INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E MATERIAIS
HENRIQUE GOBBI SOARES
AVALIAÇÃO DO EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE CH4 NA CEMENTAÇÃO A
PLASMA DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 316
Vitória 2017
HENRIQUE GOBBI SOARES
AVALIAÇÃO DO EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE CH4 NA CEMENTAÇÃO A
PLASMA DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 316
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Adonias Ribeiro Franco Júnior
Vitória 2017
(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo) S676a Soares, Henrique Gobbi.
Avaialção do efeito da concentração de CH4 na cementação a plasma do aço inoxidável AISI 316 / Henrique Gobbi Soares. – 2017.
67f. : il.; 30 cm
Orientador: Adonias Ribeiro Franco Júnior.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Vitória, 2017.
1. Metalurgia. 2. Resistência de materiais. 3. Aço inoxidável. 4. Nitretação a plasma. I. Franco Júnior, Adonias Ribeiro. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.
Dedico este trabalho primeiramente a Deus por ter concedido o dom de realiza-lo da melhor maneira possível, aos professores, servidores e ao orientador que possibilitou a conclusão da pesquisa, familiares por terem permanecido presentes durante mais uma etapa de minha vida, por fim a FAPES por ter financiado o presente projeto.
“A gravidade explica os movimentos dos planetas, mas não pode explicar quem colocou os planetas em movimento. Deus governa todas as coisas e sabe tudo que é ou que pode ser feito.”
Os componentes de aço inoxidável austenítico apresentam alta vida útil mesmo quando aplicados em ambientes marítimos ou industriais em contato com ácidos e gases oxidantes altamente corrosivos. É limitada, no entanto, a sua aplicação onde também se exige alta resistência ao desgaste abrasivo. Para um aço inoxidável austenítico AISI 316, o presente trabalho teve como objetivo estudar o efeito da concentração de metano (CH4) adicionado à atmosfera do tratamento termoquímico
de cementação a plasma sobre a resistência ao desgaste microabrasivo das camadas geradas. Foram realizados experimentos de cementação na temperatura de 350°C, tempo de 5 h e pressão de 340 Pa, variando a quantidade de CH4 na
atmosfera cementante. As camadas cementadas foram caracterizadas por microscopia óptica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios-X, ensaio de microdureza Vickers, ensaio de desgaste microabrasivo do tipo “esfera livre”, microscopia confocal e perfilometria. Os resultados indicaram que todas as condições estudadas proporcionam uma melhoria na resistência ao desgaste microabrasivo do material. Atmosferas contendo 5% de CH4 permitem
obter a máxima espessura de camada e, consequentemente, a maior resistência ao desgaste. Todas as camadas cementadas formadas se constituem de fase S (austenita expandida); no entanto, nessas camadas também se evidencia o carboneto de cromo (CrN) quando se adicionam na atmosfera altas concentrações de CH4. Além de provocar a precipitação CrN, altas concentrações de CH4 levam à
formação de fuligem e ao desenvolvimento de camadas de espessura fina. Verificou-se que o deslizamento é o principal mecanismo atuante no processo de abrasão tanto das camadas não cementadas quanto das cementadas.
Palavras-chave: Cementação a plasma. Aço inoxidável austenítico AISI 316. Desgaste microabrasivo.
ABSTRACT
Austenitic stainless steel components have long lifespan even when applied in marine or industrial environments in contact with highly corrosive acids or gases. However, their use is limited when high abrasive wear resistance is also required. The goal of this work was to study the effect of the methane (CH4) concentration,
used in the plasma carburizing, on the wear resistance of AISI 316 austenitic stainless steel. Plasma carburizing experiments were carried out at 350 °C, 5 h, 340 Pa, varying the amount of methane in gas atmosphere. The carburized layers were characterized using light microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Vickers microhardness test, “free ball” micro-abrasion wear test, confocal microscopy and contact profilometry. The results showed that all conditions studied provide an improvement in micro-abrasion wear resistance of the material. Atmospheres containing 5% in CH4 allow to obtain the maximum layer thickness and, as a result,
the highest wear resistance. All the carburized layers are S-phase; however, chromium carbide (CrN) is also evidenced when adding high amounts of CH4 in
treating atmosphere. High concentrations also lead to the growing of a soot on surface material, decreasing the thickness of the S-phase layers. For both carburized and not carburized steel, the predominant mechanism of material removal was found to be sliding.
Keywords: Plasma carburizing. AISI 316 austenitic stainless steel. Microabrasive wear.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Efeito da oxidação em função do teor de cromo da liga ferrosa após
... .exposto por 52 meses na atmosfera ... 20 Figura 2 - Diagrama Fe-C-Cr com 12% cromo-pseudobinário. ... 20
Figura 3 - Diagrama binário Fe-Cr. ... 21 Figura 4 - Curva poder oxidante x velocidade de corrosão de materiais que
... apresentam passivação. ... 23
Figura 5 - Micrografia comparativa entre a camada clara e a camada onde se
...verificou precipitação. ... 28
Figura 6 - Curvas potencial limite de cementação e de nitretação (curvas
... temperatura versus tempo) para o aço inoxidável 316. Parcada
...um dos dois tipos de tratamento termoquímicos, acima da
... respectivacurva ocorre a precipitação de carboneto. ... 29
Figura 7 - Difratograma de raios x mostrando o deslocamento dos picos da
... fase S em relação aos da austenita ( ). ... 29
Figura 8 - Perfis de concentração de intersticiais na fase S em aço inoxidável
... .austenítico após cementação, nitretação e carbonitreção. ... 32
Figura 9 - Comparação dos perfis de dureza das camadas cementados e
... nitretados. ... 33
Figura 10 - Variação da espessura da camada cementada em função da
... temperatura de cementação. ... 36 Figura 11 - Plotagem do Ln da espessura (ξ) versus 1/T. ... 36
Figura 12 - Espessura da camada cementada no aço AISI 316 em função do
...tempo de cementação para diferentes temperaturas. ... 37
Figura 13 - Espessura da camada cementada em função do tempo de
Figura 14 - Morfologia típica da camada cementada gerada na superfíci e do
...aço inoxidável AISI 316 cementada a 475°C e por 20h, com
... utilização do reagente Marble... 38
Figura 15 - Variação da espessura da camada cementada em função da
...temperatura de cementação. ... 39
Figura 16 - Variação da dureza superficial da camada cementada em função
...da temperatura de cementação. ... 40 Figura 17 - Perfis de dureza Knoop das amostras de aço AISI 316 cementadas a plasma na temperatura de 500 °C. ... 40
Figura 18 - Relação desgaste específico X coeficiente de atrito X temperatura
... de processo. ... 41
Figura 19 - Fluxograma mostrando as principais etapas experimentais
... utilizadas neste trabalho. ... 42
Figura 20 - Microestrutura do aço inoxidável austenítico AISI 316 utilizado
... neste trabalho; aumento de 200x, reagente Marble. ... 43
Figura 21 - Microestrutura do aço inoxidável austenítico AISI 316 utilizado
...neste trabalho; aumento de 500x, reagente Marble. ... 44
Figura 22 - Reator Thor NP 5000 de plasma pulsado, da marca SDS,
...utilizado nos experimentos de cementação do presente trabalho. 45
Figura 23 - Sistema de quantificação do desgaste CALOWEAR/CSM, através
... .de microimagem da calota de desgaste. ... 48
Figura 24 - Mecanismo de desgaste do sistema, motor, esfera, fixador e
... célulade carga. ... 49 Figura 25 - Painel do Calowear com medidor de carga, contador de ciclos,
... .partida e parada do motor e bomba peristáltica. ... 49
Figura 26 - Ultra-microdurômetro DUH-211S/ SHIMADSU. ... 50 Figura 27 - Difratômetro modelo D8 Phaser/BRUKER. ... 51
... 5% de metano, (b) 10% de metano, (c) 20% de metano, (d) e 30%
... de metano... 52
Figura 29 - Microscopia de MEV das camadas cementadas obtidas com: (a)
...5% de metano, (b) 10% de metano, (c) 20% de metano, (d) e 30%
...de metano... ...53
Figura 30 - Variação da espessura das camadas cementadas em função da
...quantidade de metano na atmosfera de tratamento. ... 54
Figura 31 - Difratograma de raios X do aço inoxidável austenítico AISI 316
...cementado usando atmosferas com diferentes concentrações de
...CH4. ... 55
Figura 32 - Perfis de dureza das camadas cementadas obtidas usando
...diferentes concentrações de CH4 na atmosfera cementante. ... 56 Figura 33 - Influência da concentração de CH4 da atmosfera cementante sobre
...o coeficiente de desgaste microabrasivo para o aço inoxidável
...austenítico AISI 316. ... 58
Figura 34 - Variação do volume desgastado (mm³) das camadas cementadas
...obtidas com diferentes concentrações de CH4 em função podar
...distância deslizada (m). ... 58 Figura 35 - Calotas de desgaste produzidas nas superfícies do aço AISI 316
...após distância deslizada de 200 m: (a) substrato não cementado,
...(b) cementado com 5%CH4; (c) cementado com 10 % CH4; (d)
...cementado com 20% CH4; e (e) cementado com 30% CH4. ... 59
Figura 36 - Detalhes da superfície de desgaste da parte central do aço
...inoxidável austenítico AISI 316 cementado em atmosfera
...contendo5% CH4. Observações feitas com aumento de ...400 X e inclinação . da superfície de: (a) 80°, (b) 30°, (c) e 10°. ... 60
Figura 37 - Perfil longitudinal da cratera de desgasteproduzida na superfície do
...aço inoxidável austenítico AISI 316 não cementado. À esquerda,
...região de fim de contato esfera/lama abrasiva; à direita, região de
...início de contato...62
Figura 38 – Perfil transversal da cratera de desgaste produzida na superfície do
...aço inoxidável austenítico AISI 316 cementado em atmosfera
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela de composição química do tipo aço inoxidável 316 ... ...27
Tabela 2 - Composição química do aço AISI 316 nominal e medido ... 43
Tabela 3 - Condições experimentais usadas nos experimentos de cementação
AISI - American Iron and Steel Institute ASTM - American Stardard Testing Metals CCC - Cúbico de Corpo Centrado
CFC - Cúbico de Corpo Centrado DRX - Difração de Raios-X
GDOES - Espectroscopia de emissão óptica por descarga incandescente IFES - Instituto Federal do Espírito Santo
LPTC - Temperatura de fim de transformação de fase austenita-ferrita MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 OBJETIVOS ... 17 2.1 OBJETIVO GERAL ... 17 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 3.1 AÇOS INOXÍDAVEIS ... 19 3.2 RESISTÊNCIA À CORROSÃO ... 21 3.3 PASSIVIDADE... 22
3.4 AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS ... 24
3.4.1 Aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 ... 26
3.5 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DOS AÇOS INOXIDÁVEIS ...AUSTENÍTICOS ... 27
3.5.1 Austenita Expandida ou Fase S ... 30
3.6 CEMENTAÇÃO ... 33
3.6.1 Cementação a plasma ... 34
3.7 COMPORTAMENTO AO DESGASTE DE AÇOS AUSTENÍTICOS ... 38
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 42
4.1 ...COMPOSIÇÃO QUÍMICA E PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA ...CEMENTAÇÃO ... 42
4.2 EQUIPAMENTO PARA OS EXPERIMENTOS DE CEMENTAÇÃO ... 44
4.3 CONDIÇÕES DE CEMENTAÇÃO A PLASMA ... 45
4.4 CARACTERIZAÇÃO DAS CAMADAS CEMENTADAS ... 46
4.5 ENSAIOS DE DESGASTE MICROABRASIVO ... 47
4.6 ENSAIOS DE MICRODUREZA VICKERS ... 49
5.1 ESPESSURA DE CAMADA ... 52
5.2 FASES PRESENTES NAS CAMADAS CEMENTADAS ... 54
5.3 PERFIS DE DUREZA ... 56
5.4 .RESISTÊNCIA AO DESGASTE MICROABRASIVO E MECANISMOS DE ... DESGASTE DAS CAMADAS CEMENTADAS ... 57
6 CONCLUSÕES ... 64
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 65
1 INTRODUÇÃO
A aplicação dos aços inoxidáveis austeníticos se tornou uma realidade em importantes setores industriais brasileiros, tais como açúcar e álcool, petróleo e gás, papel e celulose, mineração e indústria metal-mecânica. Vários resultados laboratoriais e industriais comprovam que esses materiais, além apresentarem um menor custo/benefício, possuem desempenho superior ao de materiais comumente aplicados.
No entanto, quando a aplicação demanda ao mesmo tempo resistência à corrosão e boa resistência ao desgaste abrasivo, os aços inoxidáveis austeníticos não apresentam desempenho satisfatório. No caso de peças de aço ao carbono, são exemplos de soluções para melhorar a sua resistência ao desgaste abrasivo: substituição por materiais mais adequados, controle triboquímico e ambiental, e uso de técnicas de recobrimento ou de modificação superficial como tratamentos termoquímicos de nitretação e cementação. A cementação convencional, realizada em temperaturas na faixa de 850-950°C, se mostra bastante eficaz. No entanto, a aplicação de quaisquer tratamentos acima de 950°C aos aços inoxidáveis não é recomendada devido à forte degradação das suas propriedades associada à precipitação de carbonetos de cromo que leva a uma substancial perda de resistência à corrosão.
Conforme mostrado por Sun (2005) e colaboradores, a precipitação e, em consequência, a perda de resistência à corrosão pode ser minimizada quando a cementação é realizada em baixas temperaturas, como 450ºC. Esses pesquisadores mostraram que podem ser obtidas peças cementadas com superfícies endurecidas, resistentes ao desgaste, permanecendo o núcleo tenaz e com boa capacidade de absorver impactos. A utilização da técnica assistida por plasma apresenta vantagens significativas em relação a tratamentos termoquímicos convencionais, dentre elas podem ser citadas a maior eficiência energética, baixo consumo de gás, menor tempo de tratamento, ausência de problemas ambientais pela inexistência de produtos poluentes ou tóxicos, e obtenção de superfícies sem a
O presente trabalho busca estudar o efeito da atmosfera de cementação sobre a espessura e resistência ao desgaste microabrasivo de um aço inoxidável austenítico AISI 316.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Estudar o efeito da concentração de metano (CH4) da atmosfera do
processo de cementação a plasma em baixa temperatura para o aço inoxidável austenítico AISI 316, visando melhorar suas propriedades tribológicas, bem como contribuir para ampliar a base de dados do referido processo.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para alcançar o objetivo geral fixado foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos:
Realizar de tratamentos de cementação a plasma, variando a concentração de CH4
usada na atmosfera de cementação (constituída apenas de H2 e CH4).
Determinar os valores de espessura das camadas cementadas resultantes após os tratamentos de cementação a plasma por meio de microscopia eletrônica (MEV) e ensaios de microdureza.
Identificar as fases formadas através da técnica de difração de raios-X (DRX).
Medir as durezas de topo e perfil de microdureza das camadas cementadas formadas.
Caracterizar a resistência ao desgaste e dos mecanismos de desgaste das camadas cementadas.
Propor condições que maximizem o processo de cementação a plasma do aço AISI 316, colaborando com o desenvolvimento da técnica e a viabilidade da sua utilização.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 AÇOS INOXÍDAVEIS
A partir das primeiras décadas do século passado quando se constatou que ligas Fe-C-Cr, com teores mínimos de 10,5% de cromo em massa, não sofriam ação corrosiva em atmosferas rurais, os aços inoxidáveis conquistaram parcelas do mercado que eram dominadas até então pelo aço carbono e por ligas de alumínio (CARBÓ, 2008). Assim, uma liga ferrosa passou a ser definida como inoxidável em ambiente oxidante, quando esta possuía o teor mínimo mencionado.
