EFEITO DA NITRETAÇÃO A PLASMA NO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO NO AÇO 15-5 PH

EFEITO DA NITRETAÇÃO A PLASMA NO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO NO AÇO 15-5 PH Adriano Moreno CEFET PR / Av. Sete de Setembro, 3165; CEP 80230-901- Curitiba-PR; Fone 0-41 310 4499; FAX 0-41 310 4787 adriano_moreno@uol.com.br Paulo César Borges CEFET PR / Av. Sete de Setembro, 3165; CEP 80230-901- Curitiba-PR; Fone 0-41 310 4499; FAX 0-41 310 4787 pborges@cefetpr.br Cristiano Binder Labmat-UFSC / Caixa Postal 476 Campus Universitário; CEP 88040-900 Florianópolis-SC; Fone 0-48 234 7896 ctbinder@pg.materiais.ufsc.br Mario Vitor Leite CEFET PR / / Av. Sete de Setembro, 3165; CEP 80230-901- Curitiba-PR; Fone 0-41 310 4499; FAX 0-41 310 4787 leite10@yahoo.com.br Resumo Os aços 15-5 PH, inoxidáveis endurecíveis por precipitação, foram avaliados em relação ao seu ciclo térmico de tratamento combinado com a nitretação, que promove o endurecimento superficial. Foi estudado o tratamento térmico para endurecimento da matriz do aço durante o ciclo de nitretação, obtendo-se uma matriz com excelentes propriedades mecânicas combinando uma superfície com maior dureza, agregando essa melhorias num único ciclo de tratamento. Foram aplicados diversos ciclos térmicos cujo principal objetivo foi verificar a evolução da dureza do núcleo do material e da superfície conforme a condição de tratamento. Em todos os cliclos térmicos ocorreu o endurecimento do núcleo por precipitação e da superfície pela formação de uma camada nitretada. Para o estudo foram fixadas as condições de tempo em 2 horas e atmosfera nitretante com 25% de nitrogênio. Os resultados foram avaliados por análise metalográfica, a dureza da matriz por dureza HV 10 e a camada nitretada foi avaliada por microdureza Vickers com carga 50g. Verificou-se que pode-se combinar num único ciclo o tratamento de endurecimento por precipitação e o endurecimento superficial por nitretação a plasma. Palavras chave: Nitretação, Plasma, 15-5 PH, Endurecimento por Precipitação

