Conforme descrito no Capítulo 3, as amostras sinterizadas sem enriquecimento superficial, ou seja, sinterizadas em forno ou ao plasma com cátodo de aço ao carbono ABNT 1020 foram nitretadas à temperatura de 540ºC, por 2 h, com mistura gasosa constituída de 75% N2 / 25% H2 com pressão de 400 Pa. Já as amostras sinterizadas com enriquecimento
superficial de cromo foram nitretadas nas mesmas condições, com exceção da temperatura de patamar, onde um lote foi nitretado a 540ºC e outro a 450ºC. A cada lote processado foi atribuída uma denominação, conforme a Tabela 3.3.
A Tabela 5.1 mostra a dureza Vickers (HV10/10) e valores de microdureza, na matriz
e na camada enriquecida das amostras (quando for o caso) não submetidas ao tratamento de nitretação.
Tabela 5.1 – Valores medidos de dureza e microdureza Vickers das amostras não nitretadas.
Amostra Dureza Vickers (HV10/10) Microdureza da Ferrita (HV 0,02/10) Microdureza da Camada enriquecida com Cr (HV0,02/10) SFSN 55,7 ± 4,0 93,5 ± 3,7 – SPSN 52,1 ± 2,1 86,8 ± 4,8 – SPCRSN 50,7 ± 2,4 85,7 ± 5,3 145,7 ± 17,3
A dureza, medida na superfície das amostras sem tratamento de nitretação mostra uma leve tendência das amostras sinterizadas por plasma a apresentarem dureza menor que a amostra sinterizada em forno. Isto poderia ser atribuído à maior dimensão dos grãos presentes nas amostras SPSN e SPCRSN, conforme mostrado no Capítulo 4, seção 4.1.3. Porém a dispersão apresentada nas medidas não permite afirmar com segurança que esta característica possa realmente produzir tal modificação. O mesmo se pode dizer quanto aos valores de microdureza no que diz respeito à dispersão apresentada. Nos três casos mostrados, os valores de microdureza da ferrita deveriam ser, a princípio, similares, pois estes materiais possuem baixos teores de elementos solubilizados na matriz, apresentando teores teoricamente na mesma proporção quando comparados entre si. A dureza da camada enriquecida com cromo é maior que da matriz sem enriquecimento (145,7 e 85,7 HV0,02/10, respectivamente). Este
comportamento é esperado, pois o cromo em solução sólida substitucional produz o endurecimento da matriz [72]. No entanto, este aumento da dureza superficial não induziu um aumento na dureza como um todo da amostra. Isto ocorre, pois somente uma fina camada é endurecida (~30 µm de profundidade), não sendo esta suficiente para produzir o aumento significativo da resistência à penetração do indentador.
As micrografias do interior das amostras SFSN e SPSN são mostradas nas Figuras 4.7a e 4.7b, respectivamente. A microestrutura, ou seja, porosidade e dimensões dos grãos, no interior da amostra SPCRSN é similar à da amostra SPSN. Devido ao enriquecimento superficial de cromo é possível notar a presença de uma camada na superfície, correspondente
à região com teor de cromo mais alto, conforme discutido no Capítulo 4 (Figura 4.9a).
Na Figura 5.1 são mostradas as micrografias das amostras SFN540, SPN540, SPCRN540 e SPCRN450, seccionadas e preparadas metalograficamente, evidenciando a camada de compostos formada e a presença de precipitados (em forma de agulhas) na camada de difusão.
(a) SFN540 (b) SPN540 (c) SPCRN540 (d) SPCRN450
Figura 5.1 – Micrografias das amostras nitretadas por plasma (a) SFN540, (b) SPN540, (c) SPCRN540 e (d) SPCRN450.
