II WORKSHOP DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS DO
PROPEMM – IFES, VITÓRIA-ES, 30-31 AGOSTO DE 2012
INFLUÊNCIA DA NITRETAÇÃO A PLASMA NA RESISTÊNCIA AO DESGASTE
MICROABRASIVO DO AÇO API 5L X- 70
Maria da Conceição Rocha Lima Cesconetto1*,Adonias Ribeiro Franco Junior2, Estéfano
Aparecido Vieira2
1
Aluna de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal de Educação do Espírito Santo-IFES, Vitória-ES
2
Professor Doutor dos Cursos de Mestrado e Engenharia Metalúrgica e de Materiais – IFES
[email protected]
Resumo: A nitretação por plasma pulsado tem sido largamente utilizada em muitas
aplicações industriais por apresentar melhora nas propriedades mecânicas e tribológicas. Neste
trabalho será estudada a influência da temperatura e do tempo de nitretação na microestutura e
resistência ao desgaste microabrasivo do aço API 5L X-70. Os corpos de prova serão nitretados em um
equipamento de nitretação a plasma pulsado nas temperaturas de 4l0, 440 e 470ºC, a uma pressão de
4,5 mbar (450 Pa), por tempos variáveis de 1 , 3, e 5 horas. Será utilizado uma mistura gasosa de 90%
vol. H2 e 10% vol. N2. As propriedades das camadas nitretadas obtidas nas amostras serão avaliadas
por meio de microdureza superficial, análise microestrutural, difractometria de raios X e ensaio de
resistência ao desgaste microabrasivo do tipo esfera livre. Os resultados pré-liminares mostram que
para uma temperatura fixa de 440ºC para todos os tempos de tratamento, houve um endurecimento
superficial e um aumento significativo da resistência ao desgaste microabrasivo em relação ao material
não nitretado. A espessura da camada nitretada aumenta com o tempo. O melhor resultado para
nitretação com a temperatura de 440ºC foi obtido com tempo de tratamento de 1 hora. Neste caso o
aumento da dureza superficial foi de 95% e a resistência ao desgaste microabrasivo foi de 54 %. Este
aumento da dureza pode estar relacionado com a alta concentração de nitrogênio na rede cristalina do
ferro-α que proporciona maior distorção do reticulado dificultando a formação de nitretos e o
movimento de discordâncias.
Palavras chave: Nitretação a plasma pulsado, aço API 5L X-70, desgaste microabrasivo.
ABSTRAT: The pulsed plasma nitriding has been widely used in many industrial applications to
provide improvements in mechanical properties tribology. In this work we will study the influence of
temperature and time of nitriding on micro-structure and micro-abrasive wear resistance of the nitride
layers formed in API 5L X-70 steel. The samples will be nitrided in an pulsed plasma nitriding
equipment for temperatures of 410, 440 and 470ºC whit a pressure of 4, 5 mbar (450 Pa). The nitriding
times will be 1, 3 and 5 hours. A mixture of 80% vol. H2 and 20% vol. N2 will be used. The properties
of the layers obtained in the samples will be measured. Will be done micro hardness, micro structural
analysis, X-ray diffractometry and wear resistance test. Preliminary results shows that to a fixed
temperature of 440ºC in all the times of treatment, there were a tightening surface and significant
increase in the resistance to micro-abrasive wear when compared to the non-nitride material. However,
the best result for nitriding to 440ºC was treatment of one hour. In this case the increase in surface
hardness was 95% and the resistance to micro-abrasive wear was 54% higher. The increase of hardness
may be associated whit high concentration of nitrogen in the crystalline lattice of α-iron which gives
strong distortion of the structural system avoiding nitride formation and dislocation movement.
KEY Words: Pulsed plasma nitriding, tool steel API 5 X-70, micro abrasive wear.
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1. Introdução
2. Materiais e métodos
Na indústria de petróleo são muito utilizados
tubos confeccionados em aços microligados
para atendimento à norma API 5L grau X.
Esta norma, de fabricação de tubos para
condução de fluidos em “pipelines”, especifica
composição química a base de elementos micro
ligantes, cuja tensão limite de escoamento varia
de 42 Ksi (288 MPa) a 80 Ksi (549 MPa), X-42
a X-80 [1].
Os aços utilizados especificamente na
fabricação de tubos para linhas de transmissão
(transferência e transporte de petróleo e gás
natural) e transporte de minério seguem a
classificação API 5L (Specification for Line
Pipe Steel) [2]. Muitas vezes estes tubos são
utilizados também em aplicações estruturais
como em tubo de revestimento de poço
(“casing” de “risers”) de perfuração de
petróleo. Hastes de perfuração de poços, em
aplicações submarinas com proteção catódica
em alta pressão ou em meios corrosivos
contendo H2S [3]. Estes aços devem possuir
alta resistência, boa tenacidade a baixas
temperaturas e boa soldabilidade. O baixo teor
de carbono, o qual é compensado pela adição
de elementos microligantes que mantém a
resistência mecânica, melhora a soldabilidade e
aumenta a tenacidade [4].
Os materiais que atendem a estas características
são os aços microligados de alta resistência e
baixa liga (ARBL) submetidos a tratamentos
termomecânicos
controlados,
processo
conhecido como laminação controlada, a qual
incorpora na sua rota de produção conceitos
como endurecimento por precipitação, refino
de grão e adição de elementos microligantes
associados a diferentes escalas de passes de
temperaturas de laminação [5]. Nos dias atuais,
a perda de peças metálicas devido à ação do
desgaste tem preocupado engenheiros e
metalúrgicos que tentam criar, aperfeiçoar e
desenvolver novas ligas e meios de proteção
para os materiais Assim, tem-se a necessidade
em se conhecer o comportamento dos aços API
5L X-70.
Neste estudo será utilizado um tubo de aço API
5L X-70, de 24” de diâmetro, 0,812” de
espessura e cerca de 1 metro de comprimento,
fabricado para a implementação da obra do
gasoduto de Camarupim, no Espírito Santo. O
tubo foi fabricado pelo processo UOE pela
empresa Tenaris-Confab através de chapas
produzidas pela Usiminas pelo processo de
laminação controlada sem resfriamento
acelerado.
A Tabela 1 mostra a composição química do
material que será utilizado neste estudo e foi
determinada através do espectrômetro de
emissão ótica da marca Oxford instruments,
modelo Foundry-Master Pro localizado no
instituto federal de educação, ciência e
tecnologia do Espírito Santo (IFES).
Tabela 1. Composição química do aço API
5L X-70 estudado.
C
0,100
Mo
0,003
Mn
1,630
Cr
0,025
Si
0,150
Ni
0,160
Ni
0,050
Cu
0,015
Vn
0,035
P
0,020
Ti
0,020
S
0,004
2.1. Preparações dos corpos de prova
O tubo foi seccionado longitudinalmente por
meio de um maçarico onde foi retirada uma
chapa de 0,160 x 1 m que foi fracionada na
serra em pequenos tiras de 16 cm Após isto,
destas tiras foram retiradas transversalmente
amostras de aproximadamente 30 x 20 x 4 mm,
tomando-se o cuidado de retirar a parte afetada
pelo calor do maçarico. Para prepara a
superfície a ser nitretada, as amostras foram
lixadas usando-se lixas de Carbeto de Silício de
grana 80 até 1000.
2.1.2. Análise Metálográfica
Para as diversas etapas do trabalho foram feitas
análise metalográfica com o objetivo de
registrar as microestruturas obtidas. A amostra
inicial sem nitretar foi preparada da mesma
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maneira descrita no item anterior, porém,
posteriormente foram polidas com alumina 0,5
e 0,3 µm e atacadas com o reagente químico
Nital 2% durante 5 segundos seguindo a norma
ASTM E407 e depois analisadas no
microscópio ótico. Para as amostras nitretadas,
estas,
primeiro
foram
cortadas
perpendicularmente a seção nitretada usando
uma máquina de corte de precisão (marca
Struers, modelo miniton) em seguida foi feito
embutimento a quente com baquelite e por fim
as demais etapas de preparação seguiram a
mesmas sequências já descritas para as demais
amostras.
As medidas de microdureza foram realizadas
em um microdurômetro, modelo HMV 2000,
da Shimadzu com carga de 0,2 Kgf. durante 15
s de penetração e identador Vickers.
3. Resultados e discussões pré-liminares
Fez-se a micrografia do aço API 5L X70 antes
do tratamento termoquímico de nitretação e
esta é mostrada na figura 1.
2.2. Tratamentos Termoquímicos
Conforme já explicado, está previsto a
nitretação de amostras nas temperaturas de 4l0,
440 e 470ºC, a uma pressão de 4,5 mbar (450
Pa), por tempos variáveis de 1 , 3, e 5 horas.
Será utilizado uma mistura gasosa de 90% vol.
H2 e 10% vol. N2. Estes tratamentos serão
realizados no Laboratório de Engenharia de
Superfície e desgaste do IFES em equipamento
de nitretação a plasma pulsado da marca SDS
modelo Thor NP 5000, com capacidade para
nitretar peças de até 50 Kg. Até o presente
momento foram feitos os tratamentos para
temperatura de 4400C e a caracterização das
camadas nitretadas foram feitas por difração de
raios-X, microscopia ótica e microdureza
Vickers (HV).
2.3 Ensaio de desgaste microabrasivo
Com os ensaios de desgaste microabrasivo, foi
obtido os valores dos coeficientes de desgaste
(K) do material nitretado para cada condição de
tratamento. Os ensaios foram realizados em um
equipamento de microabrasão do tipo “esfera
livre”, da marca csm instruments, localizado no
IFES.
Figura 1: Microestrutura do aço API 5L X-70
no estado como recebido. Na escala de 50µm.
Os
aços
microligados,
hipoeutetóides
apresentam microestruturas constituídas de
ferrita e perlita. De fato, está confirmada a
presença de bandas constituídas de ferrita e
perlita, dando, assim, a denominação à
microestrutura de ferrita e perlita bandeada. O
bandeamento consiste em faixas alternadas de
ferrita e de perlita em aços carbono, como os
laminados a quente.
A figura 2 mostra as micrografias do aço
nitretado à temperatura de 440ºC nos tempos de
1, 3 e 5 horas, respectivamente. Na nitretação
de 1 hora já se observa uma camada branca
contínua e a presença de precipitados em
contornos de grão da austenita. Provavelmente,
nitretos do tipo γ’ (Fe4N) e ε (Fe2-3N). A
figura 3 mostra a análise de difração de raios-X
e comprova a presença dos mesmos.
2.4 . Perfil de dureza
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Figura
4:
microabrasivo
percorrida.
Figura 2: Micrografias do aço API 5L X-70
nitretado na temperatura de 440ºC nos tempos
de: a) 1 hora; b) 3 horas e c) 5 horas.
Figura 3: Difratograma de raios-x do aço API
5L X-70 por varios tempos de nitretação.
A figura 4 mostra a curva de coeficiente de
desgaste microabrasivo em função da distância
deslizada. Observa-se que o coeficiente de
desgaste tende a estabilizar somente após uma
distancia percorrida, “running-in”. Para os
ensaios realizados, foi de aproximadamente
199, 201e 187 metros respectivamente para 1, 3
e 5 horas de tratamento em 45 minutos de
ensaio. O coeficiente de desgaste do material
não nitretado foi igual a 1,9 x 10-12 m2/N. O
melhor resultado obtido foi para o tempo de 1h
obtendo-se um valor igual a 1,1x10-12 m2/N.
Coeficiente
em função
de
da
desgaste
distância
A figura 5 apresenta os perfis de dureza das
camadas nitretadas e do aço não nitretado.
Pode-se observar que a amostra nitretada tem
dureza consideravelmente maior que a do
material de base que possui 221 HV.
Figura 5: Variação da dureza no topo da
camada nitretada do aço API 5L X-70 após a
nitretação a 440ºC por diferentes tempos.
