RESISTÊNCIA À CAVITAÇÃO DO AÇO 34 CrAlNi 7 NITRETADO A PLASMA

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1 13 o POSMEC - Simpósio do Programa d Pós-Graduação m Engnharia Mcânica Univrsidad Fdral d Ubrlândia Faculdad d Engnharia Mcânica RESISTÊNCIA À CAVITAÇÃO DO AÇO 34 CrAlNi 7 NITRETADO A PLASMA Flávio José da Silva (ltm-fjsilva@mcanica.ufu.br) Eduardo Boccardo Alvs (boccardo@alunos.ufu.br) Sinésio Domingus Franco (ltm-sdfranco@ufu.br) Univrsidad Fdral d Ubrlândia, Brasil Ricardo Rppold Marinho (rppold@.ptrobras.com.br) Marclo Torrs Piza Pas (mtpp@cnps.ptrobras.com.br) Cnps/Ptrobras, Rio d Janiro, Brasil, Rsumo: A cavitação é um fnômno qu consist na formação subsqünt colapso d bolhas contndo vapor /ou gás dntro d fass líquidas. Quando o colapso acontc próximo a uma suprfíci sólida, st fnômno pod lvar a prdas significativas d mtria até ao sucatamnto d pças componnts. No caso da nitrtação, os fitos da camada sobr os mcanismos dsgast não stão bm claros. Nst trabalho aprsnta-s um studo sistmático ralizado no aço DIN (34 CrAlNi 7) nos stados rcozido tmprado/rvnido. Os tsts d cavitação foram conduzidos plo método ultra-sônico, sgundo a norma ASTM G Discutm-s as influências da camada branca sobr o os mcanismos d dgradação, bm como os fitos dos tratamntos térmicos d rcozimnto têmpra/rvnimnto. Os mcanismos d dsgast foram avaliados através d técnicas qu inclum: microscopia ótica ltrônica d varrdura, difratomtria d raios X intrfromtria Lasr. Os rsultados obtidos mostram qu a prsnça da camada branca rsulta m uma rdução do príodo d incubação. Adicionalmnt, sua prsnça impõ uma lvada taxa d rmoção nos stágios iniciais, passando por um máximo. A sguir, ss valor s stabiliza, porém, ainda acima dos valors mdidos na zona d difusão. O principal mcanismo d dgradação na camada branca é microtrincamnto. Palavras-chav: Cavitação, nitrtação, camada branca, microstrutura. 1. INTRODUÇÃO A cavitação é um fnômno qu consist na formação subsqünt colapso d bolhas contndo vapor /ou gás dntro d fass líquidas (Czichos and Habig, 1992). Quando o colapso acontc próximo a uma suprfíci sólida, st fnômno pod lvar a prdas significativas d mtria, até ao sucatamnto d pças componnts. Como xmplo d pças sujitas a ss tipo d dsgast, citam-s: pás d turbinas hidráulicas, rotors d bombas, dntr outros. Em projtos d componnts hidráulicos, por razõs práticas conômicas, é ssncial a scolha d matriais adquados /ou a aplicação d tratamntos ou rvstimntos suprficiais, qu rsultm numa maior rsistência à cavitação dsss componnts. Dntr os procdimntos d ngnharia d suprfíci mprgados na rdução do dsgast por cavitação, citam-s: rvstimntos por solda a arco-létrico, rvstimntos asprgidos trmicamnt, rfusão modificação suprficial a lasr, vaporação térmica implantação iônica. Os fitos d parâmtros d produção dsss rvstimntos sobr a rsistência à cavitação têm sido studados com frqüência (Münstrr and Kohlhof, 1995; Tomlinson and Talks, 1990; Chang t al., 2003; Han t al., 2002; Man t al., 2001; Zhou and Hrman, 1982; Mana t al., 2003). Todavia, rlativamnt pouco pod sr ncontrado na litratura técnica sobr o comportamnto d camadas nitrtadas m aços.

