Artigos_Trabalho Final

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UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
ENGENHARIA MECÂNICA
Análise de Artigos 
Tratamentos Térmicos dos aços: Nitretação a plasma
Rafaél Mezzalira
Erechim, 30 de maio de 2014.
Índice
INTRODUÇÃO............................................................................................................5
ANÁLISE DE ARTIGOS.............................................................................................6
Efeito do campo magnético no processo de nitretação a plasma de aço inoxidável SAE 304...........................................................................................6
2.1.1.Introdução e Objetivos do artigo 1...........................................................6
2.1.2.Análise e Procedimento do artigo 1.....................................................................6
2.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 1.................................................7
3.1.Surfacemodificationof AISI 304 austenitcstainlesssteelby plasma nitriding.........................................................................................................................8
3.1.1.Introdução e Objetivos do artigo 2......................................................................8
3.1.2.Análise e Procedimento do artigo 2.....................................................................9
3.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 2................................................9
4.1. Nitretação por plasma para endurecimento superficial de aços ferramenta...................................................................................................................11
4.1.1.Introdução e Objetivos do artigo 3....................................................................11
4.1.2.Análise e Procedimento do artigo 3...................................................................11
4.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 3..............................................14
5.1. Efeitos da nitretação por plasma com pós-oxidação e por banho de 
sal na resistência à corrosão de um aço ferramenta...............................................16
5.1.1.Introdução e Objetivos do artigo 4...............................................................16
5.1.2.Análise e Procedimento do artigo 4....................................................................16
5.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 4..............................................18
6.1. Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot peening (Nitretação à Plasma do AISI304 com shot-peening)......
61.1.Introdução e Objetivos do artigo5......................................................................22
6.1.2.Análise e Procedimento do artigo 5...................................................................22
6.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 5..............................................24
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................25
índice de figuras
Figura 1 – Forno utilizado no processo de nitretação................................................................5
Figura 2.1.3 – Micrografia obtida por MEV (1000 x), na qual podemos ver a seção transversal da camada nitretada, com B = (370 ± 15)G............................................................ 7
Figura 3.1.3 – Micrografias da camada nitretada formada por nitretação a plasma do aço inoxidável AISI 304 austenítico em diferentes condições de processamento..........................10
Figura 3.1.4 –Superfície da dureza vs. temperatura de processamento.................................11 
Figura 4.1 –Reator de nitretação por plasma...........................................................................13
Figura 4.2 –Microestruturas após a nitretação por plasma......................................................
Figura 5.1 –Difratograma de raios-X do aço AISI H10 mod. temperado e revenido e nitretado....................................................................................................................................18
Figura 5.2.3 – Micrografia do perfil da camada nitretada do aço AISI H10 mod., obtida por microscopia eletrônica de varredura. (a) Após nitretação em banho de sal. (b) Após nitretação a plasma. Ataque químico Nital 5%..........................................................................................19
Figura 5.3 – Curvas de polarização potenciodinâmica em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L-1, pH 5,8, na superfície das amostras do aço ferramenta AISI H10mod.,nitretadas em banho de sal, a plasma e após tratamento térmico de têmpera e revenido.......................................... 20
Figura 5.4 – Micrografia da superfície, após ensaio de salt spray. (a) Amostra recozida após 1h; (b) Amostra recozida após 72h; (c) Amostra temperada e revenida após 1h; (d) Amostra temperada e revenida após 72h............................................................................................21
Figura 5.5 – Micrografia da superfície, após ensaio de salt spray. (a) Amostra nitretada em banho de sal após 1h; (b) Amostra nitretada em banho de sal após 72h; (c) Amostra nitretada a plasma com pós oxidação após 1h; (d) Amostra nitretada a plasma com pós oxidação após 72h.............................................................................................................................................21
Figura 6.1 – Análises metalográficas.......................................................................................23
Figura 6.2 – Espessura de camada nitretada no aço original................................................ 24
Figura 6.3 – Testes de dureza superficial................................................................................24
Índice de Tabelas
Tabela 2.1.1 - Composição química da amostra de aço.............................................................6
Tabela 2.1.2 - Condições para o processamento de limpeza e tratamento das amostras...........7
Tabela 2.1.3 - Comparação entre a espessura da camada nitretada nas 3 amostras tratadase a amostra profundidade do indentador Vickers............................................................................8
Tabela 4.1 - Verifica-se um aumento sensível da dureza superficial após a nitretação ( Em escala Rockwell C)....................................................................................................................14
Tabela 5.1 - Composição química do aço ferramenta AISI H10 modificado .........................17
Tabela 5.2 - Parâmetros utilizados na descarga de nitretação e pós-oxidação a plasma..........17
Tabela 6.1 - Comparação entre aços.......................................................................................22
introdução
Ao longo da história, foram criados diversos tipos de tratamentos, visando à obtenção de um material de melhor qualidade. Alguns dos objetivos tem sido promover o endurecimento da superfície de peças visando aplicações onde o desgaste e a fadigaa que são submetidos são muito significativos (além de aumentar a resistência à corrosão). Um dos processos mais utilizados para se obter estes efeitos é a nitretação, por não comprometer a propriedade física associada ao seu volume. Um dos 
processos de nitretação, que vem se destacando, é o que utiliza o plasma e é denominado de nitretação a plasma ou nitretação iônica. Este processo apresenta vantagens como a redução do tempo de tratamento até a ausência total de poluição, em relação ao processo convencional. 
O processo de nitretação a plasma envolve um complexo conjunto de fenômenos sendo levado em um forno especial, como mostra a Figura 1 abaixo, que se caracteriza por não possuir elementos de aquecimento. No interior do forno injeta-se nitrogênio a baixa pressão ( próxima ao vácuo ) e estabelece-seuma diferença de potencial entre as paredes do forno e a peça a ser nitretada, colocada no centro. A diferença de potencial ioniza o gás a baixa pressão, cirando o plasma. Os iôns do gás são acelerados na direção do material devido á aplicação de um campo elétrico negativo a serem tratadas.
Figura 1 – Forno utilizado no processo de nitretação.
O aquecimento até a temperatura necessária para que o nitrogênio penetre por difusão atômica na superfície do aço ( em torno de 400) e forme então a cama da nitretada de alta dureza, que ocorre devido ao choque das partículas ionizadas contra superfície da peça, no interior do forno.Os materiais modificados superficialmente são aplicados numa variedade de campos, incluindo isolantes térmicos, revestimentos decorativos, entre outros.
ANÁLISE DE ARTIGOS
2.1. Efeito do campo magnético no processo de nitretação a plasma de aço inoxidável SAE 304
2.1.1. Introdução e Objetivos do artigo 1
Podemos dizer que o aço é uma liga ferro – carbono com pequenas impurezas e outros elementos colocados propositadamente ou porque não foi possível retirá-los. A porcentagem de carbono na liga varia entre 0 % e 1,7%, enquanto o teor de manganês, em aços comuns, varia entre 0,03% a 0,75% aproximadamente. 
As características do aço podem variar de acordo com o arranjo estrutural e composição química, podendo apresentar propriedades diferentes que atendam especificações ditadas por cada aplicação. No presente estudo, será analisado o aço inoxidável austenítico da série S.A.E. (“Society of Automotive Engineers”) 304, um dos aços que possuem larga aplicabilidade. 
O principal objetivo deste trabalho é estudar um dos principais métodos de tratamento superficial do aço para se obter um novo material com propriedades que podem gerar novas aplicações ou melhorar o desempenho naquelas em que este material é atualmente utilizado. Nesta pesquisa pretende-se analisar o efeito do campo magnético aplicado ao processo de nitretação iônica a plasma frio tendo-se como material base o aço inox austenítico S.A.E 304. 
2.1.2.Análise e Procedimento do artigo 1
Para o experimento, foi utilizado aço inoxidável austenítico que foi fornecido pela Divisão de Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do Centro Técnico Aeroespacial (AMR/IAE/ITA) em forma de uma chapa de 2 mm de espessura. Para saber a qual classe o aço recebido pertencia, foi 
levada uma amostra deste material ao Laboratório de Análises Químicas da AMR. O resultado da análise é mostrado na Tabela 2.1.1.
Tabela 2.1.1: Composição química da amostra de aço.
	eElemento
	CC
	sSi
	PP
	mMn
	CCr
	SS
	MMo
	NNi
	TTeor ( %) 
	00,050
	00,51
	00,035
	11,53
	118,80
	00,002
	00,14
	88,50
Pela análise feita, a composição química das amostras analisadas enquadra-se na classe do aço inoxidável austenítico 304 conforme norma SAE J405d. Em seguida, foram feitos a limpeza e o polimento com o objetivo de prepará-las para o tratamento. 
Foi iniciada a operação fazendo-se vácuo com pressão de torr na câmara do processo para eliminar possíveis impurezas que estivessem em seu interior. Em seguida, foi produzida uma descarga em (com o objetivo de realizar a limpeza das amostras devido ao impacto de íons energéticos). As condições do processo são apresentadas na Tabela 2.1.2. 
Para a nitretação iônica, foram tratadas 3 amostras. Todas elas foram inicialmente submetidas à limpeza com descarga de hidrogênio de maneira descrita anteriormente, por período de 30 min. Foi escolhido o gás hidrogênio, pois este promove a remoção de óxidos que podem ter sido formados na superfície das amostras. Em seguida, iniciou-se o tratamento das mesmas com plasma nas seguintes condições mostradas na Tabela 2.1.2. 
Tabela 2.1.2: Condições para o processo de limpeza e tratamento das amostras.
	Limpeza 
	Tratamento
	Tempo ( mim)
	30
	180
	Fluxo ( sccm)
	50 de 
	12,5 de /12,5 de 
	Pressão ( torr)
	0,5
	5
	Corrente ( mA)
	8
	50
	Temperatura média )
	90
	540
2.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 1
Nas amostras nitretadas, vimos que houve formação de nitretos de Ferro (FN e F), bem como a formação de nitreto de cromo para a amostra nitretada sem campo magnético. Por outro lado, nas amostras tratadas sob efeito do campo magnético, o pico de Fe4.4N se mostrou mais intenso. O pico não identificado nestas 2 amostras, próximo a 2θ= 73º foi atribuído a formação de FeN. Podemos concluir, portanto, que o campo magnético induz à formação de alguns tipos de nitretos como o FN e o FN ao passo que inibe a formação de outros como o CrN.
As amostras foram também submetidas ao teste de dureza Vickers que permitiram obter os resultados apresentados na Tabela 3. Estes valores da dureza estão aquém dos esperados e para melhor 
avaliar a sua validade, foram feitas caracterizações destas amostras por Microscopia eletrônica de 
varredura – MEV, que proveram as micrografias das quais a mais representativa é apresentada na Figura 2.1.3.
Figura 2.1.3: Micrografia obtida por MEV (1000x), na qual podemos ver a seção transversal da camada nitretada, com B = (370 ± 15)G.
Observando as micrografias obtidas pela MEV, pode-se verificar que ocorre a formação de uma camada superficial de nitretos como conseqüência dos tratamentos a plasma a que as amostras são submetidas. Percebe-se também que a espessura dessas camadas nitretadas diminuem com o aumento do campo magnético aplicado. Calculando-se a profundidade que atinge o indentadorVickers para comparar com a espessura da camada nitretada obteve-se os valores apresentados na Tabela 2.1.3. 
Tabela 2.1.3: Comparação entre a espessura da camada nitretada nas 3 amostras tratadas e a amostra profundidade do indentadorVickers.
	Amostra 
	Dureza em HV
( Kgf / m)
	Espessura da camada
( µm )
	Profundidade do identador (µm)
	Substrato
	212,2 0,6
	-
	-
	B = 0G
	222,9 
	53,47
	4,1
	B =(210 G
	265,5 1,2
	20,85
	3,8
	B = (370 30) G
	250,4 0,5
	10,09
	3,9
Os resultados obtidos permitem concluir que o campo magnético aplicado durante o processamento pode alterar a condição de nitretação iônica, promovendo modificações na estrutura cristalina dos compostos formados e na espessura da camada nitretada. Quanto à dureza da superfície, aumento de 25%, em relação ao valor apresentado pelosubstrato, foi observado para a amostra tratada na presença de campo magnético de 210G. 
3.1. Surface modification of AISI 304 austenitc stainless steel by plasma nitriding (Modificação da superfície de aço inoxidável AISI 304 austenítico por nitretação a plasma )
3.1.1.Introdução e Objetivos do artigo 2
Nitretação Plasma é um tratamento de superfície comum, no qual o nitrogênio é introduzido no aço ou outras ligas à base de ferro, a temperaturas elevadas (entre 520 e 580 ℃) para melhorar a dureza, desgaste e resistência à corrosão dos metais.
Neste estudo, a investigação centrou-se na observação das alterações na superfície da amostra depois do processo de nitretação do plasma e as propriedades da superfície resultantes. Nitretação plasma de amostras de aço inoxidável austenítico tem sido realizada usando impulsos de plasma dc descarga luminescente de gás N a temperatura do substrato variando de 350 para 520 ℃. Um tempo de nitretação de apenas 4 h foi encontrado para produzir uma camada de nitreto de superfície compacta composta por de fase com uma espessura de cerca de 7-12 mm, como a temperatura de processamento se manteve entre 420 e 450 ℃. A espessura da fase verificou-se ser muito fina apenas cerca de 2 mm depois de nitretação do plasma a temperatura abaixo de 400 ℃.
3.1.2. Análise e Procedimento do artigo 2
Os substratos foram feitos de aço inoxidável AISI 304 com a composição: 
0.05 C, 18.9 Cr, 9.20 Ni, 0.80 de Si, Mn, 2.00, S 0.02, P 0.02 e equilíbrio Fe. A
nitretação foi realizada utilizando o aparelho de nitretação de plasma de descarga incandescente de pulso dc. O sistema de nitretação de plasma é constituídopor um aço inoxidável arrefecida com águacâmara de aço com o tamanho de Ø: 600mm X 600 mm e uma bomba de vácuo mecânica, gás de processamento e unidades de controle de energia elétrica. Depois as amostras foram colocadas sobre a placa do cátodo, a câmara foi evacuada para Pa. 
Nitretação a plasma de amostras de aço inoxidável austenítico tem sido realizada usando impulsos de plasma dc descarga luminescente de gás N a temperatura do substrato variando de 350 a 540 ℃ durante 4 h. A temperatura foi medida por um termopar. A pressão de trabalho foi de 300 Pa. Depois da nitretação e do tempo requerido, as amostras foram arrefecidas até à temperatura ambiente, na condição de vácuo.
3.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 2
A camada de nitreto da superfície a cerca de 7-12 mm de espessura, sem precipitação é claramente vista para a figura nitretada em 430 a 450℃, enquanto a camada nitretada é apenas 2-3 mm tratada a 350℃ durante 4 h. De 20 mm de espessura da camada nitretada com alguns precipitados de nitreto de cromo foi obtido após a nitretação em 465℃ durante 2 h. A Figura 3.1.3 mostra as micrografias ópticas de uma secção transversal do nitreto de plasma AISI 304 de aço inoxidável à diferentes temperaturas.
Figure 3.1.3:Micrografias da camada nitretada formada por nitretação a plasma do aço inoxidável AISI 304 austenítico em diferentes condições de processamento.
