COMPARAÇÃO ENTRE SUPERFÍCIES DE AÇOS INOXIDÁVEIS SAE 316 TEMPERADAS E ENVELHECIDAS APÓS IMERSÃO EM PLASMA DE NITROGÊNIO

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1 COMPARAÇÃO ENTRE SUPERFÍCIES DE AÇOS INOXIDÁVEIS SAE 316 TEMPERADAS E ENVELHECIDAS APÓS IMERSÃO EM PLASMA DE NITROGÊNIO C. ALVES Jr., J. A. LIMA, C. A. DOS SANTOS LabPlasma - PPgCEM - UFRN, Campus Universitário Natal - RN alvesjr@dfte.ufrn.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte Amostras de aços inoxidáveis SAE 316 foram imersas em plasma e em seguida resfriadas em altas (óleo e ar) e baixas (porta-amostra) taxas de resfriamento. Utilizou-se a mistura de 20%nitrogênio- 80%hidrogênio, como atmosfera nitretante. As diferentes taxas de resfriamento foram utilizadas para verificar o efeito destas sobre o estado de tensão, fases e microestrutura da superfície. Para investigar a evolução das fases, as amostras foram analisadas por difração de raios-x (Bragg- Brentano, ângulo rasante e análise de tensões) e reação nuclear. Para amostras resfriadas em óleo, níveis tensões residuais maiores que nas amostras resfriadas lentamente foram observados. Discute-se os resultados à luz da cinética de transformação das fases presentes na superfície da camada nitretada. Palavras-Chaves: Nitretação Iônica envelhecimento Aços inoxidáveis INTRODUÇÃO O aços inoxidáveis austeníticos são utilizados em grande escala em industrias químicas, farmacêutica, têxtil, petróleo, papel, tintas, alimentos, permutadores de calor, etc. Estes materiais possuem excelente resistência a corrosão, mas sua dureza e resistência ao desgaste é relativamente baixa. Para solucionar este problema aplica-se nestes tratamento de endurecimento de superfície. Entre as diversas técnicas de engenharia de superfície a nitretação a plasma é extensamente utilizada no tratamento dos aços inoxidáveis austeníticos. A nitretação dos aços inoxidáveis austenicos produz uma camada superficial dura e resistente ao desgaste onde a composição e microestrutura pode variar consideravelmente dependendo das condições de processos, como por exemp lo temperatura de tratamento e composição do gás. Uma outra vantagem é que no processamento a plasma, o efeito de sputtering dos ions energéticos pode remover o filme de óxido (Cr 2 O 3 ) da superfície e portanto acelerar o processo de transferencia de massa do nitrogênio (1). Além desta, o processo de nitretação iônica possui muitas vantagens diante os outros processos tais como, controle camada nitretada, boa reprodutibilidade, tempo de tratamento curto, não é poluente e baixo custo. O tratamento de nitretação iônica de aços inoxidáveis austeniticos realizado em altas temperatura, tais como, 500º C acelera o processo de difusão de nitrogênio na austenita durante o tratamento e produz uma camada caracterizada pela precipitação de nitretos de cromo. Esta camada possui uma alta resistência desgaste, no entanto a precipitação de cromo diminui a resistência a corrosão (2, 3). Para estudar as transformações das fases durante o resfriamento as amostras nitretadas por 2 horas a 500º C foram resfriadas em diferentes taxas de resfriamento. MATERIAIS E MÉTODOS As amostras de aço inoxidável 316 (composição química 16,7%Cr; 10,5%Ni; 2,16%Mo; 0,02% C; 1,77%Mn; 0,35%Si; 0,032%P; 0,022%S; 0,002%Al; 0,43%Cu e Fe) foram usinadas em forma de disco com diâmetro de 16 mm e altura de 4 mm, depois lixadas e polidas obtendo uma rugosidade média de R a = 0,05 µm. 3681

