Estudo da aplicação dos tratamentos superficiais combinados de deep-rolling e nitretação a plasma em um aço bainítico de resfriamento contínuo

Abstract

A relevância dos aços bainíticos de resfriamento contínuo está atrelada a possibilidade de obter alta resistência mecânica com o controle da taxa de resfriamento eliminando etapas posteriores de reaquecimento, o que reduz o consumo energético. No entanto, o aprimoramento tribológico ainda é necessário. O processo de Deep-rolling, promove uma deformação plástica superficial que reduz a rugosidade, aumenta a dureza e gera tensões residuais compressivas. Já a nitretação a plasma, é caracterizada por formar uma camada superficial de alta dureza e por consequência, alta resistência ao desgaste. No presente estudo, foi realizado uma análise sobre a combinação destes dois tratamentos superficiais, visando aliar os benefícios de cada processo. O tratamento de Deep-rolling, foi realizado em pressões de 150 e 250 bar, com velocidade de 300 mm/min, esfera de 6,3 mm e um passe sobre a superfície. Para a nitretação a plasma, foi utilizada uma mistura gasosa de 24%vol. N2 e 76%vol. H2, por 6h, em 400 e 500 °C. As amostras foram analisadas em termos de rugosidade, microdureza Vickers, ultramicrodureza, microestrutura, análise de fases e tensões residuais via difração de Raios-X, perfil de composição química GDOES e ensaio de desgaste pino sobre disco. A aplicação do Deep rolling ao aço bainítico, reduziu a rugosidade em aproximadamente 40%, aumentou a dureza superficial e induziu tensões residuais compressivas, sendo máximas abaixo da superfície de -813 MPa e -853,6 MPa para ambas as pressões. A combinação dos tratamentos, indica que a deformação plástica, a qual é mais intensa na superfície, facilita a difusão do nitrogênio, já as tensões residuais compressivas, atuam como barreiras, dificultando a difusão do nitrogênio. Como consequência, ocorre um aumento da camada de compostos e redução da camada de difusão para ambas as temperaturas. O percentual dos nitretos formadores da camada de compostos também é modificado, aumentando os nitretos ε-Fe2-3(C)N e reduzindo os nitretos γ’-Fe4N, interferindo na dureza da camada de compostos. Esses efeitos tendem a aumentar com a pressão de tratamento do Deep rolling. Para ambas as temperaturas de nitretação foi observado um relaxamento parcial das tensões residuais compressivas originárias do Deep-rolling, o qual aumenta com a temperatura de nitretação. O melhor desempenho tribológico esteve atrelado à maior dureza da camada nitretada obtido na condição Deep-rolling a 150 bar seguido de nitretação a plasma a 400°C, apontando que o fator mandatório esteve relacionado à dureza, a qual é regida pelo percentual de nitretos ε-Fe2-3(C)N e γ’-Fe4N.

The relevance of continuous cooling bainitic steels is linked to the possibility of obtaining high mechanical resistance by controlling the cooling rate, eliminating subsequent reheating steps, which reduces energy consumption. However, tribological improvement is still needed. The Deep-rolling process promotes surface plastic deformation that reduces roughness, increases hardness and generates compressive residual stresses. Plasma nitriding, on the other hand, is characterized by forming a surface layer of high hardness and, consequently, high resistance to wear. In the present study, an analysis was carried out on the combination of these two surface treatments, aiming to combine the benefits of each process. The Deep-rolling treatment was carried out at pressures of 150 and 250 bar, with a speed of 300 mm/min, a 6.3 mm sphere and one pass over the surface. For plasma nitriding, a gas mixture of 24%vol N2 and 76% vol. H2 was used, for 6h, at 400 and 500 °C. The samples were analyzed in terms of roughness, Vickers microhardness, ultramicrohardness, microstructure, phase analysis and residual stresses via X-ray diffraction, GDOES chemical composition profile and pin-on-disc wear test. The application of deep-rolling to bainitic steel reduced roughness by approximately 40%, increased surface hardness and induced compressive residual stresses, with maximum values below the surface of -813 MPa and -853.6 MPa for both pressures. The combination of treatments indicates that plastic deformation, which is more intense on the surface, facilitates nitrogen diffusion, while compressive residual stresses act as barriers, hindering nitrogen diffusion. As a consequence, there is an increase in the compound layer and a reduction in the diffusion layer for both temperatures. The percentage of nitrides forming the compound layer is also modified, increasing the ε-Fe2- 3(C)N nitrides and reducing the γ’-Fe4N nitrides, interfering with the hardness of the compound layer. These effects tend to increase with Deep-rolling treatment pressure. For both nitriding temperatures, a partial relaxation of the compressive residual stresses originating from deep-rolling was observed, which increases with the nitriding temperature. The best tribological performance was achieved to the greater hardness of the nitrided layer obtained in the Deep-rolling condition at 150 bar followed by plasma nitriding at 400°C, pointing out that the mandatory factor was related to hardness, which is governed by the percentage of nitrides ε -Fe2-3(C)N and γ'-Fe4N.