Efeitos da nitretação a plasma na microestrutura de núcleo e superficial de um aço bainítico aplicado a fabricação de engrenagens

Abstract

Este trabalho caracterizou engrenagens nitretadas a plasma a 500 ºC, utilizandose uma mistura gasosa com 5% N2 / 95% H2 por 30 h e outra mistura gasosa com 24% N2 / 76% H2 por 20 h, partindo de pré-formas forjadas a 1030 ºC com o aço bainítico de resfriamento contínuo DIN 18MnCrSiMo6-4. Caracterizou-se o flanco e a raiz do dente das engrenagens quanto a camada nitretada e alterações no núcleo devido a possíveis efeitos de revenimento do aço durante os processos de nitretação. A metodologia envolvida contou com um conjunto de análises para da superfície através de metalografia da seção transversal do dente, perfil de microdureza, análise de fases e análise de tensões residuais por difração de raios-X. Para o núcleo, empregou-se microscopia ótica e eletrônica de varredura na análise de alterações microestruturais, microdureza Vickers e difração de raios-X na determinação da densidade de discordâncias da ferrita, fração de austenita e o seu teor de carbono. Realizou-se um experimento in situ em complemento a caracterização do núcleo com radiação síncrotron simulando o efeito de 1 h de processo a 500 ºC com o aço bainítico DIN 18MnCrSiMo6-4 forjado deste estudo em que se observou queda no teor de austenita de 11% para 8% e modesto aumento no teor de ferrita. Os resultados da nitretação na superfície do flanco e da raiz dos dentes mostraram similaridade em relação as espessuras das camadas, respectivamente para cada condição proposta. No núcleo se observou queda de dureza de aproximadamente 10% para a nitretação com 20 h e de 20% para com 30 h de processo em relação a condição inicial, além de alterações na microestrutura, acompanhado de diminuição na densidade de discordâncias e da fração de austenita.

This study characterized gears plasma nitrided at 500 ºC, using a gas mixture of 5% N2 / 95% H2 for 30 hours and another gas mixture of 24% N2 / 76% H2 for 20 hours, starting from preforms forged at 1030 ºC with the continuously cooled bainitic steel DIN 18MnCrSiMo6-4. The flank and root of the gear tooth were characterized in terms of the nitrided layer and changes on the core due to tempering effects on the steel during the nitriding processes. The methodology involved a set of analyses for the surface through metallography of the tooth cross-section, microhardness profile, phase analysis and residual stress analysis by X-ray diffraction. For the core, optical and scanning electron microscopy was applied to analyze microstructural changes, Vickers microhardness and X-ray diffraction to determine the dislocation density of ferrite, the austenite fraction and its carbon content. An in situ experiment was carried out to complement the characterization on the core with synchrotron radiation, simulating the effect of a 1-hour process at 500 ºC with the DIN 18MnCrSiMo6-4 bainitic steel forged in this study, in which a drop in the austenite content from 11% to 8% and a modest increase in the ferrite content were observed. The nitriding results on the flank and root surfaces of the teeth were similar in terms of layer thickness, respectively for each condition proposed. There was a drop in hardness on the core of approximately 10% for the 20-hour nitriding process and 20% for the 30-hour process in relation to the initial condition, as well as changes in the microstructure, accompanied by a decrease of dislocation density of ferrite and decrease of austenite fraction.