2 Para resfriar a amostra no óleo a câmara de vácuo possui no flange inferior um recipiente, localizado abaixo do suporte da amostra, onde é colocado óleo para o fluido de resfriamento. O arremesso da amostra, após o término do tempo de tratamento, é feito através de um sistema de alavanca que existe no flange inferior onde o mesmo é manipulada externamente (veja a figura 1). As amostras foram tratadas na temperatura de 500º C durante 2 horas a uma pressão de 500 Pa e fluxo de 10 sccm, resfriadas de modos diferentes como apresentado na tabela I. As amostras foram identificadas conforme a condição de resfriamento: suporte-1; flange inferior da camara-2 (amostras arremessadas logo após término do tempo de tratamento); óleo-3 (amostras arremessadas logo após término do tempo de tratamento). TABELA I:Condições de tratamento Fig. 1: Flange inferior da câmara ATMOSFERA RESFRIAMENTO IDENTIFICAÇÃO DAS AMOSTRAS suporte 1N1 N 2 / 80%H 2 flange inferior óleo 1N3 Após o tratamento as amostras foram caracterizadas por microscopia ótica; difratometria de raio- X; análise de tensões. Para realizar a microscopia ótica as amostras foram cortadas transversalmente, lixadas, polidas e atacadas com uma solução de 100ml de água destilada, 20ml de HCl, 1g de metabisulfeto de potassio. A análise por difração de raio- X da superfície nitretada foi realizada com radiação CuKα. As tensões residuais foram determinadas pelo método sen 2 ω. Nos revestimentos, qualquer que seja sua técnica de produção, e em camadas superficiais de peças tratadas são encontradas tensões residuais. Estas são tensões elásticas que existem na ausência de forças externas e são produzidas através da ação diferencial do fluxo plástico, contração térmica, e/ou mudança de volume gerada pelas transformações de fase. A contração térmica diferencial freqüentemente ocorre durante ao resfriamento não uniforme de uma peça. Mudança de volume diferencial ocorre durante a precipitação de fases secundarias, isto é, o volume atômico da fase precipitada geralmente difere do volume da fase da matriz. Todos os métodos utilizados para medir tensões por difração medem deformações ao longo de varias direções na amostra, e com estas é calculado as tensões nestas direções (4). RESULTADOS E DISCUSSÃO Camada nitretada A figura 2 apresenta a camada nitretada da amostra 1N3 formada uma camada escura superior e logo abaixo uma faixa branca. Segundo SUN et al (3) esta camada escura está associada a precipitação de. 3682

3 Fig. 2: Micrografia da amostra 1N3 Difratometria de raios-x A difração de raios-x revela uma mudança gradual na microestrutura das camadas nitretadas em função das taxas de resfriamentos. Os três difratogamas correspondentes as amos tras 1N1, e 1N3 são apresentados na figura 3. Verifica-se que para as amostras e 1N3 a quantidade de precipitados de é menor do que na amostra 1N1, indicando que durante o resfriamento lento ocorre a precipitação de. Verifica-se também um aumento na intensidade dos picos de Fe-α para amostras 1N1. Muitos experimentos confirmam que a precipitação de é acompanhada pela decomposição de γ N em ferrita-α durante a temperatura de processamento (5,6). MITTEMEIJER (6) apresenta um modelo para o comportamento da nitretação de ligas de ferro e cromo, onde ocorre uma reação de precipitação descontinua iniciando nos contornos de grãos da região da superfície nitretada. A reação consiste da substituição de precipitados coerentes de por lamelas de e uma simultânea eliminação da matriz supersaturada de nitrogênio por Fe-α. A figura 4 apresenta a difratometria de raios-x em ângulo rasante com α= 1º, nesta percebe-se um deslocamento do pico constituído por γ (saturada de nitrogênio), e Fe-α para a direita de modo que a concentração de Fe-α cresce a medida que as amostras são resfriadas mais lentamente. Podemos concluir que para uma determinada condição de tratamento de temperatura e potencial de nitretacao, pode-se evitar a precipitação de resfriando as amostras rapidamente. Concentração de nitrogênio A figura 5 apresenta o perfil de concentração de nitrogênio nas nitretadas. Observa-se que há uma concentração de nitrogênio de aproximadamente 35% nos 50nm iniciais e depois esta cai para 15% aumentando para 20% quando alcança uma profundidade de 300nm. A alta concentração de nitrogênio sugere a formação durante a nitretação de que estruturas em não equilíbrio neste local. Segundo pesquisadores a austenita expandida pode ser produzida quando o substrato contém uma concentração aproximada de nitrogênio entre 20% a 30% (7). SUN e BELL (3) também mostra que na temperatura de tratamento de 500ºC pode formar-se austenita expandida. Podemos concluir que existe concentração de nitrogênio suficiente para a formação da austenita expandida em nossas amostras e que não é detectada pela difratometria de raios-x por estar presente em pequena quantidade concentrada numa camada de 50 nm. Da mesma forma fases como Fe 2 N e Fe 3 N, que o diagrama de equilíbrio ferro-nitrogênio (8) mostra que pode existir para estas concentrações de nitrogênio, não aparecem na difratometria de raios-x. 3683

