Nitretação a baixa temperatura assistida por plasma em aço inoxidável AISI 316L sinterizado obtido por moldagem por injeção

Abstract

Resumo: Neste trabalho a influência das condições de tratamento de nitretação assistida por plasma à baixa temperatura, sobre a porosidade superficial do aço inoxidável austenítico AISI 316L, obtido por moldagem por injeção de pós (MIP) foi estudada. Um estudo da cinética de crescimento da camada tratada e sua influência sobre a porosidade superficial foi realizado, variando-se a temperatura e tempo de nitretação. Foram executados tratamentos de 350, 380, 410 e 440 ºC para tempos de tratamento de 8 horas. Para temperatura de 380 ºC, tratamentos de 4, 8 e 16 h foram realizados. Os experimentos foram realizados empregando-se uma mistura gasosa composta por 60% N2 + 20% H2 + 20% Ar, com fluxo gasoso de 5,00 × 10?6 m3s?1 (300 sccm) e pressão de 6 Torr. Para gerar a descarga foi utilizada uma fonte de potência de corrente contínua pulsada de 5 kW, com onda quadrada e tensão de pico de 700 V, operando a 4,2 kHz. As amostras tratadas foram caracterizadas por meio de microscopia ótica, difratometria de raios X e por medições de microdureza e rugosidade. A fim de quantificar a porosidade superficial, a técnica de análise de imagens foi empregada em micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura em dois momentos distintos, antes e após a realização do tratamento de nitretação. Os resultados obtidos indicam uma tendência de redução da porosidade superficial provocada provavelmente pela formação da fase expandida e/ou pela redeposição de átomos metálicos arrancados da superfície pelo fenômeno de pulverização catódica. Observou-se ainda que a nitretação levou a um aumento considerável da dureza superficial pela formação da fase austenita expandida com nitrogênio e que esse incremento na dureza é maior para maiores temperaturas e tempos de tratamento. Os resultados mostram ainda a formação de trincas nas regiões vizinhas aos poros existentes na superfície. Tais trincas são provavelmente decorrentes dos esforços de compressão quando da formação da fase expandida com nitrogênio, que poderiam resultar em flambagem junto à fina camada nitretada, levando a uma instabilidade geométrica desta camada superficial na proximidade dos poros existentes na superfície das amostras.

Abstract: In this work the influence of low-temperature plasma assisted nitriding on the surface porosity of sintered PIM 316L austenitic stainless steel was studied. A study of the treated layer growth kinetic and its effect on the porous surface was conducted by varying the nitriding temperature and time. Treatments were performed at temperatures of 350, 380, 410 and 440°C for a fixed time of 8h. For the 380ºC temperature, treatment times of 4, 8 and 16 h were carried out. The experiments were performed using a gas mixture composed by 60% N2 + 20% H2 + 20%Ar, at a gas flow rate of 5.00 x 10-6 m3s-1 (300 sccm) and a pressure of 6 Torr. The discharge was generated using a 5kW square-wave pulsed DC power supply operating at 4.2 kHz, applying a peak voltage of 700 V. The treated samples were characterized by optical microscopy, X-ray diffraction, and microhardness and roughness measurements. In order to quantify the surface porosity, the image analysis technique was used in micrographs obtained by scanning electron microscopy at two different times: before and after the nitriding treatment. The results indicate a reduction tendency of the surface porosity caused probably due to the formation of the expanded phase and/or to the backscattering and redeposition of sputtered metal atoms from the surface through the phenomenon of sputtering. It was also observed that the nitriding has led to a considerable increase of the surface hardness, by the nitrogen-expanded austenite formation, and that the higher the treatment temperature and time the higher is the obtained surface hardness. The results also show the formation of cracks in regions adjacent to the pores present at the surface. Such cracks would probably be due to the compressive stress verified from the nitrogen-expanded phase formation, which could result in buckling of the thin nitrided layer, leading to a geometric instability of this surface layer in the vicinity of the surface pores.