cromatização em caixa utilizando forno a vácuo
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SÉRGIO MEDEIROS DOS SANTOS
CROMATIZAÇÃO EM CAIXA UTILIZANDO FORNO A VÁCUO
Curitiba
2010
SÉRGIO MEDEIROS DOS SANTOS
CROMATIZAÇÃO EM CAIXA SOB VÁCUO
Dissertação apresentada como requisito parcial
à obtenção do grau de Mestre. Área de
concentração: Engenharia e Ciência dos
Materiais, Programa de Pós-Graduação em
Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE.
Setor de Tecnologia, Universidade Federal do
Paraná.
Orientador: Prof.(a). Dr.(a). Ana Sofia Clímaco
Monteiro D’ Oliveira.
Curitiba
2010
v
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................. vi
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. vii
LISTA DE TABELAS .................................................................................................. ix
LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................ x
1. INTRODUÇÃO .....................................................................................................1
1.1 OBJETIVOS...................................................................................................4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................6
2.1 DIFUSÃO .......................................................................................................6
2.2 SISTEMA Fe-C-Cr .........................................................................................8
3. METODOLOGIA....................................................................................................11
3.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................11
3.2 MATERIAIS..................................................................................................12
3.3 DESENVOLVIMENTO .................................................................................16
3.4 TÉCNICAS DE AVALIAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO ..................................18
3.4.1 Análise metalografica e determinação de perfis de micro dureza. ............18
3.4.2 Caracterização por Microscopia Eletrônica de Varredura e espectroscopia
de raios –X por energia dispersiva (EDS) ..........................................................19
3.4.3 Rugosidade superficial (Rz) ......................................................................20
3.4.4 Testes de Aderência por Riscamento (“Scratch Test”) com aplicação de
Força Variável ....................................................................................................22
3.4.5 Análises por Difração de raios-X (DRX) ....................................................23
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ..........................................................................24
4.1 AVALIAÇÕES DOS PARÂMETROS DE PROCESSO.................................24
4.1.1 Efeito do volume das caixas na profundidade de difusão .........................24
4.1.2 Efeito do tempo de processamento...........................................................30
4.1.3 Rugosidade superficial ..............................................................................36
4.2 EFEITOS DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO SUBSTRATO.........................38
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES...........................................................................58
5.1 CONCLUSÕES ............................................................................................58
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...........................................59
6. REFÊRENCIA BIBLIOGRÁFICA...........................................................................60
vi
AGRADECIMENTOS
A Professora Ana Sofia Clímaco Monteiro D’ Oliveira pelo incentivo e orientação
deste trabalho.
A Robert Bosch Ltda unidade de Curitiba, em especial aos mestres Rogério Pitella e
Humberto Ogata, pela disponibilização da infra-estrutura para a execução deste
trabalho.
A amiga Alba Regina Turin pelas longas e agradáveis discussões acerca de diversos
assuntos relacionados a este trabalho e pela cooperação técnica.
Aos amigos Wanderley Emerson de Britto e Marco Antonio Valente pela cooperação
técnica.
Ao meu grandioso Pai Jorge Dos Santos, e maravilhosa mãe Terezinha Medeiros
Dos Santos, primeiramente por eu existir e por cuidar de minhas princesinhas na
minha ausência.
Finalmente, às minhas meninas (Luisa e Julia) pela longa paciência e compreensão
que se dispuseram ao longo da execução dessa árdua tarefa.
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Influência da mistura ativadora em relação ao tempo de processamento..
03
Figura 2 Energia potencial necessária de migração dos átomos em função de sua posição na rede cristalina.
03
Figura 3 Energia potencial de migração dos átomos como uma função de sua posição na rede cristalina.
06
Figura 4 Difusividade de solutos intersticiais e substitucionais na ferrita. 07
Figura 5 Diagrama de equilíbrio do sistema binário Fe-Cr. 10
Figura 6 Diagrama de equilíbrio do sistema ternário Fe-C-Cr. 10
Figura 7 Corpos de prova utilizados nos estudos. 14
Figura 8 Caixas utilizadas na cromatização. 15
Figura 9 Forno a vácuo. 15
Figura 10 Caixas após cromatização, com a mistura cromatizante e corpos de prova.
16
Figura 11 Micro durômetro automático LECO. 18
Figura 12 Microscópio eletrônico de varredura. 19
Figura 13 Representação gráfica do perfil do Rz. 20
Figura 14 Classificação de rugosidade superficial conforme NBR 8404/1984.
21
Figura 15 Equipamento para ensaio de risco. 22
Figura 16 Microestrutura aço C45 após cromatização por 1000°C por 60 minutos. Locais de exame e característica do filme de carbeto.
25
Figura 17 Espessura dos filmes de carbetos de cromo. 26
Figura 18 Micrografia dos filmes de carbetos formados na superfície. 27
Figura 19 Perfil químico composicional do aço AISI 1020. 28
Figura 20 Profundidade total da difusão de cromo nos substratos. 29
Figura 21 Espessura dos filmes de carbeto de cromo e nitretos formados na caixa com menor volume.
30
viii
Figura 22 Espessura dos filmes de carbeto de cromo e nitretos formados na caixa com maior volume.
31
Figura 23 Profundidade total de difusão nos aços nas caixas com menor volume.
32
Figura 24 Profundidade total de difusão nos aços nas caixas com maior volume.
32
Figura 25 Razão entre a espessura dos filmes de carbetos pelo tempo de processamento observado nas caixas com menor volume.
35
Figura 26 Razão entre a espessura dos filmes de carbetos pelo tempo de processamento observado nas caixas com maior volume.
35
Figura 27 Aspecto superficial de aço AISI 1020 após cromatização. 37
Figura 28 Rugosidade superficial (Rz) aços AISI 1020, C45Pb e X40, antes e depois de cromatizados.
38
Figura 29 Microestrutura formada nos substratos após cromatização. 40
Figura 30 Difratograma da superfície do aço AISI 1020. 43
Figura 31 Difratograma da superfície do aço C45. 44
Figura 32 Difratograma da superfície do aço X40. 45
Figura 33 Dureza superficial HV 0,05 (Caixa com menor volume). 47
Figura 34 Dureza superficial HV 0,05 (Caixa com maior volume). 47
Figura 35 Ensaio de riscamento aço AISI 1020. 49
Figura 36 Ensaio de riscamento aço C45. 50
Figura 37 Ensaio de riscamento aço X40. 51
Figura 38 Ensaio riscamento em aços cromatizados a 950 °C. 52
Figura 39 Estado das tensões residuais nos substratos cromatizados na caixa com menor volume.
54
Figura 40 Estado das tensões residuais nos substratos cromatizados na caixa com maior volume.
54
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Tipos de carbetos presentes no sistema ternário Fe-C-Cr. 9
Tabela 2 Seqüência de atividades e experimentos. 11
Tabela 3 Composição dos reagentes da mistura de cromatização 12
Tabela 4 Composição química dos aços utilizados nos estudos. 13
Tabela 5 Parâmetros dos processos de cromatização. 17
Tabela 6 Composição química (EDS-RX) das fases formadas nos aços. 26
Tabela 7 Espessura dos filmes de carbetos (Literatura). 33
Tabela 8 Espessura dos filmes de carbetos. 34
Tabela 9 Estequiometria dos carbetos e nitretos formados após cromatização à 1000°C por 60 minutos.
41
x
LISTA DE ABREVIATURAS
AISI American Iron and Steel Institute.
DIN Deutsch Industrie Normen.
SAE Society for Automotive Engineers.
ASTM American Society for Testing Materials.
EDS Energy Dispersive Spectrum.
RX Raios-X.
eV Elétron-volt.
Rz Rugosidade superficial.
K-Cu Radiação tubo de cobre.
K-Cr Radiação tubo de cromo.
TR Tensões residuais.
xi
RESUMO
Na indústria automobilística, com as legislações ambientais cada vez mais
rigorosas, com relação à emissão de gases poluentes, exigem-se para sistemas a
Diesel, componentes que resistam a pressões de trabalho superiores a 2500bar.
Neste sentido o desenvolvimento de ligas e tratamentos termoquímicos de
cromatização em caixa apresenta grande interesse da indústria por atribuir aos
materiais propriedades físicas e mecânicas, possibilitando a componentes
atenderem a aplicações cada vez mais severas.
Este trabalho é inédito ao utilizar condições de pressões sob vácuo na
cromatização em caixa, atingindo até 10-2 bar, contrastando com os processos
descritos na literatura que se utiliza de gases inertes para proteção contra oxidação
do cromo em processos sem controle de pressão. Desta forma esse estudo teve
como objetivo principal, estudar as variáveis do processamento de cromatização em
caixa utilizando forno a vácuo, em relação ao tempo e ao volume da caixa. Para
isso, foram utilizadas caixas de aço inoxidável com volumes diferentes, dado a
mesma quantidade de mistura cromatizante. Os aços utilizados como substratos
foram: AISI 1020, DIN C45 Pb e DIN X40CrMoV5-1. Esses materiais foram
acondicionados no interior das caixas e submetidos ao processo com temperatura
de 1000°C por 20, 40 e 60 minutos.
A avaliação do processo foi com base na influência do volume da caixa e o
comportamento da difusão em relação aos tempos de processo, tendo como
variáveis de resposta a alteração da rugosidade superficial, a espessura do filme de
carbeto formado, bem como a profundidade total de difusão. Num segundo momento
foi estudado o efeito da composição química dos substratos, avaliando a
microestrutura formada, a dureza superficial e a resistência mecânica da superfície
através da resistência ao riscamento, bem como as tensões residuais geradas.
Os resultados mostraram que os substratos cromatizados sob vácuo
apresentam excelentes propriedades mecânicas. Dentre essas propriedades
destaca-se a dureza superficial na ordem de 1800 Vickers associada ao incremento
das tensões residuais de compressão, resultando no não desplacamento do filme de
carbetos frente ao ensaio de risco. Verificou-se a partir das análises de raios-X que
os substratos cromatizados apresentam, de forma geral, alterações metalúrgicas
xii
significativas, com a formação de carbetos de cromo, ferro e nitretos, possibilitando
atribuir aos materiais propriedades direcionadas para a aplicação desejada com
potencial de aplicação em componentes de sistemas e de máquinas.
xiii
ABSTRACT
At the automotive industry, with the environmental regulations becoming more
and more restrictive, it is necessary to Diesel systems, components which can resist
to very high levels of working pressure 2500bar or higher. In order to respond to this
necessity, the development of alloys and thermo chemical treatments for pack
chromatizing.
