TÍTULO: EFEITOS DA IMPLANTAÇÃO IÔNICA POR IMERSÃO EM PLASMA SOBRE PROPRIEDADESFÍSICO-QUÍMICAS DO AÇO INOXIDÁVEL 304TÍTULO:

CATEGORIA: EM ANDAMENTOCATEGORIA:

ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURAÁREA:

SUBÁREA: ENGENHARIASSUBÁREA:

INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE BRAZ CUBASINSTITUIÇÃO:

AUTOR(ES): ALLYSON JOÃO CORREIA DA LUZ SILVAAUTOR(ES):

ORIENTADOR(ES): BRUNO BACCI FERNANDESORIENTADOR(ES):

COLABORADOR(ES): MARIO UEDA, ROGÉRIO DE MORAES OLIVEIRACOLABORADOR(ES):

Efeitos da implantação iônica por imersão em plasma sobre propriedades

físico-químicas do aço inoxidável 304

RESUMO – Nos últimos anos, pesquisadores tem obtido melhorias significativas nas

propriedades superficiais do aço inoxidável 304 através da implantação iônica por

imersão em plasma (3IP). Contudo, ainda faltam dados relacionados a concentração

atômica dos íons implantados e a espessura das camadas modificadas, bem como de

parâmetros microscópicos dos materiais modificados a respeito do desempenho

tribológico, resistência a corrosão e propriedades de tração. Além disso, esses

parâmetros são extremamente relevantes para expandir o uso desse material para

distintas áreas de aplicação. Nesse artigo, foi utilizada tanto a configuração 3IP

convencional como uma configuração 3IP para altas temperaturas, para possibilitar

uma varredura ampla na temperatura do substrato durante os tratamentos. Camadas

modificadas distintas também foram obtidas através da variação do tempo de duração

do processo e a energia dos íons implantados. Os parâmetros microscópios dos aços

inoxidáveis 304 tratados foram correlacionados com as propriedades das camadas

modificadas. Atualmente no INPE, uma configuração original que permite tratamentos

com altas temperaturas do substrato foi testada e comparada com a configuração

comum, ambas utilizando plasma de nitrogênio. Esse artigo descreve os efeitos

dessas configurações diferentes de 3IP em propriedades de corrosão, atrito e de

tração no aço inoxidável 304. INTRODUÇÃO – A constante necessidade da indústria

aeronáutica por materiais leves, para serem empregados nas estruturas de aeronaves

de alta velocidade que sejam capazes de resistirem à altas temperaturas devido ao

aquecimento de atrito, tem demandado o uso de técnicas de modificação de

superfícies para agregar e melhorar as propriedades desejadas em vários tipos de

ligas metálicas [1, 2]. Particularmente, a 3IP tem sido amplamente empregada para

significativas melhorias em várias propriedades de ligas metálicas, como aumentar a

dureza [3, 7] e a resistência à corrosão [4, 5, 6, 8], além de reduzir o desgaste [3, 8],

a deformação, e o coeficiente de atrito [3, 8]. Nesse trabalho experimental, a

implantação de nitrogênio foi realizada com a temperatura do substrato sendo variada

de um tratamento para o outro. OBJETIVOS – O intuito deste trabalho é apresentar

tratamentos por 3IP na liga de aço inoxidável 304 e relacionar as propriedades desse

material com caracterizações físicas e químicas. METODOLOGIA – Foram utilizadas

amostras do aço inoxidável 304 com diâmetro de 15 mm e espessura de 3 mm. Para

o tratamento superficial da amostra por 3IP adotou-se diversas configurações

experimentais, obtendo as principais alterações através da variação de temperatura

do substrato, da energia de implantação e da duração dos tratamentos. As estruturas

das amostras e as superfícies desgastadas foram caracterizadas utilizando a

microscopia eletrônica de varredura (MEV), onde a análise composicional foi realizada

pela espectroscopia de energia dispersiva. As morfologias das superfícies foram

obtidas através do microscópio de força atômica (MFA). As medições de difração de

Raios X (DRX) foram obtidas para verificar a estrutura cristalina dos materiais. As

avaliações tribológicas das superfícies das amostras foram conduzidas com um

nanoindentador Triboscope Hysitron. As medições dos coeficientes de atrito seco

foram realizadas em um tribômetro pin-on-disk. DESENVOLVIMENTO – As amostras

do aço inoxidável 304 foram polidas (Ra = 3,2 nm e Ra = 18,4 nm) e limpas em banho

de acetona com ultrassom. As amostras foram amarradas em um fio de tungstênio

que desempenha o papel do catodo de descarga, sendo polarizado positivamente por

voltagens CC em 700 V de alcance em relação à parede da câmera aterrada. Os

parâmetros nos testes tribológicos foram: carga de 1 N com uma esfera de alumina

de 3 mm como material de contrapartida, velocidade linear de 5 cm/s e raio de trilha

de 3 mm. Os testes de corrosão foram realizados através de procedimentos

eletroquímicos à temperatura ambiente em uma configuração com três eletrodos com

3,5 %-p. de NaCl em água destilada. RESULTADOS PRELIMINARES – A Figura 1

apresenta as diferenças entre a superfície sem tratamento no aço inoxidável 304 e

uma superfície tratada como 3IP do aço inoxidável 304 com voltagem CC de 100 V à

650ºC durante 60 minutos apresentou a principal alteração observada pelo MEV.

(a) (b)

Figura 1. Imagens do SEM das amostras do aço inoxidável 304: (a) pristina; e (b) 3IP tratamento V.

Após a realização de todos os tratamentos de 3IP, as rugosidades das

amostras aumentaram conforme verificado no AFM, bem como na profilometria óptica.

A amostra do aço inoxidável 304 tratamento I apresentou as superfícies mais suaves

de acordo com as medidas do AFM (Ra = 8,7 0,7 nm), contudo essas amostras

registraram os maiores aumentos em rugosidade no perfilômetro óptico (Ra = 66,5

8,9 nm).

Os testes de desgaste nas amostras do aço inoxidável 304 indicaram que as

camadas mais rasas e com pouco nitrogênio apresentaram menores coeficientes de

atrito até 1.000 voltas (Figura 2).

0 1000 2000 3000 4000 5000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

SS304 II

SS304 I

SS304 IV

SS304 III

Turns

fric

tion c

oeffic

ien

t

0 1000 2000 3000 4000 5000

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Turns

fric

tion

coe

ffic

ien

tpristine

SS304 V

Figura 2. Coeficientes de fricção das amostras do aço inoxidável 304

Testes potencio dinâmicos mostram que o 3IP tratado com uma voltagem de

200 V à 300ºC com duração de 180 a 270 minutos foi o mais eficaz para aumentar a

resistência à corrosão das amostras do aço inoxidável 304. O potencial de corrosão

aumentou de – 280 mV para a amostra não tratada, para – 200 mV para a amostra

mencionada.

CONCLUSÕES – Nas amostras do aço inoxidável 304 tratadas à 480ºC ocorreu a

produção de uma camada com excelente desempenho tribológico e de corrosão. Já

para obtenção de maior resistência ao desgaste, o tratamento com voltagem de 200V

à 300ºC com duração de 180 a 270 minutos foi o mais eficiente tendo como taxa de

desgaste de 0.018 mm3/N.m. Contudo, será necessário a realização de outros testes

alterando os parâmetros utilizados, afim de descobrir novas configurações que

melhorem as camadas modificadas.

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