Bibliografia
1 Knerr, C.H., Rose, T.C., Filkowski, J.H.; Gas
Nitriding, IN: ASM HANDBOOK, 10 ed., vol.
04, pag. 387-409.
NGÁS - 500x
Figura VII - Seção transversal dos pinos,
próximo às superfícies desgastadas. A- amostra
Nsal, B- amostra Ngas. Ensaios interrompidos
logo após a transição do desgaste.
Sumário
Foram realizados ensaios de deslizamento
de pinos de aço carbono SAE 1015 nitretados a gás e
em banho de sal através de um processo denominado
comercialmente de ciclo curto, contra discos de aço
carbono SAE 8640 temperados e revenidos. As
superfícies produzidas pelos dois tipos de nitretação
foram comparadas quanto ao desgaste e atrito
através da análise dos resultados produzidos nos
ensaios.
As condições de deslizamento utilizadas
foram consideradas severas, ou seja, pouca
lubrificação (6 gotas sobre a trilha de ensaio do
disco), alta carga (800 N), alta temperatura (100 ºC)
e alta velocidade (190 rpm).
O comportamento do coeficiente de atrito
médio foi similar nos ensaios com ambos os tipos de
pino sendo que todos os ensaios resultaram em
transição do regime de desgaste moderado para
severo. A transição do regime de desgaste foi
relacionada à elevação súbita do coeficiente de atrito
no ensaio.
No regime de desgaste moderado o
deslizamento ocorreu sob baixo atrito com produção
de superfícies lisas; em regime severo, o
deslizamento ocorreu sob alto atrito com produção
de superfícies rugosas. Os valores aproximados do
coeficiente de atrito médio foram 0,1 para desgaste
moderado e 0,4 para desgaste severo.
Notou-se que o nível do coeficiente de
2 ASM Committee on Liquid Nitriding; Liquid
Nitriding, IN: ASM HANDBOOK, 10 ed., vol. 04,
pag. 410-419.