Avaliação da resistência ao desgaste microabrasivo do aço API 5L X70 nitretado a plasma sob diferentes pressões

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DE MATERIAIS

HENVER EFFGEN LUDOVICO RAMOS

AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO DESGASTE MICROABRASIVO DO AÇO API 5L X70 NITRETADO A PLASMA SOB DIFERENTES PRESSÕES

Vitória 2017

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HENVER EFFGEN LUDOVICO RAMOS

AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO DESGASTE MICROABRASIVO DO AÇO API 5L X70 NITRETADO A PLASMA SOB DIFERENTES PRESSÕES

Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Adonias Ribeiro Franco Junior. Coorientador: Prof. Dr. Estéfano Aparecido Vieira

Vitória

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(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo) R175a Ramos, Henver Effgen Ludovico.

Avaliação da resistência ao desgaste microabrasivo do aço API 5L X70 nitretado a plasma sob diferentes pressões / Henver Effgen Ludovico Ramos. – 2017.

74 f. : il. ; 30 cm

Orientador: Adonias Ribeiro Franco Junior. Coorientador: Estéfano Aparecido Vieira

Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Vitória, 2017.

1. Engenharia metalúrgica . 2. Aço – Tratamento térmico. 3. Aço de alta resistência. 4. Nitretação a plasma. I. Franco Junior, Adonias Ribeiro. II. Vieira, Estéfano Aparecido III. Instituto Federal do Espírito Santo. IV. Título.

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, principio e fim de tudo nesta vida.

Ao querido professor Dr. Adonias Ribeiro Junior, por toda atenção, disponibilidade de tempo e orientações concedidas.

A todos os professores que colaboraram com os conhecimentos para conclusão desse trabalho, em especial aos ensinamentos dos professores Dr. Estéfano Aparecido Vieira e Dr. Leonardo Cabral Gontijo.

A toda equipe administrativa e técnica do PROPEMM, em especial ao técnico Ricardo Salvador Boldrini por toda a ajuda na realização dos ensaios e ao servidor Arlindo José Merçon.

Ao colega graduando Bruno Polbel pela disponibilidade de tempo e também auxílio nos ensaios.

Aos colegas mestrandos por todo apoio e esclarecimento de dúvidas.

À minha família por toda educação e ensinamentos dados.

À minha amada companheira Sarah Ewillin Kretzschmar por todo carinho e incentivo dados.

À igreja Maranata de Jardim da Penha 1 por todas as orações.

À CAPES – Fundação de Aperfeiçoamento de Pessoal pela concessão da bolsa de estudo.

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“Feliz é o homem que acha sabedoria, e o homem que adquire entendimento. Pois melhor é o lucro que ela dá do que o lucro da prata, e a sua renda do que o ouro”.

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS

RESUMO

Os aços microligados tem sido estudado devido não apenas ao advento do Pré-Sal, mas também devido à busca contínua de melhoria nas suas propriedades tribológicas. No presente trabalho foi estudada a influência do parâmetro de pressão de nitretação a plasma na microestrutura do aço API 5L X-70. Os tratamentos termoquímicos foram realizados em equipamento de nitretação a plasma pulsado nas temperaturas de 410ºC e 440°C, usando mistura gasosa de N2 e H2, por tempo de 3 horas e nas pressões de 2,5, 3,9 e 4,6 Torr. Foram utilizadas as técnicas de microscopia óptica (MO) e eletrônica de varredura (MEV), microscopia confocal 3D, ensaio instrumentado de dureza, ensaio de resistência ao desgaste microabrasivo e difração de raios-x para a caracterização das diferentes camadas nitretadas formadas. Verificou-se que a variação da pressão permite obter camadas nitretadas diferentes de diferentes características, propriedades mecânicas e formato/espessura. Em todas as condições aqui estudadas se percebe que as camadas nitretadas se constituem das fases ɣ’ (Fe4N) e ε (Fe2-3N) e que houve reduções no valor do coeficiente de desgaste. Constatou-se também um aumento da dureza de topo para todas as superfícies nitretadas. As ranhuras existentes após os ensaios de desgaste indicam que o mecanismo predominante de desgaste é o de desgaste abrasivo por deslizamento.

Palavras chave: Nitretação a plasma. Aço API 5L X-70 Pressão de nitretação. Resistência ao desgaste microabrasivo.

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS

ABSTRACT

Microalloyed steels have been studied due to not only the pre-salt advent, but also due to the continuous search for improvement of their tribological properties. In this work the influence of plasma nitriding pressure on the nitrided layer formed on top of an API 5L X-70 microallyoed steel was studied. Plasma nitriding experiments were carried out using a pulsed plasma nitriding equipment at temperatures of 410ºC and 440ºC, in a gas mixture of N2 and H2, for 3 hours and under pressures of 2.5, 3.9 and 4.6 Torr. Scaning electron microscopy (SEM), 3D confocal microscopy, instrumental hardness test, microabrasion wear testing, and x-ray diffraction were used for characterization the formed layers. It was verified that the variation of the pressure allows to obtain nitrided layers with diferente characteristics, mechanical properties and the shape / thickness. In all the studied conditions, it was observed a formation of the ɣ '(Fe 4 N) and ε (Fe 2 -3 N) nitrides and a reductions in wear coefficients. An increase in the top hardness of the nitrided materials was also found in all formed nitrided layers. The abrasive wear mechanism was found tobe sliding.

Keywords: Plasma nitriding. API 5L X-70 microalloyed steel. Nitriding pressure. Microabrasive wear resistance.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Efeito dos elementos de liga sobre o LE (limite de escoamento) de aços

ARBL ferríticos. ... 18

Figura 2 - Processos de nitretação comercialmente popular... 19

Figura 3 - Desenho esquemático de um equipamento de nitretação ... 22

Figura 4 - Diagrama esquemático do sistema de nitretação a plasma. ... 23

Figura 5 - Influencia da composição dos gases na formação da camada nitretada. . 28

Figura 6 - Variação da concentração das fases em função da pressão de nitretação. ... 29

Figura 7 - Modo de desgaste abrasivo por deslizamento (grooving): a) Mecanismo, b) Formato caraterístico. ... 31

Figura 8 - Modo de desgaste abrasivo por rolamento (rolling): a) Mecanismo, b) Formato característico. ... 31

Figura 9 - Modelo esquemático de preparação de amostras. ... 35

Figura 10 - Equipamento utilizado para nitretação. ... 37

Figura 11 - Equipamento de desgaste microabrasivo de esfera livre (Calowear). .... 39

Figura 12 - Esquemático do equipamento de desgaste abrasivo por esfera livre. .... 40

Figura 13 - Modelo esquemático do ensaio de esfera rotativa livre: a) Vista lateral; b) Vista Superior. ... 41

Figura 14 - Imagem de uma calota formada por desgaste. ... 42

Figura 15 - Microestrutura do aço sem tratamento de nitretação. ... 45

Figura 16 - Difratograma de raios-x do aço API 5L X70 no estado como recebido. .. 46

Figura 17 - Coeficiente de desgaste microabrasivo para o aço API 5L X70. ... 47

Figura 18 - Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de desgaste gerada, na superfície do aço API 5L X70 não nitretado, em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3 N e concentração de lama abrasiva de 0,75 g/cm3. ... 48

Figura 19 - Microestrutura do aço API 5L X70 após nitretação a 410ºC sob pressões de a)2,5Torr b)3,9Torr e c)4,6Torr. ... 49

Figura 20 - Zoom das imagens de microestrutura do aço API 5L X70 após nitretação a 410ºC sob pressões de a)2,5Torr b)3,9Torr e c)4,6Torr... 50