2 D modo gral, a nitrtação rsulta m um aumnto da rsistência à cavitação, como mostrado por Zhou Hrman (1982) m Ti Ti-6Al-4V. Rsultados smlhants foram ncontrados por Mana co-autors nsss msmos matriais (Mana t al., 2003). Talks Tomlison, por sua vz, não ncontraram nnhum fito bnéfico dvido à nitrtação m frros fundidos brancos d alto Cromo (Tomlinson and Talks, 1990). Sgundo sss autors, a nitrtação liminaria os fitos bnéficos da rfusão suprficial a lasr. Rsultados mais rcnts mostram qu a nitrtação pod aumntar significativamnt a rsistências à cavitação d aços d baixa liga (Huang t al., 2002). Ess comportamnto foi atribuído à lvada rsistência a danos d origm mcânica das zonas d difusão d compostos. Esss fitos distintos da nitrtação sobr a rsistência à cavitação podm star associados a vários fators, dntr os quais citam-s: a microstrutura original do matrial nitrtado, a prsnça d camada branca, bm como sua constituição (difrnts tipos d nitrtos). Dsta forma, o prsnt trabalho tm como objtivo analisar d forma sistmática os fitos da camada branca no dsgast por cavitação. Além disso, os fitos da microstrutura original são analisados, tomando-s um aço típico d nitrtação, a sabr, o 34 CrAlNi PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 2.1 Matriais Prparação d Amostras D uma barra cilíndrica do aço DIN (34 CrAlNi 7) foram rtirados tratados trmicamnt corpos d prova com 27 mm diâmtro 15 mm d altura. A composição química do aço mprgado é mostrada na Tab. (1). As amostras foram rtiradas d barras tratadas trmicamnt. Dois tratamntos foram mprgados, a sabr: a) têmpra (890ºC/30 min/ólo) sguido d rvnimnto (640ºC/30 min) b) rcozimnto (890ºC/rsfriamnto ao forno). Part das amostras foram nitrtadas ionicamnt m uma mistura gasosa d 76%N 2 /24%H 2 (% m volum) por um príodo d 9 horas a uma tmpratura d 550 ºC. Tabla 1 : Composição química do aço DIN (34 CrAlNi 7). Elmnto C S P Si Mn Cr Ni Mo Al Cu Nb V % m pso As amostras foram submtidas a análiss mtalográficas (microscopia ótica ltrônica d varrdura), mdiçõs d durza prfil d microdurza topografia m um intrfrômtro lasr da UBM. Também foram fitas análiss das camadas com técnicas d difração d raios-x. Após a dtrminação dos valors d spssura d camada branca via mtalografia, las foram rmovidas mcanicamnt m algumas amostras m uma lapidadora d prcisão m duas tapas. A primira tapa d dsbast foi ralizada com abrasivos d SiC com granulomtria média d 15 m a sgunda, d acabamnto, com abrasivos d Al 2 O 3 com granulomtria média d 9µm. O control da rtirada da camada branca foi fito com um rlógio comparador com 1µm d rsolução (rugosidad final d Ra = 0.3 µm). A sguir sinttizam-s as amostras produzidas para o dsnvolvimnto dst trabalho: a) sm nitrtação (rcozidas tmpradas/rvnidas), b) nitrtadas (com sm camada branca, tndo como microstrutura original d nitrtação amostras rcozidas tmpradas/rvnidas), totalizando 6 difrnts tipos d amostras. 2.2 Ensaios d Cavitação Os nsaios d cavitação foram ralizados sgundo a norma da ASTM G32-98 modificado para o método indirto. Os nsaios foram conduzidos m um quipamnto Sonic Mills (vr Fig. 1). A rprsntação squmática do tst d cavitação é mostrada também na Fig. 1. A amostra a sr nsaiada é colocada m um porta amostra posicionada a uma distância d 0.5 mm do contra-corpo d aço inoxidávl AISI 316 (Fig.1b) com o auxílio d um micrômtro com rsolução d 0.01 mm. 2

