efeito do campo magnético no processo de nitretação a

EFEITO DO CAMPO MAGNÉTICO NO PROCESSO DE NITRETAÇÃO A PLASMA
DE AÇO INOXIDÁVEL SAE 304
Gustavo Tadao Yuasa ( [email protected] ) - IC
Choyu Otani ( [email protected] ) - PQ
Gilberto Petraconi Filho ( [email protected] ) - PQ
Marcos Massi ( [email protected] ) - PQ
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA
Praça Marechal Eduardo Gomes, 50.
Vila das Acácias - CEP 12228-900
São José dos Campos - SP - Brasil
Resumo:
Da Era dos Metais até o presente, a humanidade sempre utilizou os metais para criação de
ferramentas ou máquinas que tornem o nosso trabalho mais rápido e produtivo. Desde que o aço tem
sido a liga mais utilizada, cientistas vêm pesquisando formas de melhorar sua qualidade. É neste
sentido que os nitretos de ferro são tão importantes na metalurgia e são os alvos deste projeto. Neste
experimento, uma série de nitretações a plasma foi conduzida em amostras de aço inoxidável
austenítico da classe SAE 304 sob a influência de um campo magnético externo. Os resultados
elucidaram a influência do campo magnético aplicado sobre o processo de nitretação a plasma.
Abstract:
From the Metal Age to present, the humanity has always worked on the metals for creation of tools or
machines that make our work faster and more productive. Since the steel has been considered as the
most useful alloy, scientists have been given special attention researching the ways of increasing its
quality. That’s why iron nitrides are so important in metallurgy and are also the aim of this project. At
this experiment, a series of plasma nitriding experiments has been conducted on SAE 304 austenitic
stainless steel samples under the external magnetic field. The results elucidated the influence of the
applied magnetic field over the plasma nitriding process.
1. INTRODUÇÃO
De acordo com Mehl [1], podemos dizer que o aço é uma liga ferro – carbono com pequenas
impurezas e outros elementos colocados propositadamente ou porque não foi possível retirá-los. A
porcentagem de carbono na liga varia entre zero e 1,7%, enquanto o teor de manganês, em aços
comuns, varia entre 0,03% a 0,75% aproximadamente. Outros elementos como fósforo, silício e
enxofre são reduzidos ao mínimo possível [1].
O aço esteve sempre presente em diversas áreas do conhecimento, sendo a base de muitos
produtos utilizados pelo ser humano. Encontra-se aço nos equipamentos bélicos, no automobilismo,
aeronáutica, construção civil, máquinas, ferramentas e em muitos outros ramos. As características do
aço podem variar de acordo com o arranjo estrutural e composição química, podendo apresentar
propriedades diferentes que atendam especificações ditadas por cada aplicação. No presente estudo,
será analisado o aço inoxidável austenítico da série S.A.E. (“Society of Automotive Engineers”) 304,
um dos aços que possuem larga aplicabilidade.
Ao longo da história, foram criados diversos tipos de tratamentos, visando à obtenção de um
material de melhor qualidade. Alguns dos objetivos tem sido promover o endurecimento da superfície
de peças visando aplicações onde o desgaste e a fadiga a que são submetidos são muito significativos
(além de aumentar a resistência à corrosão). Um dos processos mais utilizados para se obter estes
efeitos é a nitretação, por não comprometer a propriedade física associada ao seu volume. Um dos
processos de nitretação, que vem se destacando, é o que utiliza o plasma e é denominado de nitretação
a plasma ou nitretação iônica [3]. Este processo apresenta vantagens como a redução do tempo de
tratamento até a ausência total de poluição, em relação ao processo convencional.
2. OBJETIVOS
O principal objetivo deste trabalho é estudar um dos principais métodos de tratamento
superficial do aço para se obter um novo material com propriedades que podem gerar novas aplicações
ou melhorar o desempenho naquelas em que este material é atualmente utilizado. Nesta pesquisa
pretende-se analisar o efeito do campo magnético aplicado ao processo de nitretação iônica a plasma
frio tendo-se como material base o aço inox austenítico S.A.E 304.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 O Plasma:
O termo plasma é utilizado para designar um meio gasoso formado por cargas elétricas que
permitem a condução de energia elétrica. Estas cargas elétricas são elétrons, átomos ou moléculas
ionizadas, sendo que a densidade de cargas positivas (íons positivos) deve ser igual a de cargas
negativas (íons negativos e elétrons). Isto faz com que um plasma seja, na média, eletricamente
neutro[4].