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Figura 22 - Imagens da microestrutura do aço API 5L X70 após nitretação a 440ºC sob pressões de a)2,5Torr b)3,9Torr e c)4,6Torr. ... 52 Figura 23- Difratograma de raios-x das amostras nitretadas a 440°C. ... 53 Figura 24 - Variação do coeficiente de desgaste (k) em função da distância deslizada

para amostras nitretadas a 410°C nas pressões de 2,5 a 4,6 Torr. ... 54 Figura 25 - Comparação dos valores do coeficiente de desgaste entre a matriz e as

amostras nitretadas a 410°C. ... 55 Figura 26 - Variação do coeficiente de desgaste (k) em função da distância deslizada

para amostras nitretadas a 440°C nas pressões de 2,5 a 4,6 Torr. ... 56 Figura 27 - Coeficiente de desgaste para pressões variando de 2,5 a 4,6 Torr para a temperatura de 440°C. ... 57 Figura 28 - Imagem topográfica tridimensional e esboço do perfil da cratera de

desgaste gerada na superfície do aço API 5L X70 nitretado a plasma a 410°C e pressão de 2,5 Torr após ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3 N e concentração de lama abrasiva de 0,75 g/cm3. ... 58 Figura 29 - Imagem topográfica tridimensional e esboço do perfil da cratera de

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440°C e pressão de 4,6 Torr após ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3 N e concentração de lama abrasiva de 0,75 g/cm3. ... 63 Figura 34 - Valores de dureza superficial para o aço API 5L X70 nitretado nas

temperaturas a 410 e 440°C e com pressões de 2,5 a 4,6 Torr. ... 64 Figura 35 - Perfis de dureza da camada nitretada a 410°C. ... 65 Figura 36 - Perfis de dureza da camada nitretada a 440°C. ... 66 Figura 37 - Curva de tendência do coeficiente de desgaste e da dureza para a

nitretação na temperatura de 410ºC. ... 68 Figura 38 - Curva de tendência do coeficiente de desgaste e da dureza para a

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição química (% em massa) do aço API 5L X70 ... 34 Tabela 2 - Configurações das etapas dos ensaios. ... 38 Tabela 3 - Variação das espessuras da camada branca das amostras nitretadas a

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 14 2 OBJETIVOS ... 16 2.1 OBJETIVO GERAL... 16 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16 3 REVISÕES BIBLIOGRAFICAS ... 17 3.1 NITRETAÇÃO ... 17 3.1.1. Nitretação a Plasma ... 20

3.1.2 Nitretação a Plasma dos Aços Microligados ... 24

3.1.3 Influência dos Parâmetros na Nitretação a Plasma... 25

3.1.3.1 Temperatura de tratamento ... 26 3.1.3.2 Tempo de tratamento ... 26 3.1.3.3 Mistura gasosa ... 27 3.1.3.4 Pressão ... 28 3.2 DESGASTE ABRASIVO ... 29 4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 33 4.1 MATERIAL ... 33

4.2 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ... 33

4.3 ANÁLISE METALOGRÁFICA ... 35

4.4 DIFRATOMETRIA DE RAIOS-X (DRX) ... 36

4.5 NITRETAÇÃO A PLASMA ... 36

4.5.1 Condições Aplicadas no Tratamento Termoquímico. ... 37

4.6 ENSAIO DE NANODUREZA VICKERS (HV) ... 38

4.7 ENSAIO DE DESGASTE MICROABRASIVO ... 39

4.7.1 Condições de ensaio ... 41 4.7.2 Volume de desgaste (V) ... 42 4.7.3 Distância deslizada (L) ... 43 4.7.4 Coeficiente de desgaste (k) ... 43 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 45 5.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL ... 45

5.2 MICROESTRUTURA E FASES DA CAMADA NITRETADA ... 48

5.2.1 Camada Nitretada a 410ºC ... 48

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5.3 INFLUENCIA DA PRESSÃO DE NITRETAÇÃO A PLASMA NO DESGASTE

MICROABRASIVO ... 54

5.4 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE NITRETAÇÃO NA DUREZA SUPERFICIAL E PERFIS DE DUREZA ... 64

6 CONCLUSÃO ... 70

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 71

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1 INTRODUÇÃO

A crescente demanda por gás natural como energia limpa tem feito com que a procura por novas tecnologias e/ou novos materiais, ou ainda, o aperfeiçoamento de tecnologias já existentes aumente nos últimos anos. Os aços alta resistência e baixa liga (ARBL) tem ganhado uma atenção especial, devido a sua grande utilização em longas linhas de transporte de gases de alta pressão (HASHEMI, 2011).

Com o advento do pré-sal há um grande interesse no desenvolvimento e uso dos aços ARBL devido à combinação de resistência mecânica e dureza que pode ser obtida através do processamento termo-mecânico. Esse processamento termo-mecânico favorece a formação da ferrita acicular como microestrutura principal, microestrutura essa que é a preferida para aços utilizados nas tubulações (BEIDOKHTI et al., 2009).

Outra grande preocupação que se tem é na vida útil dos aços utilizados na indústria petrolífera, que na maioria das situações estão sujeitos a ambientes corrosivos e desgastantes. Para que seja possível contornar essas situações, esses materiais são submetidos a tratamentos superficiais com intuito de se aumentar a resistência ao desgaste e a corrosão.

Uma das técnicas de tratamentos superficiais bastante utilizadas é a nitretação que confere ao material um aumento da resistência ao desgaste, à fadiga e à corrosão sem, no entanto, alterar as características do núcleo do material (DAVIS, 2002). Os processos convencionais de nitretação se realizam em atmosfera de amônia parcialmente dissociada (nitretação gasosa) ou em banho de sal a base de cianetos (nitretação líquida), (DAVIS, 2002). Já a nitretação por plasma (“plasma nitriding”), também conhecida como nitretação iônica (“íon nitriding”), ou ainda nitretação em descarga luminescente (“glow discharge nitriding”), é um processo mais moderno que associa boa eficiência sem a geração de resíduos perigosos, visto que se utilizam em seu processo apenas nitrogênio e hidrogênio puros e em quantidades pequenas, que podem se integrar ao ar atmosférico. Porém, tal processo só começou a ser utilizado pela indústria no início da década de 1960, devido ao alto custo do equipamento e à dificuldade de se trabalhar com grandes quantidades (SIMON, 1995). Algum tempo depois, com a evolução da tecnologia de vácuo e o desenvolvimento de dispositivos

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eletrônicos, a nitretação a plasma tomou novo impulso e vem sendo usada inclusive para metais não ferrosos, como titânio, alumínio e suas ligas.

O tratamento termoquímico de nitretação é um tratamento que envolve a introdução de nitrogênio, na forma atômica, por difusão, na estrutura cristalina do material. Na nitretação a plasma é comum o uso de uma mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio a baixa pressão, aproximadamente entre 1 e 10 mbar. Durante o tratamento o gás é ionizado devido à diferença de potencial elétrico entre a câmara (anodo) e a peça (catodo). Assim, os íons de nitrogênio são acelerados em direção à superfície da peça, enquanto os elétrons são direcionados para a carcaça do equipamento (PINEDO, 2004).

Dentre os aços ARBL estão aqueles da classe API, que se destinam à aplicação em ambientes corrosivos com temperaturas elevadas e severas solicitações mecânicas (SICILIANO F., 2008). De forma alternativa, esses materiais podem ser indicados à construção de minerodutos onde se têm ambientes submetidos a desgaste abrasivo por partículas duras.

A proposta do presente trabalho é observar a alteração de algumas propriedades mecânicas do aço API 5L X70, quando submetido a vários tratamentos de nitretação a plasma em pressões distintas.

Este estudo visa contribuir com o de Cesconetto (2014) e tenta esclarecer as microestruturas do aço API 5L X70, depois de submetido ao tratamento de nitretação.

