Estudo da resistência à cavitação do aço inoxidável Martensítico CA6-NM Nitretado por plasma

Abstract

Resumo: A técnica de nitretação melhora a resistência ao desgaste, a resistência à fadiga e, em alguns casos a resistência à corrosão da superfície dos aços. Em função disso, a nitretação iônica, ou nitretação a plasma, tem sido largamente utilizada em muitas aplicações industriais. O presente trabalho tem por objetivo estudar a influência da nitretação por plasma na resistência à cavitação do aço inoxidável martensítico CA6-NM. De forma específica, procurou-se neste trabalho estudar a influência da mistura gasosa e do tempo de nitretação. Todas as nitretações foram realizadas na temperatura de 500 °C e pressão de 4 Torr. O aquecimento das amostras, posicionadas no cátodo foi realizado por meio de bombardeamento iônico, utilizando-se uma fonte de potência pulsada, com potencial de 660 ± 20V, com período de pulso de 240 µs, sendo que o controle da temperatura de tratamento foi realizado através do tempo de pulso ligado da fonte. Foram adotadas as seguintes misturas: a) 5% N2 + 95% H2; b) 10% N2 + 90% H2; e c) 20% N2 + 80% H2, utilizando-se o tempo de 2 horas de tratamento. Para o melhor resultado obtido em termos de resistência a cavitação, no caso a mistura de 5% N2 + 95% H2, procurou-se verificar também a influência do tempo de nitretação, tendo sido estudado o efeito de uma nitretação mais longa, com a adoção de um tempo de tratamento de 6 horas. Todos os resultados obtidos são comparados para amostras na condição não-nitretado. A adoção do aço inoxidável martensítico ASTM CA-6NM, como material do substrato, baseou-se no fato deste material ser largamente utilizado como matéria-prima na construção de pás de turbinas do tipo Francis, dentro do setor hidrelétrico. A influência do tipo de camada nitretada, na resistência à cavitação do aço em estudo, obtida para as diferentes condições de tratamento, também foi estudada. Para tanto, as camadas nitretadas foram caracterizadas pelas técnicas de difração de raios-X, nano-identação, microscopia óptica e medições de microdureza. A determinação dos perfis de microdureza foi realizada após o procedimento padrão de preparo de amostras metalográficas, realizado na seção transversal de cada amostra, utilizando-se a carga de 100 gramas, na escala Vickers. As medições de dureza superficial foram realizadas com carga de 500 gramas. O ensaio de cavitação foi realizado conforme norma ASTM G32/85 que consiste de pesagens parciais das massas das amostras ensaiadas em função do tempo de ensaio. A região cavitada de cada amostra foi caracterizada pelas técnicas de microscopia eletrônica de varredura e de difração de raiosX. Os resultados, de um modo geral, indicam que o tratamento de nitretação por plasma tende a aumentar a resistência à cavitação do aço como um todo.

Abstract: Nitriding process improves on steel surfaces wear and fatigue resistance and in some cases, corrosion resistance. Due to that, plasma nitriding has been widely used in many industrial applications. In this work was determined the plasma nitriding influence on cavitation resistance of martensitic stainless steel CA6-NM. In a specific way, gaseous mixture and nitriding process time influences were studied. Whole nitriding process was executed at 500ºC and 4 Torr. Samples (cathode) heating was done by plasma species bombardment utilizing a pulsed power source, 660 ± 20 V and pulse period of 240 µs, adjusting the pulse time switched-on. The gaseous mixtures were: a) 5% N2 + 95% H2; b) 10% N2 + 90% H2; and c) 20% N2 + 80% H2, with 2 hours treatment. The study of the nitriding time influence was performed for 5% N2 + 95% H2gaseous mixture, which had the best results of cavitation resistance, increasing the treatment time to 6 hours. All the obtained results are compared to non-nitrided condition. The selected ASTM CA6-NM martensitic stainless steel, as bulk material, is typically the raw material for hydroelectric industries, which is widely used on Francis turbine blades. Emphasis is given to the influence of nitriding layer type on steel cavitation resistance. The nitriding layers were characterized by SEM, X-ray diffraction, nano-mechanical indentation, optical microscope and microhardness measurements. The cavitation experiment was performed in agreement with ASTM G32/85 standard. This test consisted of specimen weight-loss partial determination as function of testing time. Cavitated region of each sample was characterized by Scanning Electronic Microscope (SEM) and X-ray diffraction. The results indicate that plasma nitriding treatment tends to increase steel cavitation resistance.