Caracterização microestrutural, mecânica e tribológica do aço inoxidável super duplex SAF 2507 (UNS S32750) nitretado por plasma a baixa temperatura

Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Perito CardosoCoorientadores: Prof. Dr. Silvio Francisco Brunatto, Prof. Dr. Cristiano José ScheuerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 12/02/2019Inclui referências: p. 109-118Área de concentração: ManufaturaResumo: A nitretação por plasma a baixa temperatura é um método eficiente para promover a melhoria das propriedades da superfície dos aços inoxidáveis. Este tratamento visa enriquecer a superfície do aço inoxidável com nitrogênio sem promover a precipitação de nitreto de cromo, o que reduziria a resistência à corrosão do aço inoxidável. Entre os aços inoxidáveis, os super duplex se destacam pela combinação atraente de propriedades mecânicas e excelente resistência à corrosão em meio contendo cloretos. Como resultado, esses aços são amplamente aplicados na indústria petroquímica e de petróleo e gás. Embora possuam propriedades mecânicas adequadas, sua dureza é relativamente baixa e, consequentemente, sua resistência ao desgaste pode ser insatisfatória para algumas aplicações, reduzindo a vida útil dos componentes. Neste cenário, o tratamento de nitretação a baixa temperatura é um método economicamente atrativo e tecnicamente viável para promover a melhoria no comportamento tribológico desta classe de aço inoxidável sem reduzir sua resistência à corrosão. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo que contempla a caracterização microestrutural, mecânica e tribológica do aço inoxidável super duplex SAF 2507 (UNS S32750), nitretado por plasma a baixa temperatura. Os tratamentos de nitretação foram realizados utilizando-se uma mistura gasosa composta por 70% de N2 + 20% de H2 + 10% de Ar a uma vazão de 3,33 * 10-6 m3s-1. O efeito da temperatura e do tempo de tratamento nas propriedades de superfície do material tratado foi avaliado por duas séries de tratamento: i) tempo fixo de 4 h nas temperaturas de 300, 350, 400 e 450 ° C; e ii) temperatura fixa de 350 °C para tempos de tratamento de 2, 4 e 8 h. Todos os tratamentos foram realizados a uma pressão de 400 Pa e aplicando uma tensão de pico de 700 V. As amostras tratadas foram caracterizadas microestruturalmente por meio de microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios X (DRX), e as propriedades mecânicas através de medidas de microdureza Vickers. O desempenho tribológico foi avaliado através do teste de desgaste microabrasivo, e os mecanismos de desgaste foram analisados observando-se a superfície desgastada por MEV. A energia de ativação para difusão de nitrogênio foi calculada a partir da espessura da camada tratada formada sobre cada fase do aço estudado, y-austenita e a-ferrita. Os resultados da caracterização microestrutural e mecânica mostram que a aplicação do tratamento de nitretação por plasma a baixa temperatura promove a formação de uma camada tratada composta por austenita expandida. Para curtos períodos e baixas temperaturas, a camada tratada formada sobre os grãos de ferrita é mais fina do que aquela formada sobre os grãos de austenita, mas a espessura da camada tratada é similar para temperaturas mais altas e tempos de tratamento maiores. Os valores calculados de energia de ativação para difusão de nitrogênio foram de 114,88 e 119,85 kJmol -1, para camada formada sobre grãos austeníticos e ferríticos, respectivamente. A dureza da superfície tratada aumenta à medida que o tempo e a temperatura do tratamento são aumentados, atingindo um valor máximo de 1899 ± 227, para o tratamento a 450 °C por 4h. Os resultados dos testes tribológicos mostram um aumento considerável na resistência ao desgaste microabrasivo do material tratado, que é diretamente proporcional à dureza da superfície tratada. A caracterização da área desgastada mostra a ocorrência de mecanismos de desgaste por riscamento e micro-rolamento. Os resultados aqui apresentados confirmam o potencial da aplicação do tratamento de nitretação por plasma em aço inoxidável super duplex SAF 2507. Palavras chaves: Nitretação. Cinética de tratamento. Caracterização microestrutural.Abstract: Low-temperature plasma nitriding is an efficient method to promote the improvement of stainless steels surface properties. This treatment aims to enrich the stainless steel surface with nitrogen without promoting chromium nitride precipitation, which would reduce the stainless steel corrosion resistance. Among the stainless steels, super duplexes stand out due to their attractive combination of mechanical properties and excellent corrosion resistance in chlorides containing medium. As a result, these steels are widely applied in the petrochemical and oil and gas industry. Although they have adequate mechanical properties, their hardness is relatively low and, consequently, their wear resistance may be unsatisfactory for some applications, reducing the life of the components. In this scenario, low-temperature nitriding treatment is an economically attractive and technically feasible method to promote the improvement in the tribological behaviour of this class of stainless steel without reducing its corrosion resistance. In this context, this work presents a study that contemplates the microstructural, mechanical and tribological characterization of super duplex stainless steel SAF 2507 (UNS S32750), nitrided by plasma at low temperature. The nitriding treatments were carried out using a gas mixture consisting of 70% N2 + 20% H2 + 10% Ar at a flow rate of 3,33 x 1 0 -6 m3s-1.The effect of the treatment temperature and time on the surface properties of the treated material was evaluated by two treatment series: i) fixed time of 4 h at temperatures of 300, 350, 400 and 450 ° C; and ii) fixed temperature of 350°C for treatment times of 2, 4 and 8 h. All the treatments were performed at a pressure of 400 Pa and applying a peak voltage of 700 V. The treated samples were characterized microstructurally by means of optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (DRX), and mechanical properties through Vickers microhardness measurements. The tribological performance was evaluated through microabrasive wear test, and the wear mechanisms were analyzed by observing the worn surface by SEM. The activation energy for diffusion of nitrogen was calculated from the treated layer formed over each phase of the studied steel , austenite and ferrite. The results of the microstructural and mechanical characterization show that the application of the low-temperature plasma nitriding treatment promotes the formation of a treated layer consisting of expanded austenite. For short times ans low treament temeperatures the treated layer formed over ferrite grains is thinner than that formed over austenite grains, but the treated layer thicness became similar for higher temperatures and treatmente times. The calculated values of activation energy for nitrogen diffusion were 114.88 and 119.85 kJmol -1, layer formed over austenitic and ferritic grains, respectively). The treated surface hardness is increased as the treatmente time and temperature are increased, reaching a maximum value the 1899 ± 227. For the treatment at 450° C for 4h. The tribological test results show a considerable increase in the microabrasive wear resistance of the treated material, which is directly proportional to the treated surface hardness. The characterization of worn area shows the occurrence of scratching and micro-rolling wear mechanisms. Finally, the results presented here confirm the potentiality of the application of the plasma nitriding treatment on super duplex stainless steel SAF 2507. Keywords: Nitriding. treatment kinetics. Microstructural characterization