Comportamento tribológico e resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico AISI 420 cementado por plasma a baixa temperatura

Abstract

Resumo: O processo de cementação assistida por plasma é um método eficiente para promover a modificação das propriedades mecânicas e do comportamento tribológico dos aços inoxidáveis, sem no entanto reduzir sua resistência à corrosão. Neste sentido, nesta pesquisa, amostras do aço inoxidável martensítico AISI 420 foram submetidas ao tratamento de cementação por plasma a baixa temperatura. Duas séries de tratamentos foram realizadas: i) uma no intuito de avaliar o efeito do tempo de cementação sobre as características microestruturais e sobre as propriedades mecânica, tribológicas e eletroquímicas do material tratado; e a outra ii) com intento de determinar a influência da temperatura de cementação sobre as características e propriedades anteriormente listadas. As amostras tratadas foram caracterizadas microestruturalmente utilizando-se as técnicas de microscopia ótica e difração de raios X; mecanicamente empregando-se as técnicas de microdureza, nanodureza e nanoscratch; tribologicamente através dos ensaios de desgaste nas configuração esfera sobre disco e esfera rotativa livre; e, eletroquimicamente por meio dos testes de potencial de circuito aberto e polarização cíclica. Os resultados obtidos evidenciaram que a camada cementada é composta por duas regiões distintas: uma camada externa (constituída por 'C e Fe3C), e por uma camada de difusão (formada apenas pela fase 'C); sendo a cinética de crescimento destas típica de um processo difusivo. Incrementos consideráveis na dureza e resistência ao risco do material tratado foram alcançados após cementação, quando confrotados com àqueles demonstrados pelo material na condição não processado por plasma. Outrossim, verificou-se uma melhora no comportamento tribológico e na resistência à corrosão do material cementado, quando na realização do seu processamento em condições de baixa temperatura e por tempos reduzidos, condições estas nas quais não ocorreu a formação de precipitados de carbonetos de cromo. Por fim, os resultados das caracterizações microestruturais, mecânicas, tribológicas e eletroquímicas, evidenciam uma relação direta entre os parâmetros do processo de cementação e o comportamento tribológioco e resistência à corrosão das superfícies tratadas. Os resultados aqui apresentados, confirmam o potencial da aplicação do tratamento de cementação por plasma no acréscimo das propriedades de superfície do aço AISI 420.

Abstract: The plasma-assisted carburizing process is an efficient method to improve the mechanical properties and tribological behavior of stainless steel, without reducing its corrosion resistance. Thereby, on this thesis, AISI 420 martensitic stainless steel samples were submitted to low-temperature plasma carburizing treatment aiming to characterize the treated surface in respect to its corrosion resistance and tribological behaviour. Two series of treatments were conducted: first, i) in order to evaluate the effect of carburizing time on the microstructural characteristics and on mechanical, electrochemical and tribological behaviour of the treated surface; and second, ii) in order to determine the influence of carburizing temperature on the features and properties listed above. The treated samples were microstructurally characterized using electronic and optical microscopy and X-ray diffraction techniques; mechanically, employing the microhardness, nanohardness and nanoscratch techniques; tribologically, through dry sliding ball-on-disc and micro-scale abrasive wear tests; and, electrochemically, by means of open circuit potential and cyclic polarization tests. The results showed that the carburized layer is composed of two distinct regions: an outer layer (consisting of 'C and Fe3C), and a diffusion layer (formed only by 'C phase); and the growth kinetic of them are typical of diffusion-controlled processes. Considerable increase in hardness and scratch resistance of the treated material were achieved after carburizing treatment, when compared those demonstrated by the untreated material. Furthermore, there was an improvement in the tribological behavior and corrosion resistance of the carburized materials when the processing is realized in low-temperature conditions and for short enough times, conditions in which the chromium carbide precipitation is very probably suppressed. Finally, the results of microstructural, mechanical, tribological and electrochemical characterizations demonstrate a direct relationship between the carburizing process parameters and the tribological behavior and corrosion resistance of the treated surfaces. The presented results confirm the potential of plasma carburizing treatment in the increasing of surface properties from AISI 420 steel.