8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
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AVALIAÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA NO PROCESSO DE
NITRETAÇÃO POR EDM NO AÇO AISI H13.
Carlos Eduardo dos Santos, [email protected]
Ernane Rodrigues da Silva, [email protected]
Rogério Felício dos Santos, [email protected]
1,2,3
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MG – Avenida Amazonas, 5253 – Nova
Suiça – Belo Horizonte – MG – CEP. 30480-000
Resumo: No processo de usinagem por descargas elétricas (EDM), utilizando como fluido dielétrico a água
deionizada, adicionado composto à base de hidrogênio, observou-se formação de nitretos em uma camada homogenia
abaixo da camada branca (Zona Refundida). O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a variação da espessura
desta camada nitretada no aço AISI H13 variando a corrente elétrica no processo (EDM), utilizando uma máquina de
eletroerosão por penetração com capacidade de descargas de até 40 Amperes. As amostras foram usinadas submersas
em água deionizada em solução com ureia. Foram avaliados quatro correntes diferentes (10, 20, 30 e 40A) em
amostra de aço AISI H13 usinadas com eletrodo de cobre eletrolítico, em uma solução com concentração de 10g/l de
ureia. Foram avaliadas também quatro concentrações de ureia na solução (10, 20, 25 e 40g/l) usinadas com corrente
fixa de 30 Amperes. Os resultados da variação da corrente demonstraram que o aumento da corrente influencia
diretamente no crescimento da espessura da camada nitretada, com um canal de plasma mais intenso durante a fusão
é possível desprender uma maior quantidade de nitrogênio da solução que podem formar combinações com os
elementos presentes no aço AISI H13 obtendo uma quantidade maior de nitretos. Na variação da concentração,
também foi observado que o aumento da quantidade de ureia na solução também influencia no aumento da espessura
da camada, porém com menos relevância em relação a corrente elétrica. Por meio da caracterização de Microdureza
e Difração de Raio-x, foi possível verificar o aumento da dureza e o aparecimento de nitretos nas amostras analisadas.
Palavras-chave: Nitretada, Ureia, AISI H13, EDM
1. INTRODUÇÃO
A indústria utiliza vários processos de fabricação para desenvolver seus produtos, tendo como foco produzir alto
volume de peças com menor custo de processo. Segundo Fonseca (2001) estas características estão contidas diretamente
no processo de fundição por injeção, o qual é considerado ideal para a indústria por apresentar alta capacidade de
produção quando aplicado em determinados produtos, principalmente em alumínio.
Para confecção dos moldes utilizados neste processo e devido a complexidade da geometria das peças hoje
produzidas, o processo EDM (Usinagem por descargas elétricas) tem se destacado como um dos mais utilizados. A
remoção de material é feita pelo bombardeamento de elétrons ou íons contra a superfície da peça, produzindo a retirada
dos resíduos por sublimação, gerando cavidades profundas e com alto grau de complexidade (SANTOS, 2007).
O molde é fabricado utilizando geralmente os aços da classe H, denominado aço ferramenta, que suportam a
repetitividade dos ciclos de injeção, sem alterar suas propriedades mecânicas, garantindo durabilidade no processo,
evitando quebras, trincas ou defeitos prematuros. Com intuito de preservar as cavidades destes moldes, é comum
utilizar tratamentos superficiais que irão melhorar as propriedades mecânicas e reduzir os desgastes provenientes do
trabalho repetitivo.
As técnicas de endurecimento superficial de peças e ferramentas são largamente empregadas na indústria por
proporcionar ao material elevadas durezas superficiais ao mesmo tempo em que mantém um núcleo relativamente tenaz
(Lampman, 1991; Davis, 2002; Krauss, 2005), dentre as técnicas a mais utilizada para este processo é a Nitretação que é
um método de endurecimento superficial para aumentar a resistência ao desgaste de fadiga superficial e por
deslizamento, ocorrente nos moldes.
