Modificação da superfície do aço AISI 4140 pela nitretação por plasma

Abstract

Atualmente, o processo de nitretação por plasma constitui-se em uma excelente alternativa de tratamento termoquímico para atender à crescente demanda de indústrias dos mais diversos segmentos por tratamentos de superfície em peças de máquinas, fabricadas em aços de baixa liga que promova o endurecimento das superfícies dessas peças com melhorias significativas na sua resistência ao desgaste, preservando a tenacidade do núcleo do material e garantindo um bom desempenho de vida em fadiga. Em comparação à maioria dos tratamentos disponíveis no mercado, a nitretação por plasma possibilita o endurecimento da superfície de aços de baixa ligas num curto espaço de tempo, garantindo as propriedades supracitadas, sem efeitos indesejáveis de mudança de fases na estrutura do material durante o tratamento. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo estudar e apresentar os resultados para aplicações práticas da nitretação por plasma do aço AISI 4140 que é largamente utilizada nos diversos segmentos industriais. As amostras foram submetidas à nitretação por plasma com mistura de gases na proporção de 25%vol.N2:75%vol.H2 por 3 horas e em três patamares de temperatura: 500°C, 550°C e 600°C. Ao término do tratamento, foram realizados ensaios de caracterização por microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios-X para verificar a microestrutura, a morfologia, a espessura da camada nitretada denominada composta, também conhecida como “camada branca” e as fases presentes. Foram realizados também ensaios com microscopia de força atômica com o objetivo de verificar a topografia da superfície nitretada bem como a morfologia das camadas nitretadas. Os resultados mostram um aumento da rugosidade superficial das amostras, proveniente do processo de sputtering em plasma de argônio e nitrogênio. Medidas da microdureza superficial após o processo de nitretação, apresentam valores entre 649 e 759HV0,05, significativamente superiores aos valores obtidos antes do tratamento entre 280 e 300HV1. Por fim, foi realizada a medição do perfil de microdureza para determinar a profundidade total das camadas nitretadas. Como resultado, obteve-se uma profundidade entre 256 e 358μm, de acordo com o nível de temperatura de nitretação.

Currently, the plasma nitriding process is presented as an excellent alternative for thermochemical treatment to meet the growing demand of industries of various segments for surface treatments in machine parts, made of low alloy steels that promote the hardening of surfaces of these parts with significant improvements in their wear resistance, preserving the core tenacity of the material and ensuring a good life performance in fatigue. Compared to most treatments available on the market, plasma nitriding provides hardening of the surface of low alloy steels in a short time, ensuring the above mentioned properties without undesirable phase change effects of the material structure during the treatment. In this context, the present work aims to study and present the results for practical applications of plasma nitriding of AISI 4140 steel that is widely used in several industrial segments. The samples were submitted to plasma nitriding with gas mixture in the proportion of 25% vol.N2: 75% vol.H2 for 3 hours and at three temperature ranges: 500 ° C, 550 ° C and 600 ° C. After the treatment, characterization tests were performed by optical microscopy, scanning electron microscopy and X- ray diffraction with the aim of verifying the microstructure, the morphology, the thickness of the nitrided layer named as compound layer also known as “white layer" and the phases. Were also carried out tests with atomic force microscopy to verify the topography of the nitrided surface as well as the morphology of the nitride layers. The results show an increase in the surface roughness of the samples, caused by the sputtering process in argon and nitrogen plasma. Measurements of surface microhardness after nitriding showed values between 649 and 759HV0.05, significantly higher than those obtained before treatment between 280 and 300HV1. Finally, the microhardness profile was measured to determine the total depth of the nitrided layers. As a result, a depth varying between 256 and 358μm was obtained, according to the nitriding temperature level.