TÍTULO: EFEITOS DA IMPLANTAÇÃO IÔNICA POR IMERSÃO EM PLASMA SOBRE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DO AÇO INOXIDÁVEL 304

Transcrição

1 TÍTULO: EFEITOS DA IMPLANTAÇÃO IÔNICA POR IMERSÃO EM PLASMA SOBRE PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DO AÇO INOXIDÁVEL 304 CATEGORIA: EM ANDAMENTO ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA SUBÁREA: ENGENHARIAS INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE BRAZ CUBAS AUTOR(ES): ALLYSON JOÃO CORREIA DA LUZ SILVA ORIENTADOR(ES): BRUNO BACCI FERNANDES COLABORADOR(ES): MARIO UEDA, ROGÉRIO DE MORAES OLIVEIRA

2 Efeitos da implantação iônica por imersão em plasma sobre propriedades físico-químicas do aço inoxidável 304 RESUMO Nos últimos anos, pesquisadores tem obtido melhorias significativas nas propriedades superficiais do aço inoxidável 304 através da implantação iônica por imersão em plasma (3IP). Contudo, ainda faltam dados relacionados a concentração atômica dos íons implantados e a espessura das camadas modificadas, bem como de parâmetros microscópicos dos materiais modificados a respeito do desempenho tribológico, resistência a corrosão e propriedades de tração. Além disso, esses parâmetros são extremamente relevantes para expandir o uso desse material para distintas áreas de aplicação. Nesse artigo, foi utilizada tanto a configuração 3IP convencional como uma configuração 3IP para altas temperaturas, para possibilitar uma varredura ampla na temperatura do substrato durante os tratamentos. Camadas modificadas distintas também foram obtidas através da variação do tempo de duração do processo e a energia dos íons implantados. Os parâmetros microscópios dos aços inoxidáveis 304 tratados foram correlacionados com as propriedades das camadas modificadas. Atualmente no INPE, uma configuração original que permite tratamentos com altas temperaturas do substrato foi testada e comparada com a configuração comum, ambas utilizando plasma de nitrogênio. Esse artigo descreve os efeitos dessas configurações diferentes de 3IP em propriedades de corrosão, atrito e de tração no aço inoxidável 304. INTRODUÇÃO A constante necessidade da indústria aeronáutica por materiais leves, para serem empregados nas estruturas de aeronaves de alta velocidade que sejam capazes de resistirem à altas temperaturas devido ao aquecimento de atrito, tem demandado o uso de técnicas de modificação de superfícies para agregar e melhorar as propriedades desejadas em vários tipos de ligas metálicas [1, 2]. Particularmente, a 3IP tem sido amplamente empregada para significativas melhorias em várias propriedades de ligas metálicas, como aumentar a dureza [3, 7] e a resistência à corrosão [4, 5, 6, 8], além de reduzir o desgaste [3, 8], a deformação, e o coeficiente de atrito [3, 8]. Nesse trabalho experimental, a implantação de nitrogênio foi realizada com a temperatura do substrato sendo variada de um tratamento para o outro. OBJETIVOS O intuito deste trabalho é apresentar tratamentos por 3IP na liga de aço inoxidável 304 e relacionar as propriedades desse material com caracterizações físicas e químicas. METODOLOGIA Foram utilizadas amostras do aço inoxidável 304 com diâmetro de 15 mm e espessura de 3 mm. Para