Para que ocorra a ionização das moléculas ou átomos presentes em um gás, é necessário que
energia seja fornecida a este meio. Foi observado que este fenômeno ocorre nas estrelas como o Sol
devido às energias provenientes de reações químicas e nucleares a altas temperaturas. Neste meio, a
agitação das partículas é tão grande que ocorre praticamente a ionização total dos átomos constituintes
[4]. Entretanto, descobriu-se que um estado semelhante pode ser criado se uma alta voltagem for
aplicada num gás, de preferência a baixas pressões.
A forma mais simples de se obter um plasma artificialmente é a utilização de uma câmara
contendo o gás a ser ionizado mantido a baixa pressão. A energia elétrica é transferida ao meio por
dois eletrodos, os quais estão ligados a uma fonte C.C. Ao ligar a fonte, produz uma diferença de
potencial entre os eletrodos, surgindo então um campo elétrico no interior da câmara. Devido a este
campo elétrico, os elétrons livres produzidos por fenômenos diferentes, como ionização por raios
cósmicos, são acelerados em direção ao anodo causam ionizações no seu percurso pelas colisões
produzidas com os átomos do gás. Os íons formados são acelerados em direção ao catodo e, ao atingilo, podem causar a emissão de elétrons secundários que também são acelerados pelo campo elétrico no
sentido oposto ao dos íons positivamente carregados. Estes elétrons podem ainda ocasionar uma
segunda ionização dos átomos do gás, dando continuidade ao processo.
3.2 Nitretação Iônica:
A nitretação a plasma (ou iônica) é uma maneira de se obter um material com superfície de
maior dureza, e com maior resistência ao desgaste e à corrosão, e possui muitas vantagens em relação
ao processo convencional. Na nitretação iônica, o material é exposto ao plasma produzido por
descarga luminescente em uma mistura de N2 e H2. Devido à passagem de corrente, a temperatura é
mantida entre 300ºC e 600ºC e os outros parâmetros (pressão, mistura de gases, potência elétrica)
podem ser utilizados para se obter superfícies com diferentes características [4].
Desta forma, podemos enumerar um grande número de vantagens em relação a nitretação
convencional como, por exemplo [3]:
- controle das propriedades da camada nitretada,
- automação completa do processo,
- total ausência de poluição,
- redução do tempo de tratamento (1 a 10 horas),
- redução de custos com relação ao uso da energia elétrica e do gás envolvido e
- menor temperatura de trabalho.
Foi introduzido um campo magnético uniforme perpendicular aos eletrodos. Assim, aumentase a densidade de elétrons e íons na região compreendida entre o anodo e o catodo, causando
alterações na superfície nitretada. As alterações das propriedades do aço nitretado utilizando campo
magnético foram estudadas neste trabalho.
4. PREPARAÇÃO DO EQUIPAMENTO
4.1 Preparação Das Amostras:
Para o experimento, foi utilizado aço inoxidável austenítico que foi fornecido pela Divisão de
Materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço do Centro Técnico Aeroespacial (AMR/IAE/ITA) em
forma de uma chapa de 2 mm de espessura. Para saber a qual classe o aço recebido pertencia, foi
levada uma amostra deste material ao Laboratório de Análises Químicas da AMR. O resultado da
análise é mostrado na tabela 1.
Tabela 1
Composição química da amostra de aço.
Elemento
C
S
Si
P
Teor (%)
0,050
0,002
0,51
0,035
Mn
1,53
Cr
18,80
Ni
8,50
Mo
0,14
Pela análise feita, a composição química das amostras analisadas enquadra-se na classe do aço
inoxidável austenítico 304 conforme norma SAE J405d.
Com a chapa de aço fornecida, foram preparadas amostras de 20 mm de diâmetro e 2 mm de
espessura bem como eletrodos de 36,5 mm de diâmetro com abertura circular para alocar as amostras.
Em seguida, foram feitos a limpeza e o polimento com o objetivo de prepará-las para o tratamento.
Para evitar que o plasma fosse formado na parte posterior dos eletrodos, foram confeccionadas
duas blindagens de cerâmica Macor. Além de proteger os eletrodos, estas blindagens também possuem
um canal para entrada do termopar a fim de fornecer contato elétrico com os eletrodos. Também há
dois furos para passagem dos parafusos, que seguram todo o conjunto.
Para que não ocorresse descarga no termopar e para que houvesse vedação da câmara para
manutenção de vácuo, ele foi envolvido com um tubo de pirex e vedado com “Torr Seal” da “Varian
Vacuum Products”. Assim, os dois eletrodos estavam prontos para o experimento. O conjunto todo
pode ser visto na figura 1.