This paper shows an original way to perform this process, using vacuum
conditions (pressure inside the box reaches 10-2bar), in contrast with the processes
described at the literature, which uses inert gases to protect chromium against
oxidation in low pressure or uncontrolled processes. This study has the objective of
study the variables of the vacuum chromatizing process related to time and box
volume. In order to do that, stainless steel boxes with different volumes were used,
all of them containing the same quantity of chromatizing mixture. The steel types
used as substract were: AISI 1020, DIN C45Pb and DIN X40CrMoV5-1. Samples
made from these material types were put in the boxes and submitted to a
temperature of 1000ºC during 20, 40 and 60 minutes.
The process evaluation was done based on the influence of the pack volume
and on the relation between diffusion behavior and process time. Surface roughness
change, thickness of carbide superficial layer and diffusion total depth were used as
response variables. On a second step, the effect of the substract chemical
composition was analyzed. It was done by evaluating the microstructure, the
superficial hardness, the mechanical resistance the method used was the scratch
test and the residual stresses of the samples.
Results shown that the chromatized steels at vacuum condition presented
excellent mechanical properties. Among these properties, a superficial hardness of
1800 Vickers associated to an increase of compressive residual stresses resulting on
undetachable carbide layer at scratch test must be mentioned. It was also verified,
thought X-ray analysis, significant metallurgic changes at the substracts, which can
be controlled by modifying box dimensions. These changes allow attributing pre-
determined properties to different substract materials, depending on its employment,
which is a very important characteristic to materials applied on heavy machinery
components.
xiv
1
1. INTRODUÇÃO
Na indústria automobilística com as legislações ambientais cada vez mais
rigorosas, com relação a emissões de poluentes em motores a diesel, exigem-se
sistemas com componentes que resistam a pressões de trabalho superiores a 2500
bar, como por exemplo, a legislação EURO VI. Com isso, na indústria, o
desenvolvimento de novos processos e materiais se torna um fator de sobrevivência
no mercado frente à competitividade industrial. Esse trabalho contribui para o
desenvolvimento de tratamentos termoquímicos em aços, com intuito de atribuir aos
materiais propriedades mecânicas, possibilitando atender às solicitações cada vez
mais severas.
As vantagens dos tratamentos termoquímicos para melhorar as propriedades
tribológicas, resistência à fadiga e à corrosão das ligas ferrosas são conhecidas há
tempos. Vale, no entanto salientar que as propriedades mecânicas dessas ligas, em
termos de resistência ao impacto, sofrem redução devido à perda de ductilidade e/ou
tenacidade [1].
O processo de cromatização em caixa pode ser definido como um tratamento
termoquímico que envolve a introdução de cromo na forma atômica por difusão no
interior do reticulado cristalino de ligas ferrosas.
As temperaturas normalmente utilizadas são na faixa de 950 a 1200°C,
conseqüentemente, no processo de cromatização de aços, ocorre a transformação
de fase que está relacionada com a formação de carbetos de cromo e ferro e
nitretos, quando presente o carbono na liga do substrato ou no meio da mistura
cromatizante e o enriquecimento com Cr da solução sólida rica em Fe. [2, 3].
Há estudos de cromatização mole (soft chromizing) e cromatização dura (hard
chromizing). A cromatização mole é aplicada para aços com teores de carbono entre
0,1 a 0,2% em peso, resultando em materiais com boa resistência à corrosão a altas
temperaturas. Nesse processo ocorre a difusão do cromo no material. Já a
cromatização dura abrange aços com teores de carbono acima de 0,3 % em peso e
aços ligados, gerando camadas muito duras de carbetos de cromo, muito resistentes
ao desgaste e corrosão [3].
2
Com intuito de desenvolver revestimentos que associem alta resistência
mecânica e tenacidade, a cromatização em caixa é um processo promissor. A
cromatização em caixa (Pack chromizing) possibilita, devido à difusão de cromo no
material, o ganho em resistência à corrosão e ao desgaste, resultando em aumento
da vida útil de componentes, quando submetidos a atrito, altas temperaturas e
ambientes corrosivos. Há poucas limitações para esse processo, e com custos
relativamente baixos, atinge-se elevados profundidades de camadas difundidas [3,
4].
Com a utilização de reagentes na mistura cromatizante, normalmente
compostas de: pó de cromo, cloreto de amônio e/ou cloreto de sódio e óxido de
alumínio, que reagem quando expostos a altas temperaturas, formando o cloreto de
cromo (CrCl2), reagindo na superfície do substratos de aço, ocorrendo a difusão [5,
6].
Com a exposição dos reagentes a altas temperaturas, o cloreto de amônia
e/ou de sódio é quebrado em HCl, N2 e H2, O HCl formado reage com o cromo da
seguinte forma:
2HCl (g) + Cr (s) CrCI2(1) + H2(g).
Assim, durante a cromatização em caixa as pressões parciais dos cloretos de
cromo (CrClx) são suficientemente altas para os transferir pela fase de gás para a
superfície de aço, onde o CrClx dissocia em Cr metálico e HCl, de acordo com:
CrClx (g) + xH2(g) Cr(s) + 2xHCl(g).
O cromo metálico se deposita e se difunde na superfície metálica e o HCl
subseqüente transferido novamente para o pó reagindo novamente para formar
CrClx. Isto conclui o ciclo do Cl na fase de gás [5, 6].
Para manter a temperatura estável e distribuir homogeneamente os reagentes
dentro da caixa é utilizado óxido de alumínio (Al2O3).
A figura 1 mostra a influência do tipo de ativador no tempo de reação na
cromatização em caixa sem controle de pressão. Há uma redução do ativador NH4Cl
3
em 50% até 4h de tratamento, e com a utilização de NaCl como ativador, a reação
se mantêm estável por até 18 horas de tratamento. [7].
Figura 1 – Influência da mistura ativadora em relação ao tempo de processamento -
4% NaCl + 2 % NH4Cl a 1120ºC. Adaptado de [7].
Na figura 2 observa-se a influência da temperatura e tempo no processo de
difusão de cromo em um aço ligado AISI D2, onde quanto maior a temperatura maior
a profundidade da camada de carbeto de cromo, como observado em processos
termoquímicos [8].
Figura 2. Dependência da temperatura na cinética de formação de camada de
carbeto de cromo em Aço AISI D2 [8].
4
O processo de cromatização em caixa é um processo de grande interesse
industrial, como tal há poucos estudos divulgados na literatura cientifica, preferindo-
se a submissão de patentes, além disso, todos os experimentos são realizados em
fornos com atmosferas com pressões não controladas com a utilização de gases
inertes como argônio para impedir a oxidação do cromo. Não foram encontrados
trabalhos de cromatização em caixa sob vácuo.
1.1 OBJETIVOS
Esse trabalho propõe estudar o processo de cromatização em fornos a vácuo
com pressão de 10-2 bar utilizando caixas de aço inoxidáveis.
O objetivo geral deste trabalho é o estudo das variáveis de processamento,
temperatura, tempo e volume da caixa na profundidade da camada difundida e na
microestrutura formada e correspondentes propriedades mecânicas. O tratamento
será realizado em aços ao carbono com diferentes teores de carbono (AISI 1020 e
DIN C45Pb) e aço ligado (DIN X40CrMoV5-1), com intuito de avaliar o impacto das
variáveis em estudo em diferentes tipos de substrato.
1.1 Objetivos específicos
Avaliar o efeito do tempo de exposição nas características das superfícies
(profundidade difundida, microestrutura e propriedades mecânicas);
Identificar o impacto do volume da caixa nas características das superfícies
(profundidade difundida, microestrutura e propriedades mecânicas);
Avaliar o efeito na composição química do aço a ser cromatizado nas
características da superfície.
Para atender aos objetivos da pesquisa, abaixo estão descritas as técnicas de
caracterização das amostras:
Processamento:
a) Avaliação da influência do processo na rugosidade superficial;
5
b) Avaliação do potencial de cromatização através da caracterização da
espessura do filme de carbeto formado na superfície;
c) Caracterização da profundidade de difusão de cromo através de perfil químico
composicional realizado com espectrometria de raios-X por energia dispersiva
(EDS).
Características superficiais:
d) Avaliação da microestrutura por microscopia ótica e eletrônica de varredura;
e) Caracterização das fases formadas por difração de RX;
f) Medição das propriedades mecânicas através de micro dureza e teste de
riscamento;
g) Análise do estado das tensões residuais por difração de RX.
6
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 DIFUSÃO
A ocorrência de diversos fenômenos de transporte de massa dentro de um
sólido e entre sólido-sólido, ou até mesmo entre um sólido-líquido e sólido-gás são
controlados por difusão [9, 10].
A difusão é um movimento de átomos, íons ou moléculas como resultados da
agitação térmica (vibração atômica), sendo um processo muito rápido entre gases e
líquidos, porém muito lento entre sólidos, onde o movimento é muito restrito. Apesar
disto, a difusão é a responsável pela maioria das reações sólido-sólido. É um
processo espontâneo, resultando na diminuição da energia livre ou,
alternativamente, aumentando a entropia do sistema. Para qualquer átomo ou
molécula se mover de uma posição para outra da estrutura do cristal, é preciso:
a) ultrapassar a barreira de energia potencial;
b) Espaço na estrutura para onde o átomo possa se alocar (figura 3).
Isto requer que uma energia de ativação que origine a vibração térmica dos
átomos ou moléculas, e a presença de vazios (lacunas) na estrutura cristalina [9,
10].
Figura 3 – Energia potencial necessária de migração dos átomos em função de sua
posição na rede cristalina [9].
7
Os metais apresentam grande número de vacâncias comparadas a outros
materiais, e esse número aumenta exponencialmente com o acréscimo da
temperatura, isso, facilita a difusão envolvendo o intercâmbio de átomos adjacentes
ou espaços vazios adjacentes. Na difusão substitucional, ocorre o movimento dos
átomos e das vacâncias durante a difusão, onde ocorre a mudança de posições
entre os átomos e vacâncias, sendo que os átomos seguem uma determinada
direção e as vacâncias seguem o mesmo sentido, mas em direção oposta aos
átomos [12, 13].
A figura 4 permite comparar a difusividade dos elementos carbono, nitrogênio
e hidrogênio, que são elementos intersticiais, com elementos substitucionais como
Mo, Si, Cr, mostrando que os elementos intersticiais têm difusividade maior em
relação aos átomos substitucionais no Ferro-α [10].
Figura 4. Difusividade de solutos intersticiais e substitucionais na ferrita [10].
A difusão através de sólido é governada pela 1ª lei de Fick (equação 1), que
diz: “A quantidade de material difundido (Fluxo J) por unidade de área, na unidade
de tempo, é proporcional ao gradiente de concentração, sendo que o fluxo ocorre no
sentido que tende a diminuir o gradiente de concentração” [9, 10].