A camada de difusão se caracteriza pela região onde o nitrogênio se difundiu e devida à baixa solubilidade deste elemento na fase α do ferro ocorre sua precipitação na forma de nitretos, com morfologia característica (agulhas). Assim é possível estimar a espessura da camada de difusão pela simples verificação da extensão da região dos precipitados. Devido à grande espessura da camada de difusão, nas imagens com as ampliações apresentadas na Figura 5.1 não é possível visualizar toda a extensão da camada nitretada das amostras nitretadas a 540ºC (Figuras 5.1a, 5.1b e 5.1c). Somente no caso da amostra SPCRN450 (Figura 5.1d) é possível visualizar toda a extensão da camada de difusão, que atinge uma profundidade de aproximadamente 150 µm.
A Figura 5.2 apresenta micrografias em ampliações menores com o objetivo de se estimar a extensão da camada de difusão para os demais tratamentos de nitretação. Pode-se notar que os três casos mostrados, SFN540, SPN540 e SPCRN540 apresentam a região dos
precipitados de nitretos com extensão muito semelhante. Estima-se que a profundidade de alcance dos precipitados de nitretos seja da ordem de 400 µm para todas as amostras nitretadas a 540ºC.
Figura 5.2 – Micrografias das amostras nitretadas por plasma (a) SFN540, (b) SPN540 e (c) SPCRN540, evidenciando a região com precipitados de nitretos (camada de difusão).
As amostras sinterizadas sem enriquecimento superficial de cromo (SFN540 e SPN540) apresentam uma camada de compostos, a princípio, semelhantes (Figuras 5.1a e 5.1b). As espessuras destas camadas são da ordem de 5 µm. Na Figura 5.3 é mostrado o espectro de difração de raios X indicando as fases presentes na camada de compostos, idêntico para ambas as amostras. Com esta técnica foi possível identificar a presença das fases ε-Fe2-3N (JCPDS 83-0879) e γ’-Fe4N (JCPDS 86-0231). O espectro apresenta também os
picos correspondentes à ferrita, Fe-α (JCPDS 6-696), pois devido à pequena espessura da camada de compostos o feixe de raios X atingiu o substrato revelando a fase presente logo abaixo da camada. A presença das fases ε e γ’ já foi observada anteriormente para ferro puro nitretado nas condições de temperatura e atmosfera utilizadas [64]. Os precipitados em forma de agulha, na camada de difusão, são provavelmente Fe4N [101] e, conforme mostrado na
Figura 5.3 – Espectro de difração de raios X das amostras sem enriquecimento superficial com cromo, nitretadas a 540ºC (SFN540 e SPN540).
Observando a amostra enriquecida com cromo e nitretada a 450ºC (Figura 5.1d) é possível notar que a camada de compostos apresenta-se mais espessa do que aquela não enriquecida com Cr e nitretada (540ºC), mesmo utilizando uma temperatura de tratamento menor. Este fato é um indicativo da maior reatividade do material da superfície com o nitrogênio devido à sua elevada afinidade com o cromo. No entanto a extensão da camada de difusão é consideravelmentemenor quando comparada ao caso anterior, onde os precipitados são visíveis até uma profundidade de aproximadamente 150µm.
Conforme a Figura 4.10, o cromo em solução sólida se apresenta somente na superfície a uma profundidade de até aproximadamente 30 µm. Nestas condições o nitrogênio tende a reagir mais facilmente com o volume enriquecido com cromo, formando, provavelmente, nitretos de cromo e ferro nesta região. Devido à elevada reatividade do nitrogênio com o cromo é razoável supor que tenha ocorrido a formação de nitretos de cromo na camada de compostos. Porém, levando-se em consideração o fato de se ter teores de ferro em maiores proporções que o cromo (90 e 10% respectivamente) na superfície não se pode descartar a possibilidade de ocorrer também a formação de nitretos de ferro. Assim sendo pode-se supor que ambas as fases poderiam estar presentes na constituição da camada de compostos.
O espectro de raios X (Figura 5.4) da superfície da amostra com enriquecimento superficial de cromo nitretada a 450ºC (SPCRN450) não mostra claramente se os nitretos presentes são de ferro e/ou cromo. Os padrões de difração de raios X das fases ε-Fe2-3N
(JCPDS 83-0879) e Cr2N (JCPDS 79-2159) apresentam picos muito próximos. Assim,
consideradas.