Em meados do século XIX, o conceito de aço inoxidável estava intrinsecamente ligado ao fato do material não ser afetado pelo ácido sulfúrico. Com a limitação das aciarias de produzir aços de baixo carbono neste período, no entanto, os estudos referentes ao material foram interrompidos, somente sendo retomados na Alemanha e Inglaterra, quase que simultaneamente, por volta do ano de 1912 (PADILHA e GUEDES, 2004).
Os aços inoxidáveis são constituídos de ferro (Fe), carbono (C) e cromo (Cr) cujo teor mínimo é 10,5%; lembrando que há também em sua composição outros elementos metálicos cujos teores variam de acordo com o processo de fabricação, aplicação e propriedades desejadas. É importante destacar que o Cr atua como o principal responsável pelo mecanismo de elevação da resistência à corrosão do material, como mostrado na Figura 1 (CARBÓ, 2008).
Figura 1-Efeito da oxidação em função do teor de cromo da liga ferrosa após exposto por 52 meses na atmosfera.
Fonte: CARVALHO, 2000.
Conforme se pode observar na Figura 1, a adição de cromo implica no aumento da resistência à corrosão. No entanto, a sua adição não influencia isoladamente apenas nesse quesito, mas também provoca uma alteração do campo de estabilidade dos microconstituintes do diagrama metaestável ferro-cementita, conforme ilustra a Figura 2 para uma liga Fe-C que contém de 12% de cromo.
Figura 2-Diagrama Fe-C-Cr com 12% cromo-pseudobinário.
É dito alfa-gênico o elemento que amplia o campo de estabilidade da ferrita e reduz o campo de estabilidade da austenita. De modo análogo é dito gama-gênico o elemento que amplia o campo austenítico e reduz o campo ferrítico. Na Figura 3 tem-se que quanto maior o teor (% em massa) de cromo, menor a possiblidade de existir um campo austenitico para determinada faixa de composição e temperatura (ASM, 1984).
Figura 3-Diagrama binário Fe-Cr.
Fonte: INCHARUZA, 1981.
3.2 RESISTÊNCIA À CORROSÃO
De modo geral, os metais reagem em presença da atmosfera, formando óxidos, hidróxidos e outros compostos. As reações químicas que governam esses fenômenos ocorrem quando a variação da energia livre é negativa. Sendo assim, geralmente os metais são encontrados na natureza como formadores de compostos, com algumas exceções, como por exemplo, o ouro (Au) e a platina (Pt) (ASM, 1987).
Em alguns países desenvolvidos calcula-se que o custo da corrosão corresponda aproximadamente de 3% a 5% do PIB. Diante desse quadro, é imprescindível as pesquisas científicas aliadas ao desenvolvimento tecnológico para a redução dos gastos provenientes desse fenômeno. Busca-se, assim, a criação e o aprimoramento de técnicas e métodos para mitigação da corrosão, como desenvolvimento de materiais, pinturas e revestimentos (APERAM, 2012).
A resistência à corrosão dos aços inoxidáveis se deve à formação de uma película passivadora (filme passivo) constituída majoritariamente por óxidos de cromo, formados mediante a reação do cromo, presente em teores relativamente altos nesses materiais, com o oxigênio contido no ambiente. Essa película superficial permanece intimamente aderida ao material de modo compacto, isolando a matriz dos aços inoxidáveis das condições de oxidação do meio. É importante observar que a afinidade do elemento cromo pelo oxigênio é muito forte, superior até mesmo à afinidade do ferro pelo oxigênio.
Os aços inoxidáveis não possuem o mesmo mecanismo de resistência à corrosão do Au e Pt, metais considerados nobres devido ao fato de não reagirem com o oxigênio em condição ambiente. O mecanismo de resistência a corrosão do ouro é descrito pela Reação 1 (SEDRIX, 1996).
3 + + → 2 ( ) ∆G=+15.700cal (1)
3.3 PASSIVIDADE
Em aços inoxidáveis, filmes passivos são películas muito finas que possuem de 30 a 80 Å de espessura. Sabe-se que a formação desses filmes é favorecida pela presença de meios oxidantes. A passividade não é um fenômeno exclusivo dos aços inoxidáveis, podendo ocorrer em Al, Ti e aços carbonos (ASM, 1987).
Aparentemente, nos aços inoxidáveis o filme passivo se forma pela reação entre água e metal base, e sua constituição é dada por oxi-hidróxidos de Fe-Cr. A Figura 4 representa o comportamento de oxidação dos aços em função do poder de oxidação do meio (ASM, 1987).
Figura 4-Curva poder oxidante x velocidade de corrosão de materiais que apresentam passivação.
FONTE: Adaptado FONTANA E GRENE, 1967.
Inicialmente, com o aumento do poder oxidante da solução onde o material está imerso, há o aumento da velocidade de corrosão, que corresponde à formação do filme passivo, chamado de atividade pela Figura 4. Posteriormente, ainda com o aumento do poder oxidante, percebe-se que velocidade de corrosão decresce até se estabilizar a uma velocidade muito baixa, o que corresponde à passividade. No entanto, se prosseguir o aumento do poder oxidante, ocorrerá o fenômeno de transpassividade, aumentando novamente a velocidade de corrosão.
Podem-se considerar duas regiões dentro dessa película, uma mais próxima à atmosfera e outra mais próxima ao metal base. Resultados de exames laboratoriais indicam que adjacente à superfície do metal base, predominam óxidos em relação aos hidróxidos. Em contrapartida, quanto mais próxima à atmosfera, observa-se a predominância dos hidróxidos (CARBÓ, 2001).
direção ao interior do metal base. Nela pode existir um gradiente positivo do teor de cromo do núcleo metálico, que permanece em solução sólida, para a interface (CARBÓ, 2001).
3.4 AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS
A austenita, com sua estrutura cristalina CFC, é estabilizada principalmente com a adição de níquel. Em consequências, os aços inoxidáveis austeniticos apresentam propriedades distintas em relação aos ferríticos e martensíticos.
Estes aços têm alta resistência à corrosão atmosférica, boa ductilidade e boa soldabilidade. Sua aplicação é ampla, podendo ser utilizados desde temperaturas baixas até temperaturas na ordem dos 1100 °C (PADILHA e GUEDES, 2004).
Os aços inoxidáveis austeníticos são mais resistentes à corrosão atmosférica. Isso se deve ao molibdênio que favorece a repassivação do filme. No entanto, deve-se atentar para possíveis formas de corrosão no material que dependem da temperatura, concentração de cloretos, pH e tensão que o material está sujeito: corrosão por pite, em frestas, sob tensão e intergranular (SEDRIX, 1996).
Adiciona-se molibdênio para aplicações em meios corrosivos críticos. Esse elemento estabilizante tem fundamental importância em meios que contêm o íon cloreto, protegendo o material contra corrosão por pites e em frestas.
A corrosão sob tensão, que depende do meio específico, da tensão aplicada e da susceptibilidade do material, e não é observada nos aços ferríticos, é uma limitante para aplicação dos aços inoxidáveis austeníticos. O fenômeno está relacionado ao teor de níquel, que nas quantidades utilizadas maximiza a suscetibilidade e minimiza o desempenho na faixa de 8 a 12% Ni.
de teores de carbono (elemento gama-gênico) relativamente altos favorecem a corrosão intergranular (PADILHA e GUEDES, 2004).
Em aços inoxidáveis ferríticos, podem ser adicionados elementos de liga estabilizadores ou se reduzir os teores de carbono (<0,03%C) no material para evitar consequências indesejáveis. Em alguns casos, quando a corrosão não é uma ameaça, aumenta-se o teor de carbono, o que beneficia outras propriedades (SEDRIX, 1996).
É importante destacar que essa classe de aço inoxidável é selecionada quando se deseja boas propriedades criogênicas - ou seja, um material não suscetível a transição dúctil-frágil-, resistência mecânica a elevadas temperaturas, elevada resistência a corrosão, boa tenacidade e soldabilidade (AGGEN et al., 1987). Embora os aços inoxidáveis austeníticos não sejam magnéticos (paramagnéticos), depois do processo de estampagem ou conformação a frio, pode ser observada a formação de martensita se o teor de níquel for baixo o suficiente. Isso confere ao material certo caráter magnético.
Quando se substitui parcialmente o níquel pelo manganês, entra-se no campo da série 200. Essa série apresenta menor grau de resistência à corrosão, configurando ligas Fe-C-Cr-Ni-Mn (PADILHA e GUEDES, 2004).
A possibilidade de diferentes combinações de propriedades físicas e químicas nesta mesma classe de material torna essa família de aço inoxidável mais versátil em termos de seleção de material. Assim, eles possuem requisitos para a mais ampla variedade de aplicação dentre todas as famílias de aços inoxidáveis.
Porém, é comum, quando a aplicação requeira boa dureza, bem como boa resistência ao desgaste, restringir a utilização desses aços (BLAWET et al., 2001). Assim, é necessário que seja feita correções no material por meio de tratamentos termoquímicos quando se deseja que o material opere em tais condições.
No entanto, a temperatura dos tratamentos termoquímicos (nitretação, cementação e carbonitretação) atua como condicionante do processo, devido à
partir de 500°C compromete a resistência do material. Estudos mostram que é possível desenvolver uma camada superficial com boa dureza e resistência ao desgaste utilizando tratamentos termoquímicos a temperaturas inferiores as 500°C (SUN, 2005).
3.4.1 Aços inoxidáveis austeníticos AISI 316
Esse tipo de aço representa o segundo mais popular dentre os aços inoxidáveis, ficando atrás apenas do tipo 304. Eles são utilizados nos setores petroquímico, leiteiros, farmacêuticos, equipamentos marinhos, indústria química, processamento de alimentos e indústria de bebidas.
São amplamente disponíveis no mercado, apresentando boa dureza, boa resistência à corrosão e resistência criogênicas e excelentes soldabilidade e conformabilidade.
São conhecidos como aços inoxidáveis navais devido a sua maior resistência à corrosão pelo íon cloreto (também chamado de resistência ao pite) em relação ao aço inoxidável AISI 304. A resistência ao pite é adquirida devido à presença entre 2% e 3% de molibdênio, responsável por estabilizar o filme passivo. Assim, o material pode ser aplicado em ambientes de água salgada.
Quando se tem o teor de carbono é muito baixo, esse aço pe designado como AISI 316L. O material possui limite de resistência a tração e escoamento inferiores, mas possuem uma melhor soldabilidade e melhor resistência à corrosão em regiões da solda quando comparado ao material com teor de carbono típico. A composição química típica dos aços AISI 316 E AISI 316L é apresentada na Tabela 1.
Tabela 1 - Tabela de composição química do tipo aço inoxidável 316
ABNT/SAE/AISI C máx Mn
máx P máx S máx Si máx Ni Cr Mo 316 0,08 2 0,045 0,03 0,75 10 - 14 16 - 18 2 - 3 316L 0,03 2 0,045 0,03 0,75 10 - 14 16 - 18 2 - 3 FONTE: adaptado NÚCLEO INOX, 2013.
3.5 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
...AUSTENÍTICOS
A principal barreira histórica para a ampla utilização dos aços inoxidáveis austeníticos sob situações que requeiram resistência a corrosão é sua baixa resistência ao desgaste estudada e reconhecida no início dos anos 1970 por Jean-Paul Lebrun durante seu PhD na Universidade de Nancy (LEBRUN, 1972). Foram realizadas inúmeras tentativas desde então para modificar a superfície desses materiais, de maneira a aumentar a dureza e a resistência ao desgaste abrasivo. No entanto, a utilização de tratamentos termoquímicos convencionais (T>550°C) favorece a precipitação de carboneto de cromo, retirando assim um teor considerável de cromo que está em solução sólida, comprometendo a resistência à corrosão do aço inoxidável.
Com o passar dos anos houve inúmeros avanços no campo da engenharia de superfície. Com a utilização de gases, banho de sais, bombardeamento iônico e, em especial, a técnica de plasma, tornou-se possível realizar tratamentos termoquímicos a baixas temperaturas, evitando a sensitização do aço inoxidável, obtendo assim uma estrutura conhecida com austenita expandida ou Fase S (BELL, 2002).
Investigando os processos de nitretação e cementação a plasma, Bell (2002) comparou duas camadas nitretadas, sendo uma deles oriunda de tratamento similar ao convencional e o outra produzida em baixa temperatura (450°C) por um tempo relativamente curto, utilizando a nitretação a plasma.
distintas quando analisadas ao microscópio óptico. A camada produzida por nitretação convencional (550°C), por um lado, apresentou uma coloração escura, indicando que o material foi severamente atacado pelo reagente químico utilizado; esse efeito foi atribuído à precipitação de nitreto de cromo e a redução da resistência à corrosão. Por outro lado, a camada nitretada produzida por nitretação a plasma apresentou-se uma coloração clara, indicando a ausência de precipitação e a manutenção da resistência à corrosão. As micrografias apresentadas na Figura 5 mostram as camadas obtidas por Bell.
Figura 5-Micrografia comparativa entre a camada clara e a camada onde se verificou precipitação.
FONTE: BELL, 2002.
A Figura 6 apresenta curvas temperatura versus tempo (T-t), obtidas experimentalmente, onde pode-se prever as condições de transição de precipitação para a condição que não ocorre precipitação. Quando os
Figura 6-Curvas potencial limite dede cementação e de nitretação (curvas temperatura versus tempo) para o aço inoxidável 316. Para cada um dos dois tipos de tratamento termoquímicos, acima da respectiva curva ocorre a precipitação de carboneto.
FONTE: Adaptado de BELL, 2002.
Inicialmente acreditava-se que a camada nitretada produzida por nitretação a plasma, que se revelava com coloração brilhante, era constituída de nitreto Fe4
N-`, ou brownita. Isso porque as posições dos picos de difração se situam próximas aos desse tipo de nitreto. No entanto, posteriormente verificou-se que era uma nova fase que atualmente é denominada fase S, cujos picos de difração se apresentam deslocados à esquerda dos da austenita, Figura 7.
Figura 7-Difratograma de raios x mostrando o deslocamento dos picos da fase S em relação aos da austenita ( ).
FONTE: BELL, 2002.
Recentemente, o termo foi estendido à superfície da camada formada por processos de cementação a plasma realizados a baixas temperaturas. Observa-se que S1 e S2 aparecem em ângulos menores que os da austenita formadora do substrato. Isso indica que a fase S possui parâmetro de rede maior que o da austenita, sendo então
saturação de nitrogênio. Os trabalhos de caracterização estrutural realizados posteriormente mostraram que a fase S é solução sólida do ferro supersaturada em nitrogênio, é metaestável e apresenta estrutura cúbica de face centrada.
3.5.1 Austenita Expandida ou Fase S
A nitretação a plasma realizada a baixas temperaturas se adequa satisfatoriamente a muitas aplicações industriais. No entanto, existem problemas tecnológicos decorrentes de sua utilização, sendo um deles relacionado à fina camada superficial de fase S resultante. Apesar de terem sido realizadas tentativas de remediar tal inconveniente, verificou-se que a natureza metaestável da fase S e a limitação imposta por temperatura e tempo de processo impossibilitam a obtenção de uma camada superficial com espessura maior que 20µm livre de precipitação. Os vários resultados apresentados na literatura mostram uma fina camada com interface abrupta em relação ao seio do material, que em termos de aplicação torna o material com uma capacidade relativamente baixa de resistência ao desgaste e limitada resistência ao impacto.
Recentemente, constatou-se que problemas intrínsecos à nitretação a plasma de aços inoxidáveis podem ser minimizados ou até mesmo eliminados quando tal tratamento termoquímico é substituída pela cementação a plasma, realizada entre 350°C e 550°C. Com a difusão do carbono, há a formação de uma camada de fase S com interface mais suave.
Para os tratamentos, utilizam-se atmosferas gasosas contendo metano e hidrogênio, que sob descarga luminosa do plasma geram espécies ativadas de carbono que então são transferidas para a superfície do aço inoxidável austenítico, formando uma superfície enriquecida de carbono. A temperatura de trabalho é baixa, pois quando se usa temperatura relativamente alta, tem-se a precipitação de carboneto de cromo e resistência a corrosão afetada.
espessuras maiores que 40µm, com considerável aumento da dureza superficial e resistência ao desgaste sem que a resistência à corrosão seja comprometida.
O estudo de Bell (2002) indica que a cementação a plasma a baixas temperaturas é um processo controlado por difusão. O diagrama temperatura e tempo (T-t), também conhecido por curva potencial limite, apresentado na Figura 6 compara a curva do processo de nitretação a plasma com o de cementação a plasma em aços austeníticos AISI 316. Nota-se que houve a curva T-t da cementação está deslocada bem acima em relação a da nitretação, indicando que o processo pode ocorrer a temperaturas mais elevadas e por tempos mais prolongados em relação à nitretação a plasma, sem que haja a precipitação. A precipitação de nitretos ocorre mais facilmente porque o nitrogênio, em relação ao carbono, possui maior afinidade pelo cromo.
É importante destacar que a energia de interação do cromo e nitrogênio equivalente a 0,193ev é maior que a energia de interação entre cromo e o carbono, que por sua vez é quantificada com o valor de 0,107ev, tornando o precipitado de nitreto de cromo mais estável a temperaturas superiores. Dessa forma, como mencionado anteriormente, ocorre um deslocamento da curva para baixo. Entretanto, há consequências importantes na estrutura final das camadas endurecidas. Deve-se atentar para o menor limite de solubilidade do carbono na austenita em relação ao nitrogênio, devido ao maior raio atômico do carbono em relação ao nitrogênio. Em razão dessas evidências, Dong (2010) propôs um estudo comparativo do comportamento da fase S através dos diferentes tratamentos: nitretação a plasma, cementação a plasma e carbonitretação a plasma. Parte dos resultados desse estudo é apresentado na Figura 8.
cementação, nitretação e carbonitreção.
FONTE: Adaptado de DONG, 2010.
Devido ao maior coeficiente de difusão do carbono em relação ao do nitrogênio, após cementação a camada da fase S apresenta uma espessura maior que a camada nitretada, 20µm contra 10µm. E como esperado, as camadas possuem teores de nitrogênio superiores, cerca de 20%at, na superfície tratada em relação ao teor de carbono, próximo a 12%at. Pode-se concluir que o maior coeficiente de difusão do carbono e sua menor solubilidade favorecem a obtenção de um camada mais profunda com teores menores de átomos intersticiais nas proximidades da superfície, e teores mais elevados em relação a nitretação à medida que a camada avança para o seio do material, isto é, a camada possuirá um gradiente de composição mais suave. Note-se que o processo de carbonitretação apresenta característica intermediárias, com melhorias pouco relevantes para a formação da fase S (DONG, 2010).
Ambos os tratamentos, nitretação a plasma e cementação a plasma, possibilitam a formação da fase S livre de precipitação, mas a diferença na natureza química do processo implica em diferenças nas estruturas atômicas resultantes fundamentais para o mesmo aço inoxidável austenítico AISI 316. Portanto, na cementação a plasma, o carbono se acumula no retículo cristalino. Com isso, o teor de carbono na superfície pode atingir teores na ordem de 3,0% em massa, e decrescer gradualmente para o interior do material, exibindo um perfil de concentração típico
carbono dissolvido na austenita causa expansão da rede e a distorção do retículo. Pelo fato de o carbono estar em menor quantidade na estrutura da austenita, a expansão do retículo após cementação, assim com o nível de tensões compressivas também são menores, sendo obtida uma expansão de 3% enquanto a expansão após nitretação esse valor chega a 8%. A Figura 9 mostra típicos perfis de dureza de camadas nitretadas e cementadas a plasma em baixas temperaturas (BELL, 2002).
Figura 9-Comparação dos perfis de dureza das camadas cementados e nitretados.
FONTE: Adaptado de BELL, 2002.
3.6 CEMENTAÇÃO
A cementação consiste na introdução de carbono através de difusão, a partir da superfície do aço, em geral aço baixo carbono. Após o tratamento, o teor superficial desse elemento pode atingir até 1,0%, gradativamente reduzindo na direção do núcleo. Isso deixa o material apto a receber um tratamento térmico de têmpera, possibilitando a formação da estrutura martensítica na superfície. A adição de alguns elementos de liga, tais como Mn, Cr, Mo e Ni, colabora para ajustar na propriedade final, (SOUZA et al., 2009).
Quanto ao meio utilizado, a cementação pode ser classificada em cementação sólida (ou “em caixa”.), líquida (ou “em banho de sais”) e gasosa, com cada modalidade apresentando suas respectivas vantagens e limitações. No entanto, há um senso comum que o procedimento seja realizado a temperaturas superiores
que na cementação convencional a ocorrência de reações químicas entre espécies que possuem carbono, no estado líquido ou gasoso. Catalisadas pelo contato com a superfície do metal, essas espécies produzem carbono na sua forma livre, que então se difunde a partir da superfície da peça devido a um gradiente de composição entre a superfície e o núcleo. Em função do objetivo do processo e da profundidade desejada, pode-se ajustar temperatura e tempo de permanência, implicando em uma maior ou menor quantidade de átomos de carbono adsorvidos e posteriormente difundidos.
O objetivo da cementação convencional é a modificação parcial da composição química e da microestrutura do material, de modo que a dureza e resistência ao desgaste na superfície sejam elevadas consideravelmente, ao mesmo tempo em que o núcleo permaneça tenaz. Isso possibilita que o material suporte a aplicação de altas tensões, melhorando a sua resistência à fadiga, principalmente devido à geração de tensões compreensivas na superfície (SOUZA et al., 2009).
Cabe destacar que a aplicação de processos convencionais não é adequada aos aços inoxidáveis austeníticos em razão da alta temperatura de trabalho. Já em temperaturas próximas a 550°C ocorre precipitação de carbonetos, o que implica na sensitização do material e danos na sua capacidade de resistir à corrosão, aliado a dificuldade de estabelecer processos difusionais devido à presença da camada passiva (SOUZA et al., 2009).
3.6.1 Cementação a plasma
Para realizar a cementação em aços inoxidáveis austeníticos deve-se utilizar a técnica a plasma, onde é utilizado um forno a vácuo para aquecer o metal. Uma vez atingida a temperatura de trabalho, um mistura gasosa contendo os gases de tratamento (CH4 misturadoscom H2) é introduzida no interior da câmara. Aplica-se
uma alta tensão, da ordem de 1000 V, entre o metal (catodo) e as paredes da câmara (anodo), o que gera uma descarga luminescente na superfície do catodo
bem como suas espécies, é um dos responsáveis por reduzir os óxidos formadores da camada passiva e assim tornar a difusão de carbono mais suscetível. Portanto, a regeneração da camada passiva é suprimida pela ausência de oxigênio, pois o procedimento é realizado sob vácuo (CHAPMAN, 1980).
A pulverização catódica (sputtering) é um dos fenômenos inerentes ao processo de cementação a plasma e é provocada principalmente pela presença de argônio quando presente na atmosfera gasosa. Consiste na erosão de alguns átomos da camada superficial devido a bombardeamento de átomos ou íons, com energia suficiente, normalmente medida em elétron-volts, contribuindo para romper a camada passiva tornado ainda mais favorável à difusão (CHAPMAN, 1980).
Outro fenômeno importante observado na cementação a plasma é implantação iônica, onde os íons positivos gerados pelo plasma são acelerados em direção perpendicular á superfície do substrato (alvo) e colidem simultaneamente com todas as partes do alvo, tendo como principal vantagem o tratamento de peças tridimensionais (CHAPMAN, 1980).
Deve-se atentar para o fenômeno de efeito de borda. Sabe-se que em cementação a plasma as peças a serem tratadas estão sujeitas a elevados potenciais catódicos para que o plasma se forme diretamente na superfície. Devido a distorções do campo elétrico em cantos vivos ou bordas, conhecido como efeito de borda, o material apresenta anéis de erosão caracterizados por redução de dureza nessa região. Esse efeito aparece principalmente quando se utilizam elevadas pressões de trabalho (CHAPMAN, 1980).
Sun (2005) investigou a cinética dos processos de cementação a plasma para três tipos de aço inoxidável austenítico: AISI 316, AISI 305 e AISI 321. Os estudos foram realizados variando a temperatura de tratamento de 300°C a 600°C, o tempo de 3 a 40 h e a pressão da mistura gasosa de 2 a 10 mbar. Quando analisada a influência da temperatura constatou-se que quanto mais elevada, maior é a espessura da camada cementada, Figura 13. É importante lembrar que quando maior a espessura, maior será a capacidade do material de resistir a carregamentos que promovam o desgaste. Sun (2008) realizou uma regressão logarítmica da espessura
10, verificando que a curva apresentava aspecto linear para temperaturas inferiores à temperatura crítica de precipitação. Isso indica que a difusão atômica é governada principalmente pelo mecanismo de transferência de massa. Com o aumento da temperatura, além da difusão, ocorrem outros fenômenos como a precipitação. Em razão do aumento do consumo de carbono para formação do precipitado, há uma diminuição do gradiente de concentração e, assim, a difusão do carbono passa a ser prejudicada. Isso é percebido na Figura 11 pela perda de linearidade a partir de temperaturas superiores à crítica.
Figura 10-Variação da espessura da camada cementada em função da temperatura de cementação.
FONTE: Adaptado de SUN, 2005.
Figura 11 - Plotagem do Ln da espessura (ξ) versus 1/T.
Sun (2005) analisou também a influência do tempo, constatando novamente a presença de características que indicam a natureza difusional da cementação. A Figura 12 indica que a espessura da camada produzida no aço austenítico AISI 316 em função da raiz quadrada do tempo para diferentes temperaturas. A análise dos perfis de carbono revelou que se atinge a saturação de sua concentração após 3 h, não se verificando aumento significativo conforme se prolonga o tratamento. Este fato sugere que o desenvolvimento da camada cementada pode ser modelado de acordo com a segunda Lei de Fick, expressa pela Equação 1:
ξ=
(1)
onde: ξ é a espessura (em µm) da camada cementada, a é uma constante, D é o coeficiente de difusão e t é o tempo do processo em horas.
Figura 12-Espessura da camada cementada no aço AISI 316 em função do tempo de cementação para diferentes temperaturas.
FONTE: SUN, 2005.
Por fim, Sun (2005) considerou a influência do tipo de substrato sobre a difusão do carbono no processo de cementação a plasma. Nessa parte de seu trabalho, ele fixou para as amostras a temperatura em 475°C e os resultados das espessuras resultantes são apresentados na Figura 13. Verifica-se que a difusão, ou seja, o crescimento da camada cementada, é maior para aço AISI 316. Isso sugere que em razão dos teores de níquel e cromo serem aproximadamente iguais nos três tipos de aços inoxidáveis austeníticos, a adição de molibdênio e de menores quantidades de
Sun constatou que a resistência à corrosão da superfície tratada é superior à da matriz, verificando que a camada apresentava-se com uma coloração bem mais clara que o substrato após ataque químico para revelação microestrutural, Figura 14. Figura 13-Espessura da camada cementada em função do tempo de cementação para os aços AISI316, AISI304 e AIS321.
FONTE: Adaptado SUN, 2005.
Figura 14-Morfologia típica da camada cementada gerada na superfície do aço inoxidável AISI 316 cementada a 475°C e por 20h, com utilização do reagente Marble.
FONTE: SUN, 2005.
3.7 COMPORTAMENTO AO DESGASTE DE AÇOS AUSTENÍTICOS
Usando o ensaio de desgaste do tipo “pino sob disco, Adachi e Ueda (2013) estudaram o comportamento em desgaste de um aço inoxidável austenítico AISI 316 cementado, com e sem a pulverização sobre a sua superfície de uma camada
espessuras das camadas cementadas são maiores conforme se aumenta a temperatura de processo, variando de, aproximadamente, 5µm para a temperatura de 623K até 23 µm para a de 723K. A Figura 15 apresenta parte dos resultados de Adachi e Ueda.
Figura 15-Variação da espessura da camada cementada em função da temperatura de cementação.
Fonte: Adaptado de ADACHI e UEDA, 2013.
Como mostra a Figura 16, o uso de temperaturas de cementação muito baixas, como 623K, resulta em camadas de baixa dureza devido à formação de uma camada excessivamente fina.
A Figura 16 apresenta a variação de dureza da camada cementada com a temperatura de trabalho para as amostras de aço AISI316L sem a deposição prévia de pó, dureza de 218HV, e para aquelas que receberam na sua superfície a camada de pó, dureza de 324HV. Adachi e Ueda verificaram que em ambos os casos após cementação os valores de dureza atingem valores na faixa de 1000 HV quando se empregam temperaturas de trabalho entre 725 e 750 oC. Os autores afirmam que ocorre uma queda de dureza quando se usam temperaturas superiores a essas.
cementação.
Fonte: Adaptado de ADACHI e UEDA, 2013.
A Figura 17 apresenta os perfis de dureza das camadas cementadas na temperatura de 500 oC, tanto para as amostras com cobertura de pó quando para aquelas sem a referida cobertura. Nota-se que para ambos os casos os perfis de dureza da superfície para o interior possuem uma transição suave e contínua.
Figura 17-Perfis de dureza Knoop das amostras de aço AISI 316 L cementadas a plasma na temperatura de 500 °C.
Fonte: Adaptado de ADACHI e UEDA, 2013.
Adachi e Ueda ainda realizaram testes de desgaste com atrito, constatando que os coeficientes de atrito para ambos os casos possuem valores aproximados de
de desgaste. Para a temperatura de 500 oC, o aço que não recebeu a camada de pó apresentou valores de coeficiente de desgaste na faixa de 6,0 x 10-15m2/N, enquanto o material sem a referida cobertura de pó apresentou valores na ordem de 1,2 X 10 -15m2/N, como mostra a Figura 18.
Figura 18-Relação desgaste específico X coeficiente de atrito X temperatura de processo.
Fonte: Adaptado de ADACHI e UEDA, 2013.
De acordo com Adachi e Ueda, quando existe a cobertura de partículas de pó, a superfície especifica será maior e, consequentemente, ocorre o favorecimento da vformação de óxidos em quantidade considerável na camada cementada. Esses óxidos dificultam a difusão do carbono, tornando o material relativamente empobrecido desse elemento, quando comparado ao material sem a cobertura de pó (ADACHI e UEDA, 2013).
Neste Capítulo são descritos os procedimentos experimentais utilizados. A metodologia é similar a apresentada por Barcelos (2014) que estudou a cementação a plasma do aço inoxidável austenítico AISI 304, conforme mostra o fluxograma apresentado na Figura 19.
Figura 19-Fluxograma mostrando as principais etapas experimentais utilizadas neste trabalho.
Fonte: Adaptado de Barcelos, 2014.
4.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA E PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS
...PARA..CEMENTAÇÃO
O material utilizado para o desenvolvimento do presente trabalho se trata do aço inoxidável austenítico AISI 316 recebido na forma de uma barra cilíndrica com dimensões de 1 m de comprimento por 32 mm de diâmetro. A partir da barra foram preparadas amostras cilíndricas com espessuras aproximadas de 5 mm, sendo mantido o diâmetro original. A operação de corte foi realizada usando um torno pertencente à empresa SETORNO INDÚSTRIA MECÂNICA, preocupando-se em não permitir o sobreaquecimento do material e preservar a sua microestrutura. Em seguida, as amostras passaram por uma etapa de lixamento convencional, usando sucessivamente lixas de carboneto de silício de 80#, 180#, 220#, 320#, 400#, 600# e 1000#, e por outra etapa de polimento utilizando alumina de 1µm de granulometria.
óptica da marca Oxford Instruments, modelo Foundry-Master Pro, instalado no Laboratório de Caracterização Microestrutural do IFES, campus Vitória. A Tabela 2 apresenta a composição química do material. Pode-se ver que a sua composição química atende às especificações da norma ABNT NBR 5601, podendo assim o material ser classificado como aço inoxidável austenítico AISI 316.
Tabela 2 - Composição química do aço AISI 316 nominal e medido
Aço C Mn Si Cr Ni P S Mo AISI 316 máx 0,08 máx 2,0 máx 0,3 16-18 10-14 máx 0,045 máx 0,03 2-3 Medido 0,045 1,3 0,3 16,7 10,4 0,02 0,02 2,0 Fonte: Autor, 2017.
Para revelar a estrutura do material, foi utilizado o reagente Marble (4g CuSO4+20ml
de HCl+ 20 ml de H2O). Os ataques químicos foram realizados por imersão por
tempos de 10 segundos e para as observações foi utilizado um microscópio óptico da marca Metalux 3 da marca Leica pertencente ao Laboratório de Caracterização Microestrutural do IFES, campus Vitória. As Figuras 20 e 21 apresentam as micrografias da microestrutura do material.
Figura 20-Microestrutura do aço inoxidável austenítico AISI 316 utilizado neste trabalho; aumento de 200x, reagente Marble.
Figura 21-Microestrutura do aço inoxidável austenítico AISI 316 utilizado neste trabalho; aumento de 500x, reagente Marble.
Fonte: Autor, 2017.
4.2 EQUIPAMENTO PARA OS EXPERIMENTOS DE CEMENTAÇÃO
O reator de plasma, modelo Thor NP 5000, fabricado pela SDS, utilizado neste trabalho pertence ao Laboratório de Plasma Aplicado e Engenharia de Superfícies do IFES, campus Vitória. O equipamento, com capacidade de cementar peças de até 50 kg, Figura 22, é composto por uma câmara cilíndrica de dimensões de 700 x 500mm confeccionada de aço inoxidável cilíndrico AISI 304, sistema de vácuo, sistema de alimentação dos gases, fluxímetros para dosagem da atmosfera de tratamento, dois eletrodos (sendo o anodo as paredes da câmara e o catodo a próxima amostra a cementar), porta amostras (disco de 220X5 mm), fonte de tensão com frequência de 4 kHz, termopar e manômetro. O aquecimento das amostras ou peças é realizado através do bombardeio da superfície das amostras com íons provenientes do plasma e o controle do aquecimento é exercido através do aumento gradativo da largura do pulso (TON), que pode
Figura 22-Reator Thor NP 5000 de plasma pulsado, da marca SDS, utilizado nos experimentos de cementação do presente trabalho.
Fonte: Autor, 2017.
4.3 CONDIÇÕES DE CEMENTAÇÃO A PLASMA
Cada um dos experimentos de cementação a plasma realizados neste trabalho foi conduzido usando duas amostras do material em estudo. Antes de se atingir a temperatura de trabalho, foi realizado um pré-tratamento por sputtering a temperatura de 300ºC por 30 minutos a pressão de 200 Pa, com a finalidade de remover a camada de óxido na superfície das amostras, viabilizando a difusão do carbono nas condições estabelecidas.
Gallo e Dong (2009) e Sun (2009) encontraram variações significativas nas características das camadas cementadas em função da variação da temperatura de cementação a plasma para o aço AISI 316. Eles mostram que o uso de temperaturas de até 410°C, por tempos relativamente não muito longos, assegura a não precipitação de compostos, resultando na formação de camadas cementadas com espessuras e propriedades otimizadas.
o aprimoramento da técnica, a Tabela 3 apresentam as condições selecionadas na realização dos experimentos de cementação. Todos os experimentos foram realizados com temperatura de trabalho de 350°C e sob pressão de 340 Pa.
Tabela 3 - Condições experimentais usadas nos experimentos de cementação a plasma
TEMPERATURA (°C) CONDIÇÃO MISTURA
GASOSA TEMPO (h) PRESSÃO (Pa) Sputtering Tratamento 350 a) 5%CH4 5 200 340 95%H2 b) 10%CH4 90%H2 c) 20%CH4 80%H2 d) 30%CH4 70%H2 Fonte: Autor, 2017.
4.4 CARACTERIZAÇÃO DAS CAMADAS CEMENTADAS
Após os tratamentos termoquímicos de cementação a plasma, as amostras foram cortadas perpendicularmente a camada cementada usando discos abrasivos diamantados, em equipamento de baixa velocidade d ecorte do tipo miniton Struers. Posteriormente, as amostras foram embutidas em Baquelite, atacadas quimicamente e preparadas conforme procedimento descrito no item 4.3, e levadas ao microscópio ótico modelo Metalux 3 da marca Leica localizado no Laboratório de Caracterização Microestrutural do IFES, campus Vitória. A revelação microestrutural se deu usando água régia e, complementarmente, foram efetuadas medições de espessura das mcamadas cemnetadas em MEV modelo Inspect 550, Fei Company, instalado no Laboratório de Microscopia Eletrônica da Companhia VSB (Vallourec & Sumitomo Brasil), Jeceaba-MG. Esse procedimento foi realizado usando aumentos de 1000 x .
4.5 ENSAIOS DE DESGASTE MICROABRASIVO
Os ensaios de desgaste microabrasivo foram realizados em equipamento de microabrasão do tipo “esfera livre” (“ball-cratering abrasion test” ou “micro-scale abrasive wear test) da marca CSM Instruments, que se caracteriza pela utilização de uma esfera rotativa. As Figuras 23 e 24 apresentam fotografias do equipamemto. O ensaio consiste no desgaste da superfície a partir da superfície plana da amostra e se dá pela ação de partículas abrasivas envoltas numa esfera de aço martensítico em movimento de rotação. Com aplicação de cargas, como ilustra a Figura 24, produz-se uma cratera de desgaste cujo diâmetro aumenta progressivamente com a distância deslizada.
Para a realização dos testes, usou-se uma lama abrasiva, constituída de 75g de carbeto de silício em 100 ml de água destilada, com três gotas que caiam a cada segundo sobre a interface esfera / superfície da amostra. A esfera utilizada possui de diâmetro 25,4mm, e a carga exercida sobre a amostra foi regulada mediante a inclinação do porta- amostras, de maneira tal que em todas as condições essa carga foi fixada em 0,3N. O controle e medida de carga se deu com o uso de uma célula de carga e a velocidade de rotação do eixo do motor utilizada foi de 150rpm, Figura 28.
Os valores de diâmetro das calotas foram registrados a cada 750 voltas, até um total de 4.500 voltas.
Para distâncias deslizadas menores, o regime de desgaste ainda se encontra em regime transitório. Por isso, os ensaios foram realizados até que se atingir o regime de desgaste permanente, o que tornou possível a determinação do coeficiente de desgaste microabrasivo.
As medições dos valores dos diâmetros das calotas são necessárias para os cálculos do volume desgastado. Para cada distância deslizada usando a equação 3 foram determinados os valores de volumes de desgaste (V) mediante a seguinte Equação:
onde: b , diâmetro da calota de desgaste dado em mm e R, raio da esfera utilizada dado em mm.
A determinação dos valores de coeficiente de desgaste (K), dado em (m2.N-1) foi feita usando a Equação (4):
(4)
onde: Fn, carga de ensaio e S, distância de deslizamento.Assim, em função das distâncias deslizadas foram traçadas as curvas de desgaste
Utilizou-se microscópio confocal da marca Leica DCM 3D, pertencente ao Laboratório de Caracterização de Materiais do IFES, campus Vitória, para as análises das superfícies de desgaste das amostras após ensaios de desgaste. Complementarmente, foram feitas análises por perfilometria de contato.
Figura 23-Sistema de quantificação do desgaste CALOWEAR/CSM, através de microimagem da calota de desgaste.
Fonte: Autor, 2017.
Figura 24-Mecanismo de desgaste do sistema, motor, esfera, fixador e célula de carga.
Fonte: Autor, 2017.
