Transformações de fase e mudanças da textura cristalográfica durante a nitretação gasosa em alta temperatura de aços inoxidáveis.

Autor(es)

Carlos Mario Garzon Ospina

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2004-12-08

Membros da banca

Andre Paulo Tschiptschin; Maurizio Ferrante; Helio Goldenstein; Paulo Rangel Rios; André Luiz Vasconcellos da Costa e Silva

• Orientador: Andre Paulo Tschiptschin

Resumo

Com o intuito de agrupar o conhecimento necessário à otimização dos parâmetros de nitretação gasosa em alta temperatura de aços inoxidáveis, foram estudadas as transformações de fase e as mudanças da textura cristalográfica que ocorrem durante a nitretação gasosa em alta temperatura do aço inoxidável bifásico UNS S41008 (13% Cr - 0,07% C), %-massa, e do aço inoxidável dúplex UNS S31803 (22% Cr - 5% Ni - 3,0% Mo - 0,019% C), %-massa. Os aços foram nitretados em sistema experimental, usando-se misturas gasosas de N2+Ar de alta pureza, sob pressões parciais de nitrogênio que variaram entre 0,2 e 3,8 atm. Foram realizados tratamentos com durações entre 3 minutos e 48 horas, em temperaturas que variaram entre 1.000 °C e 1.200 °C. As mudanças microestruturais decorrentes do tratamento de nitretação foram estudadas por meio de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, dilatometria e difração de raios-X, e a composição química dos diferentes microconstituintes determinada por meio de fusão sob gás inerte, espectroscopia óptica e microanálise química WDS e EDS. A microtextura foi estudada por meio de difração de elétrons retroespalhados (EBSD), em detector acoplado a um microscópio eletrônico de varredura. Após nitretação, foram obtidas amostras com núcleos ferrítico-martensíticos e camadas martensíticas (aço UNS 41008), como também, amostras com núcleos ferrítico-austeníticos e camadas austeníticas (aço UNS S31803), com profundidades de camada nitretada variando entreaproximadamente 0,2 e 1,5 mm. Foram obtidas tanto camadas contendo todo o nitrogênio absorvido em solução sólida (teores até aproximadamente 1 %-massa N) quanto camadas contendo precipitação de nitretos dos tipos MN e M2N. A análise dos resultados de caracterização microestrutural e química foi assistida por cálculos numéricos da termodinâmica e da cinética do processo de nitretação gasosa em alta temperatura, usando-se o método CALPHAD. ) Para tal fim, foi desenvolvido modelo matemático para prever a microestrutura e a composição química de amostras nitretadas, em função dos parâmetros de tratamento: tempo, temperatura e pressão parcial de nitrogênio. No intervalo de condições experimentais estudado observou-se que a profundidade de camada nitretada variou proporcionalmente com o logaritmo da pressão parcial de nitrogênio e com a raiz quadrada do tempo, ao passo que não foi observada uma relação monotonica entre a profundidade de camada e a temperatura de nitretação. Como conseqüência da elevada temperatura de tratamento termoquímico, ocorreu intenso crescimento de grão austenítico na camada nitretada, com a formação de grãos colunares de diâmetro médio de aproximadamente 0,1 a 0,2 mm. Em geral, a distribuição de diâmetros de grão na superfície das camadas nitretadas foi monomodal, porém para nitretações a 1.200 °C do aço UNS S41008 foi detectada a ocorrência de recristalização secundária. A textura das camadas nitretadas (austeníticas) do aço dúplex teveduas componentes principais: e . A intensidade relativa destas componentes variou acentuadamente com o tempo de nitretação, sendo afetada em menor proporção pela pressão parcial de nitrogênio ou pela temperatura. Nos primeiros estágios de tratamento a textura da camada austenítica (herdada da transformação ferrita - austenita) foi intensa e relativamente concentrada ao redor das componentes e . Entretanto, com o aumento do tempo de tratamento a textura tendeu para uma configuração metaestável de menor energia (típica de metais recozidos CFC de baixa energia de falha de empilhamento), o que resultou numa diminuição geral da intensidade da textura e na configuração de diversos estados intermediários. Para tempos longos de tratamento (maiores que ~ 8 h) a maior intensidade f(g) das componentes de textura variou entre 2 e 4. ) As camadas austeníticas apresentaram uma elevada proporção de contornos de macla, CSL ´SIGMA´3, e uma moderada a baixa proporção de contornos de baixo angulo, CSL ´SIGMA´1. A proporção de contornos ´SIGMA´3 foi pouco afetada pela pressão de nitretação ou pela temperatura e aumentou com o tempo de nitretação (até aproximadamente 60%), ao passo que a proporção de contornos de baixo ângulo variou (não monotonicamente) com o tempo (máximo 20%), tendendo a zero para tempos longos de nitretação (maiores que aproximadamente 8h). A textura das camadas martensíticas obtidas por nitretação do aço UNS S41008 foiherdada dos grãos austeníticos prévios (estáveis na temperatura de nitretação), como conseqüência da transformação austenita - martensita na têmpera. Esta textura foi constituída principalmente por duas fibras: // DN (gama) e // superfície. Na fibra // DN houve um máximo na intensidade f(g) para orientações em torno de e para a fibra // superfície houve um máximo na intensidade de textura para orientações em torno de . A continuidade e a intensidade f(g) destas duas fibras variou com o tempo de tratamento e com a pressão de nitretação, porém, de maneira geral, estas camadas martensíticas se caracterizaram por possuírem baixa intensidade de textura máxima f(g) ~ 5. Em geral, as camadas martensíticas exibiram uma moderada proporção tanto de contornos ´SIGMA´3 (~20%) quanto de contornos de baixo ângulo (~10%), sendo pouco acentuado o efeito dos parâmetros de nitretação na distribuição de tipos de contornos de grão. ) Após análise do efeito dos parâmetros de nitretação (temperatura, tempo e pressão parcial de nitrogênio) na microestrutura e na microtextura, foi possível estabelecer ciclos inéditos de tratamento para se obter peças com diâmetro de grão médio, teor superficial de nitrogênio e microtextura otimizados, visando o uso dos componentes nitretados para aplicações que requerem elevada resistência ao desgaste em meios corrosivos. Estes ciclos se baseiam em interromper o processo de crescimento de grão(portanto de enfraquecimento da textura) e de precipitação de nitretos, por meio de ciclagem da pressão de nitretação, que induze na camada nitretada a seqüência cíclica de reações: gama - (alfa+gama) - gama (AU)

• Processo FAPESP: 01/07186-5 - Microtextura, mesotextura e corrosão sob tensão de aços inoxidáveis nitretados em alta temperatura sob atmosfera gasosa
• Beneficiário: Carlos Mario Garzón Ospina
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado