Tratamentos superficiais a plasma em tela ativa combinando nitretação com oxidação no aço SAE/ABNT 4140

Abstract

Tratamentos de nitretação a plasma combinados com uma etapa de pós-oxidação são utilizados para aprimorar as propriedades superficiais de peças e componentes de aço. Esta metodologia combina o aumento de dureza promovido pela nitretação com a formação de uma fina camada de óxidos rica em magnetita, responsável pela redução de atrito, aumento da resistência ao desgaste e à corrosão. Nos tratamentos a plasma convencionais, as peças sofrem a ação direta de descargas elétricas, o que pode limitar a eficiência dos tratamentos. Para contornar essas limitações, surgiu o método da tela ativa, que protege as peças, prevenindo defeitos oriundos das descargas elétricas. No entanto, a tela ativa altera a cinética de formação das camadas superficiais, e os parâmetros de tratamento convencionais podem não ser adequados. A aplicação da tela ativa em tratamentos combinados de nitretação e pós-oxidação é inédita, exigindo a investigação de novos parâmetros adequados para o sucesso dos tratamentos. Neste estudo, foram realizados tratamentos com tela ativa em amostras de aço SAE/ABNT 4140, variando-se a composição gasosa, o tempo e a temperatura de tratamento, com foco na etapa de pós-oxidação. Os resultados indicam que, para a pós-oxidação com tela ativa ser bem-sucedida, é necessário aumentar o teor de O2 e o tempo de processamento em comparação aos métodos convencionais. Enquanto a bibliografia sugere que 20% de O2 durante 30 minutos é adequado para formar camadas ricas em magnetita, essa condição não se reproduz com a tela ativa. A pós-oxidação de 30 minutos e/ou com uma concentração limitada de O2 não são condições suficientes para formar uma camada estável, se faz necessário o aumento do tempo e da concentração parcial de O2, entretanto concentrações muito altas de O2 (80%) resultam na formação de hematita, prejudicando a integridade superficial. Dentre os tratamentos analisadas se destaca o com teor de 40% de O2, com pelo menos uma hora de pós-oxidação a 450 °C, onde foi observado o desenvolvimento de óxidos predominantemente de magnetita, responsáveis pela melhoria da resistência ao desgaste e redução o coeficiente de atrito nos testes tribológicos.

Plasma nitriding treatments combined with a post-oxidation step are used to enhance the surface properties of steel parts and components. This methodology combines the hardness increase promoted by nitriding with the formation of a thin oxide layer rich in magnetite, which reduces friction and increases wear and corrosion resistance. In conventional plasma treatments, parts are directly exposed to electrical discharges, which can limit the efficiency of the treatments. To overcome these limitations, the active screen method was developed, protecting the parts and preventing defects caused by electrical discharges. However, the active screen alters the kinetics of surface layer formation, and conventional treatment parameters may not be adequate. The application of the active screen in combined nitriding and post-oxidation treatments is unprecedented, requiring the investigation of new parameters for successful treatments. In this study, active screen treatments were performed on SAE/ABNT 4140 steel samples, varying the gas composition, time, and temperature of the treatment, focusing on the post-oxidation step. The results indicate that, for active screen post-oxidation to be successful, it is necessary to increase the O2 content and processing time compared to conventional methods. While the literature suggests that 20% O2 for 30 minutes is adequate to form magnetite-rich layers, this condition does not hold with the active screen. Post-oxidation for 30 minutes and/or with a limited O2 concentration are not sufficient to form a stable layer; it is necessary to increase the time and partial O2 concentration. However, very high O2 concentrations (80%) result in the formation of hematite, compromising surface integrity. Among the evaluated treatments the one with 40% O2 content and at least one hour of post-oxidation at 450 °C stands out. This treatment resulted in the development of predominantly magnetite oxides, which are responsible for improved wear resistance and reduced friction coefficient in the tribological tests.