Nitretação por plasma em baixa temperatura dos aços inoxidáveis martensíticos : estudo da influência da composição química do aço na cinética de tratamento

Abstract

Resumo: A crescente aplicação dos tratamentos termoquímicos assistidos por plasma no âmbito industrial motivou o desenvolvimento deste trabalho. Agregando bons resultados no tratamento de superfícies e sendo uma técnica pouco agressiva ambientalmente, a nitretação por plasma possui aplicações na substituição dos banhos de sais, conhecidos por gerar resíduos e gases nocivos ao ambiente. A nitretação por plasma em baixas temperaturas, abaixo de 400 °C, pode gerar benefícios ao melhorar o comportamento tribológico dos aços inoxidáveis, pelo aumento da dureza da camada tratada, mantendo sua resistência a corrosão. Isto se deve à difusão do nitrogênio e formação de uma camada nitretada com espessura dependente do tempo, temperatura, pressão, composição e fluxo da mistura gasosa. Neste contexto, o presente trabalho trata da influência da composição química dos aços inoxidáveis martensíticos AISI 410, AISI 410NiMo, AISI 416 e AISI 420, na cinética de tratamento. Para tanto foram realizados tratamentos primeiramente fixando o tempo em 4 h e variando a temperatura de 300 à 500 °C (de 50 em 50 °C), seguido de tratamentos a temperatura fixa de 350 °C e variando o tempo de 4 à 16 h (de 4 em 4 h). Dentre os aços estudados, a composição química apresentou influência significativa na cinética de crescimento da camada, pois os elementos de liga substitucionais aqui estudados, Ni e Mo, facilitam a difusão do nitrogênio devido a distorção causada na rede cristalina, e a composição influencia na cinética de precipitação de nitretos de cromo CrN, assim como no grau de supersaturação da matensita expandida, ainda há diferenças relacionada com a presença dos caminhos de alta difusividade. A cinética da sensitização é dependente da composição do aço sendo o AISI 410NiMo o aço com baixa cinética de precipitação de nitretos de cromo e maior espessura de camada para as mesmas condições de tratamento (temperatura fixa em 350 °C), entretanto menor dureza na camada nitretada em relação aos aços AISI 410, AISI 416 e AISI 420. Palavras-chave: nitretação em baixa temperatura, aço inoxidável martensítico, crescimento da camada nitretada, dependência com a composição.

Abstract: The increasing application of plasma assisted thermo-chemical treatments in industry has motivated the development of this work. The main reasons for its application are the quality and performance of the treated surfaces and the fact that this process is environmental friendly. For example, plasma nitriding has applications in replacement of salt baths, known to generate solid waste and toxic gases. The plasma nitriding process at low temperatures, typically below 400 °C, can improves the tribological behavior of stainless steels, increasing surface hardness, and maintaining the steel corrosion resistance. This is due to the diffusion of nitrogen and to the formation of a nitrided layer with a thickness dependent on time, temperature, pressure, and composition of the gas mixture. In this context, the present work has studied the influence of the chemical composition of martensitic stainless steel AISI 410, AISI 410NiMo, AISI 416 and AISI 420, in the kinetic of the nitriding treatment. For this purpose treatments were carried out for fixed time of 4 h for temperatures ranging from 300 to 500 °C (in steps of 50 °C). Additionally, treatments were carried ou t at fixed temperature of 350 °C and for treatment time ranging from 4 to 16 h (in steps of 4 h). Among the treated steels, the chemical composition presented a significant influence on the layer growth kinetics. For the case of substitutional alloying elements studied here, Ni and Mo, seems to facilitate the diffusion of nitrogen due to distortion in the crystal lattice, and also influences the kinetics chromium nitride CrN precipitation and very probably the degree of supersaturation of the expanded matensite. So, the kinetics of sensitization is dependent upon the composition of the steel, being the AISI 410NiMo steel that presenting the lowest kinetics of chromium nitrides precipitation and the thicker layer, among the studied steels, for the same treatment conditions (temperature fixed at 350 °C), however i t presents the lowest nitrided surface hardness when compared to steel AISI 410, AISI 416 and AISI 420, what was attributed to different hardening mechanism. Keywords: low-temperature plasma nitriding, martensitic stainless steel, nitrided layer growth, composition dependence.