ISSN 1517-7076 http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10658Revista Matéria, v. 10, n. 2, pp. 273 – 283, Junho de 2005
Estudo do Gradiente Térmico no Processo de Nitretação a Plasma
J. A. Lima ¹, C. Alves Jr ¹, C. A. dos Santos ²¹ Departamento de Física – UFRN, Campus Universitário, 59072-970 Natal, RN, Brasil e-mail: anchieta@cefetrn.br, alvesjr@dfte.ufrn.br
² Instituto de Física UFRGS, C.P. 15051, Campus do Vale 91501-970 Porto Alegre, RS, Brasil e-mail: cas@if.ufrgs.br
RESUMO
Neste trabalho, amostras de aço carbono AISI 1010 foram nitretadas em atmosfera de 20%N2:80%H2 a 500 Pa e temperaturas de 500º e 580ºC. Com o objetivo de estudar a influência do gradiente
térmico na formação da estrutura e propriedades da camada nitretada as amostras foram caracterizadas por microscopia ótica, difratometria raios-X, microscopia eletrônica de varredura e microdureza. A diferença de temperatura entre a superfície bombardeada e uma distância de 4 mm da mesma é maior do que 10% da temperatura nominal de tratamento. Em todas as amostras foi constatado, na zona de compostos, a presença das fases γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N. O gradiente de temperatura gerado durante o processo de nitretação a plasma
produziu camadas nitretadas com características estruturais e propriedades diferentes daquelas associadas a temperatura nominal de tratamento.
Palavras chaves: Nitretação a plasma, gradiente térmico, microestrutura.
Thermal Gradient Study in the Plasma Nitriding Process
ABSTRACT
T In this work, AISI 1010 steel samples were plasma nitrided in an atmosphere 20%N2:80%H2 at a
pressure of 500 Pa. The nitridind was performed at temperatures of 500 ºC e 580 ºC for 2 hs. With the objective of studying the influence of the thermal gradient in the structure and properties of the AISI 1010 steel samples were characterized by optical and electron microscopy, X-ray diffraction and microhardness tests. The thermal gradiend between the bombarded surface by energetic ions and a place into the sample, precisely, at 4 mm from the surface is rather more than 10% about the treatments nominal temperature. In all of the samples was verified in the compound zone the presence of the γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N phases. The thermal
gradient generated during the plasma nitriding process produced nitrided layers with structural characteristics and properties different from those associated the nominal treatment temperature.
Keywords: Plasma nitriding, thermal gradient, microstructure.
1 INTRODUÇÃO
Durante as últimas décadas houve um grande avanço na área de modificação de superfície estimulado pela competitividade industrial. A exigência de aumento constante da produtividade pela indústria conduz à fabricação de máquinas de alta rotação e capacidade de carregamento. Os componentes mecânicos que constituem esses equipamentos, por sua vez, devem possuir uma alta resistência mecânica e tribológica de modo a propiciar uma maior vida útil aos mesmos. A modificação da superfície destes componentes mecânicos, com o melhoramento da dureza e resistência ao desgaste, vem atender a essa necessidade. Um dos muitos processos conhecidos de modificação de superfície é o de nitretação a plasma ou nitretação iônica. Este processo modifica as propriedades da superfície, usando o plasma para introduzir nitrogênio na superfície de um metal com uma subseqüente difusão no material [1].
Além de versátil, devido a obtenção de propriedades e espessuras diferentes da camada nitretada com a mudança dos diversos parâmetros, o processo de nitretação iônica possui uma boa reprodutibilidade. A característica de reprodutibilidade do processo aumenta à medida que o mecanismo da nitretação é esclarecido. Vários estudos foram conduzidos com o objetivo de esclarecer o mecanismo da nitretação iônica [2-5]. O entendimento dos mecanismos reais da nitretação da superfície por plasma é de grande importância, pois possibilita prever as propriedades finais de peças tratadas, facilitando a especificação dos parâmetros do processo da nitretação a plasma. Um dos fatores que contribui para predizermos as propriedades a serem
obtidas no processo de nitretação de aços é o conhecimento da relação entre os parâmetros de processo, composição e estrutura da camada nitretada.
Um parâmetro de grande importância para o controle do processo de nitretação é a temperatura de tratamento. No entanto, na literatura, há divergências na correspondência entre a temperatura nominal (temperatura de tratamento medida) e as características da camada nitretada obtida. Por exemplos, trabalhos publicados por Marchev et al [6-7], Li [8] e Sun et al [9] divergem na correspondência entre temperatura de tratamento e composição obtida da camada nitretada do aço austenítico AISI 316. Williamson et al [10], destacaram divergências em uma coletânea de trabalhos sobre a nitretação iônica de aços inoxidáveis austeníticos nos quais encontrou espessuras de camada nitretada maiores que as comumente obtidas para a temperatura a que esses trabalhos se referiam. Atentos a esse problema De Ataíde et al [11], estudaram o efeito da nitretação em amostras de aço usinadas em diferentes alturas e concluíram que as amostras mais altas tendem a produzir, na superfície do topo da amostra, espessura de camada maior com fases que são formadas em temperaturas maiores àquela medida durante o tratamento. Os autores sugerem que a temperatura de tratamento, na superfície de topo, é maior que a medida durante o tratamento. Sabemos que esta sugestão é pertinente, pois no processamento a plasma o bombardeamento iônico produz o aquecimento da superfície e, simultaneamente, esse calor absorvido é transmitido para toda a peça. Souza Jr. e Alves Jr. [12], estudaram a taxa de aquecimento em amostras de pó de Cu e Ni compactados, submetidas ao bombardeamento iônico, e constataram um gradiente térmico entre a superfície e o volume da amostra. Este gradiente, quando no tratamento de nitretação a plasma, pode influenciar na formação da camada. São resultados que nos levam a crer no fato de que não só falta uniformidade no modo de medir a temperatura durante o processamento a plasma mas também um método eficaz que nos possibilite obter o valor da temperatura o mais real possível. Um método correto de medição facilita a predição das características da camada em função dos parâmetros de processo, particularmente da temperatura, permitindo a construção de modelos do processo de nitretação mais próximos do real.
Com o objetivo de estudar o gradiente de temperatura existente entre a superfície nitretada e o volume do substrato, durante o processamento a plasma, foi nitretado o aço carbono AISI 1010 nas temperaturas comumente utilizadas neste processo.
2 DETALHES EXPERIMENTAIS
Amostras de aço carbono AISI 1010 foram usinadas em forma de disco com diâmetro de 16 mm e altura de 4 mm e depois recozidas. As amostras foram limpas em ultra-som imersas em acetona. As amostras foram nitretados a plasma por 2 horas, pressão 500 Pa na temperatura de 500ºC e 580ºC. A temperatura nominal de tratamento foi monitorada por um termopar localizado a 4 mm abaixo da superfície bombardeada pelo ions. Após o tratamento, as amostras foram resfriadas no porta amostra.
A camada nitretada foi caracterizada através de microscópio ótico da marca OLYMPUS, modelo BX60-M microscopia ótica. As amostras foram atacadas com reagente nital 2%, e com uma solução de 100 ml de água e 3 g de metabisulfeto de potássio.
A difratometria de raios-X foi realizada com a geometria Bragg-Brentano e ângulo rasante no difratômetro do IF-UFRGS (Siemens D500), equipado com um monocromador de grafite e radiação CuK (λ = 1.5406 Å). Para geometria Bragg-Brentano, os difratogramas foram obtidos com uma varredura angular 2θ entre 30 a 100º, com passo de 0,05º, tempo de contagem fixo em 2 s por ponto. Quando na geometria de ângulo rasante o passo utilizado foi de 0,02º e tempo de contagem de 4 s para um ângulo fixo de incidência de 1º. Na caracterização da camada em função de sua profundidade, realizou-se o desgaste progressivo da superfície da amostra. O desgaste foi realizado com lixas 400, 600 e 1000 mesh até atingir a região de onde a análise foi requerida. A espessura da amostra foi controlada com um micrômetro de resolução igual a 1 μm.
A dureza das amostras foi medida na superfície tratada e no perfil da camada nitretada utilizando-se um microdurômetro digital marca SHIMADZU, modelo HMV-2, localizado no Laboratório de Caracterização Metalográfica e Dureza - UFRN. Foram realizadas 5 (cinco) medidas em cada posição. As indentações foram realizadas em posições aleatórias, mantendo-se uma distância mínima, entre cada indentação, de três vezes a diagonal da indentação anterior. Aplicou-se uma carga de 25 g durante 20 segundos.
Um microscópio eletrônico da marca PHILIPS e modelo XL-30 ESEM foi utilizado para observar a microestrutura das amostras com a técnica SEM. O microscópio eletrônico utilizado pertence ao Laboratório de microscopia eletrônica – UFRN.
O perfil de temperatura foi medida em três posições diferentes na amostra. Foram feitos três furos em uma amostra de 4,5 mm altura, a partir da superfície inferior da mesma, com diâmetro 1,5 mm e profundidades de 4,4 mm, 2,5 mm e 0,5 mm. Os furos foram realizados em uma fresadora CNC da ROMI com resolução, na execução, de furos de 0,005 mm (5 μm). Com esta configuração de furos foram inseridos três termopares, indicados na Figura 1, na amostra com as distâncias da superfície superior de 0,1 mm, 2 mm
e 4 mm. O ângulo da ponta de contato dos termopares é menor do que 120º de modo que o contato entre esta e a superfície interna do furo foi o máximo possível. Considerou-se como temperatura de referência (medida nominal) àquela medida pelo termopar 3, ou seja, o termopar localizado a 4 mm de distância da superfície superior.
A amostra foi aquecida até o termopar de referência atingir a temperatura de tratamento (500 ºC e 580 ºC) e mantida nesta temperatura por 30 minutos. O perfil da temperatura com a profundidade da amostra foram ajustados com uma função exponencial descrita pela equação 3.3.
t / x 0
Ae
T
T
=
+
− (1)onde: To é a temperatura mínima; A é a amplitude (diferença entre a temperatura máxima e mínima); t é
constante de decaimento; x é a profundidade da amostra.
Figura 1: Disposição esquemática dos termopares para medição do perfil de temperatura na amostra.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A camada nitretada produzida nas amostras tratadas a 500 ºC é constituída de uma zona de compostos e uma zona de difusão com espessura total de 300 μm. Esse valor de espessura de camada esta de acordo com os valores obtidos por Berg et al [13] que nitretaram este aço em condições semelhantes a utilizada neste trabalho. Com relação ao aspecto microestrutural, verifica-se o surgimento de duas faixas distintas na zona de difusão: a primeira, sem precipitação de nitretos (zona de difusão 1), possui uma espessura de aproximadamente 30 μm e a segunda é caracterizada pelo aparecimento de Fe4N com uma
espessura aproximada de 270 μm, conforme mostrado na Figura 2. Ainda nessa última zona, observa-se, próximo à interface com a região não nitretada, a presença de pequenos precipitados que podem ser Fe16N2.
A região onde coexistem Fe4N, Fe16N2 e perlita é mostrada com maiores detalhes pela micrografia eletrônica
Figura 2: Micrografia óptica da amostra nitretada a 500ºC.
Figura 3: Micrografia eletrônica da região onde coexistem as fases Fe4N, Fe16N2 e perlita na amostra
nitretada a 500ºC.
Com relação a composição da camada nitretada, os difratogramas de raios-X da camada em diferentes profundidades, obtidos com uma geometria Bragg-Brentano, detectaram a presença das fases γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N na superfície e somente picos de α-Fe para uma profundidade de 15 μm (ver Figura 4).
Como, logo após a zona de difusão 1, existe uma zona de difusão 2 composta por precipitados de nitretos Fe4N podemos concluir que a zona de difusão 1 é composta por uma solução sólida de nitrogênio no ferro α.
As mudanças na composição das fases na zona de difusão podem ser atribuídas às diferentes taxas de resfriamento em função da profundidade ocorrida durante o resfriamento.
Figura 4: Difratogramas de raios-X da superfície e profundidade de 15 μm da superfície obtidos com uma
geometria Bragg-Brentano da amostra nitretada a 500ºC.
Para auxiliar no entendimento da cinética de formação da camada nitretada foi realizada a medição da temperatura em três profundidades da amostra e montado o perfil de temperatura (Figura 5) existente durante o tratamento. Durante o tratamento de nitretação, a temperatura (500 ºC) foi medida a 4 mm de distância da superfície. No entanto, constatou-se que a temperatura a uma profundidade de 100 μm da superfície superior é aproximadamente 550º C. O perfil da temperatura indica que a temperatura na superfície é maior que 550ºC. O bombardeamento das espécies ativas do plasma sobre a superfície justifica a ocorrência de maiores temperaturas na mesma.
Com o objetivo de abranger todo o intervalo de temperatura em que aço carbono é nitretado a plasma foram nitretadas amostras na temperatura de 580ºC. A micrografia ótica desta amostra é apresentada na Figura 6. A camada nitretada é formada por uma zona de compostos com aproximadamente 14 μm de espessura seguida de uma outra zona, aqui denominada zona de transformação com espessura média de 32 μm, caracterizada por apresentar precipitação de nitretos nos contornos de grãos.
Fazendo o estudo da zona de difusão constata-se que a mesma pode ser dividida em duas partes: a zona de difusão 1, que se estende aproximadamente até uma profundidade de 150 μm da superfície; e, logo após esta, a zona de difusão 2, que é caracterizada por uma mistura de precipitados de γ’-Fe4N em forma de
agulhas grandes e dispersas e α”-Fe16N2 em forma de agulhas muito pequenas (veja detalhes na Figura 7).
Figura 7: Micrografia eletrônica da zona de difusão 2 da amostra nitretada a 580ºC
Com o objetivo de detalhar o estudo da camada nitretada, foi realizado o desgaste progressivo das amostras com lixamento da camada e, posteriormente, foi realizado difratometria de raios-X. Os difratogramas de raios-X mostrados na Figura 8 revelam as fases na superfície e na profundidade de 35 μm e 65 μm. Os difratogramas de raios-X da superfície dessas amostras constatam a presença das fases γ’-Fe4N e
ε-Fe2-3N.
Figura 8: Difratogramas de raios-X da superfície a 35 μm e 65 μm de profundidade da amostra nitretada a
Observa-se que numa profundidade de 35 μm da superfície, localizada na zona de transformação, a quantidade da fase γ’-Fe4N é relativamente menor quando comparada com a superfície, enquanto que a fase
ε-Fe2-3N é maior. Tal resultado não pode ser explicado pelo sistema Fe-N, considerando que com o aumento
da profundidade e com a diminuição da concentração de nitrogênio deveria ocorrer o contrário, ou seja, deveriam existir maiores concentrações da fase γ’-Fe4N em relação à fase ε-Fe2-3N. Estudos anteriores
mostraram que a formação da fase Fe2-3N no ferro puro ocorre somente na superfície [14]. Auxiliado pelo
diagrama Fe-C-N para temperatura de 600ºC (Figura 9) podemos atribuir esse aumento, na quantidade da fase ε-Fe2-3N com a profundidade, à presença do carbono no aço que torna essa fase mais estável.
Sabemos que a concentração de nitrogênio diminui com o aumento da profundidade da camada [2, 15], portanto, no diagrama Fe-C-N, verifica-se que cada campo representa profundidades, fases e quantidades de fases diferentes. Os campos no diagrama de fase indicados pelas letras A, B e C (Figura 9) contêm as fases encontradas pela difratometria de raios-X na superfície e nas profundidades de 35 μm e 65 μm, respectivamente.
A presença das fases γ’ e ε na superfície indica que a concentração de nitrogênio nesta região está próxima a 6% em peso, representada pelo campo A. Para uma profundidade de 35 μm da superfície detectou-se a predetectou-sença das fadetectou-ses ε, γ’ e ferro-γ, indicando que a concentração de nitrogênio possui valores que podem ser encontrados no campo B, do digrama de fases. Para a profundidade de 35 μm, foi constatada também a existência da fase α.
Para uma profundidade a 65 μm da superfície, foram detectadas somente as fases α e γ. Esta região é representada no diagrama de fases pelo campo C, indicando a existência de menor concentração de nitrogênio na mesma.
Figura 9: Diagrama Fe-C-N para temperatura de 600ºC (ASM, Metals Handbook)
A existência da fase ferro-γ, nas profundidades de 35 μm e 65 μm da superfície da amostra, é uma prova incontestável de que a amostra atingiu a temperatura de austenitização ( ≅590º C no diagrama Fe-N) durante o tratamento, embora o a temperatura nominal do processo seja 580º C. Para se chegar à estimativa
da temperatura real da superfície durante o tratamento foi realizada a medição da temperatura em três profundidades da amostra, conforme a Figura 10, e montado o perfil da temperatura durante o tratamento de nitretação. Observe que a superfície inferior da amostra, região em que é medida a temperatura de tratamento, está a 580 ºC, enquanto que a uma distância de 100 μm (0,1 mm) da superfície superior a temperatura média é de aproximadamente 640 ºC. O perfil de temperatura demonstra que toda a camada nitretada, zona de compostos e de difusão, é formada em uma temperatura acima da temperatura de austenitização, segundo o diagrama Fe-N. Como conseqüência a cinética de formação da camada é diferente pois foi formada numa matriz austenitizada.
Figura 10: Perfil da temperatura na amostra nitretada a 580 ºC.
Foi constatado por diversos pesquisadores que a difusão do nitrogênio é mais rápida na fase ferrítica que na austenítica [1, 16, 17]. Portanto, no tratamento de nitretação a 580ºC, onde a temperatura na superfície é maior do que a de autenitização, é provável que o perfil da concentração de nitrogênio da zona de difusão seja diferente do perfil produzido nas amostras nitretadas a 500ºC. Para confirmar essa mudança no perfil da concentração de nitrogênio foi medida a dureza da seção transversal das amostras em estudo. Comparando-se o perfil de dureza das amostras nitretadas a 580ºC com o das amostras nitretadas a 500ºC (Figura 11) observa-se que a dureza na amostra nitretada a 580ºC cai abruptamente após a zona de compostos, enquanto que, nas amostras nitretada a 500ºC, a transição zona de compostos e zona de difusão é suave. Diante estes resultados é constatado que para a temperatura nominal de processo igual a 580ºC a temperatura próximo a superfície atinge a temperatura de austenitização. Nesta condição o perfil da concentração de nitrogênio produzido é diferente do esperado e consequentemente o perfil de dureza também é diferente.
Estes resultados alertam sobre a atenção e cuidado que se devem ter ao medir-se a “temperatura do processo nitretação iônica”. Dependendo da posição do termopar, a diferença entre a temperatura da superfície e a temperatura medida durante o processo pode ser muito grande e, em conseqüência, as propriedades finais da camada nitretada podem ser muito diferentes daquelas previstas. Como já estudado, o termopar foi instalado para medir a temperatura do processo a 4 mm da superfície em contato com o plasma, e a diferença entre a temperatura medida e a temperatura média na superfície foi maior do que 60ºC. Outro detalhe é que a variação da temperatura em função da profundidade da peça durante o processo aumenta à medida que se aproxima da superfície bombardeada. É importante considerar também a relação área bombardeada/volume da peça, pois quanto maior esta relação maior será o aquecimento da peça [15]. Na nitretação iônica, o aquecimento da peça é realizado pelo bombardeamento da superfície da mesma, portanto, quanto maior a área de bombardeamento com relação ao volume, maior será o acúmulo de calor da peça. Peças que tendem a concentrar grande quantidade de calor podem provocar erros na medição da temperatura quando a instalação do termopar for realizado em local inadequado. Estes erros podem comprometer a reprodutibilidade do processo.
Portanto, sugere-se que o termopar seja instalado o mais próximo possível da superfície em contato com o plasma, para a obtenção de um valor médio de temperatura de tratamento o mais real possível. Por exemplo, deve-se instalar o termopar a 0,1 mm da superfície em uma peça padrão, como feito neste trabalho quando da medição do perfil da temperatura de tratamento.
Uma outra preocupação é a não padronização da medida da temperatura realizada no processamento da nitretação iônica, tanto na indústria como nos laboratórios de pesquisa. Valores de temperaturas medidas incorretamente, associadas às propriedades da camada que se pode obter com a nitretação iônica, interferem tanto no modelamento quanto na reprodutibilidade do processo. Devido a grande importância que a temperatura tem como parâmetro do processo, propõe-se uma padronização do procedimento de medida da temperatura ou um relato detalhado do procedimento experimental de cada trabalho de pesquisa. A padronização seria fixar uma distância entre a superfície bombardeada e a posição em que o termopar deveria ser instalado, considerando a forma geométrica da peça a ser tratada.
4 CONCLUSÕES
Este estudo esclareceu algumas divergências ocorridas com relação a temperatura real de tratamento de peças nitretadas. Como conseqüência, foram obtidas informações importantes sobre o processo da nitretação a plasma que irão viabilizar um maior controle e eficácia do mesmo em aplicações experimentais e industriais. Diante dos resultados e discussões apresentados, conclui-se que:
• - Para temperaturas típicas de tratamento a plasma do aço carbono (temperatura nominal entre 500 ºC e 580 ºC), considerando a forma geométrica da amostra utilizada, a diferença de temperatura entre a superfície bombardeada e uma distância de 4 mm da mesma é maior do que 10% da temperatura nominal de tratamento.
• - O gradiente de temperatura gerado durante o processo de nitretação a plasma produz propriedades diferentes a aquelas associadas a temperatura nominal de tratamento. Para as amostras nitretadas a 580ºC o perfil de dureza produzido não foi o previsto.
• - O termopar deve ser instalado o mais próximo possível, da superfície em contato com o plasma, para a obtenção de um valor médio de temperatura de tratamento o mais real possível.
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