3 A frqüência d vibração do sonotrodo foi d 19.3 ± 0.1 khz. A amplitud d oscilação foi mantida m 45 µm pico a pico, sob uma tmpratura d nsaio d 25 ± 2ºC m água dstilada. Na dtrminação do dsgast, o nsaio ra intrrompido m intrvalos d tmpo rgulars amostras limpas m ultra-som A prda d massa foi dtrminada por mio d balança analítica com rsolução d 0.1 mg. Nstas intrrupçõs, a volução das suprfícis d dsgast foi analisada através d Microscopia Eltrônica d Varrdura (MEV) intrfromtria a lasr. Os parâmtros d rugosidad foram calculados imagns d prfil ára das suprfícis foram gradas. a) b) Figura 1 : Bancada xprimntal, (a) vista gral, (b) dtalh da montagm do nsaio. 1 - sonotrodo, 2 contra-corpo m aço inoxidávl (AISI 316) 3 - amostra. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura (2) aprsnta a microstrutura típica das amostras nitrtadas, tndo-s como microstrutura d partida frrita/prlita. Nota-s nstas figuras a prsnça d uma camada branca d crca d 30 µm. Camada branca m Figura 2 : Amostra rcozida nitrtada com atmosfra contndo76% N 2, 9 horas. A zona d difusão ating uma profundidad d mais d 3. As camadas nitrtadas obtidas m amostras tmpradas/rvnidas não aprsntaram variaçõs significativas m rlação às obtidas m amostras rcozidas (vr spssuras d camada branca na Tab. 2). 3

4 Tabla 2 : Espssura da camada branca das amostras nitrtadas durza do aço ants da nitrtação. Amostras HV30 ants da nitrtação Camada branca (µm) Rcozida ,9 0,7 Tmprada/Rv ,5 0,8 Os prfis d microdurza são aprsntados na Fig. (3a). Os valors d microdurza são também muito smlhants, difrindo apnas nas durzas da rgião não nitrtada. A constituição das camadas nitrtadas é aprsntada na Fig. (3b). Os nitrtos obsrvados corrspondm ao sprado para ss aço, ' (Chattrj-Fischr t al., 1995). HV0, a) b Tmprada - 76 % N2 Rcozida - 76 %N Distância (µm) Intnsidad Rlativa +g' g' +g' +g' Tmprado Nitrtado(76%N 2 9h) Tmprado Rcozido Figura 3 : Camadas nitrtadas, a) Prfis d microdurza das amostras tmprada/rvnida rcozida b) difratogramas das amostras studadas. Os rsultados d cavitação são aprsntados na Fig. (4). Nota-s dssa figura, qu a amostra rcozida é qu aprsnta as maiors prdas d massa. As mnors prdas d massa foram mdidas nas amostra tmpradas nitrtadas sm camada branca. Essa rdução é considrávl, msmo s sss valors form comparados com as amostras tmpradas não nitrtadas. O mlhor dsmpno das amostras tmpradas rvnidas m rlação às rcozidas pod sr atribuído à maior rsistência mcânica da martnsita rvnida m rlação à microstrutura frrítica/prlítica. Prda d Massa Acumulada (mg) ba) RSN RNCCB RNSCB TSN TNCCB TNSCB mg/min Tmpo (min) Taxa d Cavitação (mg/min) 0,12 0,10 0,08 0,06 0, , , Tmpo (min) Figura 4 Evolução do dsgast m função do tmpo, a) prda d massa acumulada b) taxa d dsgast. RSN=Rcozida Sm nitrtação, RNCCB=Rcozida Nitrtada Com Camada Branca, RNSCB=Rcozida Nitrtada Sm Camada Branca, TSN=Tmprada Sm nitrtação, TNCCB= Tmprada Nitrtada Com Camada Branca, TNSCB= Tmprada Nitrtada Sm Camada Branca Comparando-s os dsmpnhos das amostras com sm camada branca, nota-s qu a o príodo d incubação é considravlmnt infrior nas amostras com camada branca (vr Fig. 4a). Além disso, as amostras com camada branca aprsntam após a incubação um rápido crscimnto da prda d massa, qu, após um crto tmpo, acaba s stabilizando. Na Figura (4a) são 4

