Bronze de alumínio e níquel nitretado e envelhecido por implantação iônica em imersão em plasma

Abstract

Resumo: No presente trabalho foi estudada a nitretação de uma liga solubilizada de bronze ao alumínio-niquel pelo processo de implantação iônica assistida por plasma. A liga estudada foi um bronze ao alumínio-níquel AMPCO 45, o qual foi solubilizado visando obter uma microestrutura com matriz 100% martensítica, que se constituiu na condição inicial de todos os experimentos aqui estudados. O tratamento de nitretação foi feito em um equipamento de implantação iônica por imersão em plasma utilizando atmosfera de nitretação para três diferentes tensões (8, 10 e 12 kV), as quais resultaram em três temperaturas distintas (370, 400 e 470 ºC, respectivamente). Os tratamentos foram realizados para um tempo de 180 minutos, o qual se mostra adequado tanto para a integridade do equipamento utilizado, dada às elevadas tensões usadas, quanto para a obtenção de bons resultados nos tratamentos realizados. Para a condição de 8 kV (370 ºC), um significativo endurecimento por efeito da nitretação em sinergia com o envelhecimento adequado da liga foi obervado. Adicionalmente, para esta condição de menor tensão aplicada (e, portanto, de menor temperatura de tratamento também), foi igualmente investigado o efeito da diminuição do tempo de tratamento pela metade, no caso, para 90 minutos. Para este fim, as amostras foram cortadas a partir de barras cilíndricas no formato de uma moeda, o que permitiu que uma face fosse exposta ao plasma, ou seja, à fonte de nitrogênio, enquanto a outra não. Assim foi possível de forma comparativa isolar numa mesma amostra o efeito de dois processos de tratamentos distintos, ou seja: i) para a superfície da amostra exposta ao plasma, um tratamento conjugado de nitretação + envelhecimento; e ii) para a superfície da amostra não exposta ao plasma, um tratamento simples de envelhecimento, tão somente. A nitretação impôs modificações estruturais nas superfícies das amostras nitretadas + envelhecidas, evidenciadas por DRX a partir do aumento dos parâmetros de rede cristalinos das fases metálicas. A dureza das faces nitretadas + envelhecidas aumentou em relação às faces apenas envelhecidas, com ganhos variando sobre a faixa de 10 a 27%. Dois tipos de teste de risco foram realizados para avaliar a resistência ao desgaste das amostras, um com carregamento crescente para cargas de até 400 mN; e o outro com carga constante de 40 mN. Para a carga mais baixa (40 mN) a face nitretada + envelhecida da amostra de 370 ºC / 90 minutos perdeu 43% menos volume do que a superfície apenas envelhecida. De um modo geral, os resultados do coeficiente de desgaste específico indicam que as superfícies nitretadas + envelhecidas apresentaram um melhor comportamento ao desgaste abrasivo, o qual mostrou uma tendência de redução pela metade de seus valores, quando comparados aos obtidos para as respectivas superfícies não-nitretadas (ou apenas envelhecidas).

Abstract: In the present work, nitriding of a solution-treated AMPCO 45 nickel-aluminum bronze (NAB) by means of a plasma immersion ion implantation (PIII)-kind process was studied. Samples were solubilized in order to obtain a microstructure with 100% martensitic matrix, which constituted the initial condition of all experiments studied here. The nitriding treatment was carried out using a N2 atmosphere for three different voltages, namely 8, 10 and 12 kV, which resulted in three different treatment temperatures, 370, 400 and 470 ºC, respectively. Treatments were carried out for a time of 180 minutes, which was adequate to ensure the equipment integrity, given the relatively high used voltages, as well as the good results obtainment in the performed treatments. For the 8 kV (370 ºC) condition, a significant hardening of the nitrided surface due to the synergism between the nitriding and the aging treatment effects was observed. Additionally, for this smaller applied voltage condition (and, thus, also for this smaller treatment temperature), it was equally investigated the effect of the time treatment decrease to the half of the usually used, in this case, for 90 min. For this purpose, samples were cut from cylindrical bars for a shape of a coin, which allowed only one of the coin flat surfaces to be exposed to the N2 plasma. Thus, it was possible to comparatively isolate in the same sample two different treatment processes, namely: i) for the surface of the sample exposed to the plasma, a conjugated treatment of nitriding + aging was carried out; and ii) for the surface not exposed to plasma, only a single-aging treatment was performed. Nitriding has imposed structural modifications on the nitrided + aged surfaces, evidenced by the obtained XRD patterns, from the increase of the crystalline lattice parameters of the metallic phases presented in the studied substrates material. The hardness of the nitrided + aged surfaces increased compared to the single-aged surfaces, showing gains varying on the 10-27% range. Two types of scratch tests were performed to assess the wear resistance of the treated surfaces, one with increasing loading up to about 400 mN; and the other one with a constant load of 40 mN. For the lowest loading (40 mN), the nitrided surface of the 370 °C/90 min sample lost 43% less volume than the single-aged surface only. In general, results of the specific wear coefficient indicate that the nitrided surfaces presented a better abrasive wear behavior, which presented a tendency to be reduced by half from its values, when mpared to those obtained for the respective non-nitrided surfaces (or single-aged only).