INSTRUÇÕES PARA PUBLICAÇÃO NOS ANAIS DO

8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
Influência do revenido e tratamentos superficiais no desgaste abrasivo do aço AISI D2
Germano Rosa, [email protected]
Luciano Aparecido Kempski, [email protected]²
Juliana Zottis, [email protected]
Alexandre da Silva Rocha, [email protected]
1
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Av. Paulo da Gama,110 – Porto Alegre – RS – CEP: 90040-060
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do RS, Rua Domingos Zanela, 104 – Erechim – RS – CEP:
99700-000
2
Resumo: A superfície, bem como a rugosidade e a dureza podem alterar significativamente o desgaste do material
através da fricção gerada durante sua aplicação em peças e componentes. Comumente utilizado para fabricação de
moldes de plástico técnicos de elevada abrasividade, o aço AISI D2 pode ser tratado superficialmente para aumentar
sua dureza e melhorar suas propriedades superficiais. Este trabalho tem por objetivo analisar a influência do
tratamento de revenimento em temperaturas de 525°C e 575°C e a dois tempos de nitretação distintos do aço AISI D2,
em meio a processos que ocorram abrasão. As amostras passaram por tratamento de têmpera a 1030°C e revenido. A
nitretação a plasma foi realizada com composição de gás de 5%Vol. de N 2 e 95%Vol. de H2, em tempos de 3h e 6h. A
caracterização do material foi obtida por meio dos ensaios de microdureza superficial, microscopia óptica e
rugosidade. A análise tribológica foi realizada através do ensaio de abrasão, conforme norma técnica ASTM G65. Os
resultados apresentaram aumento de dureza com valores médios de 1200HV nas amostras com revenimento a 525°C
nitretadas por 3h, enquanto que nas amostras nitretadas por 6h o valor médio foi de 1500HV de dureza na superfície.
O aumento de dureza superficial dificultou o arrancamento de material da superfície, pois o material abrasivo tem
maior dificuldade para desgastá-la. Os resultados do estudo mostram que a nitretação do aço AISI D2 melhora a vida
útil do material quando submetido à abrasão.
Palavras-chave: Nitretação a Plasma, Tribologia, Desgaste Abrasivo.
1. INTRODUÇÃO
O aço AISI D2, por apresentar elevada dureza e boa resistência ao desgaste abrasivo, é amplamente usado na
indústria de manufatura, para trabalhos a frio envolvendo estampagem profunda e matrizes de preenchimento, assim
como vazamentos para moldes plásticos (Maycoln Depianti Conci, 2014).
A microestrutura martensítica distribuída no núcleo do aço influencia diretamente nas propriedades da
resistência ao desgaste abrasivo (L. Bourithis, 2006). Os materiais usados para construção de matrizes e ferramentas
devem possuir características específicas conforme sua aplicação. Portanto, para estes materiais, tratamentos
superficiais são fortemente recomendados para modificação de sua microestrutura melhorando suas propriedades para
as solicitações as quais será exposto. A nitretação a plasma para aços ligados é um destes tratamentos (K.-T. Rie,1999),
pois aumenta a dureza superficial, resistência ao desgaste, a fadiga e a corrosão, diminuindo, contudo, sua tenacidade
(Pessin, M. A.,1999; Teichmann, L.,2002).
A atmosfera criada na câmara de nitretação rica em nitrogênio interage com a superfície do aço difundindo
nitretos para seu interior, formando uma zona de carbonitretos e elementos de liga. Segundo Rocha (2000), a camada
nitretada de um aço é formada por uma zona de difusão, podendo haver ou não uma camada de compostos (camada
branca), que se formará dependendo do teor da mistura gasosa de nitrogênio utilizada no processo. A alta porosidade
da camada nitretada e da zona de composto pode fragilizar o aço (M.B. Karamiş, 1991) diminuindo sua vida útil.
Neste estudo, o aço AISI D2 temperado a 1030°C passou por duplo revenido a fim de analisar a influência das
temperaturas desse tratamento no potencial de nitretação e na microestrutura. Nitretados com mistura gasosa definida e
diferenciação no tempo para determinar melhores condições de tratamento de nitretação do aço, bem como ensaios de
desgaste abrasivo para determinar a temperatura de revenido e tempo de nitretação que apresentam melhores resultados
de resistência ao desgaste abrasivo.
