TCC---Pedro-Henrique-Diniz-dos-Santos

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INFLUÊNCIA DAS CAMADAS DE NITRETO DE TITÂNIO E 
NITRETO DE FERRO DEPOSITADAS POR GAIOLA 
CATÓDICA SOBRE AÇO AISI D2 
Pedro Henrique Diniz dos Santos1 
Thércio Henrique de Carvalho Costa1 
Maxwell Santana Libório2 
 
Resumo 
Aço AISI D2 é classificado como aço para trabalho a frio com alto teor de cromo e 
de carbono, possui boa resistência a abrasão e elevada dureza. A utilização desse 
aço em ferramentas como punção, matrizes exige dentre outras coisas que ele sofra 
desgastes e consequentemente sua vida útil seja limitada. O uso de tratamentos 
termoquímicos para o aumento da dureza superficial, resistência a corrosão e ao 
desgaste já está consolidado na literatura, entretanto em aços-ferramenta aplicados 
em trabalho a frio o mesmo ainda encontra desafios. A tecnologia de Plasma por se 
tratar de uma técnica ambientalmente correta possui uma vasta aplicabilidade 
atualmente. Assim, o objetivo deste trabalho é estudar o efeito das deposições das 
camadas de TiyN e FexN, pela nitretação a plasma com gaiola catódica, nas 
propriedades mecânicas, físico-química e morfológica, de aços AISI D2. Amostras 
de aço AISI D2 com dimensão 10 mm x 10 mm x 1,5 mm foram nitretadas por gaiola 
catódica utilizando gaiola de Aço Inox AISI 316 e de Titânio grau 2, durante 4 horas 
a uma temperatura de 400°C para o tratamento com a gaiola de Aço inox e 450°C 
para o tratamento de gaiola com a gaiola de Titânio, após os processos de 
Nitretação as amostras foram caracterizadas utilizando Microscopia Ótica e 
Microdureza, onde constata-se que as mesmas tiveram aumento de dureza 
superficial, camada de compostos bem definida e separadas em Ti2N para as 
amostras nitretadas só com gaiola de titânio, Fe2-3N para amostras nitretadas só 
com a Gaiola de Aço inox e camada sob camada, para amostras que foram 
submetidas as duas nitretações. 
Palavras-chave: Aço AISI D2; Nitretação a plasma; Propriedades mecânicas; 
Gaiola catódica; 
 
INFLUENCE OF TITANIUM NITRIDE AND IRON NITRIDE LAYERS DEPOSITED 
BY CATHODIC CAGE ON AISI D2 STEEL 
 
Abstract 
AISI D2 steel is classified as cold working steel with high chromium and carbon 
content, has good abrasion resistance, and high hardness. The use of this steel in 
tools such as punching dies requires, among other things, that it undergoes wear, 
and consequently, its useful life is limited. The use of thermochemical treatments to 
increase surface hardness, corrosion resistance, and wear is already consolidated 
in the literature; however, it still faces challenges in scientific steel tools in cold work. 
Plasma technology to deal with an environmentally friendly technique currently has 
wide applicability. Thus, the objective of this work is to study the effect of depositions 
of the layers of TiyN e FexN, by plasma nitriding with cathodic cage, on the 
mechanical, physical-chemical and morphological properties of AISI D2 steel. 
Samples of AISI D2 steel with a size of 10 mm x 10 mm x 1.5 mm were nitrided by 
a cathodic cage using AISI 316 Stainless Steel and Grade 2 Titanium cage, for 4 
hours at a temperature of 400°C for treatment with the Stainless Steel cage and 450 
°C for the treatment of the cage with the Titanium cage, after the nitriding processes 
as were characterized using Optical Microscopy and Microhardness, where it 
appears that there was an increase in surface hardness, a well-defined layer of 
compounds separated in Ti2N for those nitrided only with a titanium cage, Fe2-3N for 
nitrided only with the Stainless-Steel Cage and layer by layer, for those that were 
submitted as two nitrations. 
Keywords: AISI D2, Plasma nitriding, mechanical properties, cathodic cage. 
 