4.2 Aparato Experimental
Para a realização do experimento, foram utilizados:
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Medidor de pressão Pirani de marca “HPS – Division of MKS Instruments Inc”.
Sistema de vácuo (bomba mecânica Edwards + bomba difusora 2ª-1 Veeco).
Sistema de injeção de gases
Fluxímetro
Fonte de potência elétrica (3000 V c.c. e 1,0A)
Eletroímã (corrente máxima 100 e 1kW de potência).
Reator (câmara de pyrex, flanges frontal e posterior)
Multímetro para se medir a corrente que passa pelos eletrodos
Medidor de temperatura para analisar a temperatura do catodo
Reostato de 1k para dividir a tensão aplicada nos eletrodos e, assim, protegê-los;
Gaussímetro MG-3D (0-10kGauss) para medir o campo magnético aplicado;
O equipamento pronto para o início do tratamento é apresentado na figura 1.
Figura 1 – Esquerda: ilustração de detalhes dos eletrodos e entrada de gases na flange frontal.
Direita: aparato experimental, incluindo os multímetros, medidores de temperatura, um
reostato e as conexões para entrada de gases na câmara.
5. TRATAMENTO DAS AMOSTRAS
Foi iniciada a operação fazendo-se vácuo com pressão de 10-3 torr na câmara do processo para
eliminar possíveis impurezas que estivessem em seu interior. Em seguida, foi produzida uma descarga
em H2 (com o objetivo de realizar a limpeza das amostras devido ao impacto de íons energéticos). As
condições do processo são apresentadas na tabela 2.
Para a nitretação iônica, foram tratadas 3 amostras. Todas elas foram inicialmente submetidas
à limpeza com descarga de hidrogênio de maneira descrita anteriormente, por período de 30 min. Foi
escolhido o gás hidrogênio, pois este promove a remoção de óxidos que podem ter sido formados na
superfície das amostras. Em seguida, iniciou-se o tratamento das mesmas com plasma nas seguintes
condições mostradas na tabela 2.
Tabela 2 – Condições de processo para a limpeza e tratamento das amostras:
Limpeza
Tratamento
Tempo (min)
30
180
Fluxo (sccm)
50 de H2
12,5 de H2/12,5 de N2
Pressão (torr)
0,5
5
Corrente (mA)
8
50
Temperatura média (ºC)
90
340
Os três tratamentos foram efetuados com densidade de fluxo magnético, B, igual a zero Gauss,
210±15 Gauss e 370±30 Gauss, paralelo ao eixo da descarga. A corrente de descarga foi mantida
constante durante todo o processo, por meio do ajuste da tensão de descarga.
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As 3 amostras nitretadas, bem como uma amostra não tratada (polida e espelhada) foram
encaminhadas a AMR-IAE (divisão de materiais do Instituto de Aeronáutica e Espaço) para serem
caracterizadas estruturalmente e fisicamente.
A Difração de raios-x das quatro amostras foi feita visando a análise comparativa dos
compostos formados em relação à estrutura do aço original. A partir dos difratogramas, pode-se
verificar que houve formação de novos compostos na estrutura cristalina das amostras.
O material original utilizado como substrato apresenta um pico identificado como α ‘,
conhecida como fase Martensítica do aço. Uma possível explicação para o surgimento deste composto
foi dada por Padilha e Guedes [7], que justificaram tal formação como sendo devido à deformação
plástica induzida durante a fase de polimento das amostras.
Nas amostras nitretadas, vimos que houve formação de nitretos de Ferro (Fe3N e Fe4.4N), bem
como a formação de nitreto de cromo para a amostra nitretada sem campo magnético. Por outro lado,
nas amostras tratadas sob efeito do campo magnético, o pico de Fe4.4N se mostrou mais intenso. O
pico não identificado nestas 2 amostras, próximo a 2θ = 73º foi atribuído a formação de Fe4N.
Podemos concluir, portanto, que o campo magnético induz à formação de alguns tipos de nitretos
como o Fe4.4N e o Fe4N ao passo que inibe a formação de outros como o CrN.
Finalmente, quanto à intensidade do campo magnético aplicado, pode-se verificar que para um
campo magnético mais intenso, o pico devido ao Fe4.4N diminuiu de intensidade, conforme observado
também nos experimentos de Lacerda [3].