2. METODOLOGIA
2.1. Material
O material analisado neste trabalho foi o aço AISI D2, comumente utilizado em matrizes de estampagem, se
qualificando para este fim devido à sua alta dureza e boa resposta a tratamentos térmicos (Rosa,G.C. 2014; Mendanha,
A. & Pinedo, C. E., 1998; Luciano Kempski, 2014). A composição química média para esta gama de aços está
apresentada na Tabela (1).
Tabela 1. Composição aço AISI D2 em percentual de massa.
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C
1,4 - 1,6
Mn
0,15 - 0,6
P
Max.
0,03
S
Max.
0,03
Si
0,15 - 0,6
Cr
11 - 13
Mo
0,7 - 1,2
V
Max.
1,1
A fim de analisar a influência da temperatura de revenimento no potencial de nitretação, bem como determinar
a melhor condição para tratamento de nitretação e menor desgaste abrasivo, foram realizados tratamentos de têmpera e
revenido. Para tanto, as amostras foram separadas em lotes seguido do procedimento experimental exemplificado na
Figura 1.
Figura 1. Representação esquemática dos tratamentos térmicos.
O material teve seu tratamento de têmpera a 1030°C e, posteriormente, foi dividido em dois lotes, o primeiro
sendo tratado com duplo revenido na temperatura de 525°C (TR1) e o segundo na temperatura de 575°C (TR2), ambos
em forno tipo mufla.
As amostras usadas para análise de microestrutura, dureza e rugosidade foram retiradas de barra cilíndrica com
25 mm de diâmetro e 5 mm de espessura, enquanto as usadas no ensaio de abrasão foram confeccionadas em formato
retangular com 75 mm de altura, 25 mm de largura e 15 mm de espessura.
Tabela 2. Dimensionamento de amostras.
Amostras
Retangulares
Cilíndricas
Altura (mm)
75
25
Largura (mm)
25
25
Espessura (mm)
15
5
2.2. Nitretação a Plasma
Após a realização dos tratamentos térmicos, as amostras foram submetidas ao procedimento padrão para
nitretação, as quais foram lixadas em diferentes granulações de lixas até o polimento de sua superfície com pasta
diamantada de 3 μm.
As nitretações foram realizadas em câmara a vácuo (Figura 2) sob atmosfera fixa de 5 vol.% N2 e 95 vol.% H2,
com uma pressão total de 4,5 milibar e tempos de nitretação de 3h e 6h, nos dois lotes TR1 e TR2.
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Figura 2. Representação da câmara de nitretação.
2.3 Caracterizações Microestrutural e de Superfície
A caracterização do material foi realizada através de perfil de microdureza com pontos de endentação de 50 gf
ao longo da seção transversal cortada da amostra. O ensaio teve como objetivo demonstrar a eficiência do
endurecimento na zona de difusão. Também foram analisadas as superfícies das amostras para determinar o ganho
médio de dureza superficial após cada tratamento.
Para as análises metalográficas, feitas a partir de procedimento padrão de preparação de amostras, através de
microscopia óptica, utilizou-se como agente revelador Nital (3% HNO3 e 97% álcool etílico), com tempo de duração do
ataque químico de 10 segundos.
O ensaio de rugosidade, com a finalidade de determinar a rugosidade média e total após os tratamentos de
nitretação e correlacionar sua influência no desgaste abrasivo sofrido, fora realizado na superfície das amostras em um
trilho de 5 mm para captar a rugosidade do material examinado.
Matrizes de conformação em diversos processos de fabricação podem ser expostas a situações de elevada
abrasão. O ensaio de abrasão de três corpos visa gerar resultados para prever o comportamento do material em tal
situação. Dentro das especificações que abordam a norma ASTM G65, as amostras retangulares foram submetidas ao
ensaio de abrasão na modalidade C. As especificações do ensaio estão descritas na Tabela (3). Análises complementares
foram feitas através do ensaio de abrasão, com o intuito de obter maiores informações sobre as propriedades
tribológicas que se correlacionem com o potencial e ganho de dureza resultantes da nitretação.
