INFLUÊNCIA DO ARGÔNIO NA NITRETAÇÃO ASSISTIDA POR PLASMA DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 316L. Resumo

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1 INFLUÊNCIA DO ARGÔNIO NA NITRETAÇÃO ASSISTIDA POR PLASMA DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 316L A. A. Vitoi e A. R. Franco Jr. amandavitoi@gmail.com PROPEMM Instituto Federal do Espírito Santo - IFES Resumo Neste trabalho foi estudado o efeito da adição de argônio aos gases de nitretação sobre a resistência ao desgaste microabrasivo do aço inoxidável austenítico AISI 316L. Os tratamentos termoquímicos de nitretação a plasma foram realizados com a adição de 1% (4 sccm), 5% (20 sccm) e 10% (40 sccm) de argônio à mistura gasosa, pressão de 4 Torr, por 6 horas e na temperatura de 420 C. As amostras foram analisadas antes e depois da nitretação por microscopia óptica, difração de raio X e teste de desgaste microabrasivo. Verificou-se que adições de 5% de argônio provocam um crescimento de 100% na espessura da camada de austenita expandida (Ɣ N ), porém a resistência ao desgaste do material se mantém igual a do material nitretado sem argônio. A adição de apenas 1% de argônio favoreceu a formação de nitreto de cromo, provocando uma diminuição da resistência ao desgaste do material. Palavras-chave: Nitretação a plasma, aço inoxidável austenítico AISI 316L, austenita expandida, argônio, desgaste microabrasivo. 100

2 INTRODUÇÃO Componentes ou peças de aço inoxidável austenitico AISI 316L são empregados em dispositivos e equipamentos usados em diversos segmentos da indústria, entre os quais podemos citar: química, petróleo e gás, agrícola, alimentícia, farmacêutica e nuclear. Isso se deve a elevada resistência à corrosão apresentada por esse tipo de aço. Vários trabalhos, no entanto, mostram que para determinadas aplicações um dos fatores responsáveis pelo fim de vida de componentes ou peças desse material não está associado à corrosão por si só, mas a ação do desgaste abrasivo que se inicia na superfície das peças (2-3). Modificações no projeto dos equipamentos e tratamentos térmicos adequados podem melhorar o desempenho tribológico dos componentes de aço inoxidável austenítico. A substituição desse aço por outro material de alta dureza e que também possua alta resistência à corrosão muitas das vezes não é uma boa solução, uma vez que pode diminuir a tenacidade dos componentes. O aumento da resistência ao desgaste, sem prejuízo a resistência à corrosão, pode ser obtido pelo aumento da dureza superficial dos componentes mediante técnicas de tratamentos superficiais e recobrimentos. Entre essas técnicas, os tratamentos termoquímicos de nitretação a plasma têm sido aplicados com sucesso para atingir tal propósito. Mediante tais tratamentos é possível produzir componentes com alta dureza superficial e de núcleo tenaz (1). O uso de temperaturas de nitretação abaixo de 450 C torna possível a obtenção de uma camada nitretada com dureza chegando a 1500 HV e, o que é mais importante, mantém a resistência à corrosão do aço inoxidável. Uma camada nitretada assim obtida não contém em sua estrutura nitretos nem carbonetos, mas é constituída por uma camada muito fina, cuja espessura ou profundidade pode variar de alguns nanômetros até mais de 10 µm, dependendo das condições de tempo e temperatura de nitretação empregadas (4,5). Essa camada é constituída por uma fase denominada na literatura fase S ou austenita expandida (Ɣ N ). Ela é uma solução sólida metaestável supersaturada em nitrogênio e apresenta estrutura cúbica de face centrada (CFC). O seu reticulado se encontra expandido em relação ao da austenita (Ɣ) que não contém nitrogênio. 101