3 o tratamento superficial da amostra por 3IP adotou-se diversas configurações experimentais, obtendo as principais alterações através da variação de temperatura do substrato, da energia de implantação e da duração dos tratamentos. As estruturas das amostras e as superfícies desgastadas foram caracterizadas utilizando a microscopia eletrônica de varredura (MEV), onde a análise composicional foi realizada pela espectroscopia de energia dispersiva. As morfologias das superfícies foram obtidas através do microscópio de força atômica (MFA). As medições de difração de Raios X (DRX) foram obtidas para verificar a estrutura cristalina dos materiais. As avaliações tribológicas das superfícies das amostras foram conduzidas com um nanoindentador Triboscope Hysitron. As medições dos coeficientes de atrito seco foram realizadas em um tribômetro pin-on-disk. DESENVOLVIMENTO As amostras do aço inoxidável 304 foram polidas (Ra = 3,2 nm e Ra = 18,4 nm) e limpas em banho de acetona com ultrassom. As amostras foram amarradas em um fio de tungstênio que desempenha o papel do catodo de descarga, sendo polarizado positivamente por voltagens CC em 700 V de alcance em relação à parede da câmera aterrada. Os parâmetros nos testes tribológicos foram: carga de 1 N com uma esfera de alumina de 3 mm como material de contrapartida, velocidade linear de 5 cm/s e raio de trilha de 3 mm. Os testes de corrosão foram realizados através de procedimentos eletroquímicos à temperatura ambiente em uma configuração com três eletrodos com 3,5 %-p. de NaCl em água destilada. RESULTADOS PRELIMINARES A Figura 1 apresenta as diferenças entre a superfície sem tratamento no aço inoxidável 304 e uma superfície tratada como 3IP do aço inoxidável 304 com voltagem CC de 100 V à 650ºC durante 60 minutos apresentou a principal alteração observada pelo MEV. (a) Figura 1. Imagens do SEM das amostras do aço inoxidável 304: (a) pristina; e (b) 3IP tratamento V. (b)

4 Após a realização de todos os tratamentos de 3IP, as rugosidades das amostras aumentaram conforme verificado no AFM, bem como na profilometria óptica. A amostra do aço inoxidável 304 tratamento I apresentou as superfícies mais suaves de acordo com as medidas do AFM (Ra = 8,7 0,7 nm), contudo essas amostras registraram os maiores aumentos em rugosidade no perfilômetro óptico (Ra = 66,5 8,9 nm). Os testes de desgaste nas amostras do aço inoxidável 304 indicaram que as camadas mais rasas e com pouco nitrogênio apresentaram menores coeficientes de atrito até voltas (Figura 2). 1,0 1,0 0,8 SS304 II SS304 III 0,8 pristine friction coefficient 0,6 0,4 0,2 SS304 IV SS304 I friction coefficient 0,6 0,4 SS304 V 0,2 0,0 Turns Turns Figura 2. Coeficientes de fricção das amostras do aço inoxidável 304 Testes potencio dinâmicos mostram que o 3IP tratado com uma voltagem de 200 V à 300ºC com duração de 180 a 270 minutos foi o mais eficaz para aumentar a resistência à corrosão das amostras do aço inoxidável 304. O potencial de corrosão aumentou de 280 mv para a amostra não tratada, para 200 mv para a amostra mencionada. CONCLUSÕES Nas amostras do aço inoxidável 304 tratadas à 480ºC ocorreu a produção de uma camada com excelente desempenho tribológico e de corrosão. Já para obtenção de maior resistência ao desgaste, o tratamento com voltagem de 200V à 300ºC com duração de 180 a 270 minutos foi o mais eficiente tendo como taxa de desgaste de mm 3 /N.m. Contudo, será necessário a realização de outros testes alterando os parâmetros utilizados, afim de descobrir novas configurações que melhorem as camadas modificadas. FONTES CONSULTADAS [1] J. C. Williams, E. A. Starke Jr., Acta Mater. 51 (2003) 5775I-5799.

5 [2] F. Riffard, H. Buscail, E. Caudron, R. Cueff, C. Issartel, S. Perrier, Appl. Surf. Sci. 252 (2006) [3] C. B. Mello, M. Ueda, C. M. Lepienski, H. Reuther, Appl. Surf. Sci. 256 (2009) [4] L. Shen, L. Wang, Y. Wang, C. Wang, Surf. Coat. Technol. 204 (2010) [5] A. E. Muñoz-Castro, R. Valencia-Alvarado, S. R. Barocio, R. López-Callejas, A. Mercado-Cabrera, O. G. Godoy-Cabrera, D. A. Fuentes-González, J. Arellano- Calderón, Surf. Coat. Technol. 200 (2005) [6] J. H. Liang, C. S. Wang, W. F. Tsai, C. F. Ai, Surf. Coat. Technol. 201 (2007) [7] M. Sahin, C. Sevil, Ind. Lubric. Tribol. 63 (5) (2011) [8] A. Frutos, M. A. Arenas, G. G. Fuentes, R. J. Rodríguez, R. Martínez, J. C. Avelar- Batista, J. J. Damborenea, Surf. Coat. Technol. 204 (2010) [9] R. M. Oliveira, C. B. Mello, G. Silva, J. A. N. Gonçalves, M. Ueda, L. Pichon. Surf. Coat. Technol. 205 (2011) S111-S114.