1 Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, 
Brasil. 
2 Escola de Ciência e Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN, Brasil. 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Os aços-ferramenta de trabalho a frio atuam em diversos segmentos da 
indústria, como cortes a frio e modelagens [1]. Os aços da série D possuem alta 
porcentagem de cromo e carbono em sua composição, com isso se tem uma alta 
dureza e alta resistência ao desgaste, além de uma baixa deformação no tratamento 
térmico, o que os leva a serem também conhecidos como aços “indeformáveis” [2]. 
Com o objetivo de melhorar o desempenho e a durabilidade de tal aço, são 
realizados tratamentos termoquímicos, que geram uma modificação na estrutura 
química do material, de forma superficial ou até certa profundidade, com o intuito de 
aumentar sua dureza. Por se tratar de um tratamento superficial, o núcleo da peça 
não é afetado, mantendo assim, suas propriedades mais tenazes e 
consequentemente uma maior durabilidade da peça [3]. 
A nitretação a plasma é um tratamento termoquímico que é amplamente 
utilizado para a melhoria das propriedades da superfície de vários materiais, como 
os aços-ferramenta [4]. Ela aumenta consideravelmente a dureza da superfície junto 
com uma maior resistência ao desgaste, isso ocorre pela inserção de átomos de 
nitrogênio na superfície do material, que acaba por criar uma camada com 
propriedades características na superfície do material [5]. 
O uso de gaiola catódica, nos tratamentos de nitretação a plasma, apresenta 
vantagens em comparação com outros métodos mais convencionais, como a 
deposição química de vapor (CVD), deposição física de vapor (PVD) ou a 
pulverização catódica reativa, que são tratamentos que demandam de uma 
instrumentação mais custosa e complexa, baixas pressões de trabalho, altas 
temperaturas e longo período de tratamento. O uso da gaiola catódica visa reduzir 
tais aspectos que dificultam o processo, além de manter a capacidade de produção 
de filmes de alta qualidade [6]. 
 
2 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
Amostras de aço AISI D2 com composição química 1,5 % C, 0,6 % Si, 0,6 % 
Mn, 12,0 % Cr, 1,0 % Mo, 1,0 % V. As amostras não tratadas obtidas da GGD Metals 
foram cortadas na dimensão 10 mm x 10 mm x 1,5 mm. Antes do tratamento a plasma, 
a superfície das amostras foram lixadas com lixas de SiC de 220 a 2000, em seguidas 
polidas com alumina em suspensão de 0,5 µm. 
Após a preparação as amostras foram nitretadas conforme condições 
apresentadas na Tabela 1 em reator de Nitretação a plasma de corrente contínua 
(ver figura 1). 
 
 
Tabela 1 - Tabela de condições de tratamento a plasma 
 
Tratamento Gaiola 
Pré-sputtering Tratamento 
Tempo Gás (%) Tempo Gás (%) 
Aço SAE 316 30 min 
Ar (50%) + 
H2(50%) 
4 h 
H2 (20%) 
+ N2 (80%) 
Aço + Ti 
SAE 316 / 
Titânio Gr 2 
30 min 
Ar (50%) + 
H2(50%) 
4 h 
H2 (20%) 
+ N2 (80%) 
Ti + Aço 
Titânio Gr 2 / 
SAE 316 
30 min 
Ar (50%) + 
H2 (50%) 
4 h 
H2 (20%) 
+ N2(80%) 
Ti Titânio Gr 2 30 min 
Ar (50%) + 
H2(50%) 
4 h 
H2 (20%) 
+ N2 (80%) 
 
Figura 1. Esquema da nitretação a plasma com gaiola catódica. 
 
Todas as amostras foram caracterizadas quanto a microdureza superficial e a 
microdureza de perfil, com carga de 0,49N, utilizando o microdurômetro PANTEC 
HVS – 1000, na escala Vickers. Bem como foi analisado a espessura de camada 
das amostras tratadas, através da microscopia óptica, com o objetivo de avaliar a 
eficiência do tratamento na formação das camadas de compósitos e de difusão. 
 
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
A figura 2, apresenta a microscopia óptica do aço D2 nas diferentes 
configurações de nitretação a plasma. A amostra nitretada uma única vez, com 
gaiola de titânio, por 4h a 450°C, figura 2 (a), apresentou a segunda maior camada 
nitretada, isso se deve ao fato da maior facilidade da difusão do nitreto de titânio em 
um meio que não possui tratamento. A amostra nitretada inicialmente com a gaiola 
de titânio e posteriormente de aço, figura 2 (b), durante 4h a 450°C e 400°C, 
respectivamente, apresentou a maior camada de compostos dentre as 
apresentadas, por causa da facilidade que o nitreto tem de difundir na matriz de 
ferro. A menor profundidade de camada, figura 2 (c), ocorreu como resultado do 
tratamento duplex da nitretação de açoe titânio, respectivamente, nas condições 
de 4h de tratamento a 400°C e 450°C respectivamente, tal profundidade pode ser 
atribuída a dificuldade do nitreto de titânio de ser difundido em um meio já tratado, 
no caso, com nitreto de ferro. Por fim, a amostra tratada unicamente em gaiola de 
aço, figura 2 (d), também em 4h a 400°C, não apresentou camada de compostos 
definida, embora tenha causado um aumento tanto na dureza de topo quanto na de 
perfil. 
 