1. INTRODUÇÃO Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação são uma alternativa aos aços resistentes à corrosão que combinam diversas propriedades que permitem uma grande variedade de aplicações. Eles foram desenvolvidos para obtenção de um material com boa dutilidade combinando alta resistência e tenacidade mantendo as propriedades de resistência à corrosão. A resistência e dureza dos aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação podem ser melhorados pela formação de partículas de uma segunda fase finamente dispersas pela fase original da matriz. O processo precisa ser acompanhado de um tratamento térmico apropriado chamado endurecimento por precipitação. Endurecimento por envelhecimento pode também ser utilizado para nomear esse processo, porque a resistência aumenta com o tempo, ou seja, com o envelhecimento da liga quando submetida a uma temperatura adequada. O tratamento de precipitação consiste das seguintes etapas: solubilização para dissolver precipitados solúveis, resfriamento rápido para evitar a formação de precipitados estáveis e envelhecimento onde o material é deixado à uma temperatura para nucleação e crescimento de precipitados. O aço 15-5 PH é um aço inoxidável martensítico ao cromo-níquel, endurecível por precipitação contendo aproximadamente 4% de cobre. É recomendado para moldes de plástico e borracha e peças como engrenagens e eixos. Para ser trabalhado, o aço 15-5 PH normalmente recebe um tratamento de solubilização, que permite ao material ter menor dureza. Após usinagem o material é tratado termicamente para promover o endurecimento por precipitação que ocorre pela nucleação e crescimento de precipitados de cobre na matriz do material. A precipitação de cobre num sistema binário Fe-Cu inicialmente ocorre com a nucleação de agrupamentos de cobre cúbico de corpo centrado coerentes, que crescem na matriz supersaturada até perder a coerência tornando-se cúbico de face centrada após atingirem um tamanho crítico [1]. O resultado do tratamento térmico de precipitação é função do tempo e temperatura ao que o material é submetido. Uma conseqüência indesejável do tratamento de precipitação é o superenvelhecimento, onde o material após atingir um endurecimento apreciável, ocorre novamente o amolecimento. O superenvelhecimento pode ocorrer pelo tempo excessivo de tratamento ou pela temperatura excessiva no tratamento que promove precipitados de grande tamanho. A nitretação promove a melhoria de diversas propriedades na superfície do material, tais como, dureza, coeficiente de atrito, resistência à corrosão e resistência à fadiga superficial. O processo de nitretação quando realizado via plasma apresenta vantagens em relação aos processos gasoso e banho de sal, sendo os principais a possibilidade de controlar a mistura gasosa para formação da camada, redução da temperatura e tempo de tratamento. A combinação desses benefícios permite otimizar o processo de tratamento dos aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação, controlando o tempo, temperatura e a formação da camada nitretada. Os aços inoxidáveis apresentam como principal dificuldade para o tratamento de nitretação o empobrecimento de cromo na região do contorno de grão, isso devido à temperatura e afinidade do nitrogênio pelo cromo que promove a formação de compostos como nitretos e carbonitretos de cromo no contorno de grão. Quando o tratamento não é realizado adequadamente, o aço perde sua inoxibilidade. O presente trabalho identificou para o aço 15-5 PH algumas condições de tratamento que combinam o tratamento de endurecimento por precipitação com a nitretação via plasma, mostrando a evolução da dureza do núcleo do material e da superfície nitretada.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O aço utilizado estava na forma de chapas laminadas e no estado já precipitado com dureza entre 40 a 42 HRC (392 a 412 HV). O material foi produzido pela Thyssen, conforme norma DIN X5CrNiCuNb15.5, material n. 1.4594. A composição química provável do material encontra-se na tabela 1. O material recebeu o tratamento térmico de ressolubilização para que o efeito da precipitação fosse eliminado. O tratamento foi realizado em forno a sal da Sociesc (Joinville-SC) com controle automatizado de temperatura. O material foi então cortado em amostras para nitretação com geometria aproximada de um cubo com 10 mm de lado. Cada face foi lixada com granulometria até 1000. A nitretação foi realizada em um reator de plasma que opera com características laboratoriais utilizando fonte de corrente contínua. Foi realizada metalografia das amostras com polimento em diamante granulometria 1µm e ataque com reagente água régia. A análise foi realizada num microscópio Zeiss modelo Neophot 32. O teste de dureza foi feito em um Durômetro WPM Leipzig. O ensaio de microdureza Vickers foi feito num microdurômetro Schimadzu HMV 2000 utilizando carga de 50g. Tabela 1. Composição química provável do material 15-5 PH Elemento Composição (% em peso) C máx. 0,07 Si máx. 1 Mn máx. 1 P máx. 0,03 S máx. 0,015 Cr 14,0 a 15,5 Mo máx. 0,5 Ni 3,5 a 4,5 Nb+Ta 5 x C 0,45 Cu 2,5 a 4,5 2.1. Tratamento de Ressolubilização O tratamento térmico de ressolubilização foi realizado em banho de sal para não ocorrer modificação superficial do material por efeito do oxigênio na atmosfera. O diagrama Fe-Cu [2] sugere que para a quantidade de cobre presente no material encontra-se totalmente dissolvida no ferro γ a uma temperatura de 900 C. O tratamento foi realizado nas mesmas condições utilizadas por Hsiao et al [1] e Chiaverini [3] para o aço 17-4 PH. A ressolubilização foi feita a 1175 C±1 C por duas horas seguido de resfriamento em água com temperatura aproximada de 25 C. 2.2. Tratamento de Endurecimento e Nitretação no Mesmo Ciclo O tratamento de endurecimento por precipitação normalmente é realizado em forno sob atmosfera de vácuo. O ciclo térmico utilizado é o de envelhecimento do material onde as principais variáveis são a temperatura e o tempo. Utilizou-se alguns ciclos térmicos acompanhados de nitretação para realizar a precipitação do material. O equipamento utilizado foi um reator de nitretação via plasma que opera em condições laboratoriais. A fonte do equipamento fornece energia em forma de corrente contínua. O ciclo utilizado foi um pré aquecimento sob plasma de hidrogênio até a temperatura de 250 C, seguido de aquecimento até a temperatura de tratamento em atmosfera nitretante sob fluxo constante, contento 25% em volume de Nitrogênio e 75% em volume de hidrogênio. A pressão da primeira etapa do

