Otimização da resistência ao desgaste microabrasivo e da dureza do titânio ASTM F 67 grau de pureza 2 por nitretação a plasma

Abstract

RESUMO: O tratamento termoquímico de nitretação a plasma é uma eficiente técnica de modificação das propriedades superficiais dos materiais de engenharia, especialmente para aqueles aplicados em biomedicina. Neste trabalho foram avaliados os parâmetros tempo e temperatura de nitretação capazes de aumentar a resistência ao desgaste microabrasivo do titânio comercialmente puro (ASTM F67 grau 2). Os experimentos de nitretação a plasma foram realizados usando temperaturas de 250, 300, 350, 400 e 450ºC, tempos de tratamento de 2 a 8 h, atmosfera composta por 80% de H₂ e 20% de N₂ e pressões de 3,33x10-² Pa (2,5 Torr). Os ensaios de desgaste indicaram que a nitretação realizada na temperatura de 350ºC por 5 h permite uma redução de 66% no coeficiente de desgaste microabrasivo do material. As análises metalográficas e de dureza Vickers mostraram que, para essa condição, ocorre a formação de uma camada de compostos com aproximadamente 20 μm de espessura e de uma zona de difusão com mais de 200 μm de profundidade. Verificou-se que o uso de tempos mais longos e de temperaturas acima de 350 ºC favorece o crescimento de camadas de compostos; no entanto, nessas camadas verificou-se a presença de trincas que provocou uma perda na resistência ao desgaste alcançada em temperaturas e tempos mais baixos. Nos ensaios de desgaste abrasivo, o mecanismo de desgaste por deslizamento, conhecido também por abrasão a dois corpos, prevaleceu para todas as condições estudadas.

ABSTRACT: Plasma nitriding is an efficient thermochemical treatment for improving the surface properties of the engineering materials, especially for those applied in biomedicine. In this work, studies were performed to determine both time and temperature of nitriding that allow increasing the micro-abrasive wear resistance of ASTM F67 grade 2 titanium. Plasma nitriding experiments were performed using temperatures of 250, 300, 350, 400 and 450 °C, nitriding times from 2o to 8 h, gas atmosphere constituted of 80% H₂ and 20% N₂ and pressures of 3.33x10-² Pa (2.5 Torr). After wear tests, it was verified that plasma nitriding performed at 350 ° C and 5 h allowed a reduction of 66% in the wear coefficient, compared to non-nitrided material. Vickers hardness and metallographic analyzes showed that for this condition, a compound layer with approximately 20 μm in thickness and a diffusion zone with more than 200 μm in depth were formed. The use of longer times and temperatures above 350 °C was found to increase the thickness of the compound layers; however, cracks were found in these layers, resulting in a loss of the wear resistance. In abrasive wear tests, the wear mechanism of two-body wear or sliding was predominant for all the studied conditions.