Equação 1
J = -D (∂c/∂x) (1)
Onde:
8
“J” é o fluxo ou densidade da corrente difusiva, ou seja, é a quantidade de
material (número de átomos) difundindo por unidade de tempo por unidade de
área perpendicular ao eixo x;
A constante de proporcionalidade D é o coeficiente de difusão;
“c” é a concentração de átomos e “x” é à distância ao longo da direção em
que ocorre a difusão.
2.2 SISTEMA Fe-C-Cr
O conhecimento dos sistemas Fe-C-Cr e Fe-Cr, bem como das estruturas
cristalinas das fases presentes nesses sistemas é de grande utilidade para um
melhor entendimento dos mecanismos de endurecimento envolvidos na
cromatização dos aços [14].
Na cromatização, como conseqüência da difusão de cromo da superfície para
o núcleo do substrato, ocorre uma série de reações simultâneas que resultam a
zona de Difusão. As principais reações incluem: supersaturação da matriz, a
formação de carbetos de cromo, geração de tensões residuais. O processo introduz
tensões residuais de compressão na superfície, além da camada cromatizada ter
elevada resistência mecânica. Com a formação da camada de carbetos, por
diferenças de coeficientes de expansão térmica, e precipitados na camada de
difusão através da distorção do reticulado, são geradas tensões residuais
compressivas nas camadas mais externas do material [11, 14].
A penetração de cromo no substrato não depende apenas das características
de processo como temperatura, tempo e teor de cromo, mas também da composição
química do material que compõe o substrato [3].
Quando adicionado aos aços, o cromo pode promover uma contração do
campo austenítico, favorecendo a formação de carbonetos complexos de elementos
de liga. Ele pode ser dissolvido na cementita formando o carboneto (Cr, Fe)3C ou
pode constituir outros tipos de carbonetos de cromo: (Cr, Fe)23C6, (Cr, Fe)7C3. A
tabela 1 mostra a estequiometria de alguns tipos de carbetos de cromo formados em
9
substratos de aços [14]. Os elementos de liga presentes nos aços causam
modificações como expansão/contração dos campos austenítico e ferrítico,
deslocamento das curvas de transformação e formação de novas fases [6, 11].
Tabela 1 – Tipos de carbetos presentes no sistema ternários Fe-C-Cr [14].
Carbeto Rede de Bravais Parâmetro de reticulado, Ǻ Obs.
M3C Ortorrômbica a=2,8664 b=5,079 c=6,730
Dissolve até 18% em massa de Cr.
M23C6 Cúbica a=1,640 Dissolve até 35% em
massa de Cr.
M7C3 Hexagonal A=13,980 B=4,523
Dissolve de 30 a 50% em massa de Cr.
A figura 5 apresenta o diagrama de equilíbrio do sistema binário Fe – Cr, e a
figura 6 (a) e (b) dois sistemas ternários de Fe – C – Cr, sendo um com 0,1% de
carbono e outro com 5% de cromo [15].
Figura 5. Diagrama de equilíbrio do sistema binário Fe – Cr [15].
10
(a) (b)
Figura 6. Sistemas ternários de Fe – C – Cr (a) 0,1% de carbono; (b) 5% de cromo
[15].
11
3. METODOLOGIA
3.1 INTRODUÇÃO
Foram utilizados como substrato aços com baixo carbono (SAE 1020) e
médio carbono (DIN C45Pb) e aço ligado (DIN X40CrMoV5-1). Esses materiais
foram cromatizados em caixas confeccionadas com aço inoxidável AISI 316L, onde
os corpos de prova, juntamente com os reagentes: pó de cromo, cloreto de amônio,
cloreto de sódio e óxido de alumínio foram acondicionados dentro das caixas com
volumes diferentes e expostos a temperatura, para três tempos de tratamento.
Foram utilizados dois tipos de ativadores químicos na mistura cromatizante (NH4Cl +
NaCl) com o objetivo de manter a reação estável.
Os materiais foram caracterizados antes e após o processamento e
submetidos a ensaios mecânicos, a fim de avaliar as propriedades mecânicas das
Camadas difundidas, bem como seu comportamento em relação ao tempo, volume
do recipiente e ao tipo de substrato. Foram confeccionadas duas caixas, uma com
volume interno de 27,64cm3 e outra com 50,26cm3, dado a mesma quantidade de
reagente, materiais e temperatura. A tabela 2 apresenta a seqüência de atividades e
experimentos.
Tabela 2. Seqüência de atividades e experimentos.
Seqüência Atividade 1 Projetar e fabricar as caixas com os dois volumes diferentes para cromatização
em vácuo. 2 Confeccionar os corpos de prova a partir de barra de aços carbono AISI 1020,
C45Pb e X40CrMoV5-1. Faces lixadas: 220, 400 e 600 e polimento com pasta de diamante.
3 Medir rugosidade superficial (Rz), micro dureza superficial e tensão residual. 4 Cromatização a 1000°C – Pressão 10-2 bar – Tempos de processo: 20 minutos,
40 minutos e 60 minutos. 5 Imagem do aspecto superficial através de microscopia eletrônica de varredura. 6 Medir rugosidade superficial (Rz) conforme NBR 8404/1984. 7 Realizar ensaio de riscamento conforme DIN 1071-3. 8 Ensaios de micro dureza superficial HV 0,05 9 Análise de microestrutura e medição da camada de carbetos formado na
superfície via microscópio ótico e eletrônico de varredura. 10 Caracterização de fases e análise de estado de tensões residuais por difração
de RX. 11 Análise por espectroscopia de raios-x (EDS) para determinação da
profundidade total de difusão através do perfil químico composicional.
12
3.2 MATERIAIS
A composição dos pós da mistura cromatizante para cromatização em caixa
foi composta de: 2,5 gramas de pó de cromo; 5 gramas de ativador, sendo composto
de 2,5 gramas de cloreto de amônio e 2,5 gramas de cloreto de sódio e, finalmente,
como estabilizador de temperatura e para distribuir homogeneamente a mistura
dentro da caixa, 50 gramas de alumina. As concentrações foram definidas a partir
de dados citados na bibliografia, utilizando-se de dois tipos de ativadores com
objetivo de manter a ativação homogênea durante o processamento [7]. A tabela 3
apresenta a composição da mistura cromatizante e os respectivos fabricantes com a
identificação dos lotes de fabricação e as respectivas datas de validade.
Tabela 3. Composição dos reagentes da mistura de cromatização utilizados em
todos os experimentos.
Fabricante Reagente Fórmula Lote Validade Composição Pó de cromo
Cr
506744
Out/2010
Teor min. 98% Al = Max. 0,3% Fe = Max. 0,6% P = Max. 0,03% Si = Max. 0,2% S = Max. 0,04% C = Max. 0,03%
Cloreto de sódio P.A
NaCl
808247
Out/2012
Teor = 99% Al = Max. 0,2ppm As = Max. 1ppm SO4 = máx. 0,02ppm Pb = máx. 5ppm Fe = máx. 2ppm Ca = máx. 0,01% Br = máx. 0,01% K = máx. 0,05%
Cloreto de amônio
NH4Cl
804464
Jul/12
Teor = 99,5% PO4 = Max. 2ppm SO4 = Max. 0,002% Ca + Mg= Max 0,002% Pb = máx. 5ppm Fe = Max. 2ppm.
Vetec
Óxido de alumínio
Al2O3
503407
Jun/10
Teor = min. 99,8% Fe = Max. 0,03% Pb = Max. 0,005% Cl = Max. 0,005% SO4 = MÁX. 0,1% SiO2 = Max. 0,05%
13
Como substratos foram utilizados três tipos de aços carbono na condição
recozido. As especificações da composição química dos aços estão descritos na
tabela 4.
O aço baixo carbono, comercialmente denominado SAE 1020, foi fornecido
em barra com diâmetro de 19 mm. O segundo tipo de aço é médio carbono,
comercialmente denominado DIN C45Pb, utilizado para construção mecânica em
geral, sendo similar ao SAE 1045, porém acrescido de chumbo em sua liga para
facilitar a usinagem, sendo seu estado de fornecimento em barra com o diâmetro de
16,8 mm. O aço ligado tipo DIN X40CrMoV5-1 fornecido em barras com diâmetro de
14,4 mm. Este aço de alta temperabilidade é normalmente utilizado para trabalho a
quente. Oferece uma alta resistência à tração e ao desgaste a quente.
Tabela 4. Composição química dos aços utilizados nos estudos (% em massa).
Aço AISI 1020 C 0,13 a 0,25
Mn 0,3 a 0,6 P Max. 0,04 S Max. 0,05
Aço DIN C45Pb C 0,45 a 0,49 Cr 0,15 a 0,25 Si Max. 0,4 Ni Máx. 0,3 Mn 0,5 a 0,85 Cu Máx. 0,3 P Max. 0,035 Sn Máx. 0,03 S 0,02 a 0,04 Ti Máx. 0,005
Pb 0,15 a 0,30 O2 Máx. 0,005 Al Max. 0,04 Ca Máx. 0,0015 Mo Max. 0,1
Aço DIN X40CrMoV5-1 C 0,34 a 0,46 Ti Máx. 50 ppm Si 0,87 a 1,25 Al 0,25 a 0,065 Mn 0,26 a 0,54 Cu Máx. 0,3 P Máx. 0,025 As Máx. 0,04 S Máx.0,005 Sn Máx. 0,03 Cr 4,7 a 5,6 O2 Máx. 15 ppm Mo 1,1 a 1,6 N Máx. 150 ppm V 0,83 a 1,2 Ni Máx. 0,35
Os diâmetros distintos das barras foram utilizados para facilitar a identificação
dos materiais durante os experimentos, sendo: SAE 1020 = Ø 19 mm; C45Pb = Ø
16,8 mm; X40CrMoV5-1 =Ø 14,4 mm.
14
A preparação dos corpos de prova foi realizada com o corte transversal da
barra, com posterior preparação com lixas de granas: 220, 400 e 600 e polimento
com pasta de diamante granulação de 4 µm. A figura 7 mostra a forma dos corpos
de prova utilizados nos experimentos.
Figura 7. Corpos de prova utilizados nos experimentos. Cada tipo de material
apresenta um diâmetro. A = SAE 1020 Ø 19 mm; B = C45Pb Ø 16,8 mm; C =
X40CrMoV5-1 Ø 14,4 mm.
As caixas para acondicionamento das amostras foram confeccionadas em
aço inoxidável para reduzir a difusão de cromo para caixa, neste trabalho se utilizou
o aço AISI 316L. Foram produzidas duas caixas a partir de uma barra cilíndrica de
60 mm de diâmetro, as quais foram usinadas com dimensões internas de 22 mm de
altura por 40 mm de diâmetro, perfazendo um volume interno de 27,64 cm3, e outra
com 40 mm de altura por 40 mm de diâmetro, com volume total de 50,26 cm3.
