MELHORAMENTO DA RESISTÊNCIA À CAVITAÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS POR MEIO DE NITRETAÇÃO EM ALTA TEMPERATURA

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1 MELHORAMENTO DA RESISTÊNCIA À CAVITAÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS POR MEIO DE NITRETAÇÃO EM ALTA TEMPERATURA J.F. dos Santos, C. M. Garzón, A. P. Tschiptschin Av. Prof. Mello Moraes 2463, CEP , São Paulo SP - francisco.santos@poli.usp.br Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade de São Paulo. RESUMO O aço inoxidável austenítico AISI 304L foi submetido à nitretação gasosa em alta temperatura com o intuito de melhorar sua resistência à cavitação. Os tratamentos de nitretação foram feitos em nitrogênio de alta pureza a 1150 o C por 6 h sob pressões parciais de nitrogênio que variaram entre 0,02 e 0,07 MPa. Foram obtidas camadas superficiais com teores de nitrogênio entre 0,18 e 0,33 %, livres de precipitados. Tanto amostras solubilizadas quanto amostras nitretadas foram submetidas a testes padronizados, ASTM G-32, de cavitação vibratória indireta em água destilada a 20 o C por tempos que variaram entre 30 min a 16 h. A resistência à cavitação foi avaliada pela perda de massa das amostras durante o ensaio e os mecanismos de desgaste foram estudados por meio de microscopia eletrônica de varredura, microanálise química e indentação com monitoramento da profundidade (nanoindentação). O tratamento de nitretação gasosa em alta temperatura melhorou marcadamente a resistência à cavitação. O aumento do teor de nitrogênio aumentou o tempo necessário para o início da deterioração por cavitação e diminuiu a taxa da perda de massa no regime estacionário. Os resultados foram analisados levando em conta o efeito do teor de nitrogênio na dureza e na capacidade de encruamento das camadas nitretadas, usando-se as medidas de nanoindentação. Palavras-Chave: Nitretação Gasosa, Resistência à Cavitação, Aços Austeníticos com Nitrogênio. 1. INTRODUÇÃO Em pesquisas recentes tem sido observado que os aços inoxidáveis contendo nitrogênio em solução sólida apresentam melhor resistência à corrosão, e maior resistência ao desgaste que seus equivalentes sem nitrogênio (1). Assim, técnicas de produção destes novos aços, High Nitrogen Steels HNS -, estão sendo desenvolvidas. Em particular, uma forma econômica de produzir esses materiais, consiste no tratamento termoquímico de nitretação gasosa em alta temperatura, no qual o nitrogênio é adicionado via difusão atômica no estado sólido (2),(3),(4). Neste tratamento um aço inoxidável convencional é solubilizado sob uma atmosfera de N 2 ou N 2 +Ar em temperaturas maiores que Ae 1, sendo obtidas peças com camadas de elevado teor de nitrogênio. Entre os materiais usados para confecção de peças submetidas à cavitação, os aços austeníticos são uma alternativa econômica de amplo uso. Berns e Siebert (5) trabalhando com aços Cr-Ni-Mo-N, e Wantang et al (6), trabalhando com aços Cr-Mn-N, observaram que os aços austeníticos com alto teor de nitrogênio têm maior resistência à cavitação que os aços austeníticos convencionais Na literatura não se encontram trabalhos em que se avalie a possibilidade de produzir peças de elevada resistência à cavitação, por meio da nitretação gasosa em alta temperatura, de aços austeníticos produzidos por fabricantes nacionais. Mesmo sendo o Brasil um dos grandes produtores de aço inoxidável no mundo, com uma produção de aproximadamente t durante o ano