Figura 25-Painel do Calowear com medidor de carga, contador de ciclos, partida e parada do motor e bomba peristáltica.
Fonte: Autor, 2017.
4.6 ENSAIOS DE MICRODUREZA VICKERS
Os ensaios de dureza foram conduzidos em equipamento DUH-211S (Dynamic Ultra Micro Hardness Tester) fabricado pela SHIMADSU, apresentado na Figura 26, pertencente ao Laboratório de Caracterização Microestrutural do IFES, campus Vitória. As cargas de indentação usadas foram de 10 mN com espaçamentos de indentação de 0,1 mm. As amostras para esses ensaios foram cortadas e embutidas transversalmente de maneira tal que foi possível traçar os perfis de dureza das camadas cementadas a partir do topo (superfície cementada) para o centro da
foram repetidos por três vezes, de modo que os resultados apresentados correspondem às médias aritméticas dessas medidas.
Figura 26-Ultra-microdurômetro DUH-211S/ SHIMADSU.
Fonte: Autor, 2017.
4.7 DIFRAÇÃO DE RAIOS X
Para identificar por difração de raios X (DRX) as fases presentes, realizou-se uma etapa de polimento leve das superfícies das amostras com a lixa 800#, o que permitiu a remoção de eventuais sujeiras na superfície, seguida de outra etapa de limpeza com acetona das superfícies. Essas análises foram realizadas no Laboratório de Engenharia de Superfície do do IFES, campus Vitória, usando difratômetro de raios X modelo D8 Phaser, da fabricante BRUKER, ilustrado na Figura 27.
Figura 27-Difratômetro modelo D8 Phaser/BRUKER.
Nesse capítulo são apresentados os resultados, bem como a sua discussão, das caracterizações e ensaios efetuados no aço inoxidável austenítico AISI 316 cementado a plasma sob as diferentes condições experimentais.
5.1 ESPESSURA DE CAMADA
A Figura 28 apresenta as micrografias das camadas cementadas nas diferentes condições de atmosfera gasosa e a Figura 32 mostra os valores de espessura dessas camadas em função do teor de metano usado na atmosfera de tratamento. Verifica-se que os valores de espessura respectivos às camadas cementadas formadas com 5%, 10%, 20, e 30%CH4 são de 5,1 µm, 3,8 µm; 1,7 µm e 1,4 µm.
Figura 28-Microscopia óptica (MO) das camadas cementadas obtidas com: (a) 5% de metano, (b) 10% de metano, (c) 20% de metano, (d) e 30% de metano.
Figura 29- Microscopia de MEV das camadas cementadas obtidas com: (a) 5% de metano, (b) 10% de metano, (c) 20% de metano, (d) e 30% de metano.
Fonte: Autor, 2017.
A Figura 30 mostra a variação da espessura em função da quantidade de CH4
adicionado à atmosfera d etratamento. Os resultados das medições de espessura mostram que ocorreram restrições no crescimento da camada com o aumento da concentração de CH4 na atmosfera de tratamento. É muito provável que isso esteja
associado ao aumento da quantidade de fuligem que se deposita nas superfícies das amostras. Observou-se que o material de fuligem, de coloração escura e gorduroso, é formado por diminutas partículas que se depositam sobre as superfícies das amostras. As camadas de fusigem devem agir como uma barreira antidifusiva, mitigando ou mesmo bloqueando a entrada por difusão do carbono, elemento cuja presença é imprescindível na formação da camada cementada.
atmosfera de tratamento.
Fonte: Autor, 2017.
5.2 FASES PRESENTES NAS CAMADAS CEMENTADAS
Os difratogramas de raios X das camadas cementadas geradas nas superfícies das amostras de aço inoxidável austenítico AISI 316 são apresentados na Figura 31. Verifica-se que a única fase evidenciada na superfície do material não cementado é a austenita.
Para todas as condições de cementação aqui estudadas, nota-se o deslocamento dos picos de difração para ângulos menores em relação àqueles da austenita. Isso denota que a camada cementada formada se constitui de fase S, que é uma solução sólida de Fe supersaturada por átomos de nitrogênio.
Nas camadas geradas usando baixas concentrações de CH4 na atmosfera gasosa, 5
e 10% de CH4, não se evidenciou a presença de quaisquer tipos de carbonetos. As
únicas fases identificadas foram a austenita presente no substrato e a fase S da camada cementada.
da presença de austenita do substrato, ocorreu a precipitação de carboneto de cromo (CrC).
Portanto, não se recomenda o uso de altas concentrações de CH4 na atmosfera
cementante, visto que as camadas são finas, o que pode resultar em camadas com menores resistências ao desgaste. Além disso, devido à presença de precipitados de CrC, é bem reconhecida na literatura o baixo desempenho quanto à corrosão de camadas contendo esse tipo de precipitado (BELL, 2002),
Figura 31-Difratograma de raios X do aço inoxidável austenítico AISI 316 cementado usando atmosferas com diferentes concentrações de CH4.
A Figura 32 apresenta os perfis de dureza das camadas cementadas geradas sob as diferentes atmosferas de cementação, ressaltando-se que a amostra de controle possui dureza aproximada de 220 HV0,01. Os perfis foram determinados a partir da
superfície até que se alcançassem valores aproximados de 220 Hv0,01.
Verifica-se que a camada produzida sob atmosfera contendo 5%CH4 possui valor de
dureza de topo na faixa de 335 Hv0,01, enquanto para as demais camadas
cementadas os valores de dureza de topo se situam em torno de 305 Hv0,01. A total
ausência da película de fuligem, que é uma barreira anti-difusiva, provavelmente favoreceu uma maior penetração de carbono na amostra cementada com 5% CH4,
em comparação com as amostras cementadas sob atmosferas com 10, 20 e 30 % CH4. Dessa forma, infere-se que atmosferas contendo baixas adições de CH4
permitem uma penetração mais efetiva do carbono, o que resulta em camadas possuindo (i) maiores valores de dureza de topo, (ii) transições menos abruptas de dureza, ou seja, curvas de endurecimento mais suaves, e (iii) maiores profundidades ou espessuras.
Figura 32-Perfis de dureza das camadas cementadas obtidas usando diferentes concentrações de CH4 na atmosfera cementante.
5.4 RESISTÊNCIA AO DESGASTE MICROABRASIVO E MECANISMOS DE
...DESGASTE DAS CAMADAS CEMENTADAS
Para avaliar a resistência ao desgaste das camadas cementadas produzidas sob atmosferas de cementação contendo diferentes concentrações de CH4, os ensaios
de desgaste, bem como os procedimentos de determinação do volume e do coeficiente de desgaste, foram realizados seguindo procedimento experimental descrito na Seção 4.6 do Capítulo anterior.
A Figura 33 apresenta, após distâncias deslizadas de 200 m, a variação do coeficiente de desgaste das camadas cementadas em função da concentração de CH4 usado na atmosfera de cementação.
Para as amostras não cementadas, os valores do coeficiente de desgaste (K) determinados experimentalmente foram de aproximadamente 1,65 x 10-12 m2/N. Com a adição de 5% de CH4 à atmosfera de tratamento, verifica-se uma queda
substancial nos valores de K, que chega a 1,36 x 10-12 m2/N.
Aumentando a concentração de CH4 para 10%, nota-se uma leve perda na
resistência ao desgaste abrasivo adquirida, uma vez que os valores de K são de 1,40 x 10-12 m2/N. Acréscimos nas quantidades de CH4 à atmosfera de cementação,
para 20 ou 30 %, levaram a uma diminuição significativa na resistência aos desgaste do material, obtendo-se valores K situados na faixa de 1,5 x 10-12 m2/N. A resistência ao desgaste abrasivo em termos de volume de desgaste é apresentada na Figura 37. Após distância deslizada de 200 m, observa-se que o volume de desgaste apresenta comportamento similar ao observado para o coeficiente de desgaste. Há uma diminuição nos valores de volume de desgaste quando adicionadas pequenas quantidades de CH4 à atmosfera de cementação (5%
de CH4). Em contrapartida, ocorre uma perda na resistência ao desgaste quando se
