CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28201

Carbonitretação Por Plasma do Aço Ferramenta AISI H13

R. M. M. Riofano, L. C. Casteletti, E. D. FranciscoUniversidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia de Materiais,

Aeronáutica e Automobilística, C.P. 440, 13566-590 São Carlos – SP, Brazil✻e-mail: romemuri@sc.usp.br

No presente trabalho, o aço AISI H-13 foi carbonitretado por plasma variando-se as

temperaturas de tratamento e freqüência do pulso visando-se a obtenção da camada mais

adequada. Utilizou-se a mistura gasosa 2%CH4-78%H2-20%N2. As camadas foram

caracterizadas por meio de ensaios metalográficos e medidas de dureza. A resistência ao

desgaste foi avaliada por meio de ensaio abrasivo do tipo “pino-sobre-disco”. Todos os

tratamentos produziram camadas com elevada dureza (1394 a 1728HV). Todas as amostras

carbonitretadas apresentaram um grande aumento em suas resistências ao desgaste abrasivo,

quando comparadas com as amostras não nitretadas.

Palavras-chave: Carbonitretação por plasma, Aço AISI H-13, Desgaste abrasivo

Plasma Carbonitriding AISI H13 Tool Steel

In the present work, ion carbonitriding of AISI H13 steel was conducted in differents

treatments temperatures and pulse frequencies in attempt to obtaining the most appropriate

layer. The nitriding atmosphere consisted of a mixture of 2%CH4-78%H2-20%N2. The layers

were characterized by means of pin-on-disk abrasive test, hardness measurements and

metallography. All the treatments produced layers with high hardness (1394-1728HV) and all

the carbonitrided samples presented a great increase in its abrasive wear resistance, when

compared with the non nitrided alloys.

Keywords: Plasma carbonitriding, AISI H-13 steel, Abrasive wear.

Introdução

O aço AISI H13 apresenta, devido às suas características especiais, uma grande

versatilidade de aplicação, sendo usado na fabricação de matrizes e punções de forjamento,

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28202

matrizes de recalque a quente, insertos para forjamento, moldes e componentes para máquinas

de fundição sob pressão de ligas de zinco e alumínio, matrizes de extrusão de alumínio, latão

e magnésio, mandris e outros componentes de extrusoras, moldes para plásticos e facas para

trabalho a quente.

Devido ao endurecimento secundário no revenimento, esse aço pode ser utilizado até

aproximadamente 500oC. É temperável ao ar, o que resulta em menores tensões residuais após

a têmpera.

A fadiga térmica nos equipamentos industriais que utilizam ferramentas de trabalho a

quente constituí-se num problema de importância fundamental. É o mecanismo principal que

limita a vida das matrizes de injeção sob pressão e o segundo mecanismo limitante da vida

das matrizes de forjamento, sendo o primeiro o desgaste. As trincas de fadiga térmica podem

aparecer no inicio da vida de operação da ferramenta, e serão regiões preferenciais para o

desgaste erosivo provocado pelo fluxo do metal. A rede de trincas que aparece na superfície

da cavidade das matrizes é conhecida como “heat checking”. O crescimento contínuo dessas

trincas pode levar a acabamentos inaceitáveis dos produtos ou ocasionar a falha catastrófica

da matriz.

O aço H13 apresenta boa resistência à fadiga térmica em ferramentas para trabalho a

quente, confeccionadas com o mesmo, e que podem ser resfriadas com água ou outros fluidos,

entre as operações constituindo-se no aço mais utilizado de sua classe1-3

(As matrizes são submetidas a condições severas de serviço. A fundição sobre pressão

é um processo de alta produção, que resulta em peças geometricamente complexas de metais

não ferrosos, com excelente acabamento superficial e baixa taxa de sucateamento. Taxas de

produção de 200 peças por hora ou jornadas de produção de até 300.000 peças são possíveis.

Estas condições de severas cargas mecânicas e térmicas limitam os tipos de materiais que

podem ser usados em suas fabricações, sendo o aço AISI H13 o mais comumente utilizado3).