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2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Contribuir para o entendimento da influência da pressão sobre a microestrutura da camada nitretada e nas propriedades mecânicas dos aços API 5L X70 submetidos ao tratamento de nitretação a plasma.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Avaliar a alteração da microestrutura do aço API 5L X70 quando submetida a diferentes pressões de tratamento;

 Avaliar o desgaste, através do ensaio de microabrasão do tipo esfera livre com abrasivo SiC, das amostras nitretadas;

 Verificar o modo de desgaste predominante;

 Avaliar a dureza superficial e o perfil de dureza das amostras com e sem tratamento de nitretação;

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3 REVISÕES BIBLIOGRAFICAS

3.1 NITRETAÇÃO

O tratamento termoquímico de nitretação consiste no enriquecimento da superfície de peças metálicas através da difusão de átomos de nitrogênio, em temperaturas entre 375 e 590°C. O nitrogênio se combina com outros elementos formando compostos com alta dureza e resistência ao desgaste. Este processo, que confere também maior resistência à fadiga e à corrosão, foi registrado por Adolph Machlet em 1913, porém só se tornou comercialmente viável 16 anos depois, quando Adolph Fry publicou seu trabalho (ALVES JR, 2001).

O aumento da dureza superficial do material consiste no princípio básico de dificultar ao máximo a mobilidade das discordâncias presentes na estrutura cristalina do metal (GORNI, 2008). De acordo com GINZBURG et al. (2003), a resistência mecânica de aço estrutural corresponde a contribuição dos diversos mecanismos de endurecimento atuantes em sua microestrutura, que varia conforme o tipo de aço considerado. Os principais são:

 Endurecimento por solução sólida proporcionada pelos elementos de liga solubilizados (C, N, P, Mn, Si, Cr, Mo, etc.);

 Endurecimento por refino do tamanho de grão;

 Endurecimento por precipitação de compostos intermetálicos;  Endurecimento por segunda fase;

 Endurecimento por discordâncias.

O endurecimento por solução sólida decorre da presença de átomos de elementos de liga solubilizados na estrutura cristalina do elemento solvente. A intensidade de seu efeito no endurecimento é função dos seguintes fatores (GORNI, 2008):

 Diferença do tamanho entre os átomos de soluto e solvente;

 Perturbações na estrutura eletrônica que podem estar presentes em termos da diferença no módulo de cisalhamento entre o soluto e solvente e;

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A contribuição dos átomos de soluto é muito pequena no aumento da resistência mecânica, quando são considerados outros mecanismos como o refino do grão e as fases dispersas na matriz, tendo inclusive casos de alguns elementos que contribuem negativamente no aumento da resistência mecânica do material. Este fato fica evidente, quando analisamos a Figura 1 onde se relaciona o grau de contribuição de alguns elementos de liga no aumento de resistência por solução sólida em um aço ARBL ferrítico-perlítico.

Figura 1 - Efeito dos elementos de liga sobre o LE (limite de escoamento) de aços ARBL ferríticos.

Fonte: Pickering et al, 1995.

Atualmente, é bem conhecido o mecanismo da nitretação, bem como as reações que ocorrem para as diferentes ligas e/ou diferentes composições. O nitrogênio tem uma solubilidade parcial no ferro podendo formar uma solução sólida no campo da fase ferrita com teores de até 6%. Próximo dessa composição um composto forma-se o

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nitreto Fe4N, chamado de ɣ’. Em teores de nitrogênio maiores do que 8% em peso, a fase Fe3N é formada, chamada de ε. As fases formadas se dispõem em camadas. A superfície externa pode ser totalmente ɣ’; neste caso, chamada de camada branca, devido a sua coloração observada após ataque químico. Esta camada é pouco desejada, mesmo possuindo uma dureza elevada, ela é considerada muito quebradiça. Portanto, opta-se por processos que visam à redução dessa camada ou que a tornam menos frágil, ou até mesmo que a remova (KNERR, 1991).

Geralmente os aços indicados para nitretação são os de médio carbono ou aqueles que possuem elementos formadores de nitretos como Alumínio, Cromo, Molibdênio e Vanádio (KNERR, 1991).

A Figura 2, apresenta um diagrama mostrando os principais processos existentes (ALVES JR, 2001). Isso para nitretação em aços em temperaturas inferiores a 600°C.

Figura 2 - Processos de nitretação comercialmente popular.

Fonte: Alves Jr, 2001

O tratamento de nitretação a gás é o mais antigo e o mais utilizado na indústria. Neste tipo de processo de nitretação ocorre a decomposição da amônia de maneira que o

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nitrogênio é dissociado para a superfície do aço segundo a reação mostrada na equação 1 (COSTA e SILVA, 2006; CHIAVERINI, 1987):

3 2

3

NH N+ H

2

 (1)

O nitrogênio atômico pode ser adsorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no ferro. O processo ocorre numa faixa de temperatura de 495 a 565ºC de modo que a amônia se dilui sem que ocorra a austenitização do aço. A profundidade da camada nitretada vai depender da velocidade com que a amônia é dissociada, da temperatura do forno e do tempo de tratamento (COSTA e SILVA, 2006; KNERR, 1991).

Para que se possam obter melhores resultados, é aconselhável que os aços sejam temperados e revenidos antes da nitretação. A temperatura de revenido deve ser pelo menos 30ºC acima da máxima temperatura de nitretação para garantir que não haja detrimento da dureza do núcleo do material no decorrer do tratamento.

Já no processo de nitretação líquida, a parte do aço a ser tratada é colocada em um banho de sal envelhecido contendo CN (cianeto) a uma temperatura de 565°C. Na câmara ocorre uma reação em que o cianeto de sal reage com o oxigênio para formar o cianato, 2 CN (cianeto) + O2 (oxigênio) = 2 CNO (cianato). Em casos onde se deseja grandes espessuras nas peças tratadas, opta-se pelo tratamento de nitretação líquida (RAJU et al., 1992).

3.1.1. Nitretação a Plasma

O tratamento de nitretação a plasma, também conhecida como nitretação iônica ou nitretação em descarga luminescente, é um dos tipos de processos de nitretação utilizados para se adquirir endurecimento superficial através do uso de descarga luminescente que irá introduzir nitrogênio elementar na superfície (KNERR et al., 1991).

O tratamento de nitretação a plasma teve seu patenteamento no início da década de 30, nos E.U.A por J.J.Egan e na Suiça por Berghaus. Porém, a técnica de nitretação a plasma só teve seu uso comercial iniciado de fato na década de 60 com posterior

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avanço na década seguinte. Antigamente a nitretação era pouco usada devido, principalmente, ao seu alto custo e dificuldades técnicas do equipamento, entretanto isso foi sendo resolvido com o advindo da microeletrônica e da eletrônica de potência. Nos dias atuais o processo de nitretação a plasma vem sendo muito utilizado devido a sua versatilidade no controle da microestrutura da superfície nitretada, ao baixo custo de operação e a adequação a legislação ambiental vigente (ALVES JR, 2001).

O processo utiliza o vácuo em níveis que variam entre 100 Pa e 1000 Pa, altas tensões variando entre 0,2 kV e 1 kV entregue ao sistema de forma pulsada, com forma de onda quadrada de duração entre 50 μs e 200 μs e repetição do ciclo entre 50 μs e 2000 μs. Em uma atmosfera composta basicamente por N2 e H2, sob condições de temperatura e pressão específicas, ocorre a formação da chamada descarga luminescente, ou glow dischage, que determina a ocorrência do plasma (PINEDO, 2004). Com o plasma formado, íons de nitrogênio são acelerados para colidir contra a superfície do material. Através desse procedimento, o material em questão estará sendo aquecido, limpo e o nitrogênio ativo necessário para o tratamento estará disponível para ser absorvido pela peça (KNERR et al., 1991).

Para a técnica de nitretação a plasma os seguintes equipamentos são utilizados:

 Câmara de vácuo com um sistema de bombeamento para pressão do gás de aproximadamente de 1 a 10 Torr;

 Um sistema de suprimento de gases;

 Um sistema elétrico para produzir o plasma;  Um aparato para controle do processo;

 Uma fonte de suprimento de energia para o aquecimento.