4 g g a a 1N3 1N3 Intensidade (a.u.) γ + a γ a 1N1 γ γ γ a θ (graus) Intensidade (a.u.) g a 1N θ (graus) Figura 3: Difratogramas das amostras nitretadas e resfriadas no suporte (1N1); no flange inferior(); no óleo (1N3) Figura 4: Difratogramas angulo rasante α= 1º das amostras nitretadas e resfriadas no suporte (1N1); no flange inferior(); no óleo (1N3) Figura 5:Perfil de concentração de nitrogênio Tensões residuais. Com o objetivo de identificar o grau de deformação relativa entre as amostras nitretadas e resfriadas em diferentes taxas foram realizadas medidas das distancias interplanares. A figura 6 mostra a variação das distancias interplanares produzidas pelos tratamentos com taxas de resfriamentos diferentes. Nota-se que as amostras resfriadas mais rápido possuem uma maior deformação e consequentemente maiores tensões residuais. Quando as amostras são resfriadas rapidamente é mantido mais nitrogênio em solução sólida na austenita e precipitados dispersos de que produz maiores tensões residuais. As tensões residuais menores nas amostras resfriadas lentamente pode ser justificado pela maior quantidade de estruturas transformadas em precipitados 3684

5 de e Fe-α em forma de lamelas. Segundo MITTEMEIJER (6). esta reação de precipitação descontinua na camada tratada é acompanha de uma relaxação das tensões residuais compressivas N1 1N d (angstrom) sen 2 ω Figura 6: Medida das tensões residuais CONCLUSÕES Este trabalho mostra que é possível através de mais um parâmetro de controle de processo, a taxa de resfriamento, modificar a microestrutura de aços nitretados. O controle da taxa de resfriamento das peças nitretadas possui uma grande importância para a nitretação de aços inoxidáveis austeniticos pois com esta podemos nitretar estes materiais a temperaturas mais elevadas, acelerando o processo, sem comprometer a resistência ao desgaste destes materiais. Verificou-se que a precipitacao de nitretos de cromo ocorre também durante o resfriamento e dependendo da taxa de resfriamento podemos diminuir ou até evitar sua presença. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1- B. EDENHOFER. Heat Treatment of Metals 1 part 1 (1974) p , 2- E. MENTHE, K- T. RIE Surf and Coat Tech 132 (2000) , 3- Y. SUN, T. BELL,Z. KOLOSVARY, J. FLIS, Heat- Treat Metals (1999), I. C. NOYAN, J. B. COHEN. Residual stress: measurement by diffraction and interpretation. New York, Springer-Verlag, (1987) X. L. XU, L. WANG, Z. W. YU, Z. K. HEI. Surf and Coat Tech 132 (2000), MITTEMEIJER, E.J. Journal of Metals 1 (1985) K. MARCHEV, M. LANDIS, R. VALLERIO, C. V.COOPER, B. C. GIESSEN. Surf and Coat Tech (1999), B. EDENHOFER. Heat Treatment of Metals 1 part 2 (1974)

6 COMPARASION BETWEEN SAE 316 STAINLESS STEEL SURFACES QUENCHING AND AGING AFTER IMMERSION IN NITROGEN PLASMA C. ALVES Jr., J. A. LIMA, C. A. DOS SANTOS LabPlasma - PPgCEM - UFRN, Campus Universitário Natal - RN alvesjr@dfte.ufrn.br Universidade Federal do Rio Grande do Norte Stainless steel samples were immersed in plasma and quenching(oil and air) or aged (holder). A mixture 20%N 2-80%H 2 was used as atmosphere. The different rates of cooling used to verify your effect in the residual stress, phases and microstructure in the surface. To investigate the phases evolution, the samples was analised by X-ray diffraction (Bragg-Brentano, glacing angle and residual stress measure) and nuclear reaction. In samples quenched in oil, residuals stress were higher that samples aged. Kinetic of phases transformations in nitrided layer was discussed to explain the results. Key words : Nitriding in plasma aging stainless steel 3686