Alguns mecanismos de desgastes presentes, como a erosão, choques térmicos, e

corrosão podem levar a falhas prematuras das matrizes. Endurecimentos superficiais por meio

de nitretação ou carbonitretação podem ampliar a vida útil dessas matrizes.4-7

Como o tratamento de carbonitretação pode ser realizado em temperaturas próximas as

do revenido, no caso de aço AISI H13, existe a possibilidade de se utilizar o segundo revenido

concomitantemente com a carbonitretação, evitando-se o uso do duplo revenido.

O objetivo deste trabalho foi o de avaliar a influência da temperatura de tratamento e

freqüência do pulso sob as características das camadas carbonitretadas em um aço AISI H13.

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28203

Analisou-se as características da camada carbonitretada através de ensaios de desgaste do tipo

“pino-sobre-disco”, medidas de perfil de dureza e metalografia ótica.

Materiais e Métodos

Foram carbonitretadas por plasma amostras cilíndricas com 10mm de diâmetro e

10mm de altura de aço AISI H13 cuja composição química esta dada na tabela 1. Antes dos

tratamentos de carbonitretação por plasma, as amostras foram aquecidas a 1050ºC/tempo,

temperadas e revenidas a 540oC para desenvolver uma microestrutura de martensita revenida

com uma dureza de aproximadamente 730HV.

Tabela 1- Composição química do material testado (% em peso)

Cr Mo V C Mn Si5,30 1,22 0,85 0,38 0,33 0,99

As carbonitretações foram realizadas em um reator cilíndrico de aço inoxidável de

300mm de diâmetro interno e 300mm de altura. A fonte possui tensão máxima de saída de

800V e corrente contínua com uma potência de 2kVA. Além da tensão contínua, pode-se

obter uma tensão pulsada (onda quadrada) com freqüência variável de 1 a 10kHz.

As amostras foram colocadas na descarga catódica e polarizada negativamente. A

temperatura das amostras foi medida através de um termopar cromel-alumel.

Previamente à carbonitretação as amostras foram lixadas e polidas mecanicamente e

submetidas a um processo de limpeza com éter de petróleo em ultra-som durante 12 minutos.

Após da introdução das mesmas no reator foi feito vácuo (~5.32Pa). As amostras então foram

carbonitretadas. As tabelas 2a e 2b apresentam as condições de tratamento.

Após o tratamento, cortou-se as amostras transversalmente à superfície carbonitretada

e realizou-se caracterizações na superfície carbonitretada e ao longo da profundidade. As

amostras foram lixadas nas lixas de granulometria 80, 150, 220, 320, 400, 600 e 1200. O

polimento foi feito com alumina de 0,05µm. Para a revelação das microestruturas, utilizou-se

o reagente Nital 5%.

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28204

Tabela 2a- Condições de tratamento – corrente contínua

Corrente contínuaTemperatura 550 e 600oC

Tempo 5 horasVoltagem 591 e 593

Composição do gás 20%N2 + 78%H2+2%CH4

Tabela 2b- Condições de tratamento – corrente pulsadaCorrente pulsada

Temperatura 550 oCTempo 5 horas

Freqüência 2 e 9 kHzVoltagem 639 e 623

Composição do gás 20%N2 + 78%H2+2%CH4

Todos os ensaios de dureza foram realizados sobre a superfície e ao longo do perfil da

camada. Para este ensaio utilizou-se um microdurômetro do tipo Micromet 2105 digital,

empregando uma carga de 50gf para todos os ensaios.

Utilizou-se o desgaste abrasivo do tipo “pino-sobre-disco”. Os ensaios foram

realizados em um ambiente seco, usando uma carga de 320g e com velocidade de rotação de

45rpm. A cada 200 giros sobre o abrasivo, que era constituído de lixa de granulometria 500,

retirava-se e limpava-se a amostra, para em seguida pesá-la em uma balança de precisão de

0,1mg. Realizou-se este procedimento até um total de 2000 giros. Os resultados foram

colocados em um gráfico onde tem-se a perda de massa versus o número de giros. A perda de

massa foi dado pela expressão (Mi – Mf), na qual Mi é a massa inicial e Mf é a massa a cada

200 giros.