Na Figura 3.1.4 podemos ver a variação de dureza em função da temperatura de processamento de plasma nitretado do aço inoxidável AISI 304 para 4 horas. 
Figure 3.1.4: Superfície da dureza vs. temperatura de processamento.
Os resultados do aço inoxidável de nitretação de plasma por descarga de brilho utilizando dc convencional mostram que é possível atingir os mesmos resultados que os de outros métodos. 
A profundidade e a dureza da nitretação do aço inoxidável austenítico de plasma foram encontrados a depender da temperatura de processamento. A dureza de superfície pode serreforçada de 6 a 7 vezes por nitretação plasma à temperatura de cerca de 450 ℃ comparada com a do material de origem.
4.1. Nitretação por plasma para endurecimento superficial de aços ferramenta
4.1.1. Introdução e Objetivos do artigo 3
Os moldes utilizados em processo de injeção passaram a sofrer um desgaste maior do que o previsto com o aumento do uso de plásticos de engenharia. Isso exigiu novas soluções para aumento da resistência, como a proposta neste artigo que sugere a nitretação por plasma pulsado para endurecer superficialmente o molde, com vantagens adicionais de controle microestrutural, estabilidade dimensional,acabamento superficial, reprodutibilidade, tratamento térmico simultâneo e ausência de efeitos poluentes.
4.1.2. Análise e Procedimento do artigo 3
A engenharia de superfície aumenta no mundo inteiro como um método alternativo para elevar a resistência ao desgaste de materiais convencionais, em busca de uma melhoria no desempenho de ferramentas. O processo de nitretação é muito empregado na modificação da superfície de ferramentas e o uso da nitretação por plasma surge como um método alternativo. A nitretação é um tratamento termoquímico que eleva a dureza da superfície e as resistências à fadiga, ao desgaste e à corrosão dos aços. As modificações ocorridas na superfície nitretada dependem do teor de nitrogênio incorporado e é uma função da temperatura, do tempo e das condições de processo.
Os processos de nitretação tradicionalmente utilizados na indústria, classificados de acordo com o meio nitretante, são a nitretação gasosa com amônia e a nitretação em banho de sais. Entretanto, estes métodos são limitados com relação ao controle sobre a microestrutura da superfície nitretada, na manutenção da integridade superficial, e possuem restrições dos pontos de vista ambiental e da saúde humana. Na nitretação por plasma pulsado é imposta uma diferença de potencial elétrico entre a parede do forno (anodo) e a peça (catodo) que, em condições controladas de temperatura, pressão e mistura gasosa, origina uma descarga luminescente, conhecida como plasma, que cobre completamente a superfície das peças.
A maior vantagem da nitretação por plasma é a possibilidade de controlar a metalurgia da camada nitretada. Para um mesmo aço, este processo permite variar o tipo de nitreto formado na camada branca e até mesmo impedir a formação dessa camada. Para isto, deve-se controlar precisamente a composição da mistura gasosa, a temperatura e o tempo de nitretação. O grau da profundidade de nitretação é determinado pelo controle da temperatura e do tempo de processo.
É muito importante ter em mente que a composição química do substrato desempenha um papel importante sobre a metalurgia da superfície nitretada. Além das vantagens metalúrgicas e de processo oferecidas pela nitretação por plasma, é importante salientar que esta tecnologia encontra-se plenamente adequada às novas exigências ambientais.
Aços para moldes
A seleção destes materiais deve levar em consideração propriedades como usinabilidade, polibilidade, capacidade de texturização, soldabilidade, resistência à corrosão e resistência
ao desgaste. A melhor combinação dessas propriedades é atingida por um rígido controle no processo de fabricação da matéria-prima e pelo uso correto do processo de tratamento térmico. A correta seleção do aço em função do tipo de plástico a ser injetado é fundamental para garantir um desempenho otimizado. A seguir, serão apresentados os principais aços utilizados
na fabricação de moldes e suas características mais importantes.
AISI P20
É o aço mais tradicional utilizado no segmento de injeção. Com dureza Rockwell C entre 27 e 32, os moldes são produzidos sem a necessidade de tratamentos térmicos posteriores.
AISI H13
Solução para a injeção de plásticos que exigem maior resistência ao desgaste dos moldes.
Nestes casos, a utilização do aço ferramenta tipo AISI H13 possibilita o endurecimento
após tratamento térmico para durezas Rockwell C de 45 a 52, o que fornece à ferramenta
uma resistência ao desgaste superior à dos moldes convencionais de AISI P20.
AISI 420
Em certos casos, entretanto, a natureza do polímero exige o uso de aços resistentes à corrosão e ao desgaste. Nesta situação, o aço mais utilizado é o inoxidável martensítico AISI 420. Este material é fornecido no estado recozido e, após a confecção do molde, é realizado o tratamento térmico de beneficiamento para uma dureza Rockwell C entre 50 e 52. Aqui, a correta especificação do tratamento térmico é fundamental para garantir uma ótima resistência à corrosão deste metal. Aços como o AISI 440 também podem ser utilizados quando a abrasividade do polímero é muito elevada
Maraging e VP50
Os aços endurecíveis por precipitação por tratamento térmico de envelhecimento têm sido uma solução utilizada de forma crescente quando a combinação entre elevada dureza e estabilidade dimensional é fundamental. Entretanto, este aço apresenta um elevado custo de matéria prima,
o que impede a sua ampla difusão neste segmento.