Tabela 3. Especificação do procedimento de abrasão.
Procedimento
Contrapeso
Revoluções
Abrasão Linear
Fluxo de Areia
C
13(kg)
100
71,8(m)
300 – 400(g/min)
Para a comparação da melhor resistência a abrasão foi utilizada a Equação (1) especificada na referida norma,
tendo como principal objetivo a análise da perda de volume cúbico promovida durante o ensaio.
Equação 1. Volume perdido da amostra no ensaio de abrasão.
Volume perdido, mm³ =
Massa perdida: quantidade de massa perdida após ensaio (g).
Densidade: densidade do material submetido à abrasão (g/cm³).
(1)
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3. RESULTADOS
3.1. Perfil de Microdureza e Microdureza Superficial Média
As amostras após têmpera e revenimento obtiveram dureza de 63 HRc para TR1 e 57 HRc para TR2. A dureza
maior para TR1 justifica-se segundo Rosa (2014) e Mendanha & Pinedo (1998). A transformação da austenita retida em
martensita revenida somente ocorre a temperaturas entre 525°C e 540°C. Como a TR2 apresenta temperatura superior,
ocorre uma reformulação da microestrutura que lhe concede menor dureza. Os resultados apresentados na Figura 3
demonstram que esta dureza se mantém superior após a nitretação.
Figura 3. Microdureza superficial média.
A microdureza superficial das amostras se mantém maior nas amostras TR1 nitretadas por 6 horas, obtendo em
média valores de 1500 HV, enquanto que no lote TR2 as medições resultaram valores médios de 1200 HV. Contudo,
como pode ser analisado na Tabela 4, os ganhos percentuais de dureza em relação a amostra sem nitretação a plasma
são praticamente os mesmos.
Tabela 4. Ganho percentual de dureza após nitretação a plasma.
Amostras
Dureza Superficial Média
Ganho Percentual de Dureza
TR2 – 3h
1074,6
41,15%
TR1 – 3h
1279,3
41,77%
TR2 – 6h
1167,59
51,43%
TR1 – 6h
1521,26
51,03%
Uma diferença acentuada, no entanto, pode ser notada nos perfis de microdureza (Figura 4) tanto na
comparação entre temperaturas de revenimento, como entre os tempos de nitretação. Conforme Skonieski (2013), a
profundidade da camada nitretada será influenciada pelo tempo de tratamento, temperatura da nitretação, atividade do
nitrogênio e composição do aço.
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Figura 4. Perfil de microdureza.
A redução da dureza nos tratamentos TR1 demonstra uma maior zona de difusão, ou seja, a eficiência do
tratamento nestes casos, tanto a 3h como a 6h, está no fato de manter uma dureza superior ao TR2 para o interior do
material até chegar ao substrato.
3.2. Microestrutura e Zona de Difusão
Nas Figuras 5 e 6 estão ilustradas as metalografias dos lotes nitretados. A modificação da microestrutura do
aço AISI D2 nitretado torna-se evidente sob as diferentes temperaturas de revenimento e o tempo de nitretação.
A
A
B
Figura 5. AISI D2 - secção
transversal – 525°C – 500X
(Nitretado). Ataque nital 3%.
(A) 3h (B) 6h.
B
Figura 6. AISI D2 - secção
transversal – 575°C – 500X
(Nitretado). Ataque nital 3%.
(A) 3h (B) 6h.
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Nas Figuras 5(A) e 6(A) nota-se uma leve precipitação de nitretos na superficie, contudo, com ausência da
camada de compostos (camada branca), o que possibilita um ganho de dureza substancial sem fragilizar o aço. As
Figuras 5(B) e 6(B) apresentam uma zona de difusão mais larga e mais densa e, apesar do tempo de nitretação maior,
não obtiveram formação de camada branca.
A precipitação de nitretos na superfície da amostra pode formar uma superfície irregular e diferentes regiões. A
medição da rugosidade dessa nova camada formada por estes cabonitretos apresentados na metalografia foi medida e
apresenta-se na Tabela (5).
Tabela 5. Rugosidade das amostras.