A nitretação pode ser a gás por difusão ou através do canal de plasma que tem sido largamente a mais empregada
para melhorar as propriedades da superfície de vários materiais de engenharia Sun e Bell (1991). Durante o processo de
nitretação a plasma, conforme Skonieski et al (2008) a reação não ocorre apenas na superfície, mas também na
subsuperfície. Como resultado, uma fina camada de nitretos de ferro é produzida na superfície juntamente com uma
zona de difusão espessa e dura. Isso não só aumenta a resistência à fadiga e ao desgaste por deslizamento, mas também
a capacidade de carga do componente. Além de possuir uma grande vantagem em relação a nitretação gasosa.
Enquanto na nitretação a gás é tecnicamente excluída a possibilidade de se nitretar abaixo de 500ºC, no plasma é
possível tratar as peças a partir de 375ºC.
O processo de EDM é explicado por algumas teorias dentre elas a termoelétrica desenvolvida por König e Klocke
(1996) dividindo o processo em quatro fases, dentre elas ocorre a formação do canal de plasma devido a variação em
altíssima velocidade da fase de ignição, que é mantido em um curto período de tempo regulado pelo operador durante o
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processo. Este canal de plasma pode ser aproveitado para promover a implantação dos íons de hidrogênio realizando
uma semelhança do processo de nitretação a plasma.
Segundo Yan et al. (2005) e Camargo et al. (2009) os resultados de sua pesquisa apresentaram a possibilidade de
enriquecer superfícies com nitretos na usinagem por descargas elétricas de amostras de titânio aeronáutico. Eles
utilizaram solução de água deionizada e ureia, como fluido dielétrico neste processo. Yan et al (2005) observaram a
formação de uma camada de nitreto de titânio na superfície. Foi verificado um ganho na resistência ao desgaste por
deslizamento. Camargo et al (2009) identificaram uma camada enriquecida por TiN da ordem de 7 μm. A dureza dessa
camada foi da ordem 60 % superior a da matriz.
De acordo Santos (2013), o processo de nitretação por EDM é característico pela formação de uma zona refundida,
e logo abaixo ocorre alterações microestruturais de uma cor ligeiramente mais escura formando uma sombra conhecida
como zona afetada pelo calor.
O objetivo deste trabalho foi avaliar a influencia da corrente elétrica na espessura da camada nitretada através do
processo de usinagem por descargas elétricas (EDM) em uma solução de água deionizada e ureia, utilizando eletrodo de
cobre eletrolítico e amostras de aço AISI H13. Para tanto, foram analisadas: Dureza e formação da camada nitretada.
2. METODOLOGIA
O trabalho foi realizado em uma maquina de EDM por penetração, modelo Servpack EDM 540NC, juntamente com
uma cuba auxiliar em aço inox 304 e bomba de circulação do fluído, conforme ilustrado na Fig. (1). Como fluido
dielétrico foi usado água deionizada em solução com ureia. As correntes elétricas do processo utilizadas foram: 10, 20,
30 e 40 Amper, fixando a concentração de ureia em 10 g/l, sendo o volume utilizado de 30 litros para garantir a
submersão da amostra. Posteriormente variou-se a concentração da solução, utilizando: 10, 20, 25 e 40 g/l, mantendo
fixa a corrente de 30 Amper. Em todos os ensaios foram garantido a concentração da solução e a limpeza do eletrodo e
peça sob circulação do fluido a uma pressão de 0,5 bar.
Figura 1. Eletroerosão por penetração EDM 540 – Corrente máxima (40Amper)
Para obtenção da água deionizada utilizou-se um Deionizador portátil a base de resina mista aniônica e Catiônica
que realizou a desmineralização da água abaixando a condutividade para 2 µs/cm. A solução foi preparada com auxílio
de uma balança digital para a pesagem da ureia em grãos, diluindo posteriormente em um recipiente e agitado por 30
segundos. Após cada diluição a condutividade foi medida com auxílio de um condutivímetro portátil.
As amostras de aço AISI H13 foram fabricadas com dimensões de 18 mm de diâmetro e 11 mm de espessura
utilizando um torno CNC com refrigeração sob pressão, evitando qualquer aquecimento e alteração da microestrutura.