5 aprsntadas ainda as taxas d dsgast por cavitação,, obsrva-s, também, qu a taxa dsgast é considravlmnt infrior nas amostras com microstrutura frrítica/prlítica. Para maior facilidad na anális dos rsultados d cavitação, aprsnta-s na Fig. (4b) a dinâmica da taxa d dsgast para as difrnts amostras studadas. Dssa figura, é notório a prsnça d picos na vlocidad d rmoção d matéria nos stágios iniciais para as amostras contndo camada branca. Após crca d 8 h (480 min), a taxa d dsgast stabiliza-s m valors muito infriors aos obsrvados no início. As amostras nitrtadas sm camada banca não dsnvolvram picos significativos d taxa d dsgast. Essa difrnça d comportamnto pod sr atribuída à prsnça d camada branca. Os rsultados d acompanhamnto dos mcanismos d dgradação via Microscopia Eltrônica d Varrdura corroboram sss rsultados (vr Fig. 5). Após 1 h d tst, a suprfíci das amostras com camada branca dsnvolvm cavidads aprciávis, msmo m baixos aumntos. Essas cavidads são formadas plo dsnvolvimnto d microtrincas dntro da camada branca, como mostrado na Fig. (5). Após 12 h d tst, a suprfíci volta a aprsntar uma topografia mnos rugosa. As amostras tmpradas sm camada branca não aprsntaram cavidads após 1 h d tst. Após 12 h, algumas pqunas dprssõs podm sr notadas, todavia, m dimnsõs muito infriors as obsrvadas nas amostras com camada branca. 0 minuto 60 minutos 720 minutos Tmprada nitrtada com camada branca Tmprada nitrtada sm camada branca Figura 5 : Evolução do dsgast m amostras rcozidas tmpradas, nitrtadas, com sm a prsnça d camada branca. O mlhor dsmpnho das amostras qu tivram suas camadas brancas rmovidas é vidnt na anális da profundidad da rgião danificada pla cavitação (Fig. 6). A profundidad da rgião dsgastada é uma ordm d grandza infrior nas amostras sm camada branca. Esss rsultados vidnciam o fito maléfico da camada branca na cavitação, podndo-s sugrir, qu, na mdida do possívl, la sja vitada, ou ntão rmovida. 5

6 A profundidad média na rgião dsgastada da amostra nitrtada com camada banca é d 23.1 µm. Como a spssura da camada branca dssas amostras é d crca d 30 µm, os valors obtidos d taxa d dsgast da Fig. (4b) para as amostras rcozidas tmprada/rvnida com camada branca corrspondm a valors da camada branca. Esss valors são considravlmnt supriors aos obsrvados nas amostras sm camada branca. Assim, acrdita-s qu as taxas d dsgast das amostras com camada branca tndam aos valors das amostras sm camada branca. D qualqur modo, sja nos instants iniciais ou no rgim stacionário da taxa d dsgast da camada branca, a sua prsnça é maléfica. Tmprada Nitrtada c/ Camada Branca min, profundidad média d 23.1 m Tmprada Nitrtada s/ Camada Branca min, profundidad média d 2.0 µm Figura 6 : Prfis d rugosidad ao longo da rgião dsgastada para amostras com sm camada branca com microstruturas tmpradas rvnidas após 720 min d tst. Os fitos da microstrutura original do aço 34 CrAlNi 7 podm sr obsrvados da Figura (4). Nas amostras sm camada branca, as taxas d dsgast por cavitação são muito próximas, mas nas amostras com camada branca há uma nítida suprioridad das amostras com microstrutura frrítica/prlítica. Essa suprioridad pod star associada à maior capacidad da microstrutura frrítica/prlítica rtr trincas d maiors