Materiais e métodos experimentais
Para este estudo, foram selecionados os aços ferramenta mais utilizados no Brasil na confecção
de moldes para a injeção dos mais variados plásticos. Os materiais estudados foram AISI H13, AISI P20, AISI 420, VP40 e Maraging 250.
O reator de nitretação por plasma utilizado neste trabalho possui dimensões internas de 450 mm de diâmetro por 850 mm de altura e pode tratar peças com peso de até 500 kg. O processo é conduzido a vácuo e utiliza como gases o nitrogênio, hidrogênio, metano e argônio.
As principais características desse reator são uma fonte de tensão pulsada e uma câmara aquecida com três zonas de aquecimento. O uso da parede quente é uma opção importante para reduzir a intensidade de plasma necessária ao processo e assegurar o melhor perfil térmico no interior do forno.
Figura 4.1: Reator de Nitretação por Plasma pulsado
Os parâmetros utilizados nos diferentestratamentos de nitretação levaram em consideração a composição química de cada aço estudado e a microestrutura da superfície nitretada. Em termos gerais, a nitretação conduzida com um elevado potencial de nitrogênio e uma elevada temperatura permite a formação da camada branca. Por outro lado, a combinação de um baixo potencialde nitrogênio (menor do que 10% do volume) e uma baixa temperatura de nitretação
(menor do que 550°C) permite inibir a formação da camada branca. Todos os materiais foram tratados termicamente antes da nitretação para a dureza de trabalho. Os tratamentos térmicos realizados foram têmpera seguida de revenimento e envelhecimento. Após os tratamentos superficiais de nitretação, as amostras foram preparadas metalograficamente na seção perpendicular à superfície nitretada. A microestrutura foi avaliada por microscopia óptica.
O perfil de dureza da superfície nitretadafoi determinado por medidas de microdureza
Vickers, utilizando carga de 100 g. Após a avaliação dos perfis, foi determinada a profundidade de endurecimento utilizando o critério NHT (que avalia a profundidade da camada nitretada), especificado pela norma DIN 50190. A dureza do substrato antes e após a nitretação foi avaliada pela escala Rockwell C.
4.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 3
Os resultados de dureza de cada aço, antes e depois do tratamento termoquímico de nitretação, são apresentados na tabela abaixo:
Tabela 4.1: Dureza antes e após o tratamento termoquímico de nitretação
	Material
	Dureza do material antes da Nitretação (Rockwell C)
	Dureza do material após a Nitretação (Rockwell C)
	AISI P20
	27,5
	65
	AISI H13
	47,5
	69
	AISI 420
	49,0
	72
	Maraging
	55,0
	65
	VP40
	40,3
	65
As microestruturas das superfícies nitretadas em cada aço são apresentadas na figura abaixo:
Figura 4.2: Microestruturas após a Nitretação por Plasma
Particularmente para o aço inoxidável AISI 420, um dos fatores de processo mais importantes na nitretação por plasma é a possibilidade de remoção da camada passivada pelo uso de um bombardeamento iônico – sob hidrogênio – nas etapas que precedem a nitretação. No caso dos tratamentos convencionais, a remoção da camada passiva deve ser realizada de forma mecânica ou química antes da nitretação, o que se transforma em uma dificuldade nos aspectos técnico e de custo. É importante salientar que a remoção incompleta da camada passiva leva a uma nitretação inadequada da peça.
Para o aço AISI H13, observa- se que existe a possibilidade de programar parâmetros de nitretação que controlam a microestrutura na superfície, de modo a formar ou não a camada branca. A camada branca se forma quando a nitretação é realizada com uma mistura gasosa rica em nitrogênio a uma temperatura elevada. Ao contrário, quando o potencial de nitrogênio utilizado é substancialmente menor e há também diminuição da temperatura,
suprime-se a formação da camada branca. O uso de uma temperatura mais alta no tratamento
leva a uma maior profundidade de nitretação do que a observada no ciclo em que a temperatura de nitretação é inferior. Os aços AISI P20 e AISI 420 foram nitretados em condições que limitam a formação da camada branca e apresentam apenas a zona de difusão. Para os aços Maraging e VP40 também se observa a formação da camada branca. No caso do Maraging, o elevado teor de elementos de liga impede a eliminação da camada branca; no VP40, a nitretação objetivou a formação da camada branca. O uso ou não de uma superfície nitretada com camada branca depende de uma análise criteriosa dos parâmetros de injeção que devem incluir, principalmente, o tipo de aço, a geometria e as dimensões do molde, o polímero a ser injetado, o grau de acabamento da peça injetada e a agressividade ambiental quanto à corrosão. 