Visando obter diferentes volumes no interior das caixas.
Na figura 8 são visualizadas as caixas utilizadas neste estudo. Ambas
apresentam espessura de parede de 10 mm, no fundo, no diâmetro e a tampa. Para
a fixação da tampa foram utilizados quatro parafusos M5x20, confeccionados com o
mesmo material da caixa. A rugosidade da região de vedação da tampa com a caixa
foi no em máximo 10µm. O torque aplicado nos parafusos foi 60 Nm, com intuito de
promover maior vedação metal-metal possível.
A B C
15
(a)
(b)
Figura 8. Caixas utilizadas na cromatização sob vácuo. (a) Caixa com volume
27,64cm3. (b) Caixa com volume 50,26cm3.
A cromatização foi realizada em forno á vácuo comercial (Figura 9), marca
Aichelin, com câmara de tratamento com dimensões adequadas para o tratamento
térmico de aços ferramentas (tempera) em regime de produção industrial. Os
elementos consistem em resistências espirais de carbono. A câmara é colocada sob
vácuo através de bomba de vácuo de pistão marca Edward´s modelo E1M175. O
aquecimento é liberado após atingir a pressão mínima de 10-2 Bar. O tempo de
exposição no experimento é considerado após o conjunto atingir a temperatura de
1000 °C.
Figura 9. Forno a vácuo modelo Aichelin utilizado na cromatização.
16
3.3 DESENVOLVIMENTO
Os corpos de prova das ligas de aço SAE 1015, C45Pb e X40CrMoV5-1,
foram acondicionados dentro das caixas juntamente com os reagentes da mistura de
cromatização conforme a figura 8.
Em cada experimento foram colocados doze corpos de prova dentro da caixa,
sendo quatro de cada tipo de material, ou seja, quatro corpos de prova do material
AISI 1020, quatro do material C45Pb e finalmente quatro corpos de prova do
material X40CrMoV5-1. Esse procedimento foi executado para ambas as caixas com
os volumes diferentes, utilizando-se sempre a mesma quantidade de mistura
cromatizante descrito na tabela 3. Na figura 10 (a) observa-se a caixa com volume
de 27cm3 com a mistura cromatizante e os respectivos corpos de prova em seu
interior, onde nota-se que o volume interno da caixa foi completamente ocupado
pelos reagentes e os corpos de prova. Na figura 10 (b) mostra a caixa com volume
de 50cm3, onde ainda há área sem preenchimento da mistura de cromatização e os
corpos de prova.
Na região de vedação entre a tampa e a caixa, mostrado nas figuras 10(a) e
(b) que ocorreu a cromatização nessa área. Isso indica que, apesar do acabamento
superficial e do torque aplicado (60N), na região onde ocorre a vedação entre a
tampa e a caixa não houve a estanqueidade completa, ocorrendo o vazamento do
cloreto gasoso promovendo a cromatização na região de vedação da caixa e da
tampa.
17
(a)
(b)
Figura 10. Caixas após cromatização a 1000°C por 60 minutos com a mistura
cromatizante e os corpos de prova. (a) Caixa com volume 27,64cm3, caixa
completamente ocupado pela mistura cromatizante. (b) Caixa com volume 50,26cm3,
a mistura cromatizante ocupa metade do volume.
Os experimentos foram realizados expondo as duas caixas simultaneamente
para cada tempo de 20 minutos, 40 minutos e 60 minutos respectivamente. As
caixas foram colocadas dentro da câmara de tratamento do forno sobre grelhas e
telas, as quais são confeccionadas com aço inoxidável austenítico. A tabela 5
descreve os parâmetros dos processos de cromatização executados.
Tabela 5. Parâmetros dos processos de cromatização executados nos estudos.
Experimento Temperatura de
processo Tempo de
processo (Minutos) Pressão (bar)
1 1000 ° C 20 10 -2
2 1000 ° C 40 10 -2
3 1000 °C 60 10 -2
CromatizaçãoCromatização
18
Antes da execução dos experimentos foi caracterizada a rugosidade
superficial, através de Rugosimetro (Rz), a fim de avaliar a influência da
cromatização sob vácuo, na topografia da superfície.
3.4 TÉCNICAS DE AVALIAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
3.4.1 Análise metalografica e determinação de perfis de micro dureza.
Neste trabalho, a preparação das amostras para realização dos ensaios de
dureza e análise da microestrutura seguiu as seguintes etapas:
O corte foi realizado no sentido longitudinal do corpo de prova com disco
diamantado com alto poder de corte e intensa refrigeração, para evitar
aquecimento (Quebras e trincas) no filme difundido;
Embutimento em baquelite;
Lixamento utilizando-se lixas de granas 220, 400 e 600, respectivamente;
Polimento com pasta de diamante de 4µm;
Ataque químico utilizando-se como reagente químico solução picral, para
melhor revelação das fases formadas com cromo.
A determinação da dureza superficial, na escala Vickers, foi feita utilizando-se
um microdurômetro automático LECO modelo LM 700AT, com carga de 50 gramas
(HV0,05), mostrado na figura 11. Os pontos de medição foram realizados no centro
do corpo de prova, tendo em média da medição de duas amostras. Para cada
amostra foram realizados três pontos de micro dureza na superfície. O procedimento
utilizado foi de acordo com a norma técnica ASTM E384-04 [16].
Para Análise de microestrutura foram utilizadas as técnicas de microscopia
ótica utilizando-se microscópio da marca Olympus e microscópio eletrônico de
varredura marca FEI modelo quanta 200 ambiental. As Análises foram executadas
em uma amostra de cada condição.
19
Figura 11. Micro durômetro LECO modelo LM 700AT.
3.4.2 Caracterização por Microscopia Eletrônica de Varredura e espectroscopia de
raios –X por energia dispersiva (EDS)
A técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi aplicada para o
estudo da microestrutura, determinação da espessura dos filmes de carbetos e
camada de difusão de cromo, bem como determinação qualitativa e semi-
quantitativa da composição química dos referidas camadas. Foi examinada uma
amostra de cada condição do experimento. O microscópio eletrônico de varredura
utilizado neste trabalho foi o modelo FEI Quanta 200 ambiental (baixo vácuo)
equipado com micro sonda de Energia Dispersiva de raios-X da marca Oxford
modelo 6427 com resolução de 137eV (Figura 12).
Por fim, determinou-se o perfil químico dos filmes difundidos utilizando-se
para tanto a técnica de espectrometria de raios-x através de sonda de energia
dispersiva (EDS) acoplada ao microscópio eletrônico de varredura. Os elementos
analisados foram os da composição da liga dos substratos. Através do perfil
composicional, é possível determinar a profundidade de difusão devido à alteração
da composição química provocada pela difusão de cromo através da superfície.
Ainda no procedimento de determinação da profundidade de difusão, o perfil
composicional foi realizado na seção transversal, sendo executados ensaios de EDS
de 25 µm em 25 µm, até encontrar o teor de cromo original do núcleo do material.
20
Figura 12. Microscópio eletrônico de varredura marca FEI Modelo Quanta 200
ambiental.
3.4.3 Rugosidade superficial (Rz)
Neste estudo foi utilizado como parâmetro de rugosidade o Rz conforme NBR
8404/1984 [17]. A rugosidade foi medida em uma amostra de cada condição
estudada no rugosimetro marca MÄR SURF modelo GB25. Corresponde à média
aritmética dos cinco valores de rugosidade parcial (Zi). Rugosidade parcial (Zi) é a
soma dos valores absolutos das ordenadas dos pontos de maior afastamento, acima
e abaixo da linha média, existentes no comprimento de amostragem. Na
representação gráfica do perfil, esse valor corresponde à altura entre os pontos
máximo e mínimo do perfil, no comprimento de amostragem (le), conforme indicado
na figura 13 [17, 18].
Na figura 14 apresenta a grade de classificação de rugosidade superficial e os
respectivos processos necessários para atingir o acabamento superficial desejado
conforme NBR 8404/1984 [17].
21
Figura 13. Representação gráfica do perfil Rz [17].
Figura 14. Classificação de rugosidade superficial conforme NBR 8404/1984 [17].
22
3.4.4 Testes de Aderência por Riscamento (“Scratch Test”) com aplicação de Força
Variável
O ensaio de riscamento é um método utilizado para testar mecanicamente
uma superfície, onde um elemento duro o suficiente para provocar um risco
(indentador), normalmente um diamante, é usado pressionado com certa carga
sobre a superfície em estudo para gerar um sulco. A carga também pode ser
aumentada progressivamente durante o teste. A resistência ao risco é definida como
a carga normal por unidade de área do suporte durante a ação de riscamento [19,
20].
Na figura 15 mostra o equipamento CSM Revetest, utilizado nos ensaios de
riscamento. O ensaio consiste na aplicação de uma força pré determinada, onde um
penetrador cônico de diamante, com um raio na ponta de 200 µm, é transladado ao
longo de um percurso de 10 mm. A força aplicada pode ser constante ou variável.
Depois do teste, a impressão do risco realizado pelo diamante é caracterizada por
um microscópio óptico ou por um microscópio eletrônico de varredura. Em seguida
são avaliados o tipo e tamanho da deformação ocorrida na camada depositada, a
qual é uma função do carregamento.
Figura 15. Equipamento para realizar e avaliar os riscos das superfícies
cromatizados. Marca Revetest “Scratsch Test”.
23
3.4.5 Análises por Difração de raios-X (DRX)
A técnica de difração de raios-X foi utilizada para a caracterização das fases
formadas na superfície dos filmes difundidos e para ensaios de tensões residuais
geradas. O método de medição da tensão residual por DRX mede a deformação do
parâmetro de rede e a tensão é calculada, assumindo-se uma deformação elástica
linear do parâmetro cristalino. Para medir a tensão, a deformação no parâmetro de
rede cristalina deve ser medida em no mínimo duas orientações precisamente
conhecidas, relativas à superfície da amostra. Como a DRX produz difração para
qualquer orientação da superfície da amostra, é perfeitamente aplicável para a
medição da tensão residual [21].
Para caracterização de fases e tensões residuais foi utilizado radiação K-
Cr. As análises de difração de raios-X foram realizadas em uma amostra de cada
experimento, para cada condição experimental.
O equipamento utilizado neste trabalho para medição de tensões residuais foi
um difratômetro da marca Rigaku modelo RINT 2000. Esse equipamento é dedicado
para ensaios de tensões residuais em peças do processo de fabricação.
Para caracterização das fases foi utilizado difratômetro da marca Siemens
modelo D5000.
24
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este capítulo analisa os resultados experimentais obtidos após a
cromatização em caixa sob vácuo de aços com baixo e médio carbono e um aço
ligado.