Para facilitar a preparação metalográfica, algumas amostras foram seccionadas ao meio, no sentido da espessura, antes
da usinagem por EDM.
Os testes por EDM conforme ilustrado na Fig. (2), foram realizados primeiramente no grupo em que se variou a
corrente elétrica e posteriormente no grupo em que se alterou a concentração da solução. Em todos eles as amostras
seccionadas foram embutidas para análise metalográfica. O material para a confecção dos eletrodos foi o cobre
eletrolítico. Adotou-se o formato cilíndrico com diâmetro externo de 5/8” e comprimento de 30 mm.
Para o ensaio de Difração de Raios-X (DRX), as amostras mantiveram o formato cilindro, realizando um ensaio de
com ângulo 2θ com exposição de 40 minutos em cada amostra. No ensaio de microdureza utilizou-se um
microdurômetro da marca Shimadzu, com carga de 5 a 500 gramas por endentação.
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Figura 2. Usinagem das amostras por EDM.
2.1. Parâmetros do processo de EDM
O regime de trabalho estabelecido foi desbaste de cavidade conforme os parâmetros de usinagem ilustrados na Tab.
(1). Cada teste teve duração de 8 minutos sendo repetidas três vezes em cada condição dos diferentes valores de
corrente e concentração de ureia.
Tabela 1. Parâmetros de entrada do Processo de EDM
Parâmetro
Unidade
Polaridade da ferramenta Positiva
Positiva
Tensão
150
V
Corrente
10,20, 30 e 40
A
Ton
100
μs
DT
50
%
Tempo de erosão
2
s
Afastamento periódico da ferramenta
1
µm
Intervalo entre tempo de erosão e afastamento periódico da ferramenta
0,5
s
Para a usinagem com melhor eficiência utilizou-se o eletrodo com polaridade positiva, permitindo uma melhor
remoção de material e boa condição para abertura do arco elétrico. A tensão de ionização na formação do canal de
plasma foi mantida constante em 150 v. O tempo de duração do pulso de 100 microsegundos garantiu um baixo
desgaste no eletrodo, combinado ao DT de 50%, que está relacionado com o tempo de pausa do canal de plasma. A
corrente de descarga foi variada de 10, 20, 30 e 40 Amper, mantendo todos os demais parâmetros constantes. O Gap e a
sensibilidade foram ajustados de forma a garantir os valores de corrente constante durante o processo em cada amostra.
2.2. Fluido dielétrico
A ureia foi diluída em água deioniza sendo sua condutividade monitorada através de um condutivímetro portátil
com faixa de medição de 0 a 1999 μs/cm e incerteza de ±2%. A água deionizada foi obtida com a utilização de água
potável sendo sua condutividade média de 40 μS/cm. Após passar por um elemento filtrante de 25 μm em um aparelho
deionizador, ocorreu a redução da condutividade elétrica média da água para valores na ordem de 3 μs/cm. As
concentrações a sua condutividades após a solução estão apresentadas na Tab. (2). Em todas estas concentrações foi
possível abrir o arco elétrico para realizar o zeramento, ou seja, a referência inicial do processo de usinagem com a peça
e o eletrodo submerso na solução.
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Tabela 2. Condutividade da solução de água deionizada x ureia
Concentração de ureia (gramas/litro)
Condutividade (μs/cm)
0
3
10
13
20
27
25
33
40
38
2.3. Características avaliadas no processo de nitretação por EDM.
Após a usinagem, as amostras cortadas foram embutidas com resina para embutimento a quente da marca Struers
do tipo Durofast, específica para embutimento a quente com preservação das bordas, conforme ilustrada na Fig. (3),
avaliando posteriormente a variação da espessura da camada de cor escura formada abaixo da camada branca, com
auxílio de um microscópio ótico da marca CARL ZEISS com ampliação de 20 a 1000X, acoplado ao software Axion
Vision versão 4.9.1 para visualização e medição da imagem.
Figura 3. Amostra em aço H13 embutida a quente
A microdureza Vickeres foi mensurada ao longo da camada modificada através de um microdurômetro Shimadzu
com carga de 5 gf
e ampliação da imagem de 400x. O modo de aplicação da carga foi o de
Carregamento/Descarregamento com tempo de permanência de 10 segundos.