3 O intersticial N introduz grandes tensões residuais de compressão associadas a defeitos de falhas de empilhamento, o que promove o endurecimento sem que ocorra uma perda de resistência à corrosão. O argônio faz parte do grupo dos gases nobres, sendo assim considerado um gás inerte, o que faz com que esse gás tenha grande utilização na conservação de materiais oxidáveis. Entre suas utilizações, pode-se citar: aplicação em peças de museus para uma melhor conservação de relíquias, aplicação em lâmpadas incandescentes para evitar a corrosão do filamento de tungstênio presente neste tipo de lâmpada, e proteção de soldas, por evitar a sua oxidação, protegendo-as das substâncias ativas do ar. O argônio é aproximadamente 1,4 vezes mais pesado que o ar e 0,5 vezes mais pesado em relação ao nitrogênio. Por essa razão acredita-se que os átomos de argônio, por serem maiores que os de nitrogênio, criem uma maior quantidade de defeitos cristalinos cuja presença facilita a difusão do nitrogênio, aumentando a camada de Ɣ N. O objetivo deste trabalho foi estudar a influência da adição de diferentes concentrações de argônio à atmosfera de nitretação a plasma do aço austenítico AISI 316L com o intuito de aumentar a sua resistência ao desgaste. MATERIAIS E MÉTODOS As amostras do aço AISI 316L, com a composição química apresentada na tabela 1, foram cortadas e retificadas em forma de disco com aproximadamente 4 mm de espessura, Figura 1, e preparadas metalograficamente antes da nitretação a plasma. Este material foi caracterizado inicialmente quanto à microestrutura, dureza e composição química. Figura 1: Amostra do aço AISI 316L usada nos tratamentos de nitretação a plasma. 102

4 Tabela 1: Composição química do aço AISI 316L (% em peso) C Mn Si P S Cr Ni Mo 0,02 1,43 0,35 0,011 0,018 17,1 9,83 2,04 A preparação metalográfica das amostras foi feita com lixas de granulometria: 180, 220, 320, 400 e 600#. Em seguida os corpos de prova foram polidos com alumina de 1,0µm e 0,3µm. Após a preparação das amostras, o tratamento termoquímico de nitretação foi realizado em um reator de nitretação a plasma pulsado da marca Thor NP SDS, mostrado na Figura 2. O equipamento é constituído de uma câmara cilíndrica de aço inoxidável AISI 304L, sistema de vácuo, sistema de alimentação para os gases utilizados no tratamento, dois eletrodos (sendo as paredes da câmara o anodo e o porta amostra o catodo), fonte de alta tensão (alimentação elétrica), frequência de 4 KHz, além de um termopar para medir a temperatura, e um medidor de pressão. Figura 2: Equipamento de nitretação a plasma pulsado utilizado, com o computador (a) e o plasma ligado durante a nitretação (b). As amostras foram nitretadas sob as seguintes atmosferas gasosas: 75% de nitrogênio (300sccm) e 25% de hidrogênio (100 sccm); 75% de nitrogênio (300sccm), 24% de hidrogênio (96 sccm) e 1% de argônio (4 sccm); 75% de nitrogênio (300 sccm), 20% de hidrogênio (80 sccm) e 5% de argônio (20 sccm) e por último; 75% de nitrogênio (300 sccm), 10% de hidrogênio (60 sccm) e 10% de argônio (40 sccm). A temperatura de nitretação foi fixada em 420 C, a pressão em 4 Torr e o tempo de tratamento utilizado foi de 6 horas. Em todas as condições de 103

5 tratamento listadas acima, foi feita a limpeza física ( sputtering cleaning ) na superfície das amostras, ou seja, o bombardeio com íons de hidrogênio para remoção, além de alguma sujeira, da camada passiva, que dificulta a difusão de nitrogênio. Para os testes de desgaste microabrasivo foi utilizado um equipamento de microabrasão ball cratering (Calowear) do tipo esfera livre, da marca CSM Instruments, Figura 3. A velocidade de rotação do eixo motor foi fixada em 150 RPM. Como contra-corpo, foi utilizada uma esfera de aço martensítico (dureza = 960HV) com um diâmetro de 25,4 mm. O abrasivo usado foi uma lama de carbeto de silício (SiC) de concentração de 0,75 g/cm 3 com uma vazão de uma gota a cada três segundos. A carga aplicada foi de 0,24 N. a) b) c) d) e) Figura 3: Montagem experimental mostrando equipamento e acessórios para ensaio de microabrasão calowear. Microscópio ótico (a), eixo (b), esfera (c), alimentação do abrasivo (d) e célula de carga (e). O coeficiente de desgaste (K) foi calculado usando a equação (1): (1) onde V representa o volume desgastado, Ø é o diâmetro da esfera de ensaio, L é a distância deslizada, F N é a força normal aplicada (neste tipo de ensaio é ajustada pelo peso da esfera e a inclinação da amostra) e b representa o diâmetro da calota de desgaste. A resistência ao desgaste das camadas nitretadas foi também analisada em termos do volume removido em função da distância percorrida (2): 104