Espera-se que os aços selecionados neste trabalho ao serem submetidos ao
processo de cromatização utilizando forno a vácuo apresentem transformação de
fases com a formação de carbetos de cromo e ferro, nitretos e o enriquecimento com
cromo da solução sólida rica em ferro. Devido aos parâmetros de temperatura e a
composição da mistura cromatizante espera-se que a profundidade total de difusão
e a espessura dos filmes de carbetos sejam maiores que os resultados citados na
literatura.
O trabalho inicia com a avaliação dos parâmetros de processo, verificando o
efeito do volume da caixa e a influência do tempo de exposição à temperatura sobre
a espessura de camada desenvolvida sobre os materiais, espessura da camada total
difundida e análise da microestrutura, para cada tipo de aço.
Num segundo momento faz-se uma análise das propriedades mecânicas na
superfície dos diferentes aços após cromatização. Nessa etapa foi avaliado a micro
dureza, o comportamento frente a ensaio de resistência ao riscamento e as tensões
residuais geradas durante o processo, em função dos diferentes volumes das caixas
e os tempos de exposição à temperatura de 1000°C.
4.1 AVALIAÇÕES DOS PARÂMETROS DE PROCESSO
4.1.1 Efeito do volume das caixas na profundidade de difusão
A micrografia da figura 16 mostra a seção transversal de uma superfície
cromatizada a vácuo a 1000°C por 60 minutos. Observa-se na secção transversal a
formação de um filme de carbetos, que exibe duas regiões uma sobre o aço, de
aparência mais escura (região “A” da figura 16), e outra de aparência clara (região
“B” da figura 16), e uma região de difusão que foi determinada pelo perfil químico
25
composicional, através de análise semi-quantitativa por energia dispersiva de raios-X
(EDS), utilizando sempre os mesmos parâmetros de regulagem da sonda com
energia de 20 Kv. Os ensaios foram executados, entre 25µm em 25µm, através do
perfil químico composicional até encontrar a composição original do núcleo do
material, assim determinou-se a profundidade total de difusão de cromo no substrato
de aço.
Figura 16. Microestrutura formada na superfície do aço C45 cromatizado em forno a
vácuo. Local de exame por EDS-RX e identificação de filme de carbeto.
As regiões “A” e “B” da figura 16 foram examinadas por espectroscopia de
raios x por energia dispersiva (EDS) e constatou-se que, nos aços processados em
ambas as caixas, a fase escura, na periferia, apresenta alto teor de cromo, na faixa
de 48% para os aços 1020 e de aproximadamente 58% para os aços C45 e X40,
enquanto que a fase clara apresenta na faixa de 6% de cromo, em todos os tipos de
aços. Os resultados estão descritos na tabela 6.
Filme carbeto
Difusão total
EDS: 25 em 25 µm
A
B
26
Tabela 6. Composição química semi-quantitativa (EDS-RX) das fases formadas na
superfície dos aços após cromatização por 1000°C por 60 minutos na caixa com
menor volume.
A menor espessura dos filmes de carbetos e da profundidade total de difusão,
nos aços AISI 1020 é esperado devido ao menor teor de carbono disponível,
ocorrendo menor formação de carbetos. A constante parabólica de formação de
camada aumenta à medida que a concentração de carbono aumenta. Quanto maior
o teor de carbono na matriz metálica, mais rápida é a reação de formação de carbeto
de cromo [3]. Os carbetos formados nesse aço apresentam menor teor de cromo em
torno de 47%, enquanto nos aços C45 e X40 o teor de cromo no filme é de
aproximadamente 58%, conforme mostrado na tabela 6. No aço X40 ocorreu menor
espessura da camada de carbetos e profundidade total de difusão em relação ao
aço C45, apesar do teor de carbono ser similar, o que se pode atribuir à quantidade
de elementos de liga do material, principalmente cromo, vanádio e molibdênio, o que
dificulta a difusão, de outros elementos substitucionais como o cromo [14].
As figuras 17 e 18 (a), (c) e (e), são referentes ao processamento com o
dispositivo com menor volume e mostram a espessura e microestrutura do filme de
carbetos e nitretos respectivamente (Média de 10 medições). Observa-se menor
espessura do filme de carbeto, para os substratos AISI 1020 e X40 e maior para
substrato C45. As figuras 17 e 18 (b), (d) e (f) ilustram a seção transversal dos aços
processados com a caixa com maior volume e apresentam, a exemplo da caixa com
menor volume, menor espessura, para os substratos AISI 1020 e X40 e maior para
substrato C45.
27
0
2
4
6
8
10
12
14
Menor maior Menor maior Menor maior
1020 C45 X40Esp
essu
ra f
ilme
de
carb
eto
+ n
itre
tos,
µm
Figura 17. Espessura dos filmes de carbetos e nitretos formados na superfície dos
substratos de aços AISI 1020, C45Pb e X40, após cromatização em 1000°C por 60
minutos nas caixas com menor e maior volume.
(a) AISI 1020 – Caixa menor.
(c) C45Pb – Caixa menor.
(b) AISI 1020 – Caixa maior
(d) C45Pb – Caixa maior.
28
(e) X40CrMoV5-1 – Caixa menor. (f) X40CrMoV5-1 – Caixa maior.
Figura 18. Micrografias dos filmes de carbetos formados na superfície dos corpos de
prova após cromatização com temperatura de 1000°C por 60 minutos.
Na figura 19 é apresentado o perfil químico do aço AISI1020 processado na
caixa com menor volume por 60 minutos, que indica a metodologia utilizada para
determinação da profundidade total de difusão. Os elementos analisados foram os
da composição da liga dos substratos e foi realizado análise de um perfil de cada
condição estudada.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300
Profundidade (µm)
Teo
r d
e cr
om
o -
Per
fil
qu
imic
o
com
po
sici
on
al (
% p
eso
)
Figura 19. Perfil de cromo semiquantitativo EDS/RX para determinação da profundidade total de difusão. Material 1020 processado no dispositivo menor a 1000°C por 60 minutos. Exemplo da determinação da profundidade total de difusão utilizado para todos os tipos de aços.
Profundidade total de difusão
29
A profundidade total de difusão de cromo é apresentada na figura 20, onde se
obteve menores profundidades de difusão para os aços AISI 1020 e maior para o
aço C45 e X40. No processamento na caixa com menor e maior volume,
respectivamente, resultou em profundidade total de difusão de cromo para o
substrato AISI1020 de 100µm e 120µm. Para o aço C45 a profundidade total de
difusão, a exemplo da espessura do filme de carbeto, foi maior na caixa com menor
volume, atingindo 200µm e na caixa com maior volume 185µm de profundidade. O
material X40 obteve profundidades de 175µm e 200µm nas caixas com menor e
maior volume, respectivamente.
0
50
100
150
200
250
300
Menor maior Menor maior Menor maior
1020 C45 X40
Pro
fun
did
ade
tota
l de
dif
usã
o d
ecr
om
o, µ
m
Figura 20. Profundidade total da difusão de cromo nos substratos de aços AISI 1020,
C45Pb e X40 após cromatização em 1000°C por 60 minutos.
Os resultados da espessura dos filmes de carbetos e da profundidade total de
difusão mostram pequena influência dos volumes das caixas para os aços AISI 1020
e DIN X40, que apresentaram espessura dos filmes de carbetos e nitretos menor
nas caixas com menor e maior volume. Os aços AISI 1020 e X40, cromatizados na
caixa com menor volume, apresentou menor espessura dos filmes na ordem de
9,5% e 4,7% respectivamente. Já para o aço C45 na caixa com menor volume a
espessura foi maior na faixa de 5%. Esses resultados foram baseados na média de
10 medições para os filmes de carbetos e de um perfil químico para a profundidade
total de difusão, medidos na seção transversal da amostra conforme resultados
mostrados nas figuras 17 e 20.
30
4.1.2 Efeito do tempo de processamento
Nas figuras 21 e 22 são apresentadas as espessuras dos filmes de carbetos
formados na superfície com relação ao tempo de tratamento, nas caixas com menor
e maior volume respectivamente. Observa-se para todos os tipos de aços,
processados na caixa com menor volume, que o comportamento do crescimento do
filme é parabólico (√t) em ambas as caixas para todos os tipos de aços. Essas
tendências foram avaliadas nos três pontos dentro da faixa de tempo dos
experimentos.
Após 60 minutos de processamento, para o aço C45 obteve-se maior
espessura de filme de carbetos, atingindo 7,8µm e 7,4µm nas caixas com maior e
menor volume. Na seqüência o aço X40, apresentou filmes com espessura de
5,65µm e 5,93µm e o aço AISI1020 exibe espessuras de 4,1µm e 4,53µm para
caixas com menor e maior volume, respectivamente.
0
2
4
6
8
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
√t
Es
pe
ss
ura
do
f fi
lme
s d
e c
arb
eto
s, µ
m
1020
C45
X40
Figura 21. Espessura do filme de carbeto de cromo na superfície dos aços AISI 1020, C45 e X40 em relação ao tempo de tratamento, cromatizados na caixa com menor volume por 20, 40 e 60 minutos.
31
0
2
4
6
8
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
√t
Es
pe
ss
ura
do
s f
ilme
s d
e c
arb
eto
s, µ
m
1020
C45
X40
Figura 22. Espessura do filme de carbeto de cromo na superfície dos aços AISI 1020, C45 e X40 em relação ao tempo de tratamento, cromatizados na caixa com maior volume por 20, 40 e 60 minutos.
Nas figuras 23 e 24 apresentam-se os resultados da profundidade total de
difusão de cromo nos substratos. A profundidade total de difusão de cromo, a
exemplo das espessuras dos filmes de carbetos, nos aços processados nas caixa
com menor e maior volume, obedeceu a comportamento de crescimento parabólico
para todos os tipos de aços. Na tabela 7 são apresentados os resultados das
espessuras dos filmes de carbetos e nitretos formados na superfície dos três tipos
de aços estudados e suas respectivas dispersões. Esses resultados representam a
média referente à medida de duas amostras correspondente a média de 10
medições na superfície central de cada corpo de prova.
Com a exposição dos reagentes a 1000°C ocorre a formação do cloreto de
cromo. As pressões parciais desses cloretos são suficientes para transferir pela fase
de gás para a superfície dos aços (1020, C45 e X40) pela dissociação do cromo
metálico ocorrendo a difusão. Com a supersaturação de cromo da matriz metálica e
a temperatura ocorre a formação de carbetos de cromo. A quantidade e as fases
formadas desses carbetos depende da composição química do substrato, ou seja,
da quantidade de carbono disponível para as reações e dos elementos de liga da
matriz metálica [5, 6, 11, 14].
