Mapeamento dos diferentes regimes de transição de desgaste do aço inoxidável austenítico AISI 316L cementado a plasma

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1 Mapeamento dos diferentes regimes de transição de desgaste do aço inoxidável austenítico AISI 316L cementado a plasma Michelle C. S. Duarte 1 Cristina Godoy 2 Resumo: O desgaste por deslizamento não lubrificado de aços tratados por cementação a plasma tem sido investigado com o propósito de obter informações sobre a resposta tribológica da camada modificada pelo tratamento a plasma. Foi utilizado o aço AISI 316L e o processo realizado em temperaturas próximas de 450 C, pois esta temperatura facilita a introdução de carbono na superfície do aço inoxidável austenitico, formando uma camada rica em carbono e resultando em maior dureza e maior resistência ao desgaste. Este trabalho correlaciona o comportamento de desgaste e a microestrutura com a concentração de carbono difundido pelo tratamento a plasma. O sistema cementado foi investigado pelas técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDX), Difração de raios X (XRD), teste de desgaste não lubrificado, análise dos debris, perfilometria e microdureza. Curvas de desgaste foram levantadas com o intuito de identificar as distâncias de deslizamento, correspondentes as transições presentes no aço tratado. Os testes de desgaste sofreram interrupção em diferentes distâncias e foram realizadas análises para caracterização das trilhas de desgaste correspondentes aos períodos parciais. Os debris foram coletados em períodos parciais, para análise de composição. Este estudo demonstrou que o comportamento de desgaste está fortemente relacionado com as diferentes propriedades mecânicas e com estrutura da superfície modificada. Palavras-Chave: Desgaste. Cementação. Tribologia. Introdução Os aços inoxidáveis, devido à sua excelente resistência à corrosão, constituem uma família de aços com aplicação muito ampla nas indústrias alimentícia, famacêutica, química, nuclear, de bioengenharia, dentre outras. Estes aços apresentam resistência à corrosão devido à formação de uma fina camada de óxido formada em sua superfície, entretanto, a baixa dureza e as pobres características tribológicas comprometem e restringem sua aplicação em alguns campos da engenharia (Lin et al., 2006; Borgioli et al., 2005). Nestas situações, é necessário modificar as estruturas e as composições da superfície e subsuperfície desse material para eliminar os problemas de desgaste (SUN; BELL, 2002). Assim, diferentes tratamentos de superfície têm sido utilizados a fim de melhorar as propriedades desses materiais, tais como processos de deposição química de vapor e de deposição a plasma. Processos como a cementação têm sido utilizado com sucesso para melhorar as propriedades mecânicas da superfície de alguns aços. (Sun; Haruman, 2006; Borgioli et al., 2005). Através do tratamento de cementação a plasma ocorre a introdução de carbono na superfície do aço, por meio de difusão a uma temperatura suficientemente baixa, produzindo uma camada contendo uma única fase de austenita supersaturada de carbono (Fewell et al., 2000). Este tratamento realizado em baixas temperaturas apresenta algumas vantagens sobre outros tratamentos, pois as camadas tratadas são livres da precipitação de carbonetos de cromo e, geralmente, são mais espessas e mais resistentes à corrosão (SUN; Bell, 2002). A dureza da camada rica em carbono é pequena devido a supersaturação do carbono em solução solida ser menor consequentemente a expansão da rede (austenita expandida) é menor, esse fato é atribuído à baixa concentração de carbono na superfície (2% a 12%) (Molleja et al., 2010). Como o carbono, comparado ao nitrogênio, tem uma interação fraca com o cromo (Mändl, 2002), ele se difunde mais rapidamente no aço inoxidável austenítico, a uma taxa de saturação baixa, o que leva a uma camada de difusão de carbono mais profunda. Quando as superfícies de materiais são tratadas adequadamente as perdas são reduzidas, garantindo um mecanismo de desgaste adequado. Durante o desgaste por deslizamento em aços atuam dois mecanismos principais de desgaste: o adesivo e o oxidativo. Cada mecanismo opera durante o regime permanente estabelecido para cada condição do sistema tribológico. As taxas de desgaste produzidas pelos mecanismos são também conhecidas como regime de desgaste severo e moderado (ViáfAra, 2010). Nas curvas de deslizamento o coeficiente de atrito obtido em testes não lubrificados apresentam dois períodos: o período running-in que pode ser definido como o tempo em que o coeficiente de atrito atinge um valor constante (Viáfara, 2010) e período estacionário que corresponde ao coeficiente de atrito com valor aproximadamente constante (Blau, 2005). Os regimes de desgaste severo e moderado apresentam características específicas em relação à natureza das partículas e superfícies de desgaste, bem como às taxas de desgaste dos corpos. A característica mais relevante entre os regimes é a diferença nas taxas de desgaste de algumas ordens de magnitude. A atuação dos mecanismos de desgaste possui uma forte dependência das características do sistema tribológico. Entre tais características podem ser citadas a dinâmica do sistema (carga, velocidade e geometria) e o meio interfacial (atmosfera, temperatura, lubrificante) (ViÁfAra, 2010). A cinética do processo de cementação depende de vários fatores que exercem influência na velocidade de difusão, espessura da camada como na profundidade e composição química da região difundida. O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento de desgaste do aço austenítico inoxidável AISI 316L cementado e analisar as respostas tribológicas da camada modificada pelo tratamento a plasma. 2. Procedimentos experimentais O material usado como substrato nesse trabalho foi o aço inoxidável austenitico AISI 316L. Antes do tratamento de cementação, o PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN

2 material foi cortado em pastilhas com 38mm de diâmetro e 10mm de espessura. A Tabela 1 apresenta a composição química do aço inoxidável austenítico 316L submetido ao ensaio de análise química realizado no LAMAT Laboratório de Ensaios e Análises em Materiais - UFMG. O tratamento de cementação a plasma (treatment plasma carburizing, TPC) foi realizado com a configuração DC triodo, a pressão utilizada foi de 4x10-3 mbar e a tensão foi 200V. A composição utilizada no processo de cementação foi de 95% Ar + 5% C2H4. O processo foi realizado na temperatura de 475 C por 3 horas. Após ao tratamento, as amostras foram cortadas, embutidas, lixadas, polidas e atacadas com uma solução de água regia. As amostras tratadas foram examinadas pela técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) em um equipamento da FEI modelo Inspect S50 e para análise da microestrutura as amostras foram revestidas com ouro. O mapeamento por raios X na trilha de desgaste foram feitos pela espectroscopia de energia dispersiva (EDS) em um equipamento da EDAX modelo Genesis. A identificação das fases presentes nas camadas tratadas foi realizada pela análise de difração de raios X (DRX) em um equipamento da Philips PANalytical modelo EMPYRE- AN, utilizando a radiação Cu-Kα e um monocromador. Medições do perfil de dureza instrumentada foram realizadas nas camadas modificadas e sobre o aço AISI 316L sem tratamento em um equipamento da Shimadzu modelo DUH-W201S). Os experimentos foram feitos com o penetrador Berkovich, as cargas utilizadas foram de 100 mn e 2 mn e as taxas de descarregamento foram 0,83 mn/s e 0,13 mn/s, respectivamente. Os ensaios de desgaste foram realizados em um tribômetro da microfotônica modelo MT/60/NI, com a configuração de pino-sobre-disco. Os testes foram executados em condições de ambiente com a umidade relativa do ar entre 45% e 50% e temperatura cerca de 20 ± 2 C. Para as diferentes distâncias de desgaste os principais parâmetros utilizados foram: esferas de WC/Co com 6 mm de diâmetro, carga de 15 N, raio de 3 mm, rotação do disco de 382 rpm e velocidade de deslizamento de 0,2 m/s. Os perfis de profundidade das trilhas de desgaste foram determinados utilizando um perfilômetro 2D/3D da Hommelwerke modelo T8000 e os dados analisados com o uso do software Hommelmap. 3 Resultados Experimentais A Figura 1 apresenta a estrutura da seção transversal do aço inoxidável austenítico cementada. Observa-se que a camada superficial correspondente a região com maior teor de carbono apresenta-se homogênea e contínua, com espessura média de 11,51 ± 0,28 μm. A formação dessa camada está relacionada à fase formada austenita expandida por carbono, γc (Sun et al.1999; Tsujikawa et al., 2005; Tsujikawa et al., 2007). Segundo os autores, os aços inoxidáveis austeníticos podem ser cementados a temperaturas inferiores a 500ºC para formar uma camada endurecida e livre da precipitação de carbonetos de cromo. Estudos revelaram que o valor máximo registrado na literatura da super saturação da fase γc rica em carbono foi de aproximadamente 12% (Molleja, et. al., 2010). É importante salientar que as camadas visíveis no MEV não mostram as reais profundidades da difusão alcançada pelos tratamentos a plasma (Czerwiec et al., 2006; Baldwin et al., 1999), mas correspondem apenas às regiões de maiores concentrações do elemento. 54 PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN

3 A Figura 2 mostra o difratograma de raios X do aço AISI 316L e do aço AISI 316L cementado. Não foram identificados carbonetos em nenhum desses materiais. O aço AISI 316L cementado apresentou a fase de autenita expandida por carbono, γc. Os picos apresentaram-se deslocados para menores ângulos de difração 2θ em relação a fase γ aço AISI 316L não cementado. Este resultado pode ser atribuído à expansão do parâmetro de rede da estrutura CFC induzida pela supersaturação de carbono na rede austenítica do aço (CULLITY, STOCK, 2001). A Tabela 2 apresenta os parâmetros de rede para o sistema tratado. A fase γ do aço AISI 316L não tratado apresentou o parâmetro de rede semelhante ao encontrado por Molleja et al. (2010) que encontrou um valor de 0,3584 nm. O parâmetro de rede medido para a fase γc dos sistemas TPC, também concordam com os valores encontrados na literatura. Molleja et al. (2010) determinaram o parâmetro de rede para a fase γc com valor de 0.366nm. O perfil de dureza determinado por meio de ultramicrodureza para verificar a profundidade de endurecimento por solução sólida, é apresentado na Figura 3. PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN

4 O material cementado apresentou valores de dureza na superfície de 3,5 GPa com um efeito de endurecimento até aproximadamente 70 μm até chegar a uma dureza com um valor de aproximadamente 2,7 GPa, esse valor permanece aproximadamente constante ao longo da profundidade indicando que a partir dessa profundidade corresponde ao aço 316L sem tratamento. Através dos ensaios de desgaste por deslizamento não lubrificado do aço inoxidável cementado foram obtidas curvas de coeficiente de atrito em função da distância (Figura 4). É possível verificar nesta figura as diferenças existentes no comportamento do atrito, durante os estágios de desgaste por deslizamento em cada distância. As distâncias selecionadas foram de acordo com uma análise visual das replicas das curvas do sistema cementado, pois foi verificado que as curvas apresentam períodos bem definidos, permitindo uma análise mais detalhada do sistema. As curvas parciais foram geradas nas distâncias de 50, 100 e 450 m para uma análise mais detalhada dos debris e das trilhas de desgaste. A curva (a) apresentada na Figura 4 corresponde ao aço 316L sem tratamento observa-se um coeficiente de atrito de aproximadamente 0,7 após um primeiro estágio chamado de running-in. A curva de desgaste (b) foi levantada para o aço 316L cementado para distância de deslizamento de 1200 m, nela são verificados diferentes regimes de desgaste propostos. Curvas parciais de desgaste por deslizamento foram levantadas nas distâncias de 50, 100 e 450 m para análise por MEV dos debris e das trilhas de desgaste. A curva de desgaste (c), com uma distância percorrida de aproximadamente 50m, apresentou um primeiro período denominado de running-in em torno de 10 m. Segundo Viáfora (2010), o período running-in corresponde à região em que acaba o comportamento crescente do coeficiente de atrito para se tornar aproximadamente constante, esse fato pode ser observado na Figura 4(c). Após o período running-in ocorre um período de regime de desgaste permanente até uma distância de deslizamento de 100 m (Figura 4 (c) e (d)). Neste segundo período de desgaste o coeficiente de atrito continua crescendo até valores próximos a 0,7. Este período de desgaste foi denominado de regime de desgaste por cementação e está relacionado a um mecanismo de desgaste intrínseco à região rica em carbono. Na distância de 100m ocorre uma diminuição brusca para o coeficiente de atrito de aproximadamente 0,5 (Figura 4 (d)). Segundo Czichos (1992) esse decréscimo do coeficiente de atrito, pode ser devido à formação de uma camada superficial protetora triboquímica ou por um decréscimo nos processos de sulcamento e deformação de asperezas. Neste terceiro período de desgaste (Figura 4 (e)), o coeficiente de atrito aumenta lentamente até a distância de aproximadamente 450m e a partir dessa distância se mantém com o coeficiente por volta de 0,7; esse foi considerado o quarto período que corresponde ao regime de desgaste observado no aço 316L sem tratamento. As mudanças observadas no ruído, durante o teste de desgaste, corrobora que uma transição na operação dos mecanismos de desgaste ocorreu. Em geral este fenômeno indica que existe um mecanismo de desgaste mais severo atuando durante o crescimento do coeficiente de atrito, enquanto que em valores constantes do coeficiente de atrito é causado por um desgaste moderado. Segundo Blau (2001), quando o coeficiente de atrito alcança um valor máximo este, é associado à alta taxa de desgaste atingida pelo desgaste das asperezas. A superfície fica mais lisa, diminuindo o atrito até o valor de regime permanente. A Figura 5 apresenta os debris de desgaste do sistema cementado para as distâncias de 50, 100 e 450m. 56 PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN

5 Nos debris do ensaio de desgaste obtidos na distância de 50m foi encontrada uma concentração do carbono de aproximadamente 36,6% atômica medida por raios X. Nota-se na Figura 5 (a) que as partículas apresentam um tamanho pequeno quando comparada as outras imagens das partículas Figura 5 (b e c), este fato deve estar relacionado com um mecanismo de desgaste oxidativo. Na distância de 100m (Figura 5 (b)) a concentração de carbono foi de 19,8% atômica e para a distância de 450m (Figura 5 (c)) o valor de teor de carbono encontrado foi de 15,3% atômica. Este resultado evidencia que na distância de 50 m o desgaste corresponde ao desgaste da camada cementada, onde ocorre altos valores de concentração de carbono. Observa-se nas imagens da Figura 5 (b) e (c) a ocorrência de partículas (debris) com tamanhos variados com a presença de partículas de tamanho muito grande. Durante a realização dos ensaios de desgaste foi observado que enquanto ocorria a oscilação do coeficiente de atrito, os debris possuíam a cor marrom. Quando as oscilações cessavam, os debris passavam a ter coloração prateada (metálica). Os detritos pequenos e oxidados são produzidos por desgaste oxidativo, enquanto o desgaste adesivo é caracterizado por debris de tamanho maior e pela cor metálica (HIRST; LANCASTER, 1956 e EYRE; MAYNARD, 1971). PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN

6 Através do mapeamento de composição por EDS no microscópio eletrônico, das trilhas de desgaste apresentadas na Figura 6, foi determinado que a concentração do carbono foi de aproximadamente 25% atômica, fora da trilha de desgaste para todas as distâncias percorridas. Na distância de deslizamento de 50 m a concentração de carbono encontrada dentro da pista foi de 12,6% atômica, na distância de 100 m o valor foi 10,3% atômica, para a distância de 450 m foi 8,8% atômica e para a distância de 1200 m o valor encontrado foi 7,7% atômica. Esses valores são muito superiores ao do aço 316L sem tratamento de cementação cujo teor de carbono é igual a 0,02% (Tabela 1). Nas imagens do mapeamento observa-se que a concentração de carbono diminui dentro da trilha com o aumento da distância de desgaste, sem contudo alcançar o teor de carbono do aço AISI 316L, não cementado. A profundidade média das trilhas de desgaste foi determinada por perfilometria para todas as distâncias de deslizamento e estão apresentadas na tabela 3. O parâmetro Wt obtido no perfil de rugosidade é a medida da profundidade da trilha de desgaste. 58 PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN

7 Através da Tabela 3, verifica-se que para uma mesma distância de deslizamento de desgaste (1200m), o aço inox austenítico cementado a plasma apresentou um valor de profundidade de desgaste bem menor que o aço inox não cementado. Com a diminuição da distância de desgaste por deslizamento, o valor médio da profundidade de desgaste diminui consideravelmente. Assim, pode-se concluir que a cementação a plasma contribui fortemente para o aumento da resistência ao desgaste de aços inoxidáveis austeníticos. O volume de desgaste gasto pelo sistema pelo aço 316L sem tratamento foi de 21,8 mm3, enquanto que o aço tratado por cementação apresentou 10,07 mm3. Esse resultado corrobora que o sistema cementado a plasma apresenta uma maior resistência ao desgaste do que o aço inox sem tratamento. Conclusões As curvas de desgaste por deslizamento contêm informações sobre as respostas tribológicas do aço AISI 316L (inox austenítico) cementado a plasma. Foram observados diferentes regimes de transição de desgaste nas curvas de coeficiente de atrito versus distância de deslizamento de desgaste. Os regimes de desgaste foram caracterizados de acordo com as distâncias de deslizamento selecionadas e a identificação dos mesmos mostrou que a resposta tribológica de um material está intrinsecamente relacionada com a estrutura do material. Os resultados obtidos de profundidade de desgaste e de volume desgastado indicam uma efetiva melhoria na resistência ao desgaste de um aço inox austenítico (Aço AISI 316L), cementado a plasma, quando comparado ao aço AISI 316L sem tratamento a plasma. Referências COSIN, Aline. Perfil do processo trabalhista argentino. Revista Jurídica. Campinas, v. 22, n. 1, p. 5-24, BALDWIN, J. M. et al. Plasma- nitride AISI-316 stainless steel examined by scanning electron microscopy and secondary ion mass spectrometry. Thin Solid Films, v. 345, p , Blau, P. On the nature of running-in. 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Notas de Fim Graduada em Química, Mestre em Engenharia de Materiais e Doutora em engenharia metalúrgica. Professora do Centro Universitário Newton chelleduarte@yahoo.com.br. Graduada em Física, Mestre e doutora em Engenharia Metalúrgica e professora da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) cristinagodoyufmg@gmail.com. PÓS EM REVISTA DO CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 2015/1 - NÚMERO 10 - ISSN