Avaliação do efeito da concentração de CH₄ na cementação a plasma do aço inoxidável AISI 316

Abstract

RESUMO: 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.

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.