CARACTERIZAÇÃO SUPERFICIAL DE AMOSTRAS DE FERRO PURO
ENRIQUECIDAS COM CROMO DURANTE A SINTERIZAÇÃO POR PLASMA
H.C. Pavanati, J.L.R. Muzart, A.N. Klein, A.M. Maliska
Campus Universitário – Trindade – Florianópolis – SC – Caixa Postal 476 – CEP 88040-900 pavanati@pg.materiais.ufsc.br
Universidade Federal de Santa Catarina – Depto de Engenharia Mecânica - LabMat
RESUMO
Amostras de ferro puro foram sinterizadas em descarga elétrica em regime anormal utilizando a configuração ânodo- cátodo confinado. Nesta geometria as amostras são posicionadas sobre o ânodo da descarga sendo esta envolvida por um cátodo metálico. As amostras foram aquecidas por radiação térmica proveniente do cátodo submetido ao bombardeamento de íons e átomos neutros rápidos, criados na bainha catódica. Neste trabalho o cátodo é constituído de aço inoxidável ferrítico (ABNT 430). Amostras de ferro puro foram sinterizadas a 1150ºC variando a energia dos íons, resultando numa mudança da taxa de pulverização catódica. A temperatura foi ajustada variando- se o tempo ligado/desligado da fonte de potência usada para gerar a descarga. A caracterização microestrutural mostra que as amostras podem ser eficientemente sinterizadas. Além disso, com esta configuração, em razão da pulverização catódica de átomos, foi observada a deposição de Cr sobre a superfície da amostra simultaneamente à sinterização. Na temperatura de processamento, o Cr depositado, por difusão, forma uma camada enriquecida com este elemento.
Palavras-chave: Metalurgia do pó ferrosa, Sinterização por plasma, Pulverização catódica.
INTRODUÇÃO
Estudos envolvendo a metalurgia do pó (M/P), vêm continuamente apresentando significativa evolução no que se refere à etapa de sinterização. A sinterização por plasma pode ser considerada como um processo alternativo, substituindo eficientemente a rota convencional de tratamento (1), (2).
Em muitas aplicações as características superficiais apresentam uma importância relevante no desempenho dos componentes obtidos via M/P. Por este motivo é importante obter uma melhoria de performance dos componentes sinterizados através da modificação da composição superficial. Deste modo obtém- se uma otimização de propriedades na região de interesse, no caso, a superfície. Neste sentido a sinterização por plasma torna-se uma ferramenta de grande interesse, pois, simultaneamente à etapa de sinterização, tem-se a possibilidade de se realizar a adição elementos de liga na região superficial do material. Este processo torna-se viável, utilizando um cátodo de mater ial conveniente durante a sinterização na configuração ânodo-cátodo confinado.
O cromo mostra-se como um elemento químico de interesse quando o tratamento termoquímico de nitretação é conveniente para aumentar a resistência ao desgaste. De fato, por ser um elemento de elevada afinidade com o nitrogênio, camadas de alta dureza podem ser obtidas, propriedade esta, requerida em várias aplicações (3), (4).
Este trabalho mostra a caracterização superficial de amostras sinterizadas e enriquecidas superficialmente com cromo durante o processamento de sinterização em descarga elétrica anormal. Utilizou- se um cátodo de aço inoxidável ferrítico (ABNT 430) a fim de se obter um enriquecimento de Cr numa camada superficial da amostra.
MATERIAIS E MÉTODOS
As amostras foram produzidas a partir de pó de ferro atomizado DC177 da Hoganas do Brasil Ltda. Adicionou- se ao pó 0,6% em peso de estearato de zinco como lubrificante. A mistura foi
MPa em matriz uniaxial de duplo efeito, obtendo-se amostras com 9,5 mm de diâmetro, 6 mm de altura e densidade à verde de, aproximadamente, 6,9 g/cm3.
A sinterização foi processada num reator constituído de um cilindro de aço inoxidável ABNT 310 com 300 mm de diâmetro e 300 mm de altura, possuindo duas janelas laterais para observação da descarga elétrica. As partes superior e inferior constituíam-se de placas do mesmo material, de 15 mm de espessura sendo que os passadores de tensão, conex ões de vácuo, medidores de pressão e temperatura foram adaptados na placa inferior. O plasma foi gerado por uma fonte pulsada de 5 kW de potência com período de pulso de 240 µs. A tensão negativa da fonte foi conectada ao cátodo.
Figura 1. Esquema da configuração ânodo-cátodo confinado.
Na configuração ânodo- cátodo confinado, o cátodo é polarizado negativamente e a amostra é colocada sobre o ânodo, aterrado. O cátodo foi construído a partir de uma chapa de aço inoxidável ABNT 430 com 1 mm de espessura, calandrado de tal forma a obter um cilindro com 35 mm de diâmetro interno e largura de 60 mm. Além do Fe e Cr (16% em peso), os demais elementos químicos que compõem o cátodo estão presentes em concentrações inferiores a 1% (Si, Mn, Nb). A figura 1 mostra a configuração utilizada na sinterização.
A retirada de lubrificante foi realizada em reator de plasma no mesmo ciclo da sinterização. A remoção foi realizada a 350ºC durante 30 minutos em fluxo de 3,33 x 10-6 m3/s (200 sccm) de H2 ultrapuro mantendo a pressão em 400 Pa (5).
As amostras foram sinterizadas por plasma a 1150ºC durante 1 hora. O fluxo de gás utilizado para o processamento foi de 4 x 10-6 m3/s, sendo 80% argônio (pureza 99,999%) e 20% hidrogênio (pureza 99,998%). O ajuste da mistura gasosa e o controle do fluxo total foram realizados por fluxímetros com 8,3 x 10-6 m3/s de fundo de escala. A pressão do sistema, medida por um sensor capacitivo com fundo de escala de 13300 Pa (100 Torr) foi mantida constante, utilizando- se uma válvula manual. A energia de bombardeamento dos íons pôde ser variada alterando- se os valores de tensão de pico da fonte pulsada, 400, 500, 600 e 700 V. O tempo ligado foi mantido em 150 µs para todas as tensões e a escolha da temperatura foi realizada ajustando a pressão c onforme a tabela I.
Tabela I – Parâmetros de sinterização para distintas energias de bombardeamento. Tensão de pico (-V) 400 500 600 700
Pressão (Pa) 2806 1305 800 533
A caracterização superficial foi realizada utilizando-se microscopia ótica (Carl Z eiss), microscopia eletrônica de varredura – MEV (Philips XL30) com auxílio de microssonda de análise de energia dispersiva – EDX (Philips EDAX).
Na figura 2 são apresentadas micrografias das superfícies (topo) de amostras sinter izadas por plasma a 1150ºC durante 1 hora utilizando-se tensão de pico de 700 V e tempo ligado de 150 µs. Na figura 2a foi usado um cátodo de aço ABNT 1020 e 2b, de aço ABNT 430. Comparando as micrografias, observa-se que a sinterização foi significativamente mais ativada quando é usado o cátodo de aço inoxidável.
(a) (b)
Figura 2. Micrografias das superfícies das amostras sinterizadas por plasma: (a) cátodo de ABNT 1020 (b) cátodo de ABNT 430.
Quando as amostras foram sinterizadas por plasma, com a amostra colocada no ânodo, utilizando cátodo de aço inoxidável ferrítico observou-se um depósito de cromo sobre a superfície. Os átomos de cromo e de ferro (∼16% e 83% em peso, respectivamente) arrancados do cátodo e depositados sobre a superfície tende m a se difundir para o interior da amostra devido ao gradiente químico formado. Ao mesmo tempo ocorre a difusão de ferro do substrato para a camada depositada.
Após um corte longitudinal, o perfil de concentração de cromo foi medido com o auxílio de EDX medindo- se uma área de aproximadamente 4 µm x 4 µm (figura 3a). A micrografia da seção longitudinal da amostra sinterizada com tensão de 600 V, é mostrada na figura 3b. É claramente observada a presença de uma camada superficial que corresponde a um valor e m torno de 10 a 11% na concentração de cromo (figura 3a). Na etapa de revelação da microestrutura o reagente (nital 2%) não foi capaz de atacar as regiões com teores de cromo mais elevados, sendo possível, então, evidenciar parte da camada contendo em torno de 10% de cromo.
(a) (b)
Figura 3. Caracterização da camada depositada. (a) Perfis de concentração de cromo; (b) micrografia de amostra sinterizada a 1150ºC por 1 hora, 600 V, 150 µs
A presença deste patamar pode ser atribuída à estabilização da fase ferrítica na temperatura de sinterização (figura 4), em razão do teor de cromo depositado. A difusão de Cr e Fe em matriz ferrítica é em torno de 100x maior do que em matriz austenítica para a temperatura de 1150ºC. Devido a esta elevada taxa de difusão, átomos de Cr depositados difundem- se para o substrato e, simultaneamente, átomos de Fe da matriz autenítica difundem-se em direção ao depósito, fazendo com que o seu teor de Cr permaneça aproximadamente constante até uma determinada profundidade. O fato de se ter maior coeficiente de difusão na camada superficial explica a existência de um patamar de concentração de cromo em torno de 10% bem como sinterização ativada na superfície (Figura 2) quando é usado o cátodo de aço inoxidável.
Figura 4. Diagrama binário Fe - Cr indicando a faixa de composição química da camada formada durante a sinterização para a temperatura de trabalho
Fazendo-se a sinterização em função da tensão de pico aplicada ao cátodo, mantendo- se fixa a temperatura e o tempo ligado (ton) da fonte, pode-se ter uma estimativa da relação de energia de bombardeamento aplicada nestas condições. Entretanto, como o ton da fonte foi mantido constante, houve a necessidade de se variar a pressão do gás no sistema a fim de manter a temperatura a 1150ºC para as diferentes tensões aplicadas (tabela I).
A energia dos íons que bombardeiam o cátodo não depende somente da tensão aplicada, mas também do número de colisões na bainha catódica (6):
Eions ∝ V / número de colisões na bainha catódica ( 1 )
O número de colisões dos íons com átomos ou moléculas do gás é proporcional à largura da bainha “d” e inversamente proporcional ao livre percurso médio dos íons. Como o livre percurso médio é inversamente proporcional à pressão “p” da descarga, tem-se:
Número de colisões na bainha catódica ∝ p*d ( 2 ) Assim, pode- se dizer que:
Utilizando-se resultados obtidos por Güntherschulze em 1930, apresentados por Von Engel (7), pôde- se obter uma função de p*d em relação à tensão aplicada para uma descarga de hidrogênio e argônio. Estes resultados são mostrados na figura 5, estando identificados como quadrados vazios. Os valores de tensão aplicada e pressão do gás, dos experimentos realizados, foram sobrepostos convenientemente sobre a curva (identificação em forma de cruz). Desta forma, pode-se obter o produto p*d correspondente à pressão e tensão aplicada na sinterização e assim, calcular um valor aproximado proporcional à energia dos íons bombardeando o cátodo (tabela II). Este cálculo é válido para a energia de bombardeamento iônico, ou seja, influi diretamente na taxa de arrancamento de átomos do cátodo. A amostra se encontra sobre o ânodo a uma distância de, aproximadamente 7mm do cátodo. Átomos arrancados deste necessitam per correr a distância entre os eletrodos para que se depositem sobre a amostra. Entretanto estes átomos sofrem um determinado número de colisões com átomos do gás, podendo ocorrer um desvio de trajetória, e conseqüentemente, obter -se uma redução na taxa de deposição.
Figura 5. Variação do produto p*d em função da tensão aplicada ao cátodo (7) e a pressão necessária para manter a temperatura de sinterização a 1150ºC.
Como o livre percurso médio dos átomos é inversamente proporcional à pressão do gás, considerando a distância entre o cátodo e a amostra e a pressão de trabalho, pode- se estimar o número aproximado de colisões sofridas por um átomo arrancado do cátodo durante a sua trajetória até o ânodo (6). Os valores calculados são mostrados na tabela II.