2 O objetivo deste trabalho é avaliar a resistência à cavitação em água destilada do aço inoxidável austenítico comercial AISI 304L nitretado em alta temperatura. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O material usado neste trabalho foi o aço inoxidável austenítico AISI 304L, no formato de barra redonda com 19 mm de diâmetro. Na Tabela 1 mostra-se a composição química do aço como recebido. Tabela 1 Composição química do aço inoxidável austenítico AISI 304L usado na pesquisa %Cr %Ni %Mn %Si %C %P %S %N 18,7 9,6 1,9 0,95 0,03 0, Amostras cilíndricas com 19 mm de diâmetro e 6 mm de comprimento foram submetidas a tratamentos de solubilização e de nitretação a 1150 o C sob atmosfera gasosa de N 2 + Ar. Na Tabela 2 encontram-se as características principais dos tratamentos termoquímicos realizados. As amostras foram aquecidas até 1150 o C sob vácuo de 0,13 Pa a uma taxa média de aproximadamente 0,1 o C/s, e mantidas durante 6 h em atmosfera gasosa sob pressões parcias de N 2 que variaram entre 0 (amostra simplesmente solubilizada) e 0,07 MPa. Em seguida as amostras foram resfriadas em água agitada a uma taxa média de aproximadamente 200 o C/s. Após o tratamento termoquímico as amostras foram polidas em pano com pasta de diamante e finalmente polidas em pano com sílica coloidal. Tabela 2 Características principais dos tratamentos termoquímicos realizados. Amostra Atmosfera PN 2 (MPa) Tratamento termoquímico S Ar 0,00 Solubilização N02 N 2 + Ar 0,02 Nitretação N04 N 2 + Ar 0,04 Nitretação N07 N 2 + Ar 0,07 Nitretação As amostras tratadas e polidas em sílica coloidal foram submetidas a testes padronizados, ASTM G-32, de cavitação vibratória indireta em água destilada a 20 o C, por tempos que variaram entre 30 min a 16 h. Os parâmetros dos ensaios de cavitação foram: freqüência 20 khz, amplitude 40 µm, distância entre corpo e contra corpo 1 mm. A resistência à cavitação foi avaliada pela perda de massa das amostras durante ensaios interrompidos periodicamente. Em cada parada as amostras eram limpas em ultra-som e pesadas em balança analítica. As amostras foram caracterizadas por meio de microscopia eletrônica de varredura, microanálise química e ensaios de indentação com controle de carga e monitoramento da penetração (nanoindentação). Os ensaios de nanoindentação foram realizados seguindo procedimentos padronizados, DIN 50359, usando-se um equipamento marca Fisherscope, modelo H100. O ciclo de carregamento foi: pré-carga de 0,4 mn, carga final de 250 mn, tempo de carregamento de 90 s, tempo de permanência na carga máxima de 20 s e tempo de descarregamento de 90 s. A dureza dos materiais foi calculada seguindo o método de Oliver e Pahrr (7) com os dados de profundidade de penetração em função da carga aplicada. 3415

3 3. Resultados e discussão A microestrutura de todas as amostras estudadas consistiu de grãos austeníticos livres de precipitados, com um diâmetro médio de aproximadamente 80 µm e com inclusões não metálicas alinhadas ao longo de contornos de grão. As inclusões identificadas por microanálise EDS eram de sulfeto de manganês. Na Figura 1 mostram-se o teor de nitrogênio e a dureza em função da distância à superfície nitretada para a amostra nitretada sob PN 2 de 0,07 MPa. Tanto o teor de nitrogênio quanto a dureza diminuem com a distância à superfície. Observou-se, entretanto, que a variação de dureza não é acentuada, sendo a dureza do núcleo aproximadamente 2,0 GPa e a da superfície 2,5 GPa. Figura 1. Dureza e teor de nitrogênio em função da distância à superfície nitretada. Amostra nitretada a 1150 o C sob PN 2 de 0,07 MPa. Na Figura 2 encontram-se o teor de nitrogênio e a dureza medidos na superfície das amostras nitretadas. Observa-se que o teor de nitrogênio na superfície das amostras obedece à lei de Sieverts, pois varia proporcionalmente com a raiz quadr ada da pressão de nitretação. Observa-se, também, que a dureza aumenta com a pressão de nitretação, ou seja, com o teor de nitrogênio, confirmando o observado na Figura

4 0,4 2,8 Teor de nitrogênio, (%) 0,3 0,2 0,1 1/2 %N = 1,27PN2 Dureza, (GPa) 2,6 2,4 2, ,1 0,2 0,3 0,4 2 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 1/2 PN 2, (MPa 1/2 ) 1/2 PN 2, (MPa 1/2 ) Figura 2. Teor de nitrogênio e dureza, medidos na superfície das amostras, em função da pressão de nitretação. Na Figura 3 mostram-se as curvas de perda de massa em função do tempo de cavitação. Observa-se que o tratamento de nitretação gasosa em alta temperatura melhora marcadamente a resistência à cavitação do aço estudado. No intervalo de tempos em que foram feitos os ensaios de cavitação observam-se três estágios: (i) um período inicial de incubação em que praticamente não há perda de massa; (ii) um período de transição em que a taxa de perda de massa aumenta com o tempo de ens aio e (iii) um período em que se estabelece um regime permanente onde a taxa de perda de massa é praticamente constante. Com o aumento do teor de nitrogênio aumenta o tempo necessário para o início da deterioração por cavitação e diminui a taxa da perda de massa no regime permanente. Figura 3. Perda de massa em função do tempo de ensaio de cavitação. A Figura 4 mostra a superfície cavitada nos períodos de incubação e transitório, sendo possível observar que o dano inicia em alguns contornos de grão: é possível observar contornos deteriorados vizinhos a contornos preservados, caracterizando uma preferência por determinados tipos de contorno. 3417

