Title

EFFECT OF TEMPERATURE AND PRESSURE ON WEAR PROPERTIES OF ION NITRIDED AISI 316 AND 409 STAINLESS STEELS

EFFEITO DA TEMPERATURA E PRESSÃO NO DESGASTE DOS AÇOS AISI 316 E 409 NITRETADOS IONICAMENTE

Authorship

Fernandes, Frederico Augusto Pires; Heck, Stênio Cristaldo; Pereira, Ricardo Gomes; Nascente, Pedro Augusto de Paula; Casteletti, Luiz Carlos

Fernandes, Frederico Augusto Pires

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Heck, Stênio Cristaldo

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Pereira, Ricardo Gomes

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Nascente, Pedro Augusto de Paula

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Casteletti, Luiz Carlos

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DOI

10.5151/2594-5327-16888

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Abstract

Stainless steels are widely used in chemical and other industries due to their corrosion resistance property. However, because of their low hardness and wear properties, their applications are limited. Many attempts have been made to increase the surface hardness of these materials by using plasma techniques. Plasma nitriding is distinguished by its effectiveness, and for presenting a relatively low cost and being a clean process, producing hard surface layers on stainless steels. Aiming to verify the influence of the temperature and pressure on the modified resultant layers, samples of AISI 316 and 409 stainless steels were plasma nitrided in two different temperatures (450 and 500°C) and pressures of 400, 500, and 600Pa for 5h. After the nitriding treatment, the layers were analyzed by means of optical microscopy and wear tests. Wear tests were conducted in a fixed-ball micro-wear machine without lubrication. After the plasma nitriding treatment on AISI 316 and 409 samples, homogeneous and continuous layers were produced and their thicknesses increased as the temperature increased, and as the pressure decreased. The nitriding treatment on the AISI 316 steel sample resulted on the formation of expanded austenite layers at 450°C, and chromium nitrides (CrN and Cr2N) phases at 500°C. The nitriding treatment on AISI 409 sample yielded the formation of similar layers for both treatment temperatures; these layers constituted mainly by chromium (Cr2N) and iron (Fe2N, Fe3N, and Fe4N) nitrides. After the nitriding treatment, the AISI 316 steel sample presented higher wear resistance for lower temperature and pressure values. The increase on layer fragility, for higher temperature and pressure values can be responsible for this inverse tendency. The wear resistance of the nitrided AISI 409 sample followed a logic tendency: the harder the layer the better the performance, i.e. the performance was improved with the increase in both the temperature and pressure.

Os aços inoxidáveis são amplamente utilizados em indústrias químicas e várias outras devido à sua excelente resistência à corrosão. No entanto, devido a sua baixa dureza e propriedades de desgaste insatisfatórias suas aplicações são limitadas. Muitas tentativas são feitas no intuito de aumentar a dureza desses materiais, utilizando técnicas de plasma. A nitretação por plasma se distingue pela sua eficácia, por apresentar um custo relativamente baixo e ser um processo limpo, produzindo camadas superficiais duras em aços inoxidáveis. Com o objetivo de verificar a influência da temperatura e da pressão em camadas produzidas por nitretação, amostras dos aços inoxidáveis AISI 316 e 409 foram tratadas em duas temperaturas diferentes (450 e 500°C) e pressões de 400, 500 e 600Pa por 5h. Após o tratamento de nitretação por plasma as camadas foram analisadas por meio de microscopia óptica e testes de desgaste. Os testes de desgaste foram realizados em uma máquina de micro-desgaste, do tipo esfera presa, sem lubrificação. O tratamento de nitretação por plasma produziu camadas homogêneas e contínuas sobre os aços AISI 316 e 409, sendo que a espessura das camadas aumentou com o aumento da temperatura, e diminuição da pressão. Os tratamentos de nitretação nas amostras do aço AISI 316 resultaram na formação de camadas de austenita expandida a 450°C, e nitretos de cromo (CrN e Cr2N) a 500°C. Os tratamentos de nitretação no aço AISI 409 resultaram na formação de camadas semelhantes em ambas às temperaturas de tratamento, sendo constituídas principalmente por nitretos de cromo (Cr2N) e ferro (Fe2N, Fe3N e Fe4N). Após o tratamento de nitretação as amostras do aço AISI 316 apresentaram maior resistência ao desgaste para tratamentos realizados em menores temperaturas e pressões. O aumento na fragilidