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Type: Tese
Title: Comportamento tribocorrosivo em liga austenítica AISI 316L modificada superficialmente a plasma em atmosfera livre de gás hidrogênio
Authors: Mario Jose Bueno de Souza Freitas
First Advisor: Geralda Cristina Durães de Godoy
First Referee: André Paulo Tschiptschin
Second Referee: Maurício Waineraich Scal
Third Referee: Marília Mendonça de Lima
metadata.dc.contributor.referee4: Monica Maria Abreu Mendonça Schuvartzman
metadata.dc.contributor.referee5: Cristian Camilo Viáfara Arango
Abstract: A fim de viabilizar o uso de aços inoxidáveis austeníticos em aplicações onde alta resistência ao desgaste por deslizamento e boa resistência à corrosão são necessárias, este trabalho objetivou o estudo da modificação superficial do aço inoxidável austenítico AISI 316L usando um processo inovador de tratamento sequencial a plasma livre de gás hidrogênio e atmosfera contendo alta concentração de gás N2 (70%) em adição ao gás de Ar (30%). A nitretação a plasma foi realizada na temperatura 460ºC por 5 horas e a cementação a plasma na temperatura de 475ºC por 4 horas. Não foi observado na literatura atual registro de uso deste processo com as características e parâmetros selecionados. Foram produzidos dois sistemas de amostras: 1-TPC+TPN = amostras cementadas a plasma seguido de nitretação a plasma; 2-(Cr-N)TPC+TPN = amostras cementadas a plasma seguido de nitretação a plasma com posterior deposição de recobrimento de Cr-N processado por PAPVD. Verificou-se que o tratamento resultou na formação de uma dupla camada de austenita expandida, a primeira rica em nitrogênio seguida por uma camada rica em carbono. Para o sistema (Cr-N)TPC+TPN verificou-se a produção com sucesso de um recobrimento espesso (7µm), depositado sobre o aço austenítico AISI 316L () modificado a plasma com a presença na superfície das camadas de austenita expandida por nitrogênio (N) e carbono (C). Como resultado da estrutura de dupla camada, somado ao recobrimento, foi encontrado um endurecimento superficial superior no sistema (Cr-N)TPC+TPN, seguido do sistema TPC+TPN, em comparação com o AISI 316L sem tratamento. Por meio de análises em conjunto de MEV e dureza instrumentada da secção transversal das amostras, verificou-se a formação de uma camada de austenita com alto teor de solubilidade de nitrogênio, muito mais espessa que sistemas já estudados e registrados na literatura. Em ambos sistemas, uma grande profundidade de endurecimento ((Cr-N)TPC+TPN ~ 38 µm; TPC+TPN ~ 33µm) foi produzida. Como resultado deste endurecimento obteve-se uma excelente resposta ao desgaste por deslizamento, verificada pela diminuição significativa do volume de material removido e da profundidade da trilha de desgaste gerada. Dentre os sistemas tratados, o menor volume desgastado foi observado no sistema (Cr-N)TPC+TPN (~ 1000X menor que AISI 316L), seguido do sistema TPC+TPN (~ 10X menor que AISI 316L). Observou-se nas análises de DRX a formação de um recobrimento composto por uma mistura complexa de fases (CrN, Cr2N e Cr), como já relatado em literatura. Por outro lado, a ausência de precipitados foi confirmada no difratograma TPC+TPN. Este importante resultado está diretamente ligado aos parâmetros de tratamento a plasma escolhidos. A observação de uma austenita com alto teor de nitrogênio (N) livre de nitretos de ferro/cromo desempenhou um papel crucial no aprimoramento da corrosão/tribocorrosão no sistema de tratamento de plasma em comparação com o aço austenítico 316L. O tratamento de plasma sequencial utilizado proporcionou o aumento no Ecorr, Epit e excelente poder de repassivação para o AISI 316L, mesmo na presença de desgaste por deslizamento. O mesmo comportamento não foi observado no aço sem tratamento a plasma. Finalmente, verificou-se que por meio dos tratamentos sequenciais a plasma foi possível obter-se uma drástica redução do volume de desgaste após testes de tribocorrosão, em comparação com o aço não tratado. Esta alta resistência ao desgaste por deslizamento impossibilitou a medição do volume de material removido do sistema (Cr-N)TPC+TPN, por este estar abaixo do limite da técnica (perfilometria 3D). Demonstrando, mais uma vez, excelente desempenho dos materiais após tratamento a plasma.
Abstract: In order to make feasible the use of austenitic stainless steels in applications where high sliding wear and corrosion resistance are required, this work aimed at the study of the surface modification of the AISI 316L austenitic stainless steel using an innovative process of sequential hydrogen-free plasma treatment and atmosphere containing high concentration of N2 (70%) in addition to Ar (30%). Plasma nitriding was performed at 460°C for 5 hours and plasma cementation at 475°C for 4 hours. It was not observed in the current literature record the use of this process with the characteristics and parameters selected. Two sample systems were produced: 1-TPC+TPN = plasma-carburized samples followed by plasma nitriding; 2- (Cr-N)TPC+TPN = plasma-carburized samples followed by plasma nitriding with subsequent deposition of Cr-N coating processed by PAPVD. It was found that the treatment resulted in the formation of a double layer of expanded austenite, the first one rich in nitrogen followed by a carbon-rich layer. In the (Cr-N)TPC+TPN system was the production of a thick coating (7μm) deposited on the plasma-modified AISI 316L () austenitic steel with the presence on the surface of the layers of austenite expanded by nitrogen (N) and carbon (C). As a result of the double-layer structure, added to the coating, a superior surface hardening was found in the (Cr-N)TPC+TPN system, followed by the TPC+TPN system, compared to the untreated AISI 316L. Joint analyzes with SEM and instrumented hardness in the cross-section of the samples, the formation of a layer of austenite with a high content of nitrogen solubility, much thicker than systems already studied and registered in the literature, was verified. In both systems, a high hardness-depth was produced ((Cr-N)TPC+TPN ~ 38 μm; TPC+TPN ~ 33 μm). As a result of this hardening, an excellent response to sliding wear was obtained, verified by the significant decrease in the measured worn volume and in wear track depth. Between the treated systems, the lowest worn volume was observed in the (Cr-N)TPC+TPN system (~ 1000X lower than AISI 316L), followed by the TPC+TPN system (~ 10X lower than AISI 316L). The XRD analyzes shown that the deposited coating was composed of a complex mixture of phases (CrN, Cr2N, and Cr), as already reported in the literature. On the other hand, the absence of precipitates was confirmed in the TPC+TPN diffractogram. This outstanding result is directly linked to the chosen plasma treatment parameters. The observation of high nitrogen (N) austenite free of iron/chromium nitrides played a crucial role in the improvement of the corrosion/tribocorrosion in this plasma treatment system compared to the 316L austenitic steel. The sequential plasma treatment used provided the increase in Ecorr, Epit, and excellent repassivation power for AISI 316L, even in the presence of sliding wear. The same behavior was not observed in steel without plasma treatment. Finally, it was found that by sequential plasma treatments, it was possible to achieve a drastic reduction in the wear volume after tribocorrosion tests compared to untreated steel. This high resistance to sliding wear made it impossible to measure the volume of material removed from the (Cr-N)TPC+TPN system since it is below the limit of the technique (3D profilometry). It is demonstrating, once again, excellent material performance after plasma treatment
Subject: Engenharia Metalúrgica
Corrosão
Processo de endurecimento superficial
Nitruração
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MINAS
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/31502
Issue Date: 31-Jul-2019
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