Os materiais a serem tratados são eletricamente isolados da câmara e conectados a fonte de energia, sendo que, a peça a ser nitretada será o catodo (-) e a câmara o anodo (+). Assim, os íons positivos no gás são acelerados para a parte negativa, que nesse caso será a peça a ser trabalhada. Com este bombardeamento de ions acontece o aquecimento da peça e os ions estão livres para formar nitretos. A Figura 3 mostra um desenho esquemático de um processo de nitretação.

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Figura 3 - Desenho esquemático de um equipamento de nitretação

Fonte: Alves JR., 2001

Este tipo de nitretação tem sua peculiaridade no uso do quarto estado da matéria. O plasma pode ser definido como um gás condutor constituído por espécies neutras e eletricamente carregado como íons e elétrons. Devido ao fato de ser neutro, qualquer desbalanceamento de cargas vai resultar em campos elétricos que tendem a mover as cargas com intuito de restabelecer o equilíbrio.

Essa igualdade de cargas é denominada quase neutralidade do plasma. Esses campos gerados pela diferença de potencial entre o catodo (-) e o anodo (+) são responsáveis por acelerar e colidir partícula-partícula e partícula-substrato metálico (catodo), que provoca o aquecimento do sistema e reações químicas (CHAPMAN, 1980).

O plasma é criado numa câmara hermeticamente fechada a vácuo pela diferença de potencial entre o catodo e o anodo através de um gás ionizado (N2 e H2) que são

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acelerados e colidem sobre a superfície da peça. O H2 tem a função adicional de realizar a limpeza da superfície peça (sputering) e o N2 fornece o nitrogênio ativo.

Um modelo esquemático é mostrado na Figura 4 onde se destacam os principais componentes.

Figura 4 - Diagrama esquemático do sistema de nitretação a plasma.

Fonte: Cesconetto, 2014.

Estudos mostraram o comportamento do plasma diante de algumas situações. Se a temperatura da peça de trabalho e da câmara de vácuo for baixa, ou se a pressão na câmara for alta, ou os dois casos, a densidade do plasma é alta e as reações do processo serão as seguintes:

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 A faixa de densidade de corrente para o plasma for pequena, isto gera um plasma instável e risco de abertura de arcos, que é prejudicial ao processo.  A densidade de corrente na peça de trabalho será alta e então: o aquecimento

é rápido e o processo de limpeza (sputtering) realizado pelos íons é alto;  O plasma é estreito e conduz a: boa cobertura de toda a peça e boa penetração

em buracos e ranhuras.

Normalmente, deseja-se isso que está descrito no terceiro item, porém os problemas mencionados no primeiro item são muito difíceis de lidar.

Caso uma situação oposta a uma das citadas anteriormente ocorra, ou seja, um plasma com baixa densidade para o caso de uma alta temperatura ou baixa pressão de vácuo, ocorrerá o que se segue:

 A faixa de densidade de corrente anormal para o plasma é extensa, então a estabilidade do plasma é boa, porém, há um baixo risco de formação de arcos e altas voltagens podem ser aplicadas;

 A densidade de corrente na peça é baixa, logo, o aquecimento se dá de uma forma mais lenta e a limpeza (sputtering) realizada pelos íons é baixa;

 O plasma é extenso: a cobertura dos contornos da superfície é ruim, assim como a penetração nos orifícios e ranhuras.

Para um bom manuseio do processo, é desejado ter essa situação, especialmente durante o período de aquecimento.

3.1.2 Nitretação a Plasma dos Aços Microligados

Os aços microligados de alta resistência e baixa liga são conhecidos há alguns anos e seus princípios metalúrgicos estão bem descritos em muitas publicações (REPAS, 1998). Estes materiais possuem excelentes propriedades que podem culminar em redução de custos para certas aplicações. Os elementos microligantes são adicionados para produzir refino de grão e/ou precipitados dispersos na matriz como pequenos carbonetos (NbC, VC, TiC), nitretos (NbN, VN, TiN) ou carbonetos complexos [Nb(C,N), V(C,N), Ti(C,N)] (REED-HILL e ABBASCHIAN, 1993).

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A nitretação a plasma tem sido utilizada em muitos materiais, e dentre eles estão os aços microligados. As moléculas ou átomos de nitrogênio, oriundos do tratamento termoquímico, difundem-se através dos sítios intersticiais presentes na estrutura cristalina para formar uma combinação de zona de difusão e camada de compostos, e assim, uma melhora nas propriedades mecânicas do material.

Vários estudos, como o de Mahboubi et al. (1995), mostram o benefício do tratamento de nitretação nas propriedades para estes materiais. Ashrafizadeh (2003) demonstra um acréscimo de 52% na tensão limite de fadiga no aço Ck45 e de 46% para o En40B. O aumento da resistência à corrosão também é um dos benefícios desse tratamento, como é mostrado por Balles (2004). Há ainda a melhora na resistência ao desgaste, conforme estudo recente de Cesconetto et al. (2015), que mostra um aumento significativo nessa propriedade quando o aço API 5L X70 é submetido ao tratamento de nitretação a plasma. Todas essas características, ou propriedades, são “adquiridas” sob condições específicas de alguns parâmetros, como tempo, temperatura e pressão total e parcial dos gases no tratamento. O controle desses parâmetros concede a nitretação iônica uma versatilidade muito maior do que os processos convencionais (EDENHOFER, 1974).

Outro parâmetro que influi fortemente na característica da camada nitretada é a composição química do material. De acordo com Cho e Lee (1980), a presença do carbono nos aços aumenta a espessura da camada de compostos e diminui a zona de difusão. A presença de elementos formadores de nitretos, como Ti, Cr, Mo, V e outros, influenciam tanto na espessura, quanto nas propriedades dos aços nitretados.

3.1.3 Influência dos Parâmetros na Nitretação a Plasma

Os parâmetros utilizados no tratamento de nitretação a plasma tem grande influência na formação da camada nitretada e com isso a alteração nas características/propriedades finais do aço.

(28)

3.1.3.1 Temperatura de tratamento

A temperatura na qual se realiza o processo é fator determinante na velocidade do processo de difusão: quanto mais elevada a temperatura, maior será difusão dos átomos para o interior do material. Isso se dá devido a maior energia vibracional alcançada pelos átomos para superar as barreiras energéticas. Porém, algumas fases só permanecem estáveis numa determinada faixa de temperatura. Os coeficientes de difusão do nitrogênio no aço e de seus elementos constituintes são alterados pela temperatura. Com isso, o aumento da temperatura pode ocasionar um aumento no tamanho dos precipitados (ZAGONEL et al, 2006).

Um exemplo típico da importância no controle do parâmetro temperatura é a nitretação de aços inoxidáveis, em que não se deseja uma diminuição na resistência a corrosão. Para que não ocorra redução na resistência a corrosão o tratamento se realiza a baixas temperaturas (abaixo de 500°C) com intuito de evitar a formação de nitretos de cromo, que comprometem a camada passivadora (ZHANG e BELL, 1985; ANGELINI et al, 1988).

3.1.3.2 Tempo de tratamento

Outro fator importante no processo de nitretação a plasma é o tempo de tratamento. Balles (2004) mostra a evolução da camada da seguinte forma: no começo do processo, a quantidade de nitrogênio na superfície do material ainda é muito baixa logo, ocorrerá uma grande difusão destes átomos para a interface da amostra, especialmente através dos contornos de grãos. Com o tempo, o nitrogênio adsorvido na superfície da amostra irá se difundir para o interior dela, fazendo com que os interstícios do material sejam ocupados e com isso a difusão diminuirá. Sendo assim, num determinado momento a superfície terá mais nitrogênio do que é capaz de difundir, ocorrendo um aumento na concentração desse átomo na superfície, que propicia a nucleação das fases ɣ’-Fe N e/ou ε-Fe N em alguns pontos da superfície da amostra, formando uma fina camada de compostos. Com a formação dessa fina camada e a homogeneização da camada ɣ’-Fe N, um efeito barreira se forma,

(29)

ocasionando em uma maior dificuldade para a difusão dos átomos de nitrogênio e com isso uma concentração maior de nitrogênio nessa parte, levando ao favorecimento de formação da fase ε-Fe N.

O nitrogênio continua a se difundir para o interior do material, saindo da camada de compostos. Com isso, a região de compostos continua a receber o nitrogênio oriundo do tratamento. Como a zona de difusão necessita de menos nitrogênio que a camada de compostos para ser formada, ela irá crescer mais rapidamente que a camada de compostos.

3.1.3.3 Mistura gasosa

Em geral os gases utilizados na nitretação são N2 e H2 nas mais diversas proporções de concentração. O H2 atua na remoção de óxidos presentes cuja presença diminui o número de sítios ativos para que o nitrogênio seja absorvido, reduzindo a eficiência do tratamento. Por isso, é recomendado a realização do sputtering com hidrogênio e/ou argônio. O hidrogênio atua como um despassivador, enquanto o argônio, por ser mais pesado, abrirá caminho devido ao choque dos íons na superfície.

Alves Jr (2003) mostra que com a adição de hidrogênio na mistura gasosa ocorrerá um aumento de espécies excitadas no plasma, consequentemente, alterações no suprimento de nitrogênio atômico. O hidrogênio também irá influenciar na estrutura da camada nitretada, determinando qual a fase de nitreto que a constituirá como mostrado na Figura 5.

(30)

Figura 5 - Influencia da composição dos gases na formação da camada nitretada.

Fonte: O’Brien e Goodman, 1991.

3.1.3.4 Pressão

Este parâmetro, por vezes desconsiderado nos tratamentos, tem uma grande importância para se obter um resultado eficaz nas propriedades finais. Borgioli et al (2005) mostra a variação da microestrutura de um aço inoxidável AISI 316L, o aumento na dureza superficial e a melhora dos coeficientes de corrosão como um resultado da variação da pressão de nitretação. No trabalho ele constata que, a pressões menores, um maior teor de nitrogênio se difunde da superfície para o substrato, aumentando o tamanho da camada modificada.

De Souza et al. encontrou quantidades diferente de concentração de nitrogênio difundido na matriz do aço ASTM F138 em pressões de 3, a 7 Torr. A Figura 6 mostra a variação da concentração das fases ɣN’, ɣ’ e ε em função da pressão de nitretação.

(31)

Figura 6 - Variação da concentração das fases em função da pressão de nitretação.

Fonte: Adaptado de De Sousa et al, 2010.

3.2 DESGASTE ABRASIVO

O desgaste, de forma geral, sem especificar o tipo, vem contribuindo negativamente para que alguns equipamentos diminuam seu tempo de vida útil. Muitos dispositivos mecânicos são construídos com o auxílio de elementos que se conectam uns aos outros. Cargas, movimentos e calor são transmitidos através dessas estruturas e com isso a fricção e o desgaste acompanham esse contato deslizante. Já foi constatado que o desgaste tem uma razão de importância nos danos materiais tão quanto à fratura, a fadiga e a corrosão. (ZMITROWICZ, 2006).

O desgaste abrasivo é definido como desgaste devido ao deslizamento de uma superfície ou partículas de alta dureza sobre outra superfície mais macia, resultando em penetrações e/ou ranhuras com remoção de material de uma superfície por outro corpo (ASTM G40-01, 1987).

Muitas outras definições e tipos de desgaste são encontrados na bibliografia, todavia, não se fará menção delas neste trabalho devido à ênfase ser o desgaste abrasivo. Alguns autores usam o termo “desgaste microabrasivo”, que é o desgaste abrasivo,

(32)

entretanto em menor escala. Cozza (2006) considera que essa afirmação pode vir também em função do tamanho médio das partículas utilizadas no ensaio de desgaste, sendo 3 a 6 μm para microabrasivo e 50 a 250 μm para a condição de desgaste abrasivo.

A classificação desse tipo de desgaste ainda pode variar de acordo com o autor. Gates (1998) aconselha classificar em função da severidade, podendo ser extremo, severa ou leve. Já Adachi e Hutchings (2003), em um estudo mais recente, classificam em dois modos: desgaste abrasivo a dois corpos ou desgaste abrasivo a três corpos. Ainda Hutchings (1992), em um estudo mais antigo, categorizou o mecanismo de desgaste em: desgaste abrasivo por rolamento ou desgaste abrasivo por riscamento (SILVA, 2015).

A maior dificuldade na prevenção e controle do desgaste abrasivo é que se têm muitos mecanismos diferentes atuando, e todos com diferentes características. Serão abordados a seguir alguns destes mecanismos.

O desgaste abrasivo a dois corpos, também conhecido como deslizamento (“grooving”), é considerado como aquele em que as partículas não se movem relativamente à superfície da esfera, mas atuam como indentadores fixos que se deslocam através da amostra como pode ser visualizado na Figura 7 (a). Seu formato característico visual é uma série de ranhuras paralelas finas na superfície da amostra, como pode ser visualizado na Figura 77 (b). Entretanto se as partículas abrasivas

rolam entre as duas superfícies como ilustrado na Figura 8 (a), as identações são produzidas sem direcionalidade, o que fica caracterizado como abrasão por rolamento (“rolling”) ou a três corpos, com configuração visual caracterizada semelhante a que pode ser vista na Figura 8 (b) (ADACHI, HUTCHINGS, 2003).

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Figura 7 - Modo de desgaste abrasivo por deslizamento (grooving): a) Mecanismo, b) Formato caraterístico.

Fonte: Adaptado de Zum Gahr, 1987 e Trezona et al, 1999.

Figura 8 - Modo de desgaste abrasivo por rolamento (rolling): a) Mecanismo, b) Formato característico.

Fonte: Adaptado de Zum Gahr, 1987 e Trezona et al, 1999.

Quando se faz a comparação quanto à quantidade de material removido entre esses dois modos de desgaste, o desgaste abrasivo a dois corpos será maior do que o de três corpos, devido ao fato das partículas soltas no processo de abrasão a três corpos deslizarem sobre a superfície desgastada somente durante 10% do tempo, nos outros 90% do tempo elas passam rolando (RABINOWICZ et al., 1961; FANG, 1993; XIE e BUSHAN, 1996).

(34)

Quando se trata de desgaste microabrasivo em escala laboratorial, muitos fatores contribuem para o modo de desgaste que será encontrado, como a carga aplicada, a fração volumétrica da lama abrasiva e o material utilizado para produzi-la, que são abordados por Trezona (1999) em seu estudo. Há ainda a influência do material da amostra e da esfera, assim como a condição da superfície da esfera, que são discutidos nos trabalhos Trezona e Hutchings (1999) e Allsopp, Trezona e Hutchings (1998), respectivamente.

(35)

4. MATERIAIS E MÉTODOS

Todas as analises, experimentos e ensaios foram realizados no Instituto Federal do Espírito Santo – campus Vitória.

4.1 MATERIAL

O material utilizado para estudo foi um aço de baixa liga, especificado como API 5L X70. As amostras foram seccionadas a partir de um tubo de 24” de diâmetro, 0,812” de espessura e aproximadamente 1 metro de comprimento fabricado para a implantação da obra do gasoduto de Camarupim, no estado do Espírito Santo. O tubo foi fabricado pelo processo U-O-E na empresa Tenaris-Confab a partir de chapas produzidas pelo processo de laminação controlada sem resfriamento acelerado na empresa USIMINAS e cedida ao PROPEMM pela Petrobrás.

A análise da composição química do aço foi realizada em um espectrômetro de emissão ópitca da marca OXFORD, modelo Foundry Master Pro, localizado no laboratório de Caracterização de Materiais do IFES, para fim de comparação entre as especificações exigidas pela American Petroleum Institute com aquelas do aço adquirido comercialmente.

4.2 PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA

A composição química do material apresentada na Tabela 1 mostra que o aço apresentou resultados satisfatórios quando comparado à norma que o padroniza.

(36)

Tabela 1 - Composição química (% em massa) do aço API 5L X70

C Si Mn P

Norma API 0,04-0,16 0,55 (max) 1,10-1,70 0,035 (max)

Amostra

comercial 0,13 0,17 1,57 0,016

Fonte: Elaborado pelo autor, 2017.

O tubo foi seccionado longitudinalmente através de um maçarico para remoção de uma chapa de 16 cm x 100 cm em formato de arco, que foi fracionada com o uso de uma serra fita em arcos menores com os mesmos 16 cm de comprimento e seção de 3 cm x 2 cm. Feito isso, desses arcos foram fatiadas transversalmente as amostras para uma espessura de 4 mm, através de uma serra corte para posteriormente serem utilizados em ensaios. Após isso, a próxima etapa foi a de lixamento, passando as amostras por uma sequência de lixas de grana nº 80, 150, 220, 320, 400, 600 e 1200. A etapa seguinte foi a de polimento e para isso as amostras, depois de lixadas, passaram por polimentos com pasta de alumina com granulometria de 1 μm e 0,3 μm. Vale ressaltar que as amostras, após o tratamento de nitretação, não passaram por nenhum dos procedimentos de lixamento ou polimento na superfície nitretada. A Figura 9 ilustra as etapas descritas para a obtenção das amostras antes do tratamento termoquímico.

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Figura 9 - Modelo esquemático de preparação de amostras.

4.3 ANÁLISE METALOGRÁFICA

As amostras foram cortadas de tal forma que se obtivesse uma seção transversal dessas. Para isso, foi usada uma máquina de corte com disco de diamante da marca Struers, modelo miniton, para uma secção mais precisa. Após as amostras cortadas, essas foram colocadas de tal forma que ficassem as regiões nitretadas anexas uma a outra para melhor visualização ao microscópio da região nitretada. O embutimento das amostras foi realizado à quente com baquelite, colocando o encosto metálico junto à camada tratada para evitar abaulamento. Terminado o embutimento, as amostras nitretadas novamente passaram por uma sequência de lixas nº 400, 600 e 1200 e depois foram polidas com pasta de alumina de granulometria nº 1 μm e 0,3 μm. As microestruturas foram reveladas através de um ataque químico com reagente Nital 2% (2 ml de Ácido Nítrico, HNO3, em 98 ml de álcool etílico, H6OC2) por tempos de 5 segundos. A análise das microestruturas foi feita em um microscópio eletrônico de varredura (MEV).

(38)

4.4 DIFRATOMETRIA DE RAIOS-X (DRX)

Com intuito de verificar as fases presentes antes e após os experimentos de nitretação, as superfícies foram caracterizadas por difração de raios-x utilizando um difratômetro D2 Phaser da marca Bruker, pertencente ao laboratório de Caracterização de Materiais do IFES, campo Vitória. As condições de Análise foram as seguintes: o ângulo 2θ variou de 0 a 100º com passo de 0,02º, tempo de 2 segundos, tensão de 300 kV, corrente de 10 mA, rotação de 60 rpm, fenda de 0,1 mm com radiação de CuKα.

4.5 NITRETAÇÃO A PLASMA

Os experimentos de nitretação a plasma foram realizados no Laboratório de Plasma Aplicação Engenharia e Superfícies do IFES - Campus Vitória, em um equipamento da marca SDS modelo Thor NP 5000, que possui capacidade de nitretação para peças até 50 kg. O equipamento é composto por uma câmara cilíndrica de aço inoxidável AISI 304, com 70 cm de altura por 50 cm de diâmetro, como mostrado na Figura 10, e é composto por:

 Sistema de vácuo;

 Sistema para fornecimento de gases para o tratamento;

 Dois eletrodos, sendo as paredes da câmara atuando como anodo e o porta-amostra - um disco de 22 cm de diâmetro por 5 mm de espessura agindo como um catodo;

 Uma fonte de alta tensão (alimentação elétrica) frequência de 4 kHz e;  Um termopar para medição da temperatura.

O aquecimento foi realizado apenas pelo plasma, através do bombardeamento das espécies presentes sobre a superfície da amostra. O controle da temperatura foi realizado através da largura do pulso (Ton), que pode variar de 10 a 250 μs. O controle da vazão dos gases foi feito por meio de fluxímetros, onde foi fixado, para todos os experimentos, um total de 400 sccm (standard cubic centimeters per minute).

(39)

Figura 10 - Equipamento utilizado para nitretação.

4.5.1 Condições Aplicadas no Tratamento Termoquímico.

Nos experimentos de nitretação (H2 + N2) optou-se por variar dois parâmetros: a temperatura e a pressão de tratamento.

Foram realizados seis experimentos, onde se fixou a temperatura nos três primeiros e nos três últimos experimentos, variando-se a pressão, conforme mostrado na Tabela 2.

Como pode ser observado, foram mantidos os parâmetros da mistura e do tempo de tratamento constantes.

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Tabela 2 - Configurações das etapas dos ensaios. Experimento Mistura (em sccm¹) Temperatura (ºC) Tempo (hr) Pressão (Torr) E ta pa 1 Experimento 1 20% H2 – 80% N2 410 3 2,5 Experimento 2 20% H2 – 80% N2 410 3 3,9 Experimento 3 20% H2 – 80% N2 410 3 4,6 E ta pa 2 Experimento 4 20% H2 – 80% N2 440 3 2,5 Experimento 5 20% H2 – 80% N2 440 3 3,9 Experimento 6 20% H2 – 80% N2 440 3 4,6

4.6 ENSAIO DE NANODUREZA VICKERS (HV)

As amostras foram submetidas ao ensaio de microdureza, que consiste na penetração de uma pirâmide de diamante com base quadrada e ângulo de 136º entre as faces opostas. Essa pirâmide, sob uma determinada carga, deformará o material de tal forma que deixará uma impressão quadrada no mesmo. A dureza na escala Vickers (HV) é baseada na referida área projetada, expressa como se segue na equação 2:

P H V =

A (2)

Onde P é a força máxima realizada no ensaio e A é a área de impressão. A área gerada pela impressão residual é uma função da diagonal “d”, medida como mostrado na equação 3:





2 2 2 d d d A 136 2cos 22 _2cos 1,854368 2      (3)

(41)

O ensaio de nanodureza Vickers é realizado da mesma forma que o de microdureza, porém, com cargas menores. Estes ensaios foram realizados usando um ultra microdurômetro modelo DUH 2015 da marca Shimadzu. A força utilizada nos ensaios foi de aproximadamente 500 mN, durante 5 segundos.

4.7 ENSAIO DE DESGASTE MICROABRASIVO

Os ensaios de desgaste microabrasivo foram realizados com objetivo de obter os coeficientes de desgaste (k) do material como recebido e dos materiais nitretados sob cada condição de tratamento. Os testes foram realizados no Laboratório de Plasma Aplicação Engenharia e Superfícies do IFES - Campus Vitória, em um equipamento de microabrasão do tipo “esfera livre”, de marca CSM Instruments, mostrado na Figura 11.

Figura 11 - Equipamento de desgaste microabrasivo de esfera livre (Calowear).

(42)

O princípio de funcionamento deste equipamento é fazer uma esfera rolar em um determinado material sob ação de um eixo motor. Entre a esfera e o corpo de prova é colocado um material abrasivo, denominado lama abrasiva como pode ser visualizado na Figura 12. Diante disso, uma calota esférica é formada e através da análise dela é possível caracterizar o comportamento do desgaste abrasivo de um determinado material.

Figura 12 - Esquemático do equipamento de desgaste abrasivo por esfera livre.

Fonte: Stachowiak, 2004.

A força normal utilizada no ensaio é determinada pelo conjunto de fatores: peso da esfera, a inclinação e distância da mesa em relação à esfera como mostrado na Figura 13. Onde θ é a inclinação da mesa, R é o raio da esfera e W o peso da esfera.

(43)

Figura 13 - Modelo esquemático do ensaio de esfera rotativa livre: a) Vista lateral; b) Vista Superior.