6 (2) onde b é diâmetro da calota de desgaste externa e Ø é o diâmetro da esfera de ensaio. O ataque químico para revelação metalográfica das camadas nitretadas foi feito por imersão, durante 60 segundos, utilizando uma solução de HCl, HNO 3 e H 2 O, na proporção de 2:1:1. As análises microestruturais foram realizadas em microscópio óptico dotado de analisador de imagens ASM 68K - WILD LEITZ. A identificação de fases foi feita em difratômetro de raios X, da marca D2 PHASER Bruker. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 4 apresenta os resultados das análises de difração de raios X (DRX), mostrando apenas os picos de maior intensidade para o material nitretado com 0%, 1%, 5% e 10% de argônio. Em todas as condições de estudo, observa-se que ocorre a formação da austenita expanida (Ɣ N ). No material nitretado com 1% de argônio, Figura 5 (b), verifica-se a presença de nitreto de cromo (CrN), além de Ɣ N. 105

7 Figura 4: Difratograma de raios X das amostras de aço inoxidável austenítico AISI 315L nitretadas. A Figura 5 mostra detalhes da espessura e estrutura das camadas de Ɣ N obtidas com o uso de diferentes concentrações de argônio. A tabela 2 apresenta o resultado das medidas de espessura dessas camadas. Figura 5: Detalhes das camadas de austenita expandida (Ɣ N ) obtidas no aço inoxidável austenítico AISI 316L nitretado em atmosfera gasosa contendo: 0% (a), 1% (b), 5% (c) e 10% (d) de argônio. Tabela 2: Espessura das camadas de austenítica expandida (Ɣ N ) em função da concentração de argônio na atmosfera de nitretação. Concentração de argônio (%) Espessura da camada (µm) 5,00 10,00 10,00 3,00 Verifica-se que a adição de argônio à atmosfera de nitretação leva à formação de camadas de Ɣ N de diferentes espessuras. O uso de concentrações de 1% e 5% de argônio resulta na mesma espessura de camada. Na camada produzida com 1% de argônio nota-se a presença de precipitados (manchas pretas), figura 5(b). Os resultados de difração, Figura 4 (b), indicam que esses precipitados correspondem ao nitreto de cromo do tipo CrN. A Figura 6 mostra a variação do coeficiente de desgaste microabrasivo (K) em função da concentração de argônio na mistura de nitretação e a Figura 7 o volume de desgaste (V) em função da distância de deslizamento (L). 106

8 Nota-se que todas as condições de nitretação utilizadas promovem uma melhoria significativa da resistência ao desgaste em relação ao material não nitretado. Em geral, as camadas nitretadas que apresentam os menores valores de K possuem valores de V mais baixos após pequenas ou grandes distâncias de deslizamento. As camadas nitretadas com 0% e 5% de argônio apresentam os menores valores de K, Figura 6. No entanto, a Figura 7 indica que a máxima resistência ao desgaste, em termos de V, é obtida quando o argônio não é adicionado à atmosfera de tratamento. A camada obtida com 1% de argônio possui um maior valor de K que a obtida com 5%, apesar de apresentarem a mesma espessura (10 m). Isso se deve à presença de CrN na estrutura dessa camada, conforme resultados de difração de raios X apresentados na Figura 4. A camada nitretada obtida com 10% de argônio tem uma menor resistência ao desgaste microabrasivo comparada com as camadas obtidas com 0% e 5% de argônio. A baixa resistência ao desgaste dessa camada deve estar relacionada a sua pequena espessura (3,0 m), conforme mostrado na Tabela 2. Figura 6: Variação do coeficiente de desgaste com a concentração de argônio na atmosfera de nitretação. 107

