Modificações estruturais e mecânicas de superfície pela inserção de nitrogênio e carbono em um aço inoxidável superaustenítico

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2019-06-19T11:19:42Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) RAFAEL FILLUS CHUPROSKI.pdf: 3222107 bytes, checksum: a0ed80083d75c8c883a850db41f67424 (MD5) Made available in DSpace on 2019-06-19T11:19:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) RAFAEL FILLUS CHUPROSKI.pdf: 3222107 bytes, checksum: a0ed80083d75c8c883a850db41f67424 (MD5) Previous issue date: 2019-03-08 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A inserção de nitrogênio ou carbono na superfície de ligas do sistema Fe-Cr-Ni leva a formação de uma fase expandida e metaestável, com ampla faixa de estequiometrias, supersaturada em nitrogênio (Fase SN) ou carbono (Fase SC). Embora suas vantagens tecnológicas sejam bem conhecidas, o mesmo não se pode dizer de suas propriedades físicas fundamentais. Nessa perspectiva, o aço inoxidável superaustenítico UNS S31254 (AISA) foi utilizado para o estudo de dois aspectos diferentes, mas complementares. Primeiramente, avaliou-se um método que permite controlar a fase SN produzida no AISA pela implantação iônica de nitrogênio por imersão em plasma (PI3). Em segundo lugar, buscou-se o entendimento da dinâmica entre nitrogênio e carbono na estrutura do material para a formação das fases SN e SC. (i) Avaliou-se o parâmetro Epulso/A (densidade superficial de energia de implantação) no controle da formação da fase SN, variando-se as condições de implantação, mas mantendo-se a temperatura em 320 ºC. A espessura das camadas aumentou de 1,1 a 1,9 m com o incremento na tensão aplicada (6,2-10,4 kV) e os valores de Epulso/A; no entanto, a concentração de nitrogênio seguiu a ordem inversa e foi determinante para a resistência à deformação plástica das superfícies. A dureza foi 32% maior para o tratamento a 6,2 kV em relação ao de 10,4 kV. No primeiro caso, a superfície se revelou frágil, e no segundo dúctil, o que se associa às diferentes proporções entre a fase SN e nitretos  e ´ nas camadas. Neste tópico, conclui-se que o parâmetro Epulso/A, em associação à fluência de íons, permite o controle estrutural da superfície modificada do AISA. (ii) Estudou-se as fases SN e SC em tratamentos de nitretação (N) e cementação (CEM) sequenciais, todos realizados em 320 ºC por 3 h, cuidando-se para igualar o tempo de recozimento dos substratos. A inserção de nitrogênio foi obtida por PI3, enquanto a cementação, simultânea para todas as amostras, foi realizada por descarga luminosa. Em ambos os tratamentos, nitretação seguida de cementação (N+C), e, cementação com subsequente nitretação (C+N), uma camada rica em nitrogênio se assentou sobre a região com carbono. Foi notável que Epulso/A, da nitretação, foi determinante para a espessura total das camadas (5 m) em quaisquer dos arranjos. Na N+C, a superfície rica em nitrogênio atuou como barreira parcial à difusão do carbono, que ainda assim promoveu a reestruturação da camada nitretada em uma região mais estreita e mais saturada, com decaimento térmico parcial da fase SN em precipitados  e ´. Na C+N, o carbono deu lugar às camadas nitretadas, estabelecendo-se em regiões profundas no substrato e fornecendo sustentação mecânica para a obtenção dos maiores perfis de dureza deste estudo, com valores de 10,9 GPa na superfície. Esta condição permitiu a maior retenção de carbono e nitrogênio entre todos os tratamentos estudados, incluindo-se a nitrocementação por plasma. The surface nitrogen or carbon insertion into Fe-Cr-Ni alloys produce an expanded and metastable phase supersaturated by nitrogen (SN) or carbon (SC), which exist in a very large compositional range. Although their technological advantages are well known, the same is not true regarding the basic physical properties. In this scenario, the superaustenitic stainless steel (SASS) was surface-modified for investigating two different but complementary aspects. Firstly, a method for the SN-phase control through nitrogen plasma immersion ion implantation (PI3) was evaluated; secondly, the analysis focused in the nitrogen and carbon interaction in the material´s structure to produce both SN e SC phases. (i) The parameter Epulse/A (surface density of implantation energy) was evaluated for controlling the SN phase formation, in an experimental set-up where the implantation conditions varied whereas temperature was kept at 320 ºC. The layers´ thicknesses increased from 1.1 to 1.9 m with the applied voltages (6.2-10.4 kV) and Epulse/A values; however, the nitrogen saturation followed the opposite trend, which also ruled the surfaces strength against plastic deformation. Hardness was 32% higher for the 6.2 kV treatment as compared with the 10.4 kV one. Under indentation, the surfaces were brittle in the former and ductile in the latter condition, in a clear correlation with the SN phase and -´ nitrides ratio in the modified layers. To summarize, the Epulse/A parameter correlated with ion fluencies could provide structural control in SASS modified surfaces. (ii) SN and SC phases were studied in sequential nitriding (N) and carburizing (CEM) treatments, each of them carried out at 320 ºC for 3 h, whose substrates were subjected to the same annealing time. The N step was attained through PI3, whereas CEM (a unique batch for all samples) were carried out by glow discharge. In both N+C and C+N, a nitrogen rich case laid over a carbon-containing region. It was conspicuous that Epulse/A (from nitriding) directly influenced the total thicknesses of the layers (5 m), independently of the processing sequence. In the N+C, the nitrogen-rich surface partially hindered the carbon diffusion; nevertheless, it promoted a rearrangement of the top nitrided region into a thinner and more nitrogensaturated layer. Part of the SN phase decayed thermally into  and ´ precipitates. Carbon atoms in the C+N treatment displaced inward the substrate, being replaced at the surface by the nitrided layer. Such deeper carbon-rich regions provided a loadbearing effect in indentation tests, resulting in the highest hardness profiles observed here, with 10.9 GPa at near surface. This sequential C+N provided the highest nitrogen and carbon retention among all the studied treatments, including here the nitrocarburizing glow discharge.