Estudo da nitrocarbornetação a plasma para aços bainíticos de resfriamento contínuo

Abstract

Aços bainíticos de resfriamento contínuo têm sido estudados recentemente devido a sua alta tenacidade e resistência mecânica quando comparados a aços convencionais, mesmo sem tratamentos térmicos posteriores. Ao aplicar-se tratamentos termoquímicos de nitretação a plasma para essa classe de aços, é possível alcançar alta dureza superficial e resistência ao desgaste requeridas para aplicação industrial. Dessa forma é possível reduzir etapas de processamento e custos de produção em comparação com rotas de processamento tradicionais para aços de baixo e médio teor de carbono. Porém, ainda há espaço para demais investigações quanto aos possíveis tratamentos a plasma aplicáveis para esta liga. Um dos tratamentos de interesse é a nitrocarbonetação a plasma, entretanto há pouca ou nenhuma informação sobre os efeitos de parâmetros de tratamento, tais como o percentual de gás portador de carbono a ser utilizado, resistência ao desgaste, espessura resultante da camada de nitretos e composição de fases. Tendo isto em vista, o presente estudo visa avaliar a resposta a nitrocarbonetação a plasma de dois aços, HSX 130HD e HSX 130HD XTP® - Xtreme Performance Technology ®. Ambos são considerados aços bainíticos de resfriamento contínuo com a mesma composição química, porém o segundo possui pós-processamento termomecânico que lhe garante uma microestrutura mais refinada. Os materiais foram tratados a plasma na temperatura de 500 °C durante 6 h, com o emprego de diferentes quantidades de CH4, 0% (nitretação, utilizada como referência), 3% e 5% (nitrocarbonetação) em atmosfera contendo 75% de N2 e H2 em balanço. As amostras foram analisadas quanto à microestrutura, rugosidade, dureza, composição química, desgaste e coeficiente de atrito. Associados ao aumento de CH4, os resultados mostraram redução da espessura da camada branca, aumento da dureza superficial, da rugosidade e maior formação da fase Fe2-3N para os dois aços. Houve formação de Fe3C e menor desgaste para amostras do aço HSX 130HD XTP® tratado com 5% de CH4 e menor coeficiente de atrito para o mesmo aço tratado com 3% de CH4. Conclui-se que a nitrocarbonetação a plasma é uma alternativa viável para os aços estudados.

Continuous cooling bainitic steels have been studied recently due to their high toughness and mechanical strength when compared to conventional steels, even without subsequent heat treatments. When combined with thermochemical plasma nitriding, it is possible to achieve high surface hardness and wear resistance required for industrial applications. Hence, it’s feasible to reduce processing steps and production costs compared to traditional processing routes for low and medium carbon steels. However, there is still room for further research into other plasma treatments for this alloy. One of the treatments of interest is plasma nitrocarburizing, but information such as the quantity of carbon carrier gas to be used, wear resistance, the resulting thickness of the nitride layer and phases is unknown for this class of steel. Based on those circumstances, this study aims to evaluate the response to plasma nitrocarburizing of two steels, HSX 130HD and HSX 130HD XTP® - Xtreme Performance Technology®. Both are considered continuously cooled bainitic steels with the same chemical composition, but the latter has a thermomechanical post-processing that promotes a more refined microstructure. The materials were plasma treated at a temperature of 500 °C for 6 hours, using different amounts of CH4, 0% (used as a reference), 3% and 5% (nitrocarburizing) in an atmosphere containing 75% N2 and H2 in balance. Samples were analyzed for concerning microstructure, roughness, hardness, chemical composition, wear and friction coefficient. Associated with an increase in CH4, the results showed a reduction in thickness of the white layer, an increase in surface hardness, roughness and greater formation of the Fe2- 3N phase for both steels. Formation of Fe3C and lower wear was identified for samples of HSX 130HD XTP® steel treated with 5% CH4 and a lower friction coefficient was found for the same steel treated with 3% CH4. Plasma nitrocarburizing proved to be viable for both steels studied.