9 Figura 7: Variação do volume de desgaste (V) com a distância percorrida (L) para o aço inoxidável austenítico AISI não nitretado e nitretado com diferentes concentrações de argônio na atmosfera de nitretação. CONCLUSÕES A adição de argônio à atmosfera do tratamento termoquímico de nitretação realizado na temperatura de 420 C, em tempos de 6 horas, não promove melhoria das propriedades de desgaste do aço inoxidável austenítico AISI 316L. Atmosferas contendo 1% e 5% de argônio levam a um aumento significativo da espessura da camada de austenita expandida (Ɣ N ). No entanto, essas camadas contêm precipitados de nitreto de cromo (CrN) em sua estrutura, os quais diminuem a resistência ao desgaste do material em comparação com o material nitretado sem argônio. O uso de 10% de argônio leva à formação de uma camada de Ɣ N de espessura muito fina e de baixa resistência ao desgaste. AGRADECIMENTOS A autora Amanda de Angelis Vitoi agradece à CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pela bolsa de mestrado. 108

10 REFERÊNCIA 1.LIANG, W., BIN, X., ZHIWEI, Y., YAQIN, S. The wear and corrosion properties of stainless steel nitrided by low-pressure plasma-arc source ion nitriding at low temperatures. Surface and Coatings Technology, v. 130, p LEYLAND, A., MATTHEWS, A. On the significance of H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimized tribological behaviour. Wear, v. 246, p BELL, T. Surface engineering of austenitic stainless steel. Surface Engineering, v.18, n. 6 p BORGIOLI, F., FOSSATI, A., GALVANETTO, E., BACCI, T. Glow-discharge nitriding of AISI 316L austenitic stainless steel: influence of treatment temperature. Surfaceand Coatings Technology, v. 200, p FOSSATI, A., BORGIOLI, F., GALVANETTO, E., BACCI, T., Glow-discharge nitriding of AISI 316L austenitic stainless steel: influence of treatment time. Surface and Coatings Technology, v. 200, p C.X. Li, T. Bell, Corrosion properties of active screenplasma nitrided 316 austenitic stainless steel. Corrosion Science, v. 46, p E. Menthe, K.-T.Rie, Further investigation of the structure and properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding. Surface and Coatings Technology, v , p Y. Sun *, T. Bell, Sliding wear characteristics of low temperature plasma nitride 316 austenitic stainless steel. Wear, v. 218, p C.X. Li, T. Bell, Sliding wear properties of active screen plasma nitride 316 austenitic stainless steel. Wear, v.256, p V. Singh, K. Marchev, C.V. Cooper, E.I. Meletis, Intensified plasma-assisted nitriding of AISI 316L stainless steel. Surface and Coatings Technology, v.160, p E. Menthe, K.-T. Rie, J.W. Schultze, S. Simson, Structure and properties of plasma-nitrided stainless steel. Surface and Coatings Technology, v.74-75, p E. Menthe, A. Bulak, J. Olfe, A. Zimmermann, K.-T.Rie, Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding. Surface and Coatings Technology, v , p

11 13. M.P. Fewell, D.R.G. Mitchell, J.M. Priest, K.T. Short, G.A. Collins, The nature of expanded austenite. Surface and Coatings Technology, v.131, p Thomas Christiansen, Marcel A.J. Somers, On the crystallographic structure of S- phase. Scripta Materialia, v.50, p

12 INFLUENCE OF THE ARGON ON PLASMA NITRIDING OF THE AISI 316L AUSTENITIC STAINLESS STEEL ABSTRACT This work evaluated the effect of the argon addition on plasma nitriding of the AISI 316L austenic stainless steel. Plasma nitriding were conducted using argon additions of 1% (4 sccm), 5% (20 sccm) and 10% (40 sccm), under pressure of 4 Torr, during 6 hours and at temperature of 420 C. The samples were analyzed before and after the plasma nitriding by light microscopy, x-ray diffraction (XRD), micro-abrasive and wear tests. It was found that argon concentrations of 5% promotes an increase of 100% in the thickness of the S phase layers, but the wear resistance of the material remains almost equals to that of the material nitrided without argon. Other concentrations of argon lead to the formation of chromium nitride (CrN) which reduces the wear resistance of the steel. Key-words: Plasma nitriding, AISI 316L austenitic stainless steel, S phase, argon, micro-abrasive wear. 111