Análise da formação de fases de nitretos e efeitos da pós-oxidação e pós-polimento em ferros fundidos submetidos à nitretação a plasma

Abstract

Este trabalho analisa a formação de fases de nitretos e os efeitos dos tratamentos subsequentes de pós-oxidação e pós-polimento em ferros fundidos cinzento (FFC) e nodular (FFN) nitretados por plasma. Investigou-se a influência da atmosfera nitretante (20% e 80% de N₂) sobre a formação das fases ε (Fe₂₋₃N) e γ’ (Fe₄N), e os impactos desses tratamentos nos parâmetros topográficos, morfológicos e mecânicos das camadas formadas. Atmosferas com 80% de N₂ favoreceram a formação da fase ε e resultaram em camadas de compostos mais espessas (7,5 µm para FFC e 7,8 µm para FFN), enquanto atmosferas com 20% de N₂ promoveram a formação da fase γ’, com camadas mais finas (2,1 µm para FFC e 2,5 µm para FFN). A profundidade da camada de difusão variou de 100 a 200 µm para o FFC e alcançou cerca de 300 µm para o FFN, embora com alto desvio padrão, essa diferença é atribuída à morfologia da grafita: no FFC, as lamelas atuaram mais fortemente como barreiras à difusão do nitrogênio em comparação ao FFN, limitando a penetração do elemento em profundidade. O maior teor de nitrogênio também resultou em maior precipitação de nitretos na matriz, provocando uma expansão volumétrica que resultou em elevações da superfície e desplacamento da camada sobre regiões com grafita, especialmente no FFN. Essa expansão impactou diretamente a topografia: o parâmetro de rugosidade quadrática média (Sq) aumentou de 0,2 µm para até 0,5 µm no FFC após a nitretação. Os parâmetros Spk, Svk e Sk também se elevaram, com Spk mais alto no FFC, dado à morfologia lamelar da grafita, e Svk mais elevado no FFN nitretado com 80% N₂, que apresentou vales profundos associados à morfologia nodular. A pós-oxidação, realizada pela abertura do reator a 550 °C, resultou na formação de uma camada de óxidos de aproximadamente 0,20 µm, composta por magnetita (Fe₃O₄) e hematita (Fe₂O₃). Os difratogramas indicaram que, nas amostras tratadas com 20% de N₂, onde predominou a fase γ’, houve maior formação de hematita, enquanto nas amostras tratadas com 80% de N₂, associadas à maior presença da fase ε, predominou a formação de magnetita. Além disso, esse tratamento não alterou de forma significativa a espessura da camada de compostos, os parâmetros topográficos ou a profundidade da camada de difusão, embora tenha promovido redução na microdureza de topo. O pós-polimento, por sua vez, não afetou a espessura da camada nitretada, mas reduziu os valores de rugosidade. No FFC, houve queda nos parâmetros Spk e Sk, indicando suavização da superfície. No FFN, observou-se redução de Spk e Svk, porém o parâmetro Sk permaneceu constante ou aumentou, comportamento atribuído à forma com que o polimento interage com a morfologia nodular, podendo gerar uma redistribuição da superfície. Análises por EDS indicaram maior remoção de oxigênio após o polimento nas amostras tratadas com 20% de N₂ (de 21,8% para 9,8% em FFC), em comparação às tratadas com 80% N₂ (de 22,4% para 15,7%). Essa diferença pode estar relacionada à maior intensidade de picos de hematita observada nos difratogramas das amostras 20% N₂, nas quais predominou a fase γ’. Por se tratar de um óxido menos estável, a hematita foi mais facilmente removida por ação mecânica, enquanto nas amostras 80% N₂ — associadas à predominância da fase ε — observou-se maior formação de magnetita, mais aderente e de remoção menos eficaz.

This work analyzes the formation of nitride phases and the effects of subsequent post-oxidation and post-polishing treatments on plasma-nitrided gray cast iron (GCI) and ductile cast iron (DI). The study investigates the influence of the nitriding atmosphere (20% and 80% N₂) on the formation of ε (Fe₂₋₃N) and γ’ (Fe₄N) phases, as well as the impact of these treatments on the topographic, morphological, and mechanical properties of the resulting layers. Atmospheres with 80% N₂ favored the formation of the ε phase and resulted in thicker compound layers (7.5 µm for GCI and 7.8 µm for DI), while atmospheres with 20% N₂ promoted the formation of the γ’ phase, with thinner layers (2.1 µm for GCI and 2.5 µm for DI). The diffusion layer depth ranged from 100 to 200 µm in GCI and reached approximately 300 µm in DI, although with high standard deviation. This difference is attributed to the graphite morphology: in GCI, the lamellae acted more strongly as barriers to nitrogen diffusion compared to DI, limiting the element’s penetration in depth. Higher nitrogen content also led to greater precipitation of nitrides in the matrix, causing volumetric expansion that generated surface elevation and delamination of the compound layer over graphite regions, especially in DI. This expansion directly impacted surface topography: the root mean square roughness (Sq) increased from 0.2 µm to up to 0.5 µm in GCI after nitriding. Parameters Spk, Svk, and Sk also increased, with Spk being higher in GCI due to its lamellar graphite morphology, and Svk more pronounced in DI nitrided with 80% N₂, which exhibited deep valleys related to the nodular morphology. Postoxidation, performed by opening the reactor at 550 °C, resulted in the formation of an oxide layer of approximately 0.20 µm, composed of magnetite (Fe₃O₄) and hematite (Fe₂O₃). XRD patterns showed greater hematite formation in samples treated with 20% N₂ — where the γ’ phase predominated — while magnetite formation was more significant in samples treated with 80% N₂, associated with the predominance of the ε phase. Furthermore, this treatment did not significantly affect the thickness of the compound layer, the topographic parameters, or the diffusion layer depth, although a reduction in surface microhardness was observed. Postpolishing did not alter the compound layer thickness but reduced roughness values. In GCI, a decrease in Spk and Sk indicated surface smoothing. In DI Spk and Svk also decreased, but Sk remained constant or even increased, a behavior attributed to the way polishing interacts with nodular graphite, potentially redistributing the surface. EDS analysis showed greater oxygen removal after polishing in samples treated with 20% N₂ (from 21.8% to 9.8% in GCI), compared to those treated with 80% N₂ (from 22.4% to 15.7%). This difference may be related to the higher intensity of hematite peaks observed in the XRD patterns of the 20% N₂ samples, where γ’ was predominant. As a less stable oxide, hematite was more easily removed by mechanical action, whereas magnetite — more abundant in the 80% N₂ samples, associated with the ε phase — was more adherent and less easily removed.