 
a) 
 
b) 
 
c) 
 
d) 
 
Figura 2. Microscopia ótica da amostra de AISI D2 tratada com nitretação a plasma com gaiola 
de a) Titânio; b) Titânio e Aço; c) Aço e Titânio; d) Aço (Elaborado pelo autor,2020) 
 
A figura 3 mostra a espessura de camada de cada amostra e suas 
respectivas durezas superficiais, assim como a Tabela 2, a figura 4 apresenta a 
dureza de perfil de cada amostra em função da profundidade medida em relação a 
superfície. 
 
Tabela 2 – Durezas superficiais de cada amostra tratada. 
 
Amostra - Tratamento Dureza superficial (HV) 
Base (sem tratamento) 331 
Ti 887 
Ti + Aço 1395 
Aço 766 
Aço + Ti 1584 
 
Figura 3. Espessura de camada e dureza das amostras tratadas do aço AISI D2. 
 
 
Figura 4. Dureza de cada amostra tratada em função da profundidade da medição. 
 
Ao comparar a Fig. (3) com a Fig. (4), fica evidente que as amostras tratadas 
com gaiola de Ti e Ti+Aço, apresentaram as maiores espessuras de camadas e 
maiores perfis de dureza, essa elevada dureza é devido ao filme de titânio, que no 
caso da amostra tratada apenas com Ti, teve uma grande difusão no substrato, o 
que pode ter gerado a diferença entre a dureza da superfície e do perfil, visto que em 
uma medição de perfil, tem-se menor influência da dureza do substrato nos pontos 
mais próximos a superfície. Além disso, nota-se o decaimento de dureza de forma 
mais branda ao defrontar com as outras amostras, devido a profundidade da 
nitretação. μm 
Com relação a amostra trabalhada em Ti+Aço, teve-se um grande aumento 
na dureza, tanto superficial quanto de perfil, além da maior camada de compostos 
dentre as amostras. Tais resultados podem ter sido causados pela elevada dureza 
que o nitreto de titânio trás para a peça, em conjunto com uma maior difusibilidade, 
advinda do tratamento com a gaiola de aço, o que resulta em uma maior dureza 
difundida ao longo de uma maior profundidade da peça. 
Já a amostra tratada apenas com a gaiola de aço, bem como a que recebeu 
tratamento duplex, de Aço+Ti, se comportaram de maneira diferente quanto dureza 
superficial, perfil de dureza e espessura de camada. 
Apesar de não exibir camada aparente, a amostra tratada com Aço aumentou 
sua dureza ao longo da peça de forma gradual, dando a entender que, de fato, uma 
difusão ocorreu em sua superfície. 
Por conseguinte, a amostra de Aço+Ti, possui camada evidente, porém bem 
menor em comparação com as amostras tratadas com Ti e Ti+Aço. Isso pode ter 
ocorrido devido à dificuldade da difusão do nitreto de titânio em cima da camada de 
nitreto de ferro previamente tratada. Tal análise da camada corrobora com o fato de 
a dureza superficial ser maior em comparação a dureza de perfil mais próxima da 
borda. Onde, no primeiro caso, a medição ocorrerá sobre a camada de titânio (com 
alta dureza) e, no segundo, devido a espessura da camada de compostos, medirá 
apenas no substrato, que teve sua dureza definida justamente pelo primeiro 
tratamento com a gaiola de aço. 
Tal análise pode ser fundamentada tanto pelo fato de que o valor superficial 
deu próximo ao tratamento que foi realizado com titânio e aço, quanto a dureza de 
perfil, que deu próxima a dureza do tratamento que ocorreu apenas com a gaiola de 
aço. 
 
5 CONCLUSÃO 
 
A nitretação a plasma com gaiola catódica se mostrou eficiente e com ganhos 
expressivos de dureza, entretanto, aplicado ao objetivo de uso do aço e motivação 
do tratamento termoquímico, a amostra tratada com gaiola de titânio e 
posteriormente aço, obteve melhores resultados perante as demais configurações 
de tratamento. A amostra tratada com gaiola de Ti+Aço, possivelmente vai render 
melhores resultados em sua área de atuação visto que, sua camada de compostos 
se mostrou mais espessa e com um perfil de dureza menos acidentado em relação 
as outras amostras, o que demonstra que o aço ferramenta, em seu uso, vai ter uma 
melhor eficiência em comparação com os outros tratamentos, uma vez que sua alta 
dureza se preserva melhor em relação a profundidade analisada, aumentando a 
vida útil do aço- ferramenta. 
 