5 (a) (b) Figura 4. Micrografias eletrônicas de varredura da superfície cavitada durante os períodos de nucleação e transitório. Amostra com 0,33 %N. (a) Aparência da superfície cavitada antes de se iniciar a perda de massa. (b) Aparência geral da amostra cavitada nos primeiros estágios de perda de massa, 4 h de cavitação, neste período observa-se tênue arrancamento de material, porém não há mudança significativa da massa. Cabe ressaltar que a resposta do aço quando submetido às ondas de choque e aos micro-jatos depende da soma do comportamento individual de cada grão. Porém, o comportamento de cada grão não depende apenas de suas propriedades mecânicas, mas também da orientação de seu reticulado cristalino e de como seus vizinhos permitem sua deformação. Disto resulta que ante a mesma tensão grãos diferentes possam sofrer diferentes deformações. Na Figura 5 observa-se o início do dano por cavitação num contorno de grão que separa um grão muito deformado de outro com pequena deformação. Nas amostras estudadas o dano inicia nos contornos entre grãos que sofrem graus de deformação muito diferentes. Este acúmulo de deformação causa o início do dano, sendo que a propagação se dá preferencialmente no grão mais deformado, ocorrendo perda de massa por destacamento de material (Figura 6). 3418

6 Figura 5. Micrografia eletrônica de varredura da superfície cavitada. Amostra com 0,33 %N. Observa-se o início do dano num contorno de grão. Figura 6. Micrografia eletrônica de varredura da superfície cavitada. A amostra com 0,33 %N. Observa-se a propagação do dano num dos grãos vizinhos, ocorrendo perda de massa por destacamento de material Os resultados mostram que há uma acentuada melhoria na resistência à cavitação com o aumento da pressão de nitretação, sendo, entretanto, o aumento da dureza pequeno. Assim, a melhoria obtida na resistência não pode ser explicada considerando-se apenas o efeito endurecedor do nitrogênio. Sabe-se que o nitrogênio tem efeito sobre a energia de falha de empilhamento e na concentração de elétrons livres (1). Estudos feitos com aços Cr18Ni10 mostram que ao aumentar o teor de nitrogênio de 0,01 para 0,25 % diminui a energia de falha de empilhamento de 120 para 90 mj/mm 2 (1). Com a diminuição da energia de falha de empilhamento há uma maior tendência das discordâncias em adotarem uma distribuição planar e a um aumento na formação de maclas de deformação, o que resulta em um material que consegue absorver mais energia na deformação (1). Entretanto, não há consenso na literatura sobre o efeito do nitrogênio na energia de falha de empilhamento, existindo trabalhos até contraditórios. 4. Conclusões O tratamento de nitretação gasosa em alta temperatura melhorou marcadamente a resistência à cavitação do aço inoxidável austenítico AISI 304L. Com aumento do teor de nitrogênio, decorrente do aumento da pressão de nitretação, aumenta o tempo necessário para o início da deterioração por cavitação e diminuiu a taxa da perda de massa no regime estacionário. 3419

7 5. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio da FAPESP pela concessão dos projetos 1999/ e 01/ e à CAPESP pela concessão de bolsa de mestrado. 6. Referências bibliográficas 1. V.G. Gavriljuk, H. Berns, High Nitrogen Steels, Springer-Verlag, Berlin (1999) H. Berns, ISIJ Int. (1996), H. Berns, R.L. Juse, J.W. Bouwman, B. Edenhofer: Heat Treat. of Met. (2000) C.M. Garzón, A. Toro and A.P. Tschiptschin, 6 ta Int. Conf. on High Nitrogen Steels, HNS, India (2002). 5. H. Berns, S. Siebert, ISIJ (1996), F. Wantang, Z. Yangzeng, H. Xiaokui, Wear (2001), W.C. Oliver, G.M. Pharr, J. of Mat. Research (1992),

8 IMPROVEMENT IN CAVITATION EROSION RESISTANCE OF AUSTENITIC STAINLESS STEELS THROUGH HIGH TEMPERATURE GAS NITRIDING J. F. dos Santos, C. M. Garzón, A. P. Tschiptschin Av. Prof. Mello Moraes 2463, CEP , São Paulo, Brazil - francisco.santos@poli.usp.br Metallurgical and Materials Engineering Department, University of São Paulo ABSTRACT AISI 304L austenitic stainless steel was high temperature gas nitrided, aiming to improve its cavitation-erosion resistance. Thermochemical treatments were carried out in high purity N 2 atmospheres at 1423 K under 0.02 to 0.07 MPa nitrogen partial pressures. 0,18 to 0,33 wt-% nitrogen cases, free of precipitates, were obtained after nitriding. Nitrided and solution treated samples were tested in a vibratory cavitation-erosion equipment, according to ASTM G-32 standard. The cavitation medium was distilled water at 293 K and the tests were carried out for 1.8 to 57.6 ks. Cavitationerosion resistance was measured by mass loss of the samples during tests. The characterization of the tests specimens was made by optical and scanning electron microscopy, chemical microanalyses and depth sensing indentation. The results show that the resistance to cavitation-erosion of high temperature nitrided samples is greater than that of solution treated samples. The increase in nitrogen content led to an increase in incubation time for cavitation damage and to a decrease in the mass loss rate during stationary regime. Keywords: Gas Nitriding, Cavitation-Erosion Resistance, High Nitrogen Austenitic Steels. 3421