Tabela II – Variação do produto p*d, V*(p*d)-1, número de colisões e largura de camada em função da pressão de sinterização Tensão (- V) 400 500 600 700 Pressão (Pa) 2806 1305 800 533 p*d (Pa.mm) 296 203 192 154 V (p*d)-1 (V.(Pa.mm)-1) 1,35 2,46 3,13 4,54 Nº de colisões 1800 710 540 350 Largura da camada (µm) 0 16 ± 2 15 ± 1 24 ± 2
Desta forma, estima-se que, a energia de bombardeamento sobre o cátodo no processamento de sinterização realizado sob tensão de pico igual a 700 V é cerca de 3,4 vezes maior do que quando realizado a 400 V. Além do fato do cátodo receber menor energia de bombardeamento a 400 V, os
quando sinterizados a 700 V, fazendo com que a perda de átomos provenientes do cátodo seja maior.
Este fator pode ser claramente observado através dos perfis de concentração obtidos (figura 3a) e dos valores da largura da camada medidos (tabela II). Para as amostras processadas a 400 V não houve a formação de camada em razão provavelmente, do menor teor de Cr depositado. Neste caso a difusão foi controlada pelo coeficiente de difusão do Cr na austenita. Para as amostras processadas a 700 V obteve-se, em média, uma camada de 24µm, podendo-se observar a presença de Cr até uma profundidade de 50 µm.
CONCLUSÕES
Os resultados mostram que é possível adicionar cromo como elemento de liga eficientemente através da sinterização por plasma. Através do perfil de concentração, observou-se a formação de uma camada com teor de cromo em torno de 10% em peso, e profundidade de 15 a 25 µm. A formação desta camada é atribuída à estabilização da fase ferrítica na temperatura de ensaio, para amostras sinterizadas utilizando- se tensão de pico de 500, 600 e 700 V. Devido à mai or difusividade do Cr e Fe na fase ferrítica, em relação à austenítica, na mesma temperatura, obteve- se uma sinterização ativada na superfície. Para as amostras processadas a 400 V não se observou a formação do patamar com 10% em peso de cromo, devido à relativa baixa energia de bombardeamento dos íons no cátodo e ao grande número de colisões ocorridas no caminho percorrido entre cátodo e amostra.
REFERÊNCIAS
1. V. J. Batista, R. Binder, A. N. Klein, J. L. R. Muzart, Int. J. of Powder Metall. 34, 8 (1998) 55 2. S.F. Brunatto, I. Kühn, J.L.R. Muzart, Materials Research, 4, 4 (2001) 245.
3. T. Spalvins, J. Vac. Sci. Technol. A 3, 6 (1985) 2329-2333.
4. A. Molinari, T. Bacci, P. Campestrini, M. Pellizzari, B. Tesi, Powder Metallurgy 42, 2 (1999) 119 5. M. A. dos Santos, R. C. Perito, J.L.R. Muzart, A. M. Maliska. Anais do 3rd International Latin-American Conference on Powder Metallurgy, Florianópolis, Novembro de 2001, em CD- ROM. 6. B. Chapman, Glow Discharge Processes: Sputtering and Plasma Etching, First Edition, John
Wiley & Sons, New York, 1980 p.100
SURFACE CHARACTERIZATION OF UNALOYED IRON WITH CHROMIUM ENRICHMENT DURING PLASMA SINTERING
H.C. Pavanati, J.L.R. Muzart, A.N. Klein, A.M. Maliska
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Universidade Federal de Santa Catarina – Depto de Engenharia Mecânica - LabMat
ABSTRACT
Samples were sintered in abnormal glow discharge using the confined anode-cathode configuration. The samples were placed onto the anode of a discharge surrounded by a metallic cathode. The samples were heated by thermal radiation from the cathode, which was submitted to bombardment of strongly accelerated ions and fast neutrals atoms created in the cathode sheath. In this work the cathode consisted of ferritic stainless steel (AISI 430). Unalloyed iron samples were sintered at 1150ºC varying the energy of ions striking the cathode, in order to attain a variation of the sputtering rate. The temperature was adjusted by varying the time switched on of the pulsed power source used to generate the discharge. The microstrutural characterization shows that the samples may be successfully sintered. In addition, due to the atoms sputtered, it was observed a chromium deposition onto the sample surface simultaneously to the sintering process. Furthermore, at the treatment temperature a layer containing Cr was formed by diffusion.
