Nitretação por plasma a baixa temperatura de ligas Fe-Al ferríticas

Abstract

Resumo: A nitretacao e cementacao dos acos inoxidaveis, quando realizadas a baixa temperatura (condicao de paraequilibrio), proporciona um significativo aumento de dureza sem afetar negativamente a resistencia a corrosao da superficie tratada. Dentre os diferentes tratamentos termoquimicos assistidos por plasma, a nitretacao tem mostrado bons resultados, possibilitando melhoras nas propriedades dos acos inoxidaveis. Os tratamentos de nitretacao em condicoes de paraequilibrio dos acos inoxidaveis tem sido bastante estudados, porem, apesar do grande numero de trabalhos publicados, alguns aspectos fundamentais destes tratamentos ainda precisam ser melhor compreendidos. Buscando contribuir neste aspecto, no presente trabalho estudou-se a nitretacao em paraequilibrio de ligas metalicas de Fe, contendo Al, um elemento formador de nitreto, em solucao solida. As ligas Fe-Al foram produzidas com composicao, variando desde ferro puro ate 10 % em peso de aluminio e, entao, submetidas ao tratamento de nitretacao. Todos tratamentos foram realizados utilizando uma mistura gasosa de 70% N2 + 20% H2 + 10% Ar com fluxo total de 200 cm3min-1(CNTP). A pressao de tratamento e tensao de pico foram fixadas respectivamente em 3 Torr e 700 V. As temperaturas de tratamento estudadas foram de 250, 300, 350, 400 e 450 °C para um tempo de 4 horas. As amostras tratadas foram caracterizadas pelas tecnicas: difracao de raios X, microdureza e analise metalografica utilizando microscopia otica e eletronica de varredura. Durante a analise microestrutural utilizando microscopia eletronica de varredura, medidas elementares de composicao quimica foram tambem realizadas utilizando microssondas do tipo EDS e WDS. Pela tecnica de difracao de raios X, identificou-se a formacao de uma possivel fase metaestavel nanoprecipitada semelhante ao nitreto de aluminio cubico, as medicoes por EDS e WDS, em conjunto com as medidas de DRX, sugerem a formacao de uma fase do tipo (Fe, Al)xN. Para algumas condicoes estudadas, obtevese valores de dureza da ordem de 1500 HV0,025 e as micrografias revelaram duas morfologias bastante distintas para a camada tratada: uma na forma de agulhas e outra com crescimento plano, sendo a morfologia da camada relacionada ao teor de aluminio, orientacao cristalina do substrato e temperatura de tratamento. Palavras-chave: Nitretação por plasma; Paraequilíbrio; Ligas Fe-Al; Nitretos Metaestáveis

Abstract: Nitriding and carburizing treatment of stainless steel, when carried at low temperature (paraequilibrium condition), lead to a hardness improvement without deteriorate the corrosion resistance of the treated surface. Among the plasma assisted thermochemical treatments, nitriding presented good results allowing to improve the stainless steels properties. Nitriding treatments of stainless steels under paraequilibrium conditions have been widely studied, however, despite of the large number of publications, some key aspects of these treatments need to be better understood. Aiming to advance in some of these aspects, the present work was focused on the study of paraequilibrium nitriding of Fe-Al alloys, being Al a strong nitride forming element. Fe-Al alloys were produced with composition ranging from pure iron up to 10 wt. % aluminum and then submitted to nitriding treatment. All the treatments were performed using a gas mixture composed of 70% N2 + 20% H2 + 10% Ar with total flowrate of 200 cm3min-1 (STP). The treatment pressure and peak voltage were fixed at 3 Torr and 700 V, respectively. The studied treatment temperatures were 250, 300, 350, 400 and 450 °C for a fixed treatment time of 4 hours. The treated samples were characterized by the following techniques: X-ray diffraction (XRD), micro-hardness measurement and metallographic analysis using scanning electron microscopy and optical microscopy. Combined with the microstructural analysis by scanning electron microscopy, elemental chemical composition measurements were also performed using EDS and WDS type microprobes. The formation of a possible nanoprecipitated metastable phase, similar to cubic aluminum nitride, was identified by the X-ray diffraction. The EDS and WDS measurement composition, together with the XRD measurements, suggested a phase of the type (Fe, Al)xN. For some studied conditions, hardness values of 1500 HV0.025 were obtained and the micrographs revealed two rather distinct morphologies for the treated layer: in the needles form (saw teeth) or flat growth, the morphology of the layer being related to the aluminum content, crystallographic orientation of the substrate and treatment temperature. Keywords: Plasma Nitriding; Paraequilibrium; Fe-Al Alloys; Metastable Nitrides