Resultados e Discussão

Na figura 1 está apresentada a fotomicrografia do aço em estado temperado. Sua

microestrutura é totalmente martensítica.

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28205

Fig. 1. Microestrutura martensítica do aço temperado

As figuras 2 a 5 correspondem às fotomicrografias do aço carbonitretado em várias

condições. Em todas elas verifica-se as espessas camadas de difusão formadas no tratamento.

Fig. 2. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 600oC durante 5 horas em

corrente contínua.

Fig. 4. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 550oC durante 5 horas com

freqüência de 2kHz.

Fig. 3. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 550oC durante 5 horas em

corrente contínua.

Fig. 5. Camada de difusão produzida na amostracarbonitretada a 550oC durante 5 horas com

freqüência de 9kHz.

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28206

Na figura 6 são apresentadas os perfis de dureza do aço carbonitretado em várias

condições. Todas as camadas apresentaram níveis de dureza elevados, na faixa de 1394 a

1728HV.

Na figura 7 são mostradas as curvas referentes às perdas de massa no ensaio abrasivo.

Verifica-se a grande efetividade do tratamento de carbonitretação quanto a essa característica,

quando comparada com a amostra sem esse tratamento.

0 50 100 150 200 250 300 350

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

600/5h/cc 550/5h/cc 550/5h/2kHz 550/5h/9kHz

DU

REZ

A (H

V)

PROFUNDIDADE (µm)

Fig. 6. Relação de dureza vs. Profundidade, das amostras carbonitretadas por plasma nas diferentescondições.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0,004

0,008

0,012

0,016

0,020

0,024

0,028

0,032

0,036

0,040

600oC/5h/cc 550oC/5h/cc 550oC/5h/2kHz 550oC/5h/0kHz Não Carbonitretado

PER

DA

DE

MAS

SA (g

)

NÚMERO DE GIROS

Fig. 7. Perda de massa em função do número de giros das amostras carbonitretadas por plasma.

CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 28207

Conclusões

O tratamento de carbonitretação foi efetivo produzindo-se espessas camadas de

difusão com elevadas durezas, em todas as condições de tratamento e que apresentaram

acentuada melhora em suas resistências ao desgaste abrasivo, quando comparadas com

amostras não submetidas àquele tratamento.

Agradecimentos

- A CAPES pela concessão da bolsa de estudo do Doutorado.

- Ao FAPESP, pelo financiamento do proc. 1995/0677-0 – Equipamento de Nitretação por

Plasma.

Referências Bibliográficas

1- Branco, J. R. T. Et al., Alloy Partitioning and Grain Growth Control of H13 Steel. Heat

Treating and Surface Engineering – New Technology and Practical Aplications

Conference Proceeding, ASM International, 1988, p. 195-199.

2- Bengtsson, K. et al., Hardening and Tempering H13 Die Casting Dies. Heat Treating,

november, 1992, p. 18-23.

3- Tool Material in Metals Handbook, v. 1., 8th edition, Properties and Selection of metals,

1961, ASM, p. 637-654 Tool Materials, p.639.

4- Venkatesan, K. et al. Experimental and Numerical Investigation of the Effect of Process

Parameters on the Erosive Wear of Die Casting Dies. Journal of Materials Engineering

and Performance, v. 4, no. 2, April, 1995, p. 166-174.

5- Hikh, A. J. Heat Treatment: A review of current and future process developments. The

Institute of Metallurgical Technicians – number IMT/2 – Conference Papers, July, 1979,

1207-79-MT, p. 60.

6- Nowill, P. H. Ion Nitriding Extrusion Dies. Ion Nitriding and Ion Carburizing –

Conference Proceedings, ASM International, Ohio, USA, 18-20 Sept, 1989, p. 165-168.

7- Lidster, P. C. Et al., Ion Nitriding of Cold Forging Die Alloys. Ion Nitriding and Ion

Carburizing – Conference Proceedings, ASM International, Ohio, USA. 18-20 Sept,

1989, p. 177-194.\