Para a verificação da presença de nitretos foi realizada a difração de raios-x convencional, Bragg-Brentano ou θ-2θ.
As especificações técnicas do difratômetro e os parâmetros de varredura estão descritos na Tab. (3).
Tabela 3. Especificações técnicas e parâmetros usados na DRX θ-2θ.
Parâmetros
Radiação
Voltagem do tubo
Corrente 30
Modo de varredura
Espaçamento
Velocidade de varredura
Tempo de varredura por ponto
Ângulo inicial (2θ)
Ângulo final (2θ)
Unidade
CuKα
40
KV
30
mA
Tempo Fixo
0,02º; 0,03º; 0,05º
2
Graus/minuto
5
segundos
10
Graus
100
Graus
3. RESULTADO E DISCUSSÃO
Os resultados da variação da espessura da camada nitretada e da camada branca estão apresentada na Fig. (4a) e
(4b), considerando a usinagem com variação da corrente elétrica na mesma concentração de ureia em água deionizada.
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Figura 4. Variação da corrente elétrica no processo de usinagem por EDM.
Os resultados do aparecimento de uma camada formando uma sombra estão compatíveis com as verificações
citadas por Santos (2013), a corrente elétrica exerce uma influência significativa na formação desta camada,
multiplicando a corrente elétrica do processo de EDM em 4 vezes, obteve um acréscimo na ordem de 230% na
espessura da camada alterada, passando de uma espessura média de 7,38 ±0,06 µm para 17,41±1,02µm. A intensidade
da corrente pode ter proporcionado um canal de plasma mais concentrado aumentando a zona afetada pelo calor,
promovendo nesta região uma alteração microestrutural. A Fig.(5a,b,c,d) ilustra os resultados obtidos na variação da
concentração de ureia em água deionizada de 10, 20, 30 e 40 g/l usinando no processo de EDM com uma corrente fixa
de 30Amper.
Figura 5: Variação da concentração de ureia na usinagem por EDM.
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Os resultados das diferentes concentrações de ureia apresentaram uma pequena variação na espessura da camada
alterada, considerando a concentração de ureia de 10g/l como referência, houve um pequeno aumento para a condição
de 20g/l, 30g/l e 40g/l, A Tabela 4 apresenta a média e os desvio padrão das medições da camada alterada de cada
condição, mostrando que a concentração não contribuiu de forma significativa para a formação da camada alterada,
sendo a corrente elétrica a fator preponderante constatado na fig. 4.
Tabela 4: Média e desvio padrão das espessuras das camadas nas amostras com variação de concentração.
Amostra
Espessura camada
Espessura da camada
Espessura Total
Alterada (ZAC)
branca (ZR)
µm 10g/l
9,44±0,94
19,84±3,08
29,28±3,30
20g/l
8,34±0,63
20,85±1,35
29,19±1,89
30g/l
10,36±0,54
20,61±1,66
30,97±1,96
40g/l
11,80±1,85
17,91±0,59
29,71±2,25
A figura (6) apresenta um perfil de microdureza Vickers das amostras usinadas com correntes de 10, 20, 30 e 40
Amper, verificando as diferenças ao longo da superfície da amostra, varrendo a camada refundida e passando pela
camada nitretada.
Figura 6: Perfil de dureza das amostras com variações de corrente.
Os resultados dos ensaios de dureza apresentaram uma variação significativa em relação a matriz que tem a dureza
média de 160HV. Na região da camada refundida houve uma dureza entre 401HV a 448HV, na camada nitretada abaixo
da refundida dureza média para a amostra de 10g/l foi de 381HV e de 339HV, 366HV e 334HV respectivamente para as
demais condições, mantendo uma média de dureza de 355HV para a região alterada em sua microestrutura. Na região
da distância de aproximadamente 30 µm, sendo que esta profundidade ultrapassa a média da espessura da camada
modificada, obteve uma dureza em torno de 180HV que ainda é superior a dureza da matriz.