ciclo foi mantida em 1 Torr e para o restante em 3 Torr. A figura 2 exemplifica o ciclo térmico generalizado que foi utilizado. temperatura Ciclo Térmico 0 15 30 60 90 120 150 170 tempo de tratamento [min] Figura 2. Ciclo térmico aproximado dos tratamentos de precipitação para o aço 15-5 PH. A taxa de aquecimento é obtida através da variação da tensão que promove a corrente da descarga elétrica para ionização do gás para obtenção do plasma. 3. RESULTADOS O tratamento térmico de ressolubilização mostrou ser eficiente para redução da dureza da matriz do aço, onde a dureza de fornecimento de 392 a 412 HV reduziu para 319 a 336 HV após a ressolubilização (condição 1 da tabela 2) e todos os tratamentos realizados de precipitação apresentaram resultados com aumento de dureza. A figura 3 mostra o comportamento para o aço de acordo com o tempo de tratamento, pode-se verificar que para 2 horas de tratamento nas temperaturas utilizadas, pode-se admitir um ponto ótimo para obtenção da máxima dureza do núcleo promovida pela precipitação. A alteração micro-estrutural para os tratamentos não pode ser verificada por microscopia ótica devido ao tamanho muito pequeno dos precipitados (figura 4). Os tratamentos realizados encontram-se na tabela 2. Tabela 2. Condições de tratamento de precipitação/nitretação do aço 15-5 PH Identificação Temperatura [ C] Tempo de Tratamento [h] Dureza HV 10 1 Sem tratamento 0 319 a336 2 440 2 464 a 488 3 480 2 383 a 401 4 520 2 322 a 366

HV 10 600 500 400 300 200 100 Dureza HV 10 do núcleo da amostra para as temperaturas de nitretação 0 o C 420 440 460 480 500 520 540 Figura 3. Variação da dureza do núcleo do aço 15-5PH de acordo com a temperatura de tratamento de precipitação/nitretação via plasma. O efeito da nitretação a plasma foi estudado pela análise dos perfis de microdureza para cada condição de tratamento. Para levantamento do perfil de microdurezas foi utilizada a microdureza Vickers com carga de 50g. A figura 5 mostra os perfis de microdureza para cada temperatura utilizada no tratamento. A incorporação e precipitação de nitretos na superfície do material promovem durante o ataque químico para revelação da microestrutura, um ataque mais acentuado nessa região (figura 4). Figura 4. Microestrutura do aço 15-5 PH nitretado via plasma a 520 C por duas horas com 25% de nitrogênio. Aumento 400X. Ataque: água régia.

HV 0,05 1800 Nitretação em 440 graus Celsius por 2h 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 µm 0 20 40 60 80 100 HV 0,05 1800 Nitretação em 480 graus Celsius por 2h 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 µm 0 20 40 60 80 100 HV 0,05 1800 Nitretação em 520 graus Celsius por 2h 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 µm 0 20 40 60 80 100 Figura 5. Perfis de microdureza HV 0,05 do aço 15-5 PH nitretado via plasma em três diferentes temperaturas por 2 horas.