TR1
TR2
TR1
TR2
Nit 3h
Nit 3h
Nit 6h
Nit 6h
0,04
0,06
0,06
0,07
0,05
0,24
0,48
0,48
0,56
0,32
Amostras
TR1
TR2
Ra (µm)
0,05
Rt (µm)
0,43
A análise da Ra (rugosidade superficial média) demonstra que o tratamento TR1 apresenta maior média de
rugosidade em todos os tratamentos de nitretação, tendo no tratamento de 6 horas a maior concetração de nitretos na
superficie, tanto demonstrado no perfil de microdureza, como pela rugosidade mais acentuada. Contudo, o lote TR2
apresenta variações na sua rugosidade, sendo o tratamento de 3h de nitretação o que apresenta maior valor de Ra na sua
superficie. O valor de Rt (rugosidade total superficial) evidenciou uma maior homogeneidade no tratamento de 3h,
tornando claro o tempo de 3h de nitretação como o de maior semelhança para os dois lotes. Os valores de Rt mais
elevados que as rugosidades médias demonstram a irregularidade na deposição dos nitretos na superficie das amostras
durante o processo de nitretação.
3.3. Ensaio de Abrasão
. Os Lotes TR1 e TR2, tanto nos dois tempos de nitretação, como sem tratamento de nitretação, foram testados
e seus resultados estão expressos na Tabela 6.
Tabela 6. Desgaste abrasivo das amostras.
TR1
Amostras
Vol. Perdido
TR1
1,786954
TR2
1,798981
TR2
TR1
TR2
+
+
+
+
Nit 3h
Nit 3h
Nit 6h
Nit 6h
0,946784
0,975186
1,843646
1,893568
(mm³)
O menor volume perdido é indicado nas amostras nitretadas a 3 horas, sendo TR1 com diminuição substancial
desse valor em comparação com as amostras em condição inicial de estudo. Contudo, nos tratamentos de nitretação a 6
horas se observou maior desgaste do que o valor sem tratamento superficial, demonstrando uma tendência indicada por
Rocha (2002) e Depianti Conci (2014), de que a precipitação de nitretos em contornos de grão fragiliza o aço, podendo
interferir no seu desempenho, aumentando o desgaste abrasivo.
4. CONCLUSÃO

O aço AISI D2 pode ser tratado termicamente e nitretado para melhorar sua resistência ao desgaste abrasivo,
bem como aumentar a sua dureza superficial.
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
O resultado do desgaste abrasivo neste estudo indica o tratamento de revenimento de 525°C e nitretação a
450°C por 3 horas como o de melhor condição de endurecimento e resistência à abrasão.

A temperatura de revenimento possui menor influência no potencial de nitretação, visto que em percentual de
ganho de dureza superficial os resultados praticamente se equivalem nas mesmas condições de nitretação.

O tempo de nitretação e a temperatura de tratamento podem influenciar na ocorrência de formação de nitretos
em contornos de grão, fragilizando o aço e tornando menor a sua resistência ao desgaste.

O polimento nas amostras nitretadas é uma sugestão de continuidade para esse estudo, para que se possa obter
uma superfície de igual dureza, mas menor rugosidade, possivelmente promovendo menor desgaste abrasivo.
5. AGRADECIMENTOS
Ao professor Alexandre da Silva Rocha pela orientação e conselhos dados à realização do estudo, ao Eng. Lucas
Travi pelo auxílio e aprendizado proporcionado em diversos ensaios realizados no Laboratório de Transformação
Mecânica da UFRGS.
Ao CNPq pelo apoio financeiro e incentivo a pratica de pesquisas no meio acadêmico.
6. REFERÊNCIAS
Pessin, M. A. . Caracterização de camadas nitretadas a plasma com uso de uma fonte de potencia pulsada. Dissertação
de mestrado. PPGEM-UFRGS; 1999.
Teichmann, L. . Influência da composição da mistura gasosa na nitretação iônica do aço AISI 420. Dissertação de
mestrado. PPGEM-UFRGS; 2002.
Rocha, A.S. Influência do estado superficial prévio na nitretação a plasma do aço AISI M2, Tese de Doutorado,
PPGEM-UFRGS; 2000.