Figura 5.4 - Espectro de difração de raios X da amostra com enriquecimento superficial com cromo nitretada a 450ºC (SPCRN450).
Entretanto, a dureza da camada nitretada (Figura 5.5) é consideravelmente superior àquela nitretada nas amostras sem enriquecimento de cromo, sugerindo assim, a presença de nitretos de cromo que são significativamente mais duros que os nitretos de ferro.
Figura 5.5 – Perfil de microdureza Vickers na região modificada pela a nitretação.
No caso das amostras sinterizadas por plasma com enriquecimento de cromo e nitretadas com temperatura mais elevada (540ºC) a camada de compostos mostrou-se ainda
mais espessa que as demais (Figura 5.1c). É possível observar também vários prolongamentos de nitretos para o interior deste material (SPCR540). No caso da amostra nitretada a 450ºC (SPCRN450), tal característica era menos evidente. A camada de difusão atingiu profundidade similar àquela nitretada sem cromo na mesma temperatura (400 µm). Sabe-se que o cromo em solução sólida inibe a formação de precipitados de nitreto de ferro na camada de difusão, ocorrendo ao invés disso a precipitação de finas agulhas de nitretos de cromo que são imperceptíveis à técnica de microscopia óptica. Porém, neste caso, o cromo está presente somente na superfície (~30 µm), desta forma, é razoável supor que somente a precipitação de nitretos de ferro tenha ocorrido na camada de difusão. Como a extensão destes precipitados para o interior do material é da ordem de grandeza daquela realizada nas amostras sem enriquecimento de cromo presume-se que a quantidade deste elemento presente na camada possua uma influência pouco significativa na difusão do nitrogênio para o interior do material. A análise de fases presente na camada de compostos é mostrada na Figura 5.6.
Figura 5.6 – Espectro de difração de raios X da amostra com enriquecimento de cromo nitretada a 540ºC (SPCRN540).
O espectro de difração de raios X indica a presença dos nitretos de ferro ε-Fe2-3N
(JCPDS 83-0879) e γ’-Fe4N (JCPDS 86-0231) além dos nitretos de cromo Cr2N (JCPDS 79-
2159) e CrN (JCPDS 76-2494).
Os nitretos ε e Cr2N apresentam a mesma indefinição citada no caso anterior onde a
resolução do equipamento de difração não é capaz de resolver os picos de ambas as fases. Nestas condições de tratamento foram também verificadas a presença do nitreto de cromo CrN e traços de γ’-Fe4N. Aços inoxidáveis martensíticos AISI 410 e 420 com teores de cromo
nitretos na camada de compostos [116], [117].
A extensão da camada de compostos torna-se mais evidente quando se observa o perfil de microdureza, construído para as amostras tratadas em todas as condições (Figura 5.5). Neste perfil, as amostras sinterizadas por plasma sem enriquecimento e nitretadas a 540ºC indicam que a dureza medida na camada de compostos é significativamente menor do que aquelas obtidas nas amostras com enriquecimento superficial de cromo. Sem cromo na superfície, a dureza desta camada atinge valores em torno de 700 HV0,01, além disso a
profundidade significantemente endurecida (>400 HV0,01) atinge profundidades ligeiramente
maiores que 5 µm. Já no caso das amostras sinterizadas com enriquecimento de cromo verifica-se dureza de até 1300 HV0,01 na superfície, sendo que a profundidade endurecida
atinge valores de aproximadamente 13 µm para as amostras tratadas a 450ºC e 20 µm para aquelas nitretadas a 540ºC. Pode-se dizer desta forma que a presença de uma camada enriquecida com cromo influencia, após tratamento de nitretação, no aumento de dureza da camada de compostos enquanto que a temperatura de nitretação afeta a profundidade endurecida pela formação de nitretos duros assim como na difusão do nitrogênio para o interior do material.
5.2 COMPORTAMENTO À FLEXÃO DAS AMOSTRAS SINTERIZADAS E