Estudo sobre o efeito dos parâmetros de processo de nitretação a plasma em escala industrial para o aço SAE8620

Abstract

O estudo de tratamentos de endurecimento superficial é fundamental para o aumento da vida útil de componentes mecânicos e ferramentais. Nesse contexto, o presente trabalho investigou diferentes camadas obtidas por nitretação a plasma aplicadas ao aço SAE 8620. Essas foram caracterizadas quanto às propriedades de microdureza de superfície, espessura de camada de compostos, fases presentes na camada de compostos, microestrutura, profundidade de camada, perfil de microdureza e também avaliou-se a variação dimensional nos tratamentos. Os ciclos de nitretação a plasma tiveram suas camadas submetidas a ensaio desgaste em tribômetro do tipo recíproco com esfera de Si3N4 submerso em óleo e pressão de contato de 4GPa com comprimento de ensaio de 288m, após foi calculada a taxa de desgaste do corpo e contra corpo e medido o coeficiente de atrito. Nesta primeira etapa do trabalho o ciclo 2 ? T5N2t6 apresentou a menor taxa de desgaste (4,54x10-8 mm³/Nm no corpo e 3,18x10-9 mm³/Nm na esfera), com coeficiente de atrito de 0,132 em média e uma marca de desgaste suave na superfície, sendo aproximadamente 43 vezes menor que no material sem tratamento. Esse ciclo foi selecionado para e execução da segunda etapa do trabalho, que consistiu em replicar essa camada em um reator de nitretação a plasma industrial, avaliando a estabilidade das propriedades de camada e variação dimensional com o uso de métodos estatísticos de comparação de resultados como o Kruskal-Wallis e Dunn. Para isso utilizou-se 25 amostras cilíndricas de faces retificadas e polidas, distribuídas espacialmente em posições previamente identificadas no reator de plasma. Cada amostra foi novamente caracterizada conforme as propriedades de camada avaliadas na primeira etapa, aumentando a quantidade de medições. No primeiro ciclo realizado (IND1) no reator industrial utilizando os mesmos parâmetros do ciclo da etapa laboratorial os resultados não convergiram de forma representativa, demostrando a necessidade de alterações nos parâmetros para alcançar melhor estabilidade de processo em regiões especificas no reator. Dessa forma, realizou-se o ciclo IND2 que demostrou similaridade estatística com a camada selecionada na etapa 1. A microdureza de superfície (716 ±18HV0,3) no ciclo IND2 não apresentou variação estatística em relação a posição no reator, diferente de outras características como espessura de camada de compostos (3,9 ±0,9µm), profundidade de camada nitretada (0,33 ±0,03mm), perfil de microdureza e variação dimensional (6,8 ±1,2µm) que apresentaram influência da posição no reator de plasma. Ao final foi possível comprovar que o ciclo laboratorial pode ser replicado industrialmente, porém com maior variação estatística das propriedades de camada nitretada.

Abstract: The study of surface hardening treatments is essential for increasing the service life of mechanical components and tooling. In this context, the present work investigated different layers produced by plasma nitriding applied to SAE 8620 steel. These layers were characterized in terms of surface microhardness, compound layer thickness, phases present in the compound layer, microstructure, case depth, microhardness profile, and dimensional variation during treatment. The plasma nitriding cycles were subjected to reciprocating tribometer tests using a Si3N4 ball submerged in oil, under a contact pressure of 4 GPa and a total sliding distance of 288 m. The wear rates of the sample and counterbody were calculated, and the coefficient of friction was evaluated. In this first stage of the study, cycle 2 (T5N2t6) presented the lowest wear rate (4.54 × 10?8 mm³/Nm for the sample and 3.18 × 10?? mm³/Nm for the ball), with an average coefficient of friction of 0.132 and a smooth wear track on the surface, approximately 43 times smaller than that of the untreated material. This cycle was selected for the second stage of the study, which consisted of replicating the layer in an industrial plasma nitriding reactor and evaluating the stability of layer properties and dimensional variation using statistical comparison methods such as Kruskal?Wallis and Dunn. For this purpose, 25 cylindrical samples with ground and polished faces were distributed in predefined positions inside the reactor. Each sample was characterized as in the first stage, with an increased number of measurements; however, phase analysis of the compound layer was not performed in this stage. In the first industrial cycle (IND1), carried out using the same parameters as the laboratory cycle, the results did not show consistent convergence, indicating the need for parameter adjustments to improve process stability in specific regions of the reactor. Consequently, a second industrial cycle (IND2) was performed, which demonstrated statistical similarity to the layer selected in stage 1. The surface microhardness (716 ± 18 HV0.3) in the IND2 cycle showed no significant statistical variation with respect to position inside the reactor, unlike other characteristics such as compound layer thickness (3.9 ± 0.9 µm), nitrided case depth (0.33 ± 0.03 mm), microhardness profile, and dimensional variation (6.8 ± 1.2 µm), which exhibited position-dependent behavior. In conclusion, the laboratory cycle was successfully replicated under industrial conditions; however, the statistical variation of the nitrided layer properties was higher in the industrial cycle.