A Fig. (9) ilustra o espectro do ensaio de DRX obtido na superfície usinada com água deionizada e ureia nas
correntes de 10, 20, 30 e 40 Amper.
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Figura 7: Imagem do espectro de DRX em amostra de aço AISI H13.
Verificando a formação de nitretos durante o processo de usinagem por EDM, observa-se a presença de picos de
nitretos tipo FeN (111) e (220); tipo ε-Fe2-3N (110) e tipo Fe2N (202). A fase Fe-α (ccc – cúbica de corpo centrado) foi
encontrada sendo (110) a orientação cristalográfica predominante. Também é verificada a presença de óxido de ferro
(Fe203) e de cobre nesses difratogramas. Segundo Santos (2013), o óxido é proveniente do oxigênio presente na água e
na ureia e o cobre do eletrodo ferramenta.
4. CONCLUSÕES
Ocorre a nitretação no processo de usinagem por EDM utilizando água deionizada e ureia, sendo a corrente elétrica
a principal variável para aumentar a espessura da camada nitretada, o aumento da concentração também influência,
porém atribui uma perda de eficiência ao processo, devido o aumento da condutividade elétrica da solução, o que
dificulta a abertura do canal de plasma, que pode caracterizar menor capacidade de implantação iônica do hidrogênio
presente na solução.
O aumento da dureza foi evidenciado, elevando de 160 HV no metal base para a 355HV em média na região
nitretada. Não ocorrem variações significativas de dureza nesta região em diferentes correntes ou concentrações.
A presença de nitretos como ε-Fe2-3N (110) pode ser mais bem evidenciado na corrente de 40 Amper.
5. AGRADECIMENTO
Ao CEFET MG, pela disponibilidade dos laboratórios necessários para este trabalho. A PUC Minas pela
contribuição dos equipamentos para análise metalográfica.
6. REFERÊNCIAS
CAMARGO, B. C.; COSTA, H. L.; RASLAN, A. A. Endurecimento Superficial de Uma Liga Ti6Al4V por meio de
Usinagem por Descargas Elétricas. In: COBEF Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 5, 2009,
Belo Horizonte, MG.
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FONSECA, M. T. Teoria fundamental do processo de fundição sob-pressão, Itaúna, SENAI-DR. Minas Gerais,
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SANTOS, R. F. Influência do Material da Peça e do Tratamento Térmico na Eletroerosão dos Aços AISI H13 e
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SANTOS. R.F . NITRETAÇÃO POR EDM DO AÇO AISI 4140. 2013. 129f. Tese (Doutorado). Universidade
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7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
EVALUATION OF ELECTRIC CURRENT ON PROCESS FOR NITRIDING EDM IN STEEL AISI H13.
Abstract: In the process of machining by electrical discharge (EDM) using as a dielectric fluid to deionized water,
added to the hydrogen-based compound, was observed in a homogeneous layer below the white layer nitrides
formation (remelted zone). The aim of this study was to evaluate the variation of the thickness of this layer in nitrided
steel AISI H13 ranging the electric current in the process (EDM) using an EDM machine by penetration capable of
discharges of up to 40 Amperes.. The samples were submerged in deionized water machined in solution with urea. We
assessed four different chains (10, 20, 30 and 40A) steel sample AISI H13 machined electrolytic copper electrode in a
solution with a concentration of 10g / liter of urea. Also evaluated were the concentrations of urea solution (10, 20, 25
and 40 g / liter) machined with a fixed current of 30 amperes. The variation of the current results showed that
increasing the chain directly influences the growth of the thickness of the nitrided layer, a more intense plasma channel
during melting can detach a larger amount of nitrogen in solution which can form compounds with elements present
AISI H13 steel in obtaining a greater amount of nitrides. In the variation of concentration was also observed that
increasing the amount of urea in the solution also affects the increase of the layer thickness but less relevance to the
current. Through characterization of hardness and X-ray diffraction was performed to verify the increase of the
hardness and the appearance of nitride in the samples.
Keywords: nitrided, Urea, AISI H13, EDM