Fonte: Silva, 2015.

4.7.1 Condições de ensaio

No ensaio foi utilizada uma esfera de aço AISI 52100 de 25,4 mm de diâmetro. O eixo motor, que faz a esfera girar, foi fixado para uma rotação de 150 rpm. A lama abrasiva utilizada foi de carbeto de silício (SiC), de granulometria de, aproximadamente, 5 μm e uma concentração de 0,75 g/cm³, ou seja, 75 g de SiC dissolvidos em 1000 mL de água destilada que era movimentada por meio de um agitador magnético, garantindo assim a homogeneidade da solução durante todo o decorrer do ensaio. A alimentação dessa lama foi de, aproximadamente, 24 gotas por minuto. A carga estática do ensaio foi fixada em 0,30 N e quando iniciado este valor era defasado de 0,02 a 0,03 N, devido ao movimento da esfera.

A aferição do diâmetro das calotas formadas foi realizada para 1500, 2250, 3000, 3750 e 4500 revoluções. Os coeficientes de desgaste foram determinados quando o desgaste entrava em regime permanente.

Após os ensaios a esfera era colocada em um recipiente contendo sílica e água para o procedimento de limpeza. Dessa forma evitava-se que a esfera criasse um “caminho” de desgaste preferencial.

(44)

4.7.2 Volume de desgaste (V)

Através da Equação 4, foi determinado o volume de desgaste em cada paralização para aferição do diâmetro da calota da amostra.

4 32 b V    (4)

Sendo que o índice “b” representa o diâmetro da calota de desgaste e 𝜙 é o diâmetro da esfera de ensaio. A Figura 14 apresenta como é medido o índice “b”.

Figura 14 - Imagem de uma calota formada por desgaste.

(45)

4.7.3 Distância deslizada (L)

A distância deslizada pela esfera sobre a superfície do material foi determinada através da Equação 5: 19, 95 " 25 4 n L     _      (5)

Onde: n” representa o número de voltas do eixo motor do equipamento e 𝜙 é o diâmetro da esfera de ensaio.

4.7.4 Coeficiente de desgaste (k)

Conhecidos os valores da distância deslizada e volume de material removido, pode-se então usar a equação de Archard, Equação 6, para determinar o coeficiente de desgaste. n V k L F   (6)

Onde Fn representa a força normal aplicada no ensaio.

Fazendo-se as devidas substituições, chega-se a equação 7 que representa a equação para se determinar o coeficiente de desgaste:

(46)

4 32 _n b k L F       (7) 4.8 MICROSCOPIA CONFOCAL 3D

Após realizados os ensaios de desgaste, foram feitas imagens tridimensionais das calotas geradas nestes testes em microscópio confocal marca Leica DCM 3D, localizado no laboratório de Caracterização de Materiais do IFES – Campus Vitória.

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5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL

A Figura 15 apresenta a microestrutura do aço API 5L X70 na forma como foi recebido. Observa-se que a microestrutura do material é constituída de ferrita e perlita bandeada.

Figura 15 - Microestrutura do aço sem tratamento de nitretação.

O resultado da análise de difração de raios-x do material sem tratamento é mostrado na Figura 16. Os picos identificados são referentes aos planos (110), (200) e (211), localizados nos ângulos 2θ = 44,59°; 64,90° e 82,16° correspondentes a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) da fase ferrita (Fe α).

(48)

Figura 16 - Difratograma de raios-x do aço API 5L X70 no estado como recebido.

O material foi submetido ao ensaio de desgaste microabrasivo com intuito de determinar o coeficiente de desgaste para o aço API 5L X70. A Figura 17 apresenta a variação do coeficiente de desgaste em função da distância deslizada. Observa-se que após aproximadamente 300 metros de deslizamento o desgaste atinge o regime permanente, com valor de aproximadamente 7,87 x 10-13_m²/N.

(49)

Figura 17 - Coeficiente de desgaste microabrasivo para o aço API 5L X70.

Nos ensaios de dureza Vickers foi encontrado o valor de 240 HV (dureza Vickers). Não foi feito o perfil de dureza visto que a microestrutura permanece constante ao longo da secção transversal do aço, logo o valor da dureza não se altera.

A Figura 18 apresenta imagens topográficas 3D para verificação do modo de desgaste da superfície do material não nitretado após o ensaio de microabrasão. Constata-se, pelas ranhuras apresentadas, que o mecanismo de desgaste característico foi o de riscamento.

(50)

Figura 18 - Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de desgaste gerada, na superfície do aço API 5L X70 não nitretado, em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3 N e concentração de lama abrasiva de 0,75 g/cm3.

5.2 MICROESTRUTURA E FASES DA CAMADA NITRETADA

5.2.1 Camada Nitretada a 410ºC

A Figura 19 e a Figura 20, apresentam as microestruturas próximas a superfície das amostras nitretadas a 410ºC, com concentração dos gases de 80 sccm de H2 e 320 sccm de N2 durante três horas e com a pressão variando de 2,5 a 4,6 Torr. As imagens foram obtidas em regiões próximas a superfície nitretada.

(51)

Observa-se um nítido surgimento de estruturas em formato de agulhas de nitreto adentrando ao substrato, bem como a formação de uma pequena camada superficial de nitreto, que é comumente denominada de camada branca, podendo ser composta pelas fases γ’-Fe N e/ou ε-Fe N, dependendo da pressão de tratamento. A região abaixo dessa camada é formada por uma região rica em nitrogênio, que estará presente em solução sólida (METIN; INAL, 1987).

Figura 19 - Microestrutura do aço API 5L X70 após nitretação a 410ºC sob pressões de a)2,5Torr b)3,9Torr e c)4,6Torr.

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Figura 20 - Zoom das imagens de microestrutura do aço API 5L X70 após nitretação a 410ºC sob pressões de a)2,5Torr b)3,9Torr e c)4,6Torr.

A Figura 21 apresenta os resultados de difração de raios-x para os experimentos na temperatura de 410°C. Observa-se que a intensidade dos picos de Fe-α sofrem uma redução drástica, quando comparada ao material não nitretado. Nota-se ainda que o aumento da pressão de tratamento faz com que essa intensidade continue reduzindo ainda mais, acompanhado do surgimento novos picos, característicos de outras fases, ɣ’-Fe N e/ou ε-Fe N. O nitreto ε não foi detectado para pressões inferiores a 2,5 Torr.

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Figura 21 - Difratograma de raios-x das amostras nitretadas a 410°C.

5.2.1 Camada Nitretada a 440ºC

A Figura 22 apresenta, em função da pressão, a microestrutura das amostras nitretadas na temperatura de 440°C. Estas imagens, quando comparadas àquelas micrografias obtidas à temperatura de 410°C, apresentam nítidas diferenças. A principal diferença é que na temperatura de 440°C a estrutura formada apresenta uma camada com aspecto mais uniforme e sem a presença das agulhas de nitretos características da temperatura de 410°C.

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Figura 22 - Imagens da microestrutura do aço API 5L X70 após nitretação a 440ºC sob pressões de a)2,5Torr b)3,9Torr e c)4,6Torr.

Quando é feita uma comparação entre as camadas das amostras nitretadas a 440ºC, verifica-se que na camada formada com pressão de 3,9 Torr (Figura 22b) possui maior espessura de camada branca, Tabela 3.

Tabela 3 - Variação das espessuras da camada branca das amostras nitretadas a 440°C em função da pressão de tratamento.

Pressão 2,5 Torr 3,9 Torr 4,6 Torr

Espessura da camada branca

(µm) 3,5 7,1 3,4

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Comparando o difratograma da amostra não nitretada com o das amostras nitretadas a 440°C (Figura 23), observa-se o aparecimento dos nitretos ɣ’-Fe N e/ou ε-Fe N. Essas fases ficam mais acentuadas para as pressões de 3,9 e 4,6 Torr. Na camada nitretada com pressão de 2,5 Torr, verifica-se o aparecimento somente da fase ε-Fe N.