32
Os resultados mostram falta de linearidade, para os aços processados em ambas as
caixas com volumes diferentes, indicando que não ocorreu processo de difusão
puro, o que necessita de estudos específicos e mais aprofundados para as reações
ocorridas dentro das caixas a alta temperatura.
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
√t
Pro
fun
did
ade
tota
l de
dif
usã
o d
e cr
om
o, µ
m
C45
X40
1020
Figura 23. Profundidade total de difusão nos aços AISI 1020, C45 e X40 em relação ao tempo de tratamento, cromatizados na caixa com menor volume por 20, 40 e 60 minutos.
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
√t
Pro
fun
did
ade
tota
l de
dif
usã
o d
e cr
om
o, µ
m 1020
C45
X40
Figura 24. Profundidade total de difusão nos aços AISI 1020, C45 e X40 em relação ao tempo de tratamento, cromatizados na caixa com maior volume por 20, 40 e 60 minutos.
33
Processos de cromatização a 950 °C por 1, 4 e 9 horas em substratos de
aços AISI 1020, 1045 e 1095, resultaram em espessura dos filmes de carbetos e
nitretos formados na superfície, para aço AISI 1020, máximo de 3,57µm, e para
1045 de 5,53µm [3]. Nesse estudo, a espessura obtida no aço AISI 1020 foi de
4,1µm e 4,53µm, para as caixas com menor e maior volume respectivamente, e para
os aços C45 de 7,8µm e 7,4µm. Essa maior espessura é prevista neste estudo,
devido à composição da mistura cromatizante que contêm 2,5 gramas de cromo e
dois ativadores, sendo cloreto de sódio (2,5Gr) e de amônio (2,5Gr) e da utilização
de temperatura de 1000°C.
O tempo de processamento influenciou a profundidade afetada na
cromatização como esperado em processos de difusão. Dentro dos três tempos
estudados, observa-se um crescimento com tendência tipo linear, exponencial e
parabólico do filme de carbetos formado na superfície e na profundidade total de
difusão com o aumento do tempo de processamento para todos os tipos de
substrato. Essa tendência de crescimento do filme de carbetos e da profundidade
total de difusão está associada aos dois tipos de ativadores da mistura cromatizante
(NH4Cl e NaCl) [7], onde ambos, o tempo de reação do ativador está estável dentro
da faixa de tempo de processo utilizados neste estudo, e para determinação mais
refinada do comportamento de difusão necessita de estudos de mais tempos de
processo.
O resultado para a formação do filme de carbetos confirma os dados da
literatura [3, 4, 5]. A tabela 7, através de dados da literatura, apresenta a
comparação realizada entre aços AISI 1020, 1045 e 1095, crometados a 950°C por
1, 4 e 9 horas, onde foi estimada através do comportamento da difusão a taxa
parabólica de seus experimentos, com a razão entre espessura de camada e tempo
de tratamento. A espessura da camada de carbeto de cromo aumenta quanto maior
for à quantidade de carbono do substrato [3]. Observa-se que a dispersão dos
resultados observados é maior do que dos aços processados sob vácuo deste
estudo, conforme resultados apresentados na tabela 8.
Tabela 7. Espessura de camada para AISI 1020, 1045 e 1095 cromatizados a
950ºC a 1, 4 e 9 horas [3].
34
Tabela 8. Espessura dos filmes de carbetos formados na superfície dos aços
cromatizados a 1000°C em forno a vácuo, por 20, 40 e 60 minutos nas caixas com
menor e maior volume.
Na seqüência são apresentados os resultados das taxas médias de
crescimentos das camadas de carbetos.
As figuras 25 e 26 apresentam a taxa de crescimento média calculada pela
razão entre a espessura do filme de carbeto e o tempo de processo dos filmes de
carbetos formados na superfície dos aços nas caixas com menor e maior volume
respectivamente em relação ao tempo de tratamento.
Onde: Tc=Taxa de crescimento média; e=Espessura filme (µm);
t = Tempo de processo (minutos).
Como esperado, há uma desaceleração da difusão com tendência parabólica,
com relação ao tempo de processo, para todos os aços estudados. O aço C45
obteve o maior taxa de crescimento na formação dos filmes de carbetos nos 20
minutos iniciais do processo, diminuindo conforme aumenta o tempo de tratamento.
Essa tendência é observada nos três tipos de aços estudados, em ambas as caixas.
O substrato de aço X40 obteve menor taxa de crescimento da camada quando
35
comparado ao C45, e na seqüência o aço 1020 obtém menor taxa de crescimento
de camada entre os aços estudados.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0 10 20 30 40 50 60 70
Tempo de processo
Ve
loc
ida
de
da
dif
us
ão
(fi
lme
ca
rbe
tos
),
µm
/min
1020
C45
X40
Figura 25. Taxa de crescimento dos filmes de carbeto pelo tempo de processamento
- caixa com menor volume.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0 10 20 30 40 50 60 70
Tempo de processo
Ve
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ida
de
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film
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arb
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s),
µm
/min
1020
C45
X40
Figura 26. Taxa de crescimento dos filmes de carbeto pelo tempo de processamento
- caixa com menor volume.
36
Considerando a solubilidade do cromo na matriz, o fluxo crescente deste
elemento para a zona de difusão permite que o limite de solubilidade da matriz de
ferro seja excedido. A quantidade, tamanho e forma dos precipitados dependem da
temperatura de cromatização, da composição química do substrato e do potencial de
cromatização [3, 11, 22].
Para os aços AISI 1045 e 1090, a literatura reporta à rápida formação de
camada na superfície em função da maior concentração de carbono na matriz
metálica, e essa camada mais densa dificulta a difusão, resultando
conseqüentemente, numa menor difusão de cromo na matriz metálica. Com o
aumento do tempo de tratamento, ocorre conseqüentemente maior difusão [3, 8]. Na
cromatização, o crescimento da zona de difusão obedece a um comportamento do
tipo parabólico, com um aumento da profundidade de difusão em função da raiz
quadrada do tempo [3]. A constante parabólica de difusão de cromo e formação do
filme de carbetos aumenta à medida que a concentração de carbono aumenta.
Quanto maior o teor de carbono na matriz metálica, mais rápida é a reação de
formação [3, 11].
4.1.3 Rugosidade superficial
Na figura 27, obtida através de imagem em microscopia eletrônica de
varredura, são apresentados os aspecto da superfície do material AISI 1020 após a
cromatização em caixa sob vácuo, em ambas as caixas (menor e maior). As
superfícies apresentam aspectos similares e representam todos os tipos de
substratos utilizados no estudo.
Os valores de rugosidade superficial (Rz) obtidos após 60 minutos de
processamento indicaram um incremento da rugosidade superficial dos substratos
de ambas as caixas. Na figura 28 são apresentados os resultados das amostras
antes e após cromatização nas caixas com menor e maior volume, respectivamente,
onde o aço X40 obteve a menor rugosidade superficial, atingindo 3,41µm na caixa
com maior volume, seguido do aço 1020 com Rz de 4,7µm em ambas as caixas e,
finalmente o aço X40 atingindo 7,0µm de rugosidade superficial. A pior condição da
37
rugosidade superficial (Aço X40) se enquadra na grade N1 conforme NBR
8404/1984 [17, 18].
(a)
(c)
(e)
(b)
(d)
(f)
Figura 27. Aspecto superficial das amostras de material SAE 1020 após cromatização a 1000°C por 20, 40 e 60 minutos.
Menor – 20 minutos
Menor – 40 minutos
Maior – 20 minutos
Maior – 40 minutos
Menor – 60 minutos Maior – 60 minutos
38
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1020 C45 X40
Material
Ru
go
zid
ad
e s
up
erf
icia
l RZ
Din
(µm
) Antes cromatizar
Caixa menor
Caixa maior
Figura 28. Rugosidade superficial (Rz) aços AISI 1020, C45Pb e X40, antes e após
cromatizados na caixa com menor e maior volume processados por 60 minutos.
4.2 EFEITOS DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO SUBSTRATO
Nesse processo objetiva-se a não oxidação do cromo devido à diferença de
pressão e a pouca quantidade de oxigênio entre a atmosfera do forno e o interior da
caixa, onde a pressão gerada devido à formação do cloreto gasoso no interior da
caixa é maior do que externamente a caixa, assim não ocorre à entrada de oxigênio.
As microestruturas formadas nas superfícies crometadas foram identificadas
por microscopia eletrônica de varredura, utilizando-se de imagem com detector
backscattering (Contraste por número atômico) para melhor definição do contraste
entre as fases formadas. As fases formadas na superfície foram identificadas por
difração de raios-x. Na difração de raios x estima-se para aços cromatizados que a
profundidade de penetração do feixe é de 10 µm [3]. Em todos os substratos ocorreu
à formação de filme de carbetos de cromo e ferro e nitretos na superfície, conforme
microestrutura apresentada na figura 29. Observa-se a formação de camada com
aparência mais escura na superfície, com teor de cromo em torno de 50%, seguida
de outra de aparência clara com menor teor de cromo na ordem de 7%.
Em todos os tipos de substratos processados no dispositivo menor, ocorreu
maior formação da fase mais clara, que têm menor teor de cromo. É interessante
39
estudar com maiores detalhes o fato de que em todos os tipos de substratos, na
caixa com maior volume, ocorreu à maior formação dessa fase mais clara.
Nas figuras 29 (e) e (f) se observa a formação de porosidades na camada de
carbetos e nitretos na superfície, em maior intensidade na caixa com maior volume,
para o aço X40. Esse fato pode estar associado à quantidade de cromo disponível
para difusão, e extrapolando de processos de nitretação nos quais se observa que a
porosidade na camada mais externa tem relação com o aumento da espessura, e
isto acorre por que a dissociação da amônia torna-se mais lenta devido à redução
catalítica da área da superfície do aço e bolhas de gás começam a serem formadas
na camada, gerando porosidades [23].
40
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 29. Microestrutura formada nos substratos de aço após cromatização por
1000°C por 60 minutos. Observa-se a difusão e formação de fase com menor teor
de cromo na caixa menor (a) AISI 1020 Caixa menor; (b) AISI 1020 Caixa maior. (c)
C45 Caixa menor. (d) C45 caixa maior. (e) X40 caixa menor. (f) X40 caixa maior.
41
Na superfície dos aços antes e depois de cromatizados a 1000°C por 60
minutos, processados nas caixas com menor e maior volume, as fases
desenvolvidas foram identificadas por difração de raios-x.
A geometria utilizada para os difratômetros é a de Bragg-Brentano, onde um
feixe de radiação monocromática incide sobre a amostra, rotacionada em um ângulo
, enquanto os dados são coletados por um detector que se move em 2.