4. DISCUSSÕES E CONCLUSÕES 4.1. Tratamento Térmico de Precipitação A precipitação é fortemente influenciada pela temperatura de tratamento conforme resultados mostrados na tabela 2, onde se verifica que para pequenas variações na temperatura (40 C) ocorrem variações na dureza da matriz. Esse efeito é muito importante, pois um controle inadequado de temperatura pode promover um resultado de menor qualidade. Um fator importante a ser observado durante o tratamento térmico de endurecimento por precipitação é o tempo de aquecimento e resfriamento, que podem promover um tempo maior de exposição à temperaturas elevadas onde ocorre precipitação maior do que o ciclo térmico desejado, ou seja, um superenvelhecimento. 4.2. Endurecimento Superficial por Nitretação via Plasma Em todas as condições de tratamento, observou-se um endurecimento superficial, no entanto para a condição 2 da tabela 2, a espessura endurecida é muito pequena. Na amostra 3 (tab. 2) a camada formada apresentou maior espessura. Isso ocorre devido à temperatura que permite a maior difusão do nitrogênio para o núcleo. Essa difusão é dificultada pela grande afinidade do cromo pelo nitrogênio. A formação de camada nitretada promove a redução da característica de inoxibilidade do aço, como pode ser verificado na figura 4, onde ocorreu um ataque acentuado na camada durante a exposição ao reagente ácido para revelação da microstrutura. A redução dessa propriedade acontece devido ao empobrecimento do teor de cromo junto aos contornos de grão na superfície que fica enriquecida pelo nitrogênio. Ao longo dos contornos de grão ocorre a precipitação de nitretos e carbonitretos de cromo. Os resultados obtidos sugerem que para obtenção de uma camada apreciável, deve-se utilizar maiores temperaturas de tratamento. Em nossos experimentos verificamos que o maior endurecimento do núcleo do material ocorreu na menor temperatura de tratamento (figura 3). Para concluir efetivamente a temperatura e tempo que promovem o maior endurecimento do núcleo, novos experimentos serão realizados. 5. AGRADECIMENTOS Thyssen Edelstahlwerke pelo fornecimento das amostras do aço 15-5 PH. Sociesc Sociedade Educacional de Santa Catarina que efetuou o tratamento térmico de ressolubilização nas amostras de aço. 7. REFERÊNCIAS 1 Hsiao, C.N., Chiou, C.S., Yang, J.R., 2002, Aging Reactions in a 17-4 PH Stainless Steel, Material Chemistry and Physics 74, pp. 134-142. 2 Hansen, M., 1958, Constituition of Binary Alloys, London, McGraw-Hill, 2 a. Ed., Vol 01 e 02. 3 Chiaverini, V., 1987, Tratamento Térmico das Ligas Ferrosas, ABM. 4 Callister, W.D. Jr., 1994, Materials Science and Engineering, Utah EUA, John Wiley & Sons, 3 a. Ed.

5 Alves Júnior, C., Casteletti, L. C., Rodrigues, J.A., 1994, Envelhecimento e Nitretação Iônica Simultâneos em Aço Maraging, Águas de São Pedro, SP, XI CBECIMAT, p.39-42. PLASMA NITRIDING EFECT ON PRECIPITATION HARDENING 15-5 PH STEEL Adriano Moreno CEFET PR / Av. Sete de Setembro, 3165; ZIP code 80230-901- Curitiba-PR; Phone +51-41 310 4499; FAX 0-41 310 4787 adriano_moreno@uol.com.br Paulo César Borges CEFET PR / Av. Sete de Setembro, 3165; ZIP code 80230-901- Curitiba-PR; Phone +51-41 310 4499; FAX 0-41 310 4787 pborges@cefetpr.br Cristiano Binder Labmat-UFSC / Caixa Postal 476 Campus Universitário; ZIP code 88040-900 Florianópolis- SC; Phone +51-48 234 7896 ctbinder@pg.materiais.ufsc.br Mario Vitor Leite CEFET PR / / Av. Sete de Setembro, 3165; ZIP code 80230-901- Curitiba-PR; Phone 0-41 310 4499; FAX +51-41 310 4787 leite10@yahoo.com.br Abstract The 15-5 PH stainless steel precipitation hardening was evaluated by the temperature treatment for precipitation combined with plasma nitriding suface hardening treatment. The hardening treatment was taken at the same time of the plasma nitring, resulting in better core mechanical properties combined with a hard surface. The temperature was modified in order to study the core and surface hardness acording to the treatment condition. The core hardness was improved by the precipitation and the surface as well as by the nitrided layer for all the conditions used. For all the samples was used the same time (2 hours) and the same nitriding gas mixture (25% Nitrogen and 75% Hydrogen). Metalographic analysis, Vickers (HV10) and microvickers test 50g was used in order to study the behaviour of the steel. All the results show that the precipitaton hardenig and plasma nitriding can be done using the same cicle to improve core and surface hardening. Keywords: Nitriding, Plasma, 15-5 PH, Precipitation Hardening