Figura 23- Difratograma de raios-x das amostras nitretadas a 440°C.

Fazendo uma comparação entre os resultados de difração de raios-x obtidos nas camadas a 410°C e 440°C, nota-se que a intensidade dos picos correspondentes a fase Fe-α se reduz mais na temperatura de 440°C.

(56)

5.3 INFLUENCIA DA PRESSÃO DE NITRETAÇÃO A PLASMA NO DESGASTE MICROABRASIVO

Na Figura 24 apresenta-se a variação do coeficiente de desgaste em função da distância deslizada para as amostras sem tratamento e nitretadas nas três diferentes pressões, inicialmente para a temperatura de 410°C.

Para esta temperatura, nota-se uma nítida redução nos valores de coeficiente de desgaste das amostras nitretadas quando comparados com os da amostra não nitretadas. Também é percebido que todas as curvas atingem um valor de regime permanente de desgaste para valores próximos de 300 m.

Figura 24 - Variação do coeficiente de desgaste (k) em função da distância deslizada para amostras nitretadas a 410°C nas pressões de 2,5 a 4,6 Torr.

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Para essa temperatura, o melhor resultado encontrado foi para a pressão de 4,6 Torr, obtendo-se valores de redução no coeficiente de desgaste superiores a 20%, como se pode verificar na Figura 25.

Figura 25 - Comparação dos valores do coeficiente de desgaste entre a matriz e as amostras nitretadas a 410°C.

Da mesma forma que para a temperatura de 410°C, também foi feito o ensaio de desgaste microabrasivo para as amostras submetidas ao tratamento de nitretação a 440°C, variando as pressões de 2,5 a 4,6 Torr. A Figura 26 mostra a variação do coeficiente de desgaste em função da distância deslizada para a referida temperatura. Assim como na temperatura de 410°C, a pressão que demonstrou melhor resultado foi a de 4,6 Torr, com um valor de 5,5x10-13_N/m2_{como esta mostrado na Figura 27.} Este valor chega a ser ainda melhor do que aquele encontrado para a mesma pressão

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na temperatura de 410°C, devido a diminuição do coeficiente de desgaste em relação ao material não nitretado em torno de 30%.

Figura 26 - Variação do coeficiente de desgaste (k) em função da distância deslizada para amostras nitretadas a 440°C nas pressões de 2,5 a 4,6 Torr.

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Figura 27 - Coeficiente de desgaste para pressões variando de 2,5 a 4,6 Torr para a temperatura de 440°C.

Para a temperatura de 440°C é interessante fazer mais uma análise, do coeficiente de desgaste em função da espessura da camada branca. Nesta temperatura os coeficientes de desgaste mais baixos foram encontrados nas amostras em que a camada branca tem menor espessura, conforme foi apresentado na Tabela 3. A mesma análise não pôde ser feita para a temperatura de 410°C devido à falta de uniformidade da camada branca.

As Figuras 28 a 33 apresentam a topografia e o aspecto das calotas geradas por desgaste microabrasivo nas amostras nitretadas.

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Figura 28 - Imagem topográfica tridimensional e esboço do perfil da cratera de desgaste gerada na superfície do aço API 5L X70 nitretado a plasma a 410°C e pressão de 2,5 Torr após ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3 N e concentração de lama abrasiva de 0,75 g/cm3.

(61)

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(63)

(64)

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Comparando as superfícies de desgaste apresentadas nas Figuras 28 a 33, verifica-se que todas as amostras nitretadas apreverifica-sentaram a característica de desgaste por deslizamento devido aos sulcos presentes. Misra e Finnie (1981) caracterizam este fenômeno devido ao fato do abrasivo se fixar ao contra corpo, atuando como uma lixa na remoção do material e orientados no sentido de rotação da esfera de ensaio. Pode ser que no decorrer do teste tenha ocorrido uma transição do modo de desgaste abrasivo de rolamento para riscamento.

A diminuição do coeficiente de desgaste nas amostras tratadas em pressões mais elevadas pode estar relacionada à formação de camadas compostas. Esses particulados, duros e frágeis, desprendem-se mais facilmente da superfície. Essas

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camadas polifásicas propendem a apresentar uma resistência a abrasão menor devido as tensões geradas entre as diferentes fases presentes, gerando trincas e o aumento do volume desgastado (EDENHOFER, 1974).

Não foi possível fazer comparação quanto a severidade do desgaste pois os espaçamentos entre os sulcos se mostraram muito semelhantes, havendo pouca variação.

5.4 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE NITRETAÇÃO NA DUREZA SUPERFICIAL E PERFIS DE DUREZA

A Figura 34 mostra os valores de medidas de durezas na superfície das amostras nitretadas sob diferentes condições de temperatura e pressão. Verifica-se que todas as amostras tiveram suas durezas incrementadas se comparadas com o material não nitretado, chegando a haver aumento próximo de 4 vezes, como é o caso da amostra nitretada a 440°C na pressão de 3,9 Torr. Nessa condição se obteve melhor resultado entre todas as condições estudadas, se encontrando o maior valor de espessura da camada branca, como mostrado na Tabela 3. Vale ressaltar que, devido ter uma camada com formato irregular, não foi possível realizar a medição de espessura para as amostras nitretadas na temperatura de 410°C. Assim como na temperatura de 440°C, o melhor resultado de dureza superficial para a temperatura de 410°C foi obtido para pressões próximas de 3,9 Torr.

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Figura 34 - Valores de dureza superficial para o aço API 5L X70 nitretado nas temperaturas a 410 e 440°C e com pressões de 2,5 a 4,6 Torr.

Assim como Borgioli et al. (2005) encontrou em seu trabalho, aqui também pode ser verificado que a variação da pressão provoca uma alteração na dureza superficial da amostra.

Os perfis de dureza da camada nitretada sugerem que houve uma grande penetração de nitrogênio, resultando em profundidades de zonas de difusão1_{maiores do que 150} µm para todas as amostras nitretadas na temperatura de 410°C e profundidades superiores a 200 µm para todas as amostras tratadas a 440°C, como pode ser visto nas Figuras 35 e 36, respectivamente.

1_{A profundidade de zona de difusão (NHT) é definida pela norma DIN 50190 como a profundidade da} camada onde o valor da dureza é 50 HV superior da dureza do núcleo do substrato.

551,36 673,49 603,36 652,95 932,43 847,16 240 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Matriz 2,5 Torr 3,9 Torr 4,6 Torr

D ur ez a su pe rf ic ia l ( H V) 410°C 440°C Matriz

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Figura 35 - Perfis de dureza da camada nitretada a 410°C.

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Figura 36 - Perfis de dureza da camada nitretada a 440°C.

As Figuras 35 e 36 mostram que a partir de 25 μm de profundidade, os valores de dureza das curvas do perfil das amostras tratadas a 440°C são bem próximos. Isso pode ser caracterizado como uma uniformidade de camada nitretada para estas amostras e se deduz que para a referida temperatura, a pressão não altera a microestrutura para profundidades além de 25 μm. Esta mesma uniformidade pode ser encontrada para as pressões de 2,5 e 4,6 Torr na temperatura de 410°C, com curvas com mesmo formato, diferenciando-se nos valores, como observado pelas curvas azul e vermelha da Figura 35.

As Figuras 37 e 38 fazem um comparativo da temperatura e pressão de tratamento juntas.

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Figura 37 - Curva de tendência do coeficiente de desgaste e da dureza para a nitretação na temperatura de 410ºC.

Figura 38 - Curva de tendência do coeficiente de desgaste e da dureza para a nitretação na temperatura de 440ºC.

Observa-se que os valores obtidos não são as melhores combinações de coeficiente de desgaste e dureza. Os pontos ótimos de coeficiente de desgaste e dureza para a temperatura de 410°C é de, aproximadamente, 6,1 m²/N e 625 HV; e 5,2 m²/N e 775 HV para a temperatura de 440°C.