Efeito da nitretação a plasma e deposição de recobrimento de nitreto de cromo na transição de regimes de desgaste por deslizamento de aços ultrabaixo carbono estabilizados ao titânio
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Marcelo Araújo Câmara
Ivete Peixoto Pinheiro Silva
Marília Mendonça de Lima
José Jimmy Penagos
Ivete Peixoto Pinheiro Silva
Marília Mendonça de Lima
José Jimmy Penagos
Resumo
Neste trabalho foram estudadas as propriedades tribológicas de aços Ultrabaixo
Carbono (UBC) em três sistemas: o substrato - aço UBC estabilizado ao Titânio; o
sistema aço UBC modificado superficialmente por processo de nitretação a plasma em
configuração triodo (temperatura de 500ºC por 6 horas); e o sistema duplex sequencial
(aço UBC nitretado a plasma em configuração triodo na temperatura de 500ºC por 6
horas, seguido de revestimento de filme de nitreto de cromo por processo de deposição
a uma temperatura na faixa de 380 a 420ºC e tempo de deposição de 6 horas e 30
minutos). Os sistemas estudados foram caracterizados por difração de raios X,
microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios X, ultramicrodureza e
perfilometria 2 e 3D. Os sistemas foram submetidos aos testes de desgaste por
deslizamento a seco na configuração esfera sobre disco. Foram utilizadas 3 cargas
normais (5, 15 e 30N) e distância de deslizamento de 1600 e 5800m, sendo realizados
testes parciais com 50 e 200m. O raio da trilha utilizado para o teste de desgaste foi de
7mm, com 380rpm, que correspondeu a uma velocidade tangencial de 0,278m/s.
Constatou-se que o processo de modificação superficial a plasma alterou a estrutura
superficial do aço UBC introduzindo uma primeira camada de compostos (ε-Fe2–3N e
γ′-Fe4N fases), seguida de uma zona de nitretos precipitados na forma de agulhas
grandes (γ′-Fe4N e CCC α-Fe fases), e por uma zona de precipitados de α″-Fe16N2 na
forma de agulhas muito pequenas na matriz ferrítica. O processo de deposição do filme
de nitreto de cromo, além de criar uma camada de 7,75μm de espessura, alterou a
difusão do nitrogênio de modo que a espessura da camada de compostos se apresentou
com espessura irregular além de ser observado um refino nos nitretos precipitados nas
formas de agulhas grandes e pequenas. A transição de regime de desgaste com a
distância de deslizamento (profundidade de nitretação) foi descrita em função da
mudança microestrutural com a profundidade de concentração de nitrogênio: um “1º
Período de Regime de Desgaste” foi associado ao desgaste da camada superior da
Camada de Compostos onde prevalece a fase ε-Fe2-3N, rica em nitrogênio. Um “2º
Período de Regime de Desgaste” foi associado ao desgaste da camada inferior da
Camada de Compostos constituída das fases ε-Fe2-3N + γ‟-Fe4N. E um “3º Período de
Regime de Desgaste” foi associado ao desgaste da Camada superior de Difusão onde se tem as fases γ‟-Fe4N e -Fe expandida por nitrogênio. As mudanças estruturais em
função da mudança de nitrogênio com a profundidade foram assim associadas a
transições de mecanismos de desgaste ao longo do desgaste por deslizamento. Os testes
de ultramicrodureza realizados na seção transversal dos materiais, nos três sistemas
estudados, indicaram que o processo de nitretação a plasma aumentou em até duas
vezes a dureza do aço UBC, a uma profundidade de até 650μm, enquanto que o
revestimento de nitreto de cromo elevou a dureza superficial em até 3,4 vezes e criou
um patamar de dureza, acima de 3,0GPa, até uma profundidade de a 775μm. Os
resultados dos testes de desgaste por deslizamento indicaram que o aço UBC nitretado a
plasma tiveram um melhor desempenho em relação ao desgaste com carga normal de
30N, reduzindo em 53,2% a profundidade da trilha no teste de desgaste de 1600m e em
11,0% no teste de 5800m, estando esta diferença associada ao término da camada de
compostos na superfície de desgaste por volta de 1000m de deslizamento. Já o aço UBC
nitretado + revestimento de nitreto de cromo apresentou uma redução da profundidade
da trilha de desgaste de 92,5% e 93,4% nos testes de desgaste realizados com distâncias
de deslizamento de 1600 e 5800m respectivamente. Os resultados indicaram um
desempenho superior de resistência ao desgaste por deslizamento do sistema duplex em
relação ao aço UBC somente nitretado a plasma e ao aço UBC não modificado
superficialmente.
Abstract
In this work the tribological properties of IF steels were studied in three systems: the
substrate - IF steel niobium stabilized; IF steel surface modified by plasma nitriding
process in triode configuration (temperature of 500ºC for 6 hours); and a sequential
duplex process (plasma nitrided IF steel in triode configuration at the temperature of
500°C for 6 hours, followed by coating of chromium nitride film by deposition process
at a temperature in the range of 380 to 420°C and deposition time of 6 hours and 30
minutes). The studied systems were characterized by X-ray diffraction, scanning
electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, micro-indentation and 2
and 3D profilometry. The systems were submitted to the dry sliding wear test in sphere
on disc configuration. Three normal loads (5, 15 and 30N) and sliding distance of 1600
and 5800m were used. Partial tests with 50 and 200m were performed. The radius of the
track used for the wear test was 7mm, and 380rpm, which corresponded to a tangential
velocity of 0.229m/s. It was found that the process of plasma surface modification
altered the surface morphology of IF steel by introducing a first layer of compounds (εFe2–3N e γ′-Fe4N) followed by a zone of nitrides precipitates in the form of large needles
(γ′-Fe4N e CCC α-Fe) and by a zone of precipitates of α″-Fe16N2 in the form of small
needles in the ferritic matrix. The process of chromium nitride film deposition, in
addition to creating a layer of 7.75μm thickness, altered the nitrogen diffusion, so that
the thickness of the layer of compounds was presented with irregular thickness in
addition to being observed a refining the large and small needles nitrites precipitated.
The Instrumented microhardness tests performed in the cross-section of the materials in
the three systems studied indicated that the plasma nitriding process increased up to
twice the hardness of the UBC steel to a depth of up to 650μm, whereas the chromium
nitride coating increased surface hardness by up to 3.4 times and created a hardness
plateau above 3.0GPa to a depth of approximately 800μm. The sliding wear results have
shown that UBC plasma-treated steel had a better wear performance with normal load
of 30N, reducing the track depth by 53.2% in the 1600m wear test and in 11, 0% in the
5800m test, this difference being associated with the end of the layer of compounds on
the wear track surface around 1000m of sliding. On the other hand, the IF nitrided steel
+ chrome nitride coating showed a reduction of 92.5% and 93.4% wear track depth in sliding distances of 1600 and 5800m respectively. The results indicated a much superior
performance of the duplex system compared to only nitrided and unmodified IF.
Assunto
Engenharia metalúrgica, Metalurgia física, Desgaste mecânico, Nitruração
Palavras-chave
Desgaste por deslizamento, Teste de desgaste esfera sobre disco, Aço UBC, Nitretação a plasma, Revestimento Cr-N