Skonieski, A. ; Santos, G. R. ; Hirsch, T. ; Rocha, A. S. . Metallurgical response of an AISI 4140 steel to different
plasma nitriding gas mixtures. Materials Research (São Carlos. Impresso), v. online, p. 10.1590/S1516-1, 2013.
A.daS Rocha, T Strohaecker, T Hirsch. Effect of different surface states before plasma nitriding on properties and
machining behavior of M2 high-speed steel.Surface and Coatings Technology, Volume 165, Issue 2, 10 February
2003, Pages 176-185.
MENDANHA, A. & PINEDO, C. E. – “Estudo da Tenacidade do Aço Ferramenta para Trabalho a Frio AISI D2 em
Diferentes Condições de Microestrutura e Tratamento Térmico”, 2º Conferência Internacional de Forjamento, 19-22 de
outubro, Porto Alegre - RS, pp. 122 – 135, 1998.
Rosa, G.C., Kempski.L., Rocha, A.S.. “Análise microestrutural e tribológica do aço aisi d2 sob tratamento térmico de
nitretação a plasma em temperaturas distintas de revenimento” 34° SENAFOR. Congresso 17ª Conferência Nacional de
Conformação de Chapas / 4ª Conferência Internacional de Conformação de Chapas / 1º Congresso do BDDRG. 8-10 de
outubro, Porto Alegre – RS, 2014.
Kempski.L., Rosa, G.C., Rocha, A.S.. “Análise da influência da temperatura de revenido e nitretação a plasma em aços
ferramentas Cryodur 2990.” 34° SENAFOR. Congresso 17ª Conferência Nacional de Conformação de Chapas / 4ª
Conferência Internacional de Conformação de Chapas / 1º Congresso do BDDRG. 8-10 de outubro, Porto Alegre – RS,
2014.
Maycoln Depianti Conci, Antônio César Bozzi, Adonias Ribeiro FrancoJr., 2014” Effect of plasma nitriding
potential on tribological behaviour of AISI D2 cold-worked tool steel”, Wear317(2014)188–193.
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
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Copyright © 2015 ABCM
L. Bourithis, G.D.Papadimitriou, J.Sideris, “Comparison of wear properties of tool steels AISI D2 and O1with the
same hardness,Tribol.Int.39(2006) 479–489.
5. DIREITOS AUTORAIS
Influence of drawing back and surface treatments in abrasive wear of AISI D2 steel
Germano Rosa, [email protected]
Luciano Aparecido Kempski, [email protected]²
Juliana Zottis, [email protected]
Alexandre da Silva Rocha, [email protected]
1
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Av. Paulo da Gama,110 – Porto Alegre – RS – CEP: 90040-060
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do RS, Rua Domingos Zanela, 104 – Erechim – RS – CEP:
99700-000
2
Abstract: The surface state and the roughness and hardness can significantly change the material wear through
friction generated during your application in the process of the parts and components. Commonly used for the
manufacture of technical plastic molds of high abrasiveness, the steel AISI D2 can be surface treated to increase its
hardness and improve their surface properties. This work aims to analyze the influence of drawing back treatment at
temperatures of 525 ° C and 575 ° C and the two halves of different nitriding times of steel AISI D2, amid processes
occurring abrasion. The samples went quenching treatment to 1030 ° C and drawing back. The plasma nitriding was
performed with gas composition of 5 vol%. N2 and 95% vol. H2, in times of tree and six hours. The characterization of
the material was obtained using the surface microhardness, optical microscopy and surface roughness. The tribological
analysis was performed using the abrasion test as technical ASTM G65. The results showed increased hardness of
1200HV with mean values in the samples with drawing back at 525 ° C and nitrated for 3 hours, whereas the samples
nitrided for 6h the mean value of the surface hardness of 1500HV. The increase in surface hardness hindered the surface
material pullout because the abrasive material is less likely to wear it. The study results indicate that nitriding the steel
AISI D2 improves the shelf life of the material when subjected to abrasion.
Keywords: Plasma Nitriding; Tribology; Drawing Back.
Os quatro autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos neste trabalho·.