6 REFERÊNCIAS 
 
[1] M.F.C. Moscoso, F.D. Ramos, C.R. de Lima Lessa, P.H.C.P. Cunha, J.C. 
Toniolo, G.V.B. Lemos, Effects of Cooling Parameter and Cryogenic 
Treatment on Microstructure and Fracture Toughness of AISI D2 Tool Steel, 
J. Mater. Eng. Perform. 29 (2020) 7929–7939. 
[2] R.R.M. de Sousa, M.L.M. Mendes, E.M. Valadão, A. de Sá Brandim, 
M.D. Oliveira, C.A. Junior, Aço ferramenta para trabalho a frio AISI D6 
tratado termicamente e nitretado em plasma com gaiola catódica, Rev. 
Bras. Apl. Vácuo. 27 (2010) 223–227. 
[3] V. CHIAVERINI, T. Mecânica, Processo de Fabricação e Tratamento, vol, 
II- São Paulo, Ed McGral-Hill Ltad. (1986). 
[4] J.C. Díaz-Guillén, M. Naeem, H.M. Hdz-García, J.L. Acevedo-Davila, M.R. 
Díaz-Guillén, M.A. Khan, J. Iqbal, A.I. Mtz-Enriquez, Duplex plasma 
treatment of AISI D2 tool steel by combining plasma nitriding (with and 
without white layer) and post-oxidation, Surf. Coatings Technol. 385 (2020) 
125420. 
[5] J. Wu, H. Liu, J. Li, X. Yang, J. Hu, Comparative study of plasma oxynitriding 
and plasma nitriding for AISI 4140 steel, J. Alloys Compd. 680 (2016) 642–
645. 
[6] L.H.P. Abreu, M. Naeem, W.F.A. Borges, R.M. Monção, R.R.M. Sousa, M. 
Abrar, J. Iqbal, Synthesis of TiN and TiO 2 thin films by cathodic cage 
plasma deposition: a brief review, J. Brazilian Soc. Mech. Sci. Eng. 42 
(2020) 1–13. 
 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
Natal, 18 de dezembro de 2020. 
 
Ao(s) dezoitodia(s) do mês dedezembrodo ano de dois mil e vinte, às18:00 horas, 
através da plataforma Google meet, neste Campus Universitário, instalou-se a 
banca examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso do(a) aluno(a)PEDRO 
HENRIQUE DINIZ DOS SANTOS, matrícula 20180095699, do curso de Engenharia 
Mecânica. A banca examinadora foi composta pelos seguintes membros: THERCIO 
HENRIQUE DE CARVALHO COSTA, orientador;MAXWELL SANTANA LIBÓRIO, 
examinador interno; IGOR OLIVEIRA NASCIMENTO, examinador externo. Deu-se 
início à abertura dos trabalhos pelo THERCIO HENRIQUE DE CARVALHO COSTA, 
que após apresentar os membros da banca examinadora, solicitou a (o) candidato (a) 
que iniciasse a apresentação do trabalho de conclusão de curso, intitulado 
“INFLUENCIA DAS CAMADAS DE NITRETO DE TITÂNIO E NITRETO DE FERRO 
DEPOSITADAS POR GAIOLA CATÓDICA SOBRE AÇO AISI D2”, marcando um 
tempo de trinta minutos para a apresentação. Concluída a exposição, orientador, 
passou a palavra aos examinadores para arguirem o(a) candidato(a); após o que fez 
suas considerações sobre o trabalho em julgamento; tendo sido APROVADO, o(a) 
candidato(a), conforme as normas vigentes na Universidade Federal do Rio Grande 
do Norte. A versão final do trabalho deverá ser entregue à Coordenação do Curso de 
Engenharia Mecânica, no prazo de 02 dias; contendo as modificações sugeridas pela 
banca examinadora e constante na folha de correção anexa. Conforme o que rege o 
Projeto Político Pedagógico do Curso de Engenharia Mecânica da UFRN, o(a) 
candidato(a) não será o aprovado(a) se não cumprir as exigências acima. 
 
 
________________________________________ 
THERCIO HENRIQUE DE CARVALHO COSTA 
Orientador 
 
________________________________________ 
MAXWELL SANTANA LIBÓRIO 
Examinador interno 
 
 
________________________________________ 
IGOR OLIVEIRA NASCIMENTO 
Examinador externo