dimnsõs. As rais razõs para ss comportamnto stão m fas d invstigação dvrão sr aprsntados m brv. 4. CONCLUSÕES No prsnt trabalho foram avaliados os dsmpnhos d amostras do aço 34 CrAlNi 7 com rlação à cavitação nos sguints stados: tmprado/rvnido rcozido, nitrtado ionicamnt com sm camada branca, totalizando 6 difrnts stados. Os rsultados obtidos prmitm concluir qu: a) a têmpra sguida d rvnimnto a uma durza d crca d 300HV30 mlhora considravlmnt o dsmpnho dss aço m rlação ao stado frrítico/prlítico. b) a prsnça da camada branca lva a um príodo d incubação bastant rduzido a taxas d rmoção bastant lvadas nos stágios iniciais. A sguir, ssa taxa é rduzida, todavia, su valor é significativamnt suprior aos mdidos nas amostras sm camada branca; c) rcomnda-s, na mdida do possívl, a suprssão da camada branca m aplicaçõs qu nvolvam cavitação; d) o dsmpnho das zonas d difusão foi o msmo nas amostras bnficiadas rcozidas. Há indicaçõs d um dsmpnho suprior da camada branca nas amostras rcozidas. Acrdita-s qu ss mlhor dsmpnho possa star rlacionado à maior capacidad da microstrutura frrítica/prlítica rtr trincas originadas dntro da camada branca. 6

7 5. AGRADECIMENTOS Os autors agradcm à Caps pla bolsa d doutorado concdida a F.J. da Silva à Ptrobras plo apoio financiro. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM G32-98, 1998, Amrican Socity for Tsting and Matrials. Chang, J.T., Yh, C.H., H, J.J. and Chn, K.C., 2003, War, in prss. Chattrj-Fischr, R. t al., 1995, Wärmbhandlung von Eisnwrkstoffn Nitrirn und Nitrocarburirn, Exprt Vrlag, Brlin. Czichos, H. nd Habig, K.H., 1992, Tribologi Handbuch - Ribung und Vrschliß, Viwg Vrlag, Braunschwig Han, S., t al., 2002, Surfac Coatings and Tchnology, vol. 161, pp Huang, W.H., Chn, K.C. and H, J.L., 2002, War, vol. 9052, pp Man, H.C., t al., 2001, Surfac and Coatings Tchnology, vol. 148, pp Mana, H.C., t al., 2003, Matrials Scinc and Eng. A00, pp Münstrr, S. and Kohlhof, K., 1995, Surfac and Coatings Tchnology, vol , pp Tomlinson, W.J., and Talks, M.G., 1990, War, vol. 139, pp Zhou, K.S. and Hrman, H., 1982, War, vol. 80, pp THE CAVITATION BEHAVIOUR OF PLASMA NITRIDED 34 CrAlNi 7 STEEL Abstract: Cavitation is a phnomnon that consists of th formation and of th subsqunt collaps of cavitis or bubbls that contain vapour or gas, or both, within a liquid. Th ffct of cavitation is trmd cavitation damag or cavitation rosion. It occurs whn th bubbls or cavitis collaps on or clos to a solid surfac. In mchanical dsign of hydraulic machins, for fasibl and conomical rasons, both th corrct matrials slction and th application of surfac tratmnts ar ssntial to improv th cavitation rsistanc of th componnts. In this invstigation th ffcts of th compound layr on th cavitation rosion of ion-nitridd 34 CrAlNi 7 stl wr analysd. Th cavitation tsts wr carrid out according to th ASTM G32-98 standard mthod. Th rsults showd that, in both microstructur (annald and qunchd and tmprd), th compound layr has a ngativ ffct. It lads to rduction in th incubation tim and to a high war rat at th bginning of th tst. Aftrwards, th war rat stabilizs, but is highr than thos masurd on sampls without compound layr. Th mainly war mchanism in th compound layr was microcracking. Kywords: Cavitation rosion, Ion nitriding, Compound layr, Microstructur. 7