Boretação assistida por plasma de aço AISI 1020

Abstract

A busca por componentes/conjuntos mecânicos que apresentem maior produtividade e eficiência tem exigido que estes trabalhem em condições cada vez mais severas. Desta forma, os materiais necessitam de tratamentos que aumentem sua resistência, e entre os tratamentos disponíveis, os térmicos e termoquímicos são amplamente empregados. No tratamento termoquímico de boretação, de interesse neste trabalho, ocorre a difusão de átomos de boro no reticulado cristalino do material, formando compostos com boro. A formação destes compostos na superfície dos materiais faz com que sua dureza aumente, melhore seu comportamento tribológico, bem como sua resistência a corrosão. Neste trabalho foram tratadas amostras de aço AISI 1020, em reator assistido por plasma usando trimetilborato como precursor de boro, visando a formação de camadas de boretos de ferro. Foram variados os seguintes parâmetros de tratamento: temperatura (entre 900º C e 1000º C), tempo de boretação (entre 1 e 3 horas), pressão dos gases (de 2 a 5 Torr) e diferença de potencial aplicado pela fonte para gerar o plasma (500 V, 600 V e 700 V). Com variação destes parâmetros, um total de dez tratamentos foram realizados, e as amostras produzidas foram caracterizadas por: microscopia óptica; microscopia eletrônica de varredura; interferometria de luz branca; difratometria de raios X; microdureza e; ensaios tribológicos. As camadas de boretos de ferro apresentam espessuras de até 15,40 µm. Verificou-se que tempos maiores de boretação levam a um aumento da espessura das camadas. Alguns tratamentos apresentaram camadas de boretos de ferro descontínuas e com porosidade, principalmente as amostras tratadas em pressão mais elevada e em tensões de pico mais altas. As amostras apresentaram taxa de desgaste variando de 3x10-5 a 7x10-5 (mm³/N.m), sendo o melhor resultado da amostra tratada na temperatura de 950º C, pressão de 2 Torr, 700 V de tensão de pico e 1 hora de patamar.

Abstract : The need for higher productivity and efficiency are leading for more severe working conditions for components and machines. So, the applied materials are usually treated to obtain higher mechanical resistance. For this purpose, heat and thermochemical treatments are among the most applied processes. Of special interest in this work, boronizing is a thermochemical treatment devoted to diffuse boron atoms into the material surface, forming boron compounds. The formed boron compounds are responsible by and enhancement on material the surface hardness, tribological behavior, and corrosion resistance. In this work, AISI 1020 steel samples were plasma assisted boronized, using trimethyl borate as boron precursor, aiming to obtains an iron boride layer on the treated surface. Treatments were performed for different temperature (900 to 1000º C), treatment time (1 to 3h), pressure (2 to 5 Torr) and difference of potential applied to generate the plasma (500, 600, and 700V). Using this parameter a total of 10 boronizing treatments were carried out, and the samples were characterized by optical microscopy; scanning electron microscopy; white light interferometry; X-ray diffraction; microhardness measurements and; tribological tests. The thickness of the obtained iron boride layer achieved up to 15,40 µm. It was observed that the higher the treatment time the higher is the treated layer thickness. Additionally, for some tested treatment conditions, especially for higher pressure and applied voltage, a discontinuous and porous borided layer was obtained. Tribological tests presented a wear rate between 3x10-5 to 7x10-5 (mm³/N.m), being that the best result was obtained for the samples treated at temperature of 950º C, pressure 2 Torr, difference of potential applied to generate the plasma 700V and 1 hour of treatment time.