44 Figura 15 – Micrografias SEM-FEG de superfícies nitretadas a 400 oC, pressão de. trabalho de 25 Pa, alterando o tempo de nitrificação. Identificar os parâmetros de nitretação de plasma de fonte de RF mais adequados para a formação de austenita expandida.
AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS
Aço inoxidável austenítico AISI 316L
O cromo (acima de 10%) e o níquel (acima de 6%) são os principais responsáveis pela resistência à corrosão ao ataque por soluções neutras de cloreto. Por outro lado, o molibdênio melhora a resistência à corrosão em ambientes contendo ácidos sulfúrico e sulfúrico em altas temperaturas, em soluções neutras de cloreto e em ambientes marinhos [30].
Aço inoxidável austenítico AISI 316L sinterizado
NITRETAÇÃO A PLASMA
Nitretação a plasma de aços inoxidáveis austeníticos
Na Figura 1, adaptada do trabalho de Li, Wang e Wang [40], onde investigaram a formação da camada de austenita expandida em aço inoxidável AISI 316L nitretado sob altas temperaturas e com tempo de processamento reduzido, é perceptível o deslocamento da picos das amostras nitretadas por 60 min sob diferentes temperaturas para menores ângulos 2θ. 111) das amostras não tratadas e o pico (111) das amostras nitretadas a 560 °C, há evidências da formação de austenita expandida, esses picos são então identificados como N (111). O efeito de borda ocorre devido ao alto potencial catódico resultante do plasma atingir a superfície das amostras. Além da dureza, a energia de deformação elástica (We/Wt) das superfícies nitretadas foi determinada e calculada para pressões de 25 Pa e 50 Pa e 2 h e 4 h de nitretação.
Houve maior formação de austenita expandida nas amostras sem ítrio, tanto na pressão de trabalho de 50 Pa quanto na de 25 Pa. Os difratogramas das amostras nitretadas com variação no tempo (segunda série) de nitretação são apresentados na Figura 12. Na Figura 13 são apresentados os parâmetros de rede da célula unitária das amostras sem nitretação e das nitretadas em diferentes condições.
Com pressão de trabalho de 25 Pa, o tratamento superficial é homogêneo, com formação de grãos austeníticos equiaxiais, tanto na borda quanto na superfície. Conforme observado na Figura 16, a microestrutura das amostras nitretadas com pressão de trabalho de 25 Pa também não apresentou diferença para os tempos 2 he 4 h. A espessura da camada das amostras nitretadas sob diferentes pressões por um tempo de 4 horas é mostrada na Figura 19.
Nota-se também que para as amostras nitretadas sob pressão de trabalho de 25 Pa, independente do tempo, as amostras sem ítria desenvolveram maior espessura de camada. Ou seja, menor pressão de trabalho e maiores tempos de nitretação são parâmetros que favoreceram a formação de uma camada mais espessa. 3 apresenta os difratogramas para as amostras nitretadas sob condições de tratamento (tabela A.1), para as quais se desejava verificar a formação de austenita expandida e nitretos com a variação da posição da amostra, bem como o tempo, nitretação e temperatura de pressão.
3 – Difratogramas de amostras nitretadas com variação da posição da amostra (a), tempo (b), temperatura de processamento (c) e pressão (d).
AMOSTRAS SINTERIZADAS
NITRETAÇÃO A PLASMA DAS AMOSTRAS
Inicialmente, para identificar os parâmetros de nitretação mais adequados, foram realizados testes preliminares, nos quais foram levados em consideração a pressão, temperatura e tempo de nitretação, bem como a posição da amostra na câmara de nitretação. Este valor de pressão de trabalho inicialmente selecionado está dentro da faixa de tratamentos convencionais de nitretação a plasma, de 100 a 1000 Pa. Entretanto, nesta faixa de pressão existe uma dificuldade no controle da temperatura, devido ao bombardeio de íons energéticos, o que contribui para o superaquecimento da peça e dificulta o processo de nitretação.
Assim, com base nesses testes preliminares, duas séries de tratamentos de nitretação a plasma por RF foram realizadas em amostras de aço AISI 316L, com e sem adição de ítrio. A primeira série foi realizada com o objetivo de estudar a influência da pressão de trabalho no chamado "efeito de borda" na superfície nitretada. A segunda série de tratamentos teve como objetivo estudar o efeito do tempo de nitretação nas características da camada nitretada.
Para isso foram realizados tratamentos de 2 e 4 horas, com pressão de trabalho de 25 Pa, onde não foi observado o efeito de borda. A Tabela 1 lista os parâmetros de nitretação utilizados em cada série e os respectivos nomes das amostras, de acordo com a pressão e o tempo de nitretação. Amostras em forma de placas foram utilizadas nas duas séries de tratamentos, conforme mostra a Figura 9, com exceção dos tratamentos realizados à pressão de trabalho de 160 Pa, onde as amostras foram formadas.
CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
Fases cristalinas
Para realizar a nitretação, a superfície das amostras foi inicialmente preparada através de etapas sequenciais de lixamento, polimento e limpeza final. A retificação e o polimento foram realizados seguindo a mesma sequência utilizada para preparar as amostras para nitretação (seção 3.2). O ataque químico das amostras polidas foi realizado por imersão em reagente químico de Kalling (2 g CuCl2, 40 mL HCl, 40–80 mL etanol 95%, 40 mL água) por 30 segundos até que a microestrutura dos materiais fosse revelada.
Seguindo a linha descontínua da Figura 19, com o aumento da pressão de trabalho de 25 Pa para 160 Pa, a espessura. Este é mais um elemento que explica o menor volume retirado das amostras de nitretação nessas condições, apesar de a profundidade dos riscos nas amostras de nitretação ultrapassar a espessura das camadas. Além da posição das amostras na câmara, foram realizados ensaios com diferentes valores de pressão, temperatura e tempo de nitretação, cujos valores encontram-se na Tabela A.1, que também indica o nome de cada amostra.