O padrão de difração obtido por contagens de um detector é um gráfico da
intensidade, medida em contagens por segundo, em função da posição angular. A
posição angular do feixe difratado depende dos espaçamentos entre os planos de
átomos da amostra e do comprimento de onda da radiação. A posição das linhas de
difração contém dados para identificação de fases, determinação do parâmetro de
célula, mudanças de fase (polimorfismo) e os valores da distância interplanar (d).
Para identificação das fases foi utilizado o software “Evaluation Package
release 2004’, que contêm as fichas de difração de pó (PDF – JCPDS – International
centre for difrraction data), que são uma coleção de dados que contêm as
características cristalográficas dos compostos, tais como: Distância interplanar e
intensidades relativas.
Após analise das amostras, os dados coletados são analisados pelo software
que compara os picos de difração com os dados (PDF), identificando as possíveis
correlações e sugerindo o possível composto por similaridade e após analise das
indicações define-se a melhor coincidência dos picos e identificando os compostos.
Os resultados das fases presentes nos aços estão apresentados na tabela 9.
Os difratogramas das figuras 30 (a), 31 (a) e 32 (a) são referentes aos difratogramas
dos aços antes da cromatização e as 30 (b) e (c); 31(b) e (c) e 32 (b) e (c),
referentes aos difratogramas após cromatização.
Tabela 9. Estequiometria dos carbetos e nitretos formados nos substratos após
cromatização por 1000°C por 60 minutos.
42
A figura 30 (b) apresenta-se o difratograma do aço AISI 1020 após
cromatização na caixa com menor volume e as fases identificadas foram carbetos de
ferro e cromo com estequiometria cúbica: M23C6 e nitretos de ferro tipo FeN e
Fe24N10 e na figura 30 (c) o difratograma do aço cromatizado na caixa com maior
volume apresentando carbetos de cromo e ferro com estequiometria ortorrômbica e
cúbica, sendo: M3C e M23C6, respectivamente, e nitretos de ferro FeN, Fe24N10 e
Fe8N.
No aço C45, processados na caixa com menor volume, foram caracterizados
carbetos de ferro e cromo com rede cristalina cúbica M23C6 e carbeto de cromo com
rede cristalina hexagonal M7C3 e nitreto de cromo e ferro (Cr, Fe)2N1-X, conforme
difratograma da figura 31 (b). Na caixa com maior volume foram identificados
somente carbetos de ferro e cromo com estequiometria com rede hexagonal tipo:
M7C3 e nitretos de ferro e cromo (Cr, Fe)2N1-X, Fe8N, Fe-4N e Cr-2N. Os
difratogramas estão apresentados na figura 31 (c).
Na seqüência, na figura 32 (b), são apresentados os difratogramas do aço
X40 processados na caixa com menor volume e apresentam somente carbetos de
ferro e cromo com estequiometria cúbica M23C6 e nitretos de ferro, cromo e níquel
(Cr, Fe)2N1-X e FeNi3N. Na caixa com maior volume (Figura 32 (c)), além dos
43
carbetos de rede cúbica identificados na caixa com menor volume apresentam
carbetos de ferro e cromo com rede cristalina hexagonal M7C3 e nitreto de ferro
Fe2N.
Conforme dados da literatura, os carbetos com rede cristalina ortorrômbica
dissolvem até 18% de massa de cromo, a rede cúbica, dissolve até 35% e a
hexagonal de 30 a 35% [14]. Pela maior quantidade de carbetos e nitretos
identificados nos aços cromatizados na caixa com maior volume, indica que houve
maior disponibilidade de cromo atômico para difusão no que na caixa com menor
volume. Estudos mais aprofundados com foco nessa reação são necessários para
uma melhor compreensão deste comportamento.
A formação de nitretos é prevista na literatura devido a reação de nitretação
do cromo, ferro e nitrogênio pela decomposição do NH4Cl durante a exposição a
temperatura (HCl, N2 e H2) [3, 7]. Em ambas as caixas houve a formação de nitretos,
porém, os aços processados na caixa com maior volume apresentam maior
diversidade de estequiometrias de nitretos, conforme apresentado na tabela 9, e a
exemplo da formação de carbetos com rede cristalina com estequiometria tipo
hexagonal necessita de estudos detalhados para entender essa reação.
Nos dados encontrados na bibliografia, em estudos com baixas pressões, os
tipos de carbetos identificados apresentam redes cristalinas com estequiometrias
cúbicas e hexagonais, como também a formação de nitretos predominantemente tipo
(Cr, Fe)2N1-X [3, 6, 12] como os identificados neste estudo.
44
Figura 30. Difratogramas na superfície do aço AISI 1020 cromatizado a 1000°C por
60 minutos. (a) Antes de cromatizar. (b) Cromatizado na caixa com menor volume.
(c) Cromatizado na caixa com maior volume.
45
Figura 31. Difratograma na superfície do aço C45 cromatizado a 1000 °C por 60
minutos. (a) Antes de cromatizar. (b) Cromatizado na caixa com menor volume. (c)
Cromatizado na caixa com maior volume.
46
Figura 32. Difratograma na superfície do aço X40 crometado a 1000 °C por 60 minutos. (a) Antes de cromatizar. (b) Cromatizado na caixa com menor volume. (c) Cromatizado na caixa com maior volume.
47
O efeito das condições de cromatização sobre a dureza dos diferentes
substratos também foi avaliada e as figuras 33 e 34 mostram os resultados da micro
dureza superficial de todos os aços processados nas caixas com menor e maior
volume, respectivamente.
Observa-se que os substratos X40 e C45 apresentam maior aumento de
dureza após cromatização do que o aço AISI 1020. Verifica-se ainda que o volume
da caixa de cromatização também influencia a dureza da superfície destes dois
aços, em particular na caixa de menor volume as superfícies cromatizadas do aço a
dureza é maior na caixa com maior volume. O substrato de aço C45 obteve a maior
dureza superficial, atingindo 1720 HV0,05, na caixa com maior volume e de
1586HV0,05 na caixa com menor volume, ambos após 60 minutos de processo. No
aço X40, na caixa de menor volume a dureza superficial está na ordem de 1707
HV0,05 e de 1371 HV0,05 na caixa com maior volume. A justificativa da maior
dureza na caixa com maior volume está relacionando com a estequiometria dos
carbetos identificados com rede cristalina tipo hexagonal, que apresentam maior
quantidade de cromo na sua formação.
A dureza menor, do material AISI 1020, está relacionada com o fato da
impressão de dureza ter atravessado o filme de carbeto que tem espessura de 2 a 3
µm.
Os valores medidos são consistentes com as durezas das fases
desenvolvidas, de acordo com os resultados de difração de raio x apresentados na
tabela 9, sendo a micro dureza de carbetos com estequiometria M23C6 é de 1200 a
1400HV, e de 2000 a 2500HV para carbetos tipo M7C3. Os responsáveis pela menor
dureza nos trabalhos em fornos convencionais sem controle de pressão são os
nitretos [3] que apresentam dureza na faixa de 700 a 900HV [24]. Neste estudo,
observou-se que nas caixas com maior volume ocorreu a maior formação de
nitretos, justificando a menor dureza encontrada nos substratos AISI 1020 e X40.
48
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 20 40 60 80
Minutos
Mic
ro d
ure
za s
up
erf
icia
l HV
0,0
5 1020
C45
X40
Figura 33. Dureza superficial HV0,05 nos aços AISI 1020, C45Pb e X40, antes e
depois de cromatizados por 1000°C por 20, 40 e 60’ na caixa com menor volume.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 20 40 60 80
Minutos
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up
erf
icia
l HV
0,0
5 1020
C45
X40
Figura 34. Dureza superficial HV0,05 nos aços AISI 1020, C45Pb e X40, antes e
depois de cromatizados por 1000°C por 20, 40 e 60’ na caixa com maior volume.
As figuras 35, 36 e 37 apresentam os resultados qualitativos dos testes de
aderência por riscamento com aplicação de força variável entre 5 e 80N, realizado
na superfície do filme difundido nos aços. Nas figuras observa-se uma visão geral do
riscamento e de duas posições ao longo do percurso, no final do riscamento, e uma
ampliação da borda da deformação para caracterização de desplacamento.
49
A resposta das superfícies ao riscamento foi diretamente proporcional à sua
dureza, tendo-se observado grandes deformações para o aço 1020 e pequenas para
os aços C45 e X40. Esse comportamento ao teste de risco é esperado, pois
conforme dados da literatura em ensaios de riscamento em aços AISI 1020 e AISI
1045 e AISI 1090 mediram-se maiores deformações para o aço AISI 1020 e
menores para os aços AISI1045 e AISI 1090 [3, 27].
Para o substrato de aço AISI 1020, observa-se que houve uma severa
deformação plástica na superfície, com trincas de adaptação ao longo do sulco
ocorrendo uma grande remoção do filme difundido como mostra o arrancamento de
material, porém, não ocorreu o desplacamento da camada cromatizada conforme
mostra a figura 35 (a), (b), (c). As figuras 36 e 37 (a), (b), (c) mostram o risco na
superfície do material C45 e X40. Nesse ensaio ocorreu uma menor deformação
plástica devido à alta dureza do filme difundido, formando trincas de adaptação ao
longo do sulco e apesar de elevada dureza, que poderia sugerir uma baixa
tenacidade ocorrem apenas pequenos desplacamentos e contrastando com os
muitos desplacamentos reportados na literatura e apresentados na figura 38 [3, 25,
26, 27]. Esses pequenos desplacamentos evidenciados neste estudo estão
relacionados com a força aplicada durante o ensaio de risco, ou seja, são
esperados. O filme apresenta perfeita adesão [20].
50
(a) (b)
(c)
Figura 35. Teste de aderência por riscamento no substrato de aço AISI 1020
processados na caixa com menor volume. Observa-se severa deformação plástica
na superfície, com trincas de adaptação ao longo do sulco ocorrendo uma grande
remoção do filme superficial. (a) Visão geral do risco. (b) Detalhe da região final do
risco. (c) Ampliação da borda de deformação.
51
(a)
(b)
(c)
Figura 36. Teste de aderência por riscamento no substrato de aço C45Pb
processados na caixa com menor volume. Pouca deformação, com trincas de
adaptação ao longo do sulco. (a) Visão geral do risco. (b) Detalhe da região final do
risco. (c) Ampliação da borda de deformação com pequenos desplacamentos.
52
(a) (b)
(c)
Figura 37. Teste de aderência por riscamento no substrato de aço X40 processados
na caixa com menor volume. Pouca deformação, com trincas de adaptação ao longo
do sulco. (a) Visão geral do risco. (b) Detalhe da região final do risco. (c) Ampliação
da borda de deformação com pequenos desplacamentos.