O perfil de dureza mostrado na figura 5
mostrou que a dureza máxima no topo da
camada nitretada é alcançada com um tempo de
3 horas de tratamento obtendo-se 608 HV, e a
partir daí é verificada uma ligeira queda da
dureza com o aumento do tempo de tratamento.
Este fenômeno pode ser explicado pelo
engrossamento das partículas. De acordo com
Tier et al [6], com o aumento no tempo e na
temperatura de nitretação, a quantidade e
tamanho dos precipitados aumentam, elevando
o valor da dureza superficial. Contudo, depois
de certo tempo de tratamento, os precipitados
alcançam um valor crítico que resulta na
máxima dureza. Excedendo esse tempo de
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tratamento, a dureza diminui devido ao
adicional aumento do tamanho das partículas
precipitadas. Outro fator que também pode
influenciar nessa queda de dureza é a
descarbonetação superficial que ocorre durante
a nitretação a plasma, principalmente quando a
camada nitretada não apresenta a camada
branca [7 -8]. Dentro da camada branca, tem-se
100% de nitretos enquanto na zona de difusão,
que pode ter atingido profundidades acima de
100 µm, se detecta a presença de nitretos .
4. Conclusões parciais
Para as condições estudadas, observou-se que o
material nitretado apresentou uma maior
resistência ao desgaste microabrasivo em
relação ao material não nitretado e o melhor
resultado obtido foi para 1h a 4400C. Este
melhor resultado, não corresponde a amostra
com maior dureza. Portanto, outros fatores
influenciam nos mecanismos de desgaste.
O aumento do tempo de nitretação implica em
maior dureza superficial tendendo a
estabilidade a partir de 3h.
O coeficiente de desgaste microabrasivo
diminui para o tratamento de 1h e depois
aumenta novamente para os tratamentos de 3h e
5h. Os resultados mostram que existe uma
queda mais significativa de 3h para 5h do que
de 1h para 3h.
Agradecimentos
A Petrobras pelo apoio e suporte nos momentos
em que foi preciso.
Ao Prof. Dr. Estéfano Aparecido Vieira e Prof.
Dr. Adonias Ribeiro Franco Júnior pelas
discussões e apoio técnico durante as etapas do
estudo
5. Referências
[1] Specification for Line Pipe, API
Specification 5L, American Petroleum
Institute, October. 2008.
[2] Specification for Line Pipe, API
Specification 5L, American Petroleum
Institute, October. 2008.
[3] SICILIANO F.; Materiais para gasodutos –
aços de alta resistência para dutos de
transporte de gás e petróleo, Metalurgia
e Materiais, v. 64, 208-211, 2008.
[4] RAMIREZ, M. F. G.; Estudo da
transformação durante o resfriamento
continuo e da microestrutura do aço
microligado X80 utilizado na construção
de tubos para transporte de gás natural e
petróleo. Dissertação de Mestrado,
USP, São Paulo, SP, 2008.
[5] VIEIRA,
A.
A.
H.;
Avaliação
microestrutural de aços da classe API 5L
X-80 submetidos a diferentes ciclos
térmicos. Dissertação de Mestrado,
PUC rio, Rio de Janeiro, RJ, 2007.
[6] TIER, M.A; SANTOS, A. V.; KUHNEN,
C.A; STROHAECKER, T.R; KRAUSE,
J.C. A study of grain boundary
precipitation during plasma nitriding of
steel. Surface Modification Technology,
v. 5, n.8, 225-231, 2002.
[7] EGERT, P.; MALISKA, A.M.; SILVA,
H.R.T.; SPELLER, C.V. Decarburization
during plasma nitriding. Surface and
Coatings Technology, v. 122, n.1, 33-8,
1999.
[8] TIER,
M.
A.,
KIECKOW,
F.,
STROHAERCKER, T.R., ROCHA, A.S.,
SANTOS, J.F., BELL. T. Estudo do
perfil de carbono na camada nitretada do
aço AISI M2.Tecnologia em Metalurgia
e Materiais, v.4, n.2 , 6-11, 2007.
Os autores agradecem ao Instituto Federal de
Educação Tecnológica do Espírito Santo –
IFES pela disponibilidade dos laboratórios
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