Microestrutura
Dureza
A dureza das camadas de nitreto foi determinada usando o teste de indentação (ou penetração) instrumentado em nanoescala. Na técnica de endentação instrumentada, a dureza é geralmente estimada com base no método proposto por Oliver e Pharr [63]. A energia de deformação elástica corresponde à razão entre o trabalho de deformação elástica (ou trabalho elástico) e o trabalho total que por sua vez representa a soma do trabalho elástico e do trabalho plástico da indentação.
No teste de indentação do instrumento, o trabalho total (Wt) e o trabalho elástico (We) representam a área sob a curva de carga e a área sob a curva de descarga, respectivamente, e o trabalho plástico (Wp) representa a área entre as duas curvas, como mostrado na Figura 10.
Resistência ao riscamento
Especificamente, aqueles nitretados por 4 horas sob pressão de trabalho de 25 Pa apresentaram a maior expansão dos parâmetros de rede, dentre os quais aquele sem ítrio (316L_P25t4) apresentou a maior expansão do parâmetro de rede. A Figura 17 e a Figura 18 mostram imagens SEM-FEG de seção transversal de algumas amostras para diferentes pressões de trabalho e tempos de nitretação. Os tratamentos foram iniciados com valores de pressão de operação pré-determinados e depois reduzidos ao menor valor possível no reator.
FASES CRISTALINAS
MORFOLOGIA DAS SUPERFÍCIES NITRETADAS (TOPO)
Os tratamentos realizados sob pressões de trabalho mais baixas, por exemplo, aqueles com pressão de trabalho de 25 Pa, temperatura de tratamento de 400 °C, mistura de gases na proporção de 3N2:1H2 e tempo de 4 horas, foram mais eficazes na formação de austenita expandida, com ausência de nitretos e maior espessura de camada. Tratamentos de nitretação nessas condições foram realizados para verificar a formação de austenita expandida, morfologia e microestrutura das camadas nitretadas usando técnicas de XRD e SEM-FEG. Os difratogramas dessas amostras não apresentaram alterações significativas que comprovassem a formação de austenita expandida.
Possivelmente, na superfície mostrada, há a formação de uma camada de nitreto com formação de austenita expandida (fase S), que, no entanto, deve ser comprovada por análise de DRX. Para a amostra sem ítrio também houve formação de camada na região lateral, e mais espessa que na superfície de μm.
MORFOLOGIA DAS CAMADAS NITRETADAS (SEÇÃO TRANSVERSAL)
DUREZA
Tanto para a superfície (na direção da camada) quanto para o substrato (material de base) esse comportamento foi observado para todas as amostras. Enquanto na superfície onde houve formação de camada nitretada, houve menor deslocamento da indentação em profundidade devido ao aumento da dureza superficial. As barras de erro correspondem ao desvio quadrado médio para as indentações nas amostras à mesma distância da superfície.
Ao analisar a Figura 24, amostras sem ítrio, a dureza superficial foi maior para todas as condições. Na Figura 25, mesmo na superfície onde está localizada a camada nitretada, a dureza já foi maior nas amostras com ítria para todas as condições. Abaixo da superfície, no entanto, há uma queda na dureza, mas as amostras em cada indentação se comportam de maneira diferente dependendo das condições de usinagem.
Em resumo, podemos concluir que a partir da terceira indentação em cada amostra na direção do substrato houve uma Para as amostras 316LY_P50t4 (com ítrio) e 316L_P50t4 (sem ítrio), a dureza foi um pouco maior que a amostra sem ítrio, mas permaneceu menor que nas outras condições. Ao analisar a Figura 27, pode-se observar que as amostras com adição de ítrio apresentaram maior relação We/Wt, ou seja, maior trabalho elástico.
RESISTÊNCIA AO RISCAMENTO DAS CAMADAS NITRETADAS
Na nitretação a plasma de aços inoxidáveis austeníticos, ao contrário da deposição de filmes duros finos sobre substratos macios, não há formação de uma interface abrupta entre o substrato e a camada superficial de austenita expandida. Observa-se que o dano foi menor para a carga de 100 mN e conforme a carga aumentou, a formação de trincas de tração tornou-se mais pronunciada como observado nos ensaios com carga crescente. A variação da força de atrito em torno de um valor médio indica que não houve transição de dano superficial ao longo da distância percorrida.
Para aço não nitretado e nitretado, o valor médio da força de fricção de arranhão aumentou à medida que a carga normal aumentou de 100 para 500 mN (Figura 41). Nas pressões mais altas de 50, 100 e 160 Pa, os resultados foram relativamente piores, nas pressões mais altas de 100 e 160 Pa, apareceu um efeito de borda e uma superfície nitretada heterogênea. A força de atrito nos testes de arranhão também variou com a carga de teste, a porosidade do material e o dano por arranhão.
Menos interferência pontual e menor força de atrito também foram observadas nas amostras de camada mais espessa. Apesar do deslocamento dos picos austeníticos da amostra de nitreto, não houve alargamento que comprovasse a formação de austenita expandida. O difratograma da amostra 316LY_P1400D4 também mostra um novo pico à esquerda do pico austenítico, próximo a 40°, que está relacionado à formação de austenita expandida.
Como os gêmeos se formam durante a recristalização e o crescimento do grão, o ítrio, quando localizado nos contornos dos grãos, pode ter impedido a formação de gêmeos maiores nos grãos austeníticos. Assim, quando o ítrio se deposita nos contornos dos grãos austeníticos, pode prevenir ou reduzir a formação de nitretos de cromo que empobrecem a região e reduzem a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis nitretados.
