Microstructural characterization of UNS S32750 steel nitrided at low temperature with low plasma power

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná A nitretação a baixas temperaturas de aços inoxidáveis é um tratamento que tem sido amplamente estudado nos últimos anos, entretanto, poucos trabalhos se dedicaram a estudar sua aplicação em aços inoxidáveis duplex. Dentre as principais pesquisas a esse respeito, divergências de resultados têm sido obtidas no tocante à estrutura da camada nitretada: diferentes autores indicam formação de austenita expandida sobre ambas as fases, ou de austenita expandida com a presença de nitretos, também de austenita e ferrita expandidas, e, ainda, de camada de compostos. Visando melhor compreender a estrutura da camada nitretada, este trabalho tem por objetivo estudar a microestrutura do aço inoxidável duplex UNS S32750 após ser nitretado por plasma com aquecimento auxiliar em diferentes condições de tempo e temperatura, a saber: 300ºC por 4 h; 350ºC por 2 h; 350ºC por 4 h; 350ºC por 8 h; e 400ºC por 4 h. Estudouse a também evolução do teor de nitrogênio e da microestrutura com o aquecimento posterior à nitretação. Técnicas de caracterizações por microscopia de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de comprimento de onda de raios X (WDS), difração de raios X (DRX) e indentação instrumentada foram realizadas para avaliar a camada formada e suas características. A fim de verificar a evolução do teor de nitrogênio e das fases da camada formada, realizou-se o aquecimento de três amostras selecionadas, com realização concomitante de difração de raios X no Laboratório Nacional de Luz Sincroton (LNLS). Os resultados obtidos revelaram a presença de uma camada monofásica de austenita expandida sobre ambas as fases prévias do material, sem a presença de nitretos de cromo. A espessura destas camadas, entretanto, foi pequena, devido à baixa potência de plasma aplicada (15 W). Ainda assim, elevados teores de nitrogênio foram aferidos na camada, desde 8,62% na austenita e 3,61% na ferrita da amostra nitretada a 350ºC/2 h, até 14,72% na austenita e 15,53% na ferrita da amostra nitretada a 350ºC/8 h (teores em massa), os quais se relacionam com os dados de dureza obtidos, de modo que a maior dureza foi constatada no material mais enriquecido com nitrogênio. O aquecimento realizado nas amostras revelou que somente as amostras com maior concentração de nitrogênio sofrem decomposição da austenita expandida em nitretos de cromo, além da difusão de nitrogênio para o interior da amostra (visualizado em todas as amostras), fazendo com que a espessura de camada aumente. Low-temperature nitriding of stainless steels is a treatment that has been widely studied in recent years, however, few studies have been dedicated to its application in duplex stainless steels. Among the main researches, divergences of results have been obtained regarding the nitrided layer structure: expanded austenite formation on both phases; expanded austenite with the presence of nitrides; expanded austenite and ferrite; and compound layer. In order to better understand the structure of the nitrided layer, this work aims to study the microstructure of UNS S32750 duplex stainless steel after nitriding with auxiliary heating under different time and temperature conditions, namely: 300ºC for 4h; 350° C for 2 h; 350° C for 4 h; 350° C for 8 h; and 400ºC for 4 h, and the evolution of nitrogen content and microstructure with heating after nitriding. For this, samples of this material were produced and nitrided, and characterizations such as scanning microscopy (SEM), X-ray wavelength dispersive spectroscopy (WDS), X-ray diffraction (XRD) and instrumented indentation were performed to evaluate formed layer and its characteristics. In order to verify the evolution of the nitrogen content and phases of the formed layer, three selected samples were heated, with simultaneous X-ray diffraction performed at the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS). The results revealed the presence of an expanded austenite monophasic layer over both phases of the material, without the presence of chromium nitrides. The thickness of these layers, however, was small due to the low applied plasma power (15 W), in order to allow resistive heating influence. Nevertheless, high levels of nitrogen were measured in the layer, from 8.62% in austenite and 3.61% in ferrite of the nitrided sample at 350ºC / 2 h, up to 14.72% in austenite and 15.53% in ferrite. Nitrided sample at 350ºC / 8 h (mass contents), which are related to the hardness data obtained, só that the highest hardness was found in the material most enriched with nitrogen. The heating of the samples revealed that only the samples with higher nitrogen concentration expanded austenite decomposes in chromium nitrides, in addition to the diffusion of nitrogen into the sample, causing the layer thickness to increase.