cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

75
SÉRGIO MEDEIROS DOS SANTOS CROMATIZAÇÃO EM CAIXA UTILIZANDO FORNO A VÁCUO Curitiba 2010

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Page 1: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

SÉRGIO MEDEIROS DOS SANTOS

CROMATIZAÇÃO EM CAIXA UTILIZANDO FORNO A VÁCUO

Curitiba

2010

Page 2: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 3: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 4: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 5: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 6: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 7: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 8: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 9: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 10: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 11: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 12: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

xiv

Page 13: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 14: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 15: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 16: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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;

Page 17: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 18: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 19: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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:

Page 20: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 21: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 22: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

10

(a) (b)

Figura 6. Sistemas ternários de Fe – C – Cr (a) 0,1% de carbono; (b) 5% de cromo

[15].

Page 23: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 24: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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%

Page 25: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 26: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 27: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 28: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 29: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 30: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 31: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 32: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 33: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

21

Figura 13. Representação gráfica do perfil Rz [17].

Figura 14. Classificação de rugosidade superficial conforme NBR 8404/1984 [17].

Page 34: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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”.

Page 35: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 36: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 37: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 38: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 39: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 40: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 41: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 42: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 43: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 44: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 45: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 46: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 47: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

loc

ida

de

da

difu

o (

film

e c

arb

eto

s),

µm

/min

1020

C45

X40

Figura 26. Taxa de crescimento dos filmes de carbeto pelo tempo de processamento

- caixa com menor volume.

Page 48: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 49: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 50: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 51: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 52: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 53: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 54: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 55: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 56: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 57: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 58: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 59: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 60: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

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1800

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0 20 40 60 80

Minutos

Mic

ro d

ure

za s

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.

Page 61: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 62: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 63: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 64: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 65: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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].

Page 66: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 67: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

-50

50

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo de processo (min)

Te

ns

ão

re

sid

ua

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.

Page 68: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

l na

su

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

Page 69: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 70: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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

Page 71: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

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.

Page 72: Cromatização em caixa utilizando forno a vácuo

60

6. REFÊRENCIA BIBLIOGRÁFICA

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