Influência da nitretação a plasma pulsado na resistência ao desgaste microabrasivo do aço API 5L-X 70

Abstract

RESUMO: A nitretação por plasma pulsado tem sido largamente utilizada em muitas aplicações industriais por apresentar melhora nas propriedades mecânicas e tribológicas dos aços. Neste trabalho foi estudada a influência da temperatura e do tempo de nitretação na microestrutura e resistência ao desgaste microabrasivo do aço API 5L X-70. Os corpos de prova foram preparados em um equipamento de nitretação a plasma pulsado nas temperaturas de 410º, 440º e 470ºC, a uma pressão de 4,5 Torr (600 Pa), por tempos variáveis de 1, 3, e 5 horas. Foram utilizadas misturas gasosas contendo concentrações variadas de H₂, N₂ e CH₄. As camadas nitretadas foram avaliadas por meio de microdureza superficial, análise microestrutural, difratometria de raios-x e ensaio de resistência ao desgaste microabrasivo do tipo esfera livre. Verificou-se que para todos os tempos de tratamento houve um endurecimento superficial e um aumento significativo da resistência ao desgaste microabrasivo em relação ao material não nitretado. A espessura da camada nitretada aumenta com o tempo e temperatura de tratamento. Sob as diversas condições testadas os resultados evidenciaram a formação das fases ɣ’-Fe₄N e ε-Fe₂₋₃N em maior ou menor intensidade. O melhor resultado com relação à resistência ao desgaste foi para a temperatura de 440ºC, 1h de tratamento e composição gasosa de 60% de H₂ com 2% de CH₄ e 38% de N₂ (nitrocementação). Este resultado nos fornece um valor de coeficiente de desgaste igual a 1,2 x 10-¹²­ m­­­²­/N.

ABSTRACT: Pulsed plasma nitriding has been widely used in many industrial applications for improving both mechanical and tribological properties of several steels. In this work, for an API 5L X-70 microalloyed steel, the influence of plasma nitriding temperature and time on the microstructure and micro-abrasive wear resistance was studied. Nitriding experiments were carried out using a pulsed plasma reactor at temperatures of 410, 440 and 470ºC, under pressure of 600 Pa, for nitriding times of 1, 3 and 5 h, using a gas atmosphere containing H₂, N₂ and CH₄ in different ratio. Nitrided layers were analyzed by Vickers microhardness, light and electron scanning microscopy, x-ray diffraction and micro-abrasive wear testing. A significant increase both in the surface hardnes and wear resistance was observed for all used nitriding conditions. Nitrided layer thickness increases with time and temperature. Under the various experimental conditions, the results show that the nitrided layers are constituted of ɣ’-Fe₄N and ε-Fe₂₋₃N phases. The maximum wear resistance was attained when plasma nitriding experiments were carried out at temperature of 440°C for 1h and with gas atmosphere containing 60% H₂, 2% CH₄ and 38% N₂. A value for the wear coefficient of 1,2 x 10-¹²­ m­­­²­/N is provided.