As amostras foram também submetidas ao teste de dureza Vickers que permitiram obter os
resultados apresentados na tabela 3. Estes valores da dureza estão aquém dos esperados e para melhor
avaliar a sua validade, foram feitas caracterizações destas amostras por Microscopia eletrônica de
varredura – MEV, que proveram as micrografias das quais a mais representativa é apresentada na
figura 2.
Figura 2 – Micrografia obtida por MEV (1000x), na qual podemos ver a seção transversal da
camada nitretada, com B = (370 ± 15)G.
Observando as micrografias obtidas pela MEV, pode-se verificar que ocorre a formação de
uma camada superficial de nitretos como conseqüência dos tratamentos a plasma a que as amostras são
submetidas. Percebe-se também que a espessura dessas camadas nitretadas diminuem com o aumento
do campo magnético aplicado. Calculando-se a profundidade que atinge o indentador Vickers para
comparar com a espessura da camada nitretada obteve-se os valores apresentados na tabela 4.
Tabela 4 – Comparação entre a espessura da camada nitretada nas 3 amostras tratadas e a
profundidade do indentador Vickers.
Amostra
Dureza em HV
Espessura da
Profundidade do
(kgf/mm2)
camada (µm)
indentador (µm)
Substrato
212,2±0,6
B = 0G
222,9±0,6
53,47
4,1
B = (210±15)G
B = (370±30)G
265,5±1,2
250,4±0,5
20,85
10,09
3,8
3,9
A comparação dos valores calculados da profundidade com os valores da espessura da camada
nitretada, leva a concluir que o indentador Vickers, nas condições experimentais utilizadas, não
atravessa a camada no momento da medição. Estes fatos, juntamente com os resultados apresentados
pelos difratogramas de raios-X e pelas micrografias obtidas pela MEV validam os resultados de dureza
obtidos.
7. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos permitem concluir que o campo magnético aplicado durante o
processamento pode alterar a condição de nitretação iônica, promovendo modificações na estrutura
cristalina dos compostos formados e na espessura da camada nitretada. Quanto à dureza da superfície,
aumento de 25%, em relação ao valor apresentado pelo substrato, foi observado para a amostra tratada
na presença de campo magnético de 210 G.
A análise comparativa dos valores de dureza obtidos com aqueles apresentados na literatura
[3], mostra a inferioridade no ganho da dureza produzido pelo presente trabalho. Este aparente
discrepância é tentativamente atribuída ao fato dos compostos formados na nitretação, identificados
pelos difratogramas de raios-X, não serem totalmente idênticos aos obtidos por outros pesquisadores
devido principalmente aos fatores como variação na temperatura do processo e preparação inicial dos
corpos de prova, assim como a composição química do substrato utilizado. A influência destes fatores
deve ser tema de outros estudos que deverão ser realizados no próximo futuro.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo suporte
financeiro por intermédio do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica – PIBIC.
Ao Prof Dr. Choyu Otani pela orientação durante todo o trabalho e importantes conselhos
fornecidos para o trabalho e para minha formação.
Ao Prof Dr Gilberto Petraconi Filho e Prof Marcos Massi pela co-orientação e apoio na
preparação do experimento e pelas aulas ministradas no curso de FF299.
À profa Maria Margareth da Silva do Departamento de Tecnologia pelas explicações e
orientação durante o preparo das amostras.
À Divisão de Materiais – AMR/IAE pela análise do aço utilizado para confecção das amostras
e pela análise das mesmas neste trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Mehl, R. F. “Metalurgia do ferro e do aço”. Escola Politécnica, USP. 1945.
2. Stoughton, B. “The metallurgy of iron and steel”. Fourth Edition. McGraw-Hill Book
Company, Inc. New York and London. 1934
3. Lacerda, G.A. “Nitretação iônica de aços inoxidáveis austeníticos da classe S.A.E. 303 em
plasma magnetizado”. Dissertação (Mestrado). São José dos Campos, ITA. Departamento de Física de
Plasmas, 2001.
4. Barbieri, F.C. “Modificação de propriedades superficiais de ligas metálicas de Ti6A14V
por processo de nitretação a plasma”. Dissertação (Mestrado). São José dos Campos, ITA.
Departamento de Física de Plasmas, 2001.
5. Alves Jr., C. “Nitretação a plasma: Fundamentos e aplicações”. EDUFRN
6. Nasser, E., “Fundamentals of Gaseous Ionization and Plasma Electronics” John Wiley &
Sons, INC. London. 1971
7. Padilha, A. F. & Guedes, L. C. “Aços inoxidáveis austeníticos: microestrutura e
propriedades” Ed. Hemus, 1994 p.108