Considerações finais
O tratamento de nitretação por plasma mostrou-se eficiente na modificação superficial, promovendo um endurecimento de todos os tipos de aço ferramenta testados neste trabalho (AISI H13, AISI P20, AISI 420, Maraging e VP40). Este endurecimento colabora de forma determinante para a melhoria do desempenho do molde por um aumento da resistência ao desgaste. Nos casos de presença da camada branca, também se espera uma melhoria das propriedades de corrosão. A modificação dos parâmetros de nitretação, principalmente da composição gasosa na nitretação por plasma, permite um controle sobre a metalurgia da superfície nitretada, particularmente mostrado para o aço AISI H13. Para um potencial elevado de nitrogênio ocorre a formação da camada branca e, para potenciais baixos de nitrogênio, a superfície apresenta apenas a zona de difusão. A possibilidade de bombardeamento de passivar o aço inoxidável AISI 420, para permitir a sua nitretação de forma eficiente. O uso de temperaturas de nitretação abaixo das normalmente exigidas nos processos convencionais (que podem chegar a 350°C) permite a nitretação segura de aços endurecíveis por precipitação, como o Maraging e o VP40, endurecendo a superfície sem alteração de dureza do substrato. A nitretação por plasma pulsado é um processo de ampla aplicação na indústria de confecção de moldes para injeção de plásticos. Este processo tem como vantagem principal o controle preciso da microestrutura da superfície nitretada, que pode ser projetada, em particular, para cada situação de injeção. A possibilidade de nitretação seletiva e, acima de tudo, reprodutibilidade de qualidade, fazem deste tratamento superficial uma opção moderna e viável para a indústria de transformação de plásticos.
5.1. Efeitos da nitretação por plasma com pós-oxidação e por banho de sal na resistência à corrosão de um aço ferramenta
5.1.1. Introdução e Objetivos do artigo 4
A nitretação a plasma consiste num processo de revestimento galvânico que utiliza o princípio de uma substância portadora de corrente entre dois eletrodos (anodo e catodo). A substância portadora da corrente é gás nitrogênio sob baixa pressão, utilizando uma tensão elevada, o gás é excitado e ionizado, resultando num brilho ou incandescência. 
Neste artigo foi utilizado o aço ferramenta AISI H10 mod. (modificado), empregado na confecção de ferramentas para forjamento a quente de peças automotivas. Os corpos de prova foram tratados termicamente, por nitretação em banho de sal e nitretação com pós-oxidação por plasma pulsado, mediante o controle da mistura gasosa. O objetivo foi avaliar a evolução quanto a estrutura cristalina da camada tratada, dureza superficial e resistência à corrosão em solução aquosa de NaCl.
5.1.2. Análise e Procedimento do artigo 4
A Tabela 5.1 mostra a composição química nominal do aço ferramenta AISI H10 mod. utilizado neste trabalho, obtida por espectroscopia de emissão ótica. Este aço apresenta um teor de silício menor que o convencional, com o objetivo de diminuir a fragilidade a quente e aumentar a tenacidade. O aço foi tratado termicamente nas mesmas condições das ferramentas utilizadas para forjamento a quente de peças automotivas.
Tabela 5.1: Composição química do aço ferramenta AISI H10 modificado (% em peso)
Uma parte dos corpos de prova temperados e revenidos foram nitretados em banho de sal: pré-aquecimento a 400 ± 20ºC, por 60 minutos e 3 horas em banho de sal a 570 ± 5C°, seguido de resfriamento em óleo de têmpera aquecido a 60ºC. E outra parte dos corpos de prova foi nitretada em um reator a plasma pulsado, desenvolvido na Plasma LIITS (Laboratório de Implantação Iônica e Tratamento de Superfícies). 
A mistura de gás utilizada consistiu de nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2), todos com pureza de99,99%. Após o término do processo, as amostras foram submetidas a um resfriamento sob vácuo dentro dacâmara de tratamento. Posterior a nitretação, com as amostras ainda no reator a plasma, foi realizado uma pós-oxidação superficial com CO2.
Tabela 5.2: Parâmetros utilizados na descarga de nitretação e pós-oxidação a plasma
 Para estudar as característicasde endurecimento do substrato, foram realizadas medidas de microdurezaVickers, num microdurômetro da marca Reicherter, modelo KL2, utilizando carga de 0,5 Kgftempo de impressão de 15 segundos. 
Para a identificação das fases cristalinas formadas na superfície das amostras, foi utilizada a técnica de difração de raios-X, em um difratômetro Rigaku, modelo Gergerflex, com radiação Kα do Cobre. 
Foram preparados os eletrodos de trabalho com as amostras temperadas e revenidas, nitretadas em banho de sal e nitretadas a plasma (área de 78 mm2). Foi usado um eletrodo de calomelano saturado (ECS) como eletrodo de referência e o contra-eletrodo (ou auxiliar) de platina. O eletrólito utilizado foi uma solução aquosa0,5 mol L-1de NaCl, exposto à atmosfera, pH=5,8 e na temperatura ambiente (∼25ºC ). 
Para a realização dos ensaios de corrosão foi utilizado um potenciostato da marca Microquímica, modelo MQPG-01, conectado a uma célula eletroquímica. As curvas de polarização foram programadas para iniciar após estabilização do potencial em circuito aberto, ou se não registrasse uma variação de 1mV por um período de180segundos, este potencial de inicio da varredura foi definido como potencial de corrosão. Os ensaios foram realizados com velocidade de varredura constante igual a 1mV/s.A partir das curvas de polarização foi obtido o potencial de corrosão e a densidade de corrente de corrosão, utilizando o método de extrapolação de Tafel. Utilizando os valores de densidade de corrente de corrosão, obtidos para as superfícies temperadas e revenidas, como referência, e para as superfícies nitretadas sob diferentes .