O gradiente de difusão observado entre o filme de carbetos e o substrato, é o
responsável pela boa aderência e tenacidade das superfícies processadas neste
trabalho. Este comportamento contrasta com o de revestimentos duros como, por
exemplo, nitreto de titânio (PVD) produzidos por deposição física de vapor, vêm
sendo uma das soluções para a melhoria do desempenho tribológico de
componentes mecânicos. Grandes progressos na melhoria da aderência dos
revestimentos foram alcançados com processos de limpeza dos substratos, porém
grande parte de problemas está relacionada com falhas adesivas entre a interface
53
da camada depositada e o substrato. Essa transição abrupta de propriedades
mecânicas da interface é geralmente onde se iniciam as falhas. O uso de substratos
de alta dureza não é uma solução para resolver essa falta de compatibilidade, pois
assim, mesmo com melhor aderência dos revestimentos em substratos mais duros
têm-se o comprometimento da tenacidade do componente [32, 33, 34].
Figura 38. Morfologia dos riscos do ensaio de riscamento de aços Cromatizados a
950ºC por 9h. AISI 1020, (b) AISI 1045 e (c) AISI 1095. Adaptado de [3].
Em processos termoquímicos quando ocorre difusão de elementos é de
grande importância o controle das tensões residuais (TR) na superfície dos
componentes [24].
54
A tensão residual é medida sobre o parâmetro de rede, pela distorção do
reticulado cristalino do pico de ferro [21]. De acordo com a literatura são esperadas
tensões residuais compressivas após cromatização, pois com a formação da
camada de carbetos e nitretos, por diferenças de coeficientes de expansão térmica,
e precipitados na camada de difusão distorcem o reticulado, e geram tensões
residuais compressivas nas camadas mais externas do material [1, 26]. Neste
trabalho a variação das tensões residuais nas superfícies cromatizadas em função
do tempo de tratamento segue tendências similares as apresentadas por superfícies
nitretadas quando se aumenta o tempo de tratamento. Não há dados citados na
bibliografia de ensaios de TR em aços cromatizados.
Nas figuras 39 e 40 apresentam-se os resultados dos ensaios de tensão
residual no processamento nas caixas com maior e menor volume. As tensões
desenvolvidas após processamento são compressivas e apresentam comportamento
similar no processamento de ambas as caixas.
Os aços antes da cromatização apresentaram tensão residual compressiva,
ressaltando o material X40 que apresenta -250 Mpa, enquanto os materiais C45 e
1020 apresentaram -120 Mpa e -90 Mpa respectivamente. Para o material X40, esse
valor da tensão residual antes do processamento é esperado e está associado à
composição química devido à quantidade de precipitados, como carbonetos de
cromo e dos elementos da liga. Para os demais materiais há influência da
deformação (Encruamento) provocada na preparação dos corpos de prova, pela
seqüência de lixamento e polimento.
Todos os tipos de aços estudados, em ambas aas caixas, ocorreram à
formação de carbetos com fase cúbica e hexagonal compacta. Para formação
desses carbetos é necessário a dissolução de 30 a 50% de massa de cromo
disponível [14]. Durante a formação dos carbetos, devido os diferentes coeficientes
de expansão térmica, e a distorção do reticulado cristalino provocado pelos
precipitados na camada de difusão, são geradas tensões residuais compressivas
nas camadas externas do material [1, 11, 14, 26].
Para o aço AISI 1020, após cromatização não houve alteração significativa,
permanecendo os valores de compressão entre -90 MPa e -45 MPa. Este
55
comportamento está relacionado com a interação entre o feixe e a amostra, na
ordem de 10µm, que ultrapassa o filme de carbetos da superfície atingindo maior
região do substrato do aço. O aço C45, processado em ambas as caixas, apresenta
valores de tensões residuais compressivas no material antes da cromatização de -
122 MPa, atingindo após 60 minutos de processamento aproximadamente -300MPa.
Para o material X40 o valor das TR no corpo de prova antes do processamento é de
-251 MPa. Na caixa com menor e maior volume, após 60 minutos de processo, a
tensão residual atingiu -418 MPa – 444 MPa. Os aços C45 e X40, o incremento das
tensões residuais seguiu tendência linear com relação ao tempo de processamento
e em ambas as caixas resultaram no mesmo comportamento.
-550
-450
-350
-250
-150
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50
0 10 20 30 40 50 60 70
Tempo de processo (min)
Te
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ão
re
sid
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l na
su
pe
rfic
ie (
MP
a)
1020
C45
X40
Figura 39. Estado das tensões residuais nos aços AISI 1020, C45Pb e X40, antes e
depois de cromatizados por 1000°C por 20, 40 e 60 minutos na caixa com menor
volume.
56
-550
-450
-350
-250
-150
-50
50
0 10 20 30 40 50 60 70
Tempo de processo (min)
Te
ns
ão
re
sid
ua
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per
fic
ie (
MP
a)
1020
C45
X40
Figura 40. Estado das tensões residuais nos aços AISI 1020, C45Pb e X40, antes e
depois de cromatizados por 1000°C por 20, 40 e 60 minutos na caixa com maior
volume.
O estudo revelou que o processo de cromatização em fornos a vácuo gera
estruturas com propriedades mecânicas com alto potencial de aplicação na indústria,
onde com diferentes volumes para reação da mistura cromatizante durante a
cromatização é possível induzir a formação de carbetos e nitretos permitindo ajustar
as características de superfície em função de determinada aplicação.
O incremento da dureza superficial e das tensões residuais compressivas
vem de encontro com a melhora da resistência à fadiga em alto ciclo é de interesse
da indústria do setor metal-mecânico. Setores industriais como automotivo,
aeronáutico e agroindustrial têm perdas elevadas associadas ao ciclo de vida de
componentes mecânicos devido à falha prematura, ocorrendo de forma abrupta,
contrariamente aos fenômenos associados ao desgaste que, via de regra, sinaliza a
perda de eficiência de forma contínua [34, 35].
A permanente busca por melhor desempenho em motores automotivos,
mediante incremento da potência conduz à necessidade da elevação da resistência
à fadiga dos componentes sujeitos a esforços cíclicos como, por exemplo, as
válvulas e os sistemas de injeção de alta pressão utilizados em motores a Diesel. Os
avanços tecnológicos mostrados no final do século XX na fabricação de aços mais
57
limpos, isto é, com menos inclusões, e a combinação dos elementos de liga na
busca da maximização das propriedades mecânicas tem limites [33, 34]. Em
alternativa a combinação dos elementos de liga para melhorar as propriedades do
aço para a fabricação de componentes de motores, pode-se modificar a superfície
para elevar o limite de resistência do comportamento à fadiga [3, 35]. Merece
destaque o tratamento termoquímico de cromatização em caixa em fornos a vácuo
para melhorar a resistência à fadiga, a corrosão e mecânica, em nível de maior
exigência de resistência do que componentes submetidos aos processos
convencionais utilizados, como a nitretação a plasma ou gasosa por exemplo.
O processo de cromatização em caixa sob vácuo permite também a
modificação da superfície em regiões preferenciais de componentes onde outros
processos não têm eficiência, como por exemplo, sistemas de injeção com furos
com diâmetros reduzidos e profundos, onde a nitretação por plasma não atinge,
atribuindo a esses componentes, resistência à fadiga e corrosão. Outro exemplo são
dispositivos de máquinas de ensaios de fadiga por pulsação hidráulica, para as
quais componentes necessitam de alta resistência a fadiga nos furos internos e
baixa dureza nas regiões externas, possibilitando utilizar o próprio componente
como caixa, adicionando a mistura cromatizante nos furos, assim a modificação da
superfície ocorre somente onde a mistura cromatizante tem contato.
58
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES
5.1 CONCLUSÕES
Para as condições testadas neste trabalho com o objetivo de avaliar o
processo de cromatização sob vácuo, na temperatura de 1000°C, no que toca ao
efeito dos parâmetros de processamento e as características de superfícies
cromatizadas de três aços AISI 1020, DIN C45 e DIN X40 é possível concluir que:
A espessura da camada assim como a profundidade de difusão segue uma
tendência parabólica como esperados em processos de difusão de
tratamentos de difusão.
O volume da caixa de cromatização interfere nas características das
superfícies processadas em relação da maior (caixa com volume maior) ou
menor (caixa com volume menor) quantidade de carbetos de cromo formados.
Em conseqüência, varia a espessura da camada de carbetos e profundidade
difundida assim como os carbetos e nitretos que se formam.
A composição química dos aços cromatizados determina as características
das superfícies, sendo as menores espessuras e menores camadas de
difusão observadas no aço AISI 1020 e as maiores no aço DIN C45. O
crescimento do filme de carbetos formados na superfície dos aços, para os
tempos estudados, obedece a um comportamento com tendência parabólica,
com exceção do aço C45, processado na caixa com maior volume com
tendência de crescimento exponencial, com o aumento da espessura da
camada de carbeto de cromo aumenta quanto maior for à quantidade de
carbono do substrato.
A composição química dos aços é ainda determinante no tipo de fases
desenvolvidas e em conseqüência na dureza da superfície cromatizada.
Estando as maiores durezas associadas com o desenvolvimento de carbetos
de estrutura hexagonal e as menores durezas com a maior formação de
nitretos.
A dureza da superfície determina o comportamento ao risco, com as maiores
deformações associadas a superfícies de menor dureza e as menores
59
deformações as superfícies de maior dureza. A elevada tenacidade das
superfícies é confirmada pela quase ausência de lascamento durante o
ensaio de riscamento.
Para as condições de teste observou-se ainda que a cromatização em fornos
a vácuo incrementa as tensões residuais compressivas sendo que a sua
magnitude é função da composição química do aço cromatizado.
O volume das caixas influenciou o tipo de carbetos e nitretos formados, onde
o maior volume da caixa proporcionou maior reação para formação de
carbetos de cromo e ferro e nitretos. Esse fato possibilitou a formação de
carbetos com estequiometrias com rede cristalina tipo hexagonal,
principalmente no substrato DIN C45 e DIN X40.
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Estudos das pressões internas resultantes nas caixas de aço inoxidável dado
a diferentes volumes em cromatização sob vácuo.
Estudos comparativos com cromatização sob vácuo e com processos de
cromatização convencionais, utilizando-se de mesmos parâmetros de tempo,
temperatura e substratos.
Estudos de materiais com furação com diferentes diâmetros e cromatizados
sob vácuo para avaliação de resistência à fadiga, ou seja, para aplicações
sujeitas ciclos de altas pressões.
Avaliações da influência da temperatura no processo de cromatização sob
vácuo.
Avaliações da resistência a corrosão de materiais Cromatizados sob vácuo.
Avaliação da influência da composição da mistura cromatizante na
cromatização sob vácuo.
60
6. REFÊRENCIA BIBLIOGRÁFICA
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