 Também foram realizados ensaios de corrosão em câmara de névoa salina (salt spray), conforme a norma ASTM B117-97 .Foi utilizada uma câmara tipo Corrotest, na qual as amostras foram colocadas e exposta a uma névoa de solução aquosa de NaCl 0,5 mol L-1, sob temperatura de 35±2ºC, pH entre 6,8–7,2 e pressão entre 10 e 25 psi. As amostras foram avaliadas por microscopia ótica após 1, 4, 24, 48 e 72 horas na câmara de salt spray, a cada etapa de avaliação os corpos de prova foram lavados em água desmineralizada e secados com jato de ar quente. Esse procedimento teve como objetivo determinar o tempo para a nucleação de pites nas superfícies das amostras. 
5.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 4
O espectro da amostra temperada e revenida mostra somente os picos característicos correspondentes à fase α-Fe, o tratamento de nitretação e pós-oxidação a plasma, foram identificadas as fases γ´-Fe4N, ε-Fe2-3N e Fe3O4. Picos associados com a fase magnetita (Fe3O4) também são observados, sem a presença da fase a hematita (Fe2O3), fase indesejável uma vez que é pouco resistente à corrosão, além de ter baixa resistência mecânica. As intensidades relativamente pequenas desses picos associados a Fe3O4 são devido a sua espessura micrométrica. Deve-se notar que não foram observados picos associados a precipitados de nitretos de cromo, garantindo o bom comportamento do aço frente a processos de corrosão durante o serviço. Na amostra nitretada em banho de sal as fases identificadas na superfície foram γ´-Fe4N e ε-Fe2-3N, confirmando a presença da camada de compostos. Nota-se maior intensidade do pico referente à fase ε-Fe2-3N, a qual tem como característica maior dureza e menor tenacidade, podendo levar à fragilidade da camada. O aumento sutil da largura dos picos a metade da altura é característico de um pequeno aumento da desordem, formação de finos nitretos e defeitos na rede cristalina, devido a incorporação do nitrogênio.
Figura 5.1.3: Difratograma de raios-X do aço AISI H10 mod. temperado e revenido e nitretado.
A Figura 5.2.3.(a), obtida por microscopia eletrônica de varredura, mostra a camada nitretada em banho de sal do aço AISI H10 mod. Observa-se a formação dacamada de difusão (região escura) e da camada de compostos (ou também chamada camada branca), a qual é comumente constituída por nitretos de ferro γ’-Fe4N e nitretos de ferro ε-Fe2,3N. Observou-se que a camada composta apresentou espessura de aproximadamente 10µm e elevado grau de porosidade, característico do processo de tratamento por nitretação em banho de sal, devido à ocorrênciade uma etapa aerada para promover a oxidação do sal nitretante e conseqüente produção de carbono e nitrogênio durante o processo de difusão. A camada de difusão apresenta-se com aproximadamente 130µm de espessura e nela é possível observar a formação da rede de nitretos precipitados em contorno de grão em toda extensão da camada de difusão. 
A Figura 5.2.3. (b) mostra que a nitretação a plasma nas condições: concentração de 20% [(N2 / N2 + ]H2)], durante 12 horas e na temperatura de 510°C, resultou na formação de uma camada composta homogênea e sem porosidade (com aproximadamente 7 µm) e uma camada de difusão com nitretos em rede precipitados em contornos de grãos (com aproximadamente 170 µm).
Figura 5.2.3: Micrografia do perfil da camada nitretada do aço AISI H10 mod., obtida por microscopia eletrônica de varredura. (a) Após nitretação em banho de sal. (b) Após nitretação a plasma. Ataque químico Nital 5%.
A Figura 5.3 mostra as curvas de polarização obtidas para as superfícies do aço: temperado e revenido, nitretado em banho de sal e nitretado a plasma; após imersão de cada uma das superfícies em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L-1, pH 5,8, aerada naturalmente e sob temperatura de aproximadamente 25°C.
Figura 5.3: Curvas de polarização potencial dinâmica em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L-1, pH 5,8, na superfície das amostras do aço ferramenta AISI H10 mod., nitretadas em banho de sal, a plasma e após tratamento térmico de têmpera e revenido.
O potencial de corrosão é o que indica o início do processo de corrosão e seu valor orresponde ao ponto de menor densidade de corrente na curva de polarização. A densidade de corrente por sua vez é um indicador da velocidade das reações de corrosão, ou seja, maior corrente, maior corrosão.
Os resultados obtidos nos ensaios de polarização potencial dinâmicos foram confirmados pelos resultados de salt spray. As amostras foram avaliadas após 1, 4, 24, 48 e 72 horas na câmara de salt spray, as micrografias apresentadas se referem às avaliações após 1 e 72 horas. A Figura 4 mostra as micrografias da superfície das amostras recozida e temperada/revenida, após 1 hora e 72 horas em ensaio de salt spray. Observou-se que após 1 hora em exposição a superfície da amostra revenida apresentou vários pontos de corrosão e após 72 horas ocorreu intensa corrosão por pite, mostram as Figuras 4a e 4b. A Figura 4c mostra que após 1 hora em exposição em ensaio de salt spray, a superfície da amostra temperada e revenida, apresentou somente um ponto com início de corrosão. Após 4 horas foram observados poucos pontos com pites e somente a partir de 24 horas foram observados vários pontos de corrosão que aumentaram após 48 e 72 horas (Figura 4d).
Figura 5.4: Micrografia da superfície, após ensaio de salt spray. (a) Amostra recozida após 1h; (b) Amostra recozida após 72h; (c) Amostra temperada e revenida após 1h; (d) Amostra temperada e revenida após 72h.
A Figura 5.5 mostra as micrografias da superfície das amostras nitretada em banho de sal e nitretada a plasma com pós oxidação, após 1 hora e 72 horas em ensaio de salt spray. Foi observado que após 1 hora em exposição a superfície da amostra nitretada em banho de sal não apresentou pontos de corrosão nesse período. A partir de 4 horas foram observados pontos com início de corrosão e somente após 24 horas foi verificado a presença de vários pontos de corrosão que aumentaram de forma moderada após 48 e 72 horas, conforme mostram as Figuras 5.5 (a) e 5.5 (b) .As Figuras 5.5 (c) e 5.5 (d) mostram as micrografias da superfície da amostra nitretada a plasma com pós oxidação, após 1 hora e 72 horas em ensaio de salt spray, e não foram observados pontos de corrosão durante as 72 horas de ensaio. A camada composta apresentou-se de forma homogênea e sem porosidade e o tratamentode pós-oxidação contribuiu na resistência à corrosão por pite.
Figura 5.5: Micrografia da superfície, após ensaio de salt spray. (a) Amostra nitretada em banho de sal após 1h; (b) Amostra nitretada em banho de sal após 72h; (c) Amostra nitretada a plasma com pós oxidação após 1h; (d) Amostra nitretada a plasma com pós oxidação após 72h.
A microestrutura obtida após o tratamento térmico de têmpera e revenimento, foi uma matriz constituída de martensita revenida, com a presença de carbonetos esferoidizados dispersos homogeneamente na matriz. A camada nitretada em banho de sal apresentou camada de difusão com 150µm de profundidade e camada composta porosa e fragilizante com espessura de aproximadamente 10µm. A camada nitretada a plasma com pós-oxidação apresentou camada composta compacta e homogênea, com até 7µm de espessura, e camada de difusão com nitretos precipitados emrede. O gradiente de microdureza mostrou melhor desempenho para a camada nitretada a plasma do que em banho de sal. As superfícies nitretadas a plasma com pós-oxidação apresentaram maior resistência à corrosão quando exposta em solução aquosa de NaCl 0,5 mol L-1.
6.1. Plasma nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel with pre-shot peening (Nitretação à Plasma do AISI 304 com shot-peening)
61.1.Introdução e Objetivos do artigo5
O artigo aborda um tratamento de aço inox AISI 304, realizado através de um Pré-tratamento de Shot-peening, e posterior nitretação à plasma. O objetivo do experimento é avaliar a influencia do tratamento de shot-peening na difusão do nitrogênio na camada superficial. Para isso foram realizados ensaios de raio X, micro dureza, e teste de polarização anódica.
6.1.2.Análise e Procedimento do artigo 5
O material utilizado no experimento foi uma placa de SS304 com dimensões de 150x150mm² e 3,8mm de espessura. 
O tratamento de Shot-peening foi realizado com um fluxo de esferas metálicas de 0,8mm de diâmetro, à uma pressão de 0,8 Mpa, durante 5 minutos. Duas placas de AISI 304, uma com tratamento de shot-peening e outra sem tratamento, foram colocadas no forno para a nitretação. O processo levou 4 horas, em temperatura de 410°C à 520°C, em amônia (NH3), sob uma pressão de 410 à 420 Pa.
Foram feitas comparações de nitretação entre os seguintes aços:
Tabela 6.1: Comparação entre aços
	Aço Original
	Aço com tratamento 
Shot-Peening
	SS410
	SP410
	SS480
	SP480
	SS520
	SP520
A análise metalográfica das amostras revelou o as seguintes micro-estruturas:
	Aço Original
	Aço com tratamento - Shot-Peening
	SS410
	SP410
	SS480
	SP480
	SS520
	SP520
Figura 6.1: Análises metalográficas
À partir das análises metalográficas, podemos verificar que os aços que sofreram o tratamento de Shot-Peening, permitira a formação de uma camada nitretada muito maior do que à encontrada no aço original, quando ambas amostras foram expostas ao mesmo tratamento de nitretação. O gráfico apresentado abaixo demonstra a espessura de camada nitretada no aço original e no aço que sofreu Shot-peening, em função das temperaturas de tratamento. 
Figura 6.2: Espessura de camada nitretada no aço original.
6.1.3. Resultados, discussões e conclusões do artigo 5
Pode-se ver claramente que o tratamento de Shot-peening amplia a difusão de nitrogênio na superfície do aço, permitindo, a formação de uma camada nitretada mais profunda. Testes de dureza superficial ainda revelam que nos aços que sofreram o tratamento de Shot-peening a dureza superficial atingida é maior do que a do aço sem o tratamento.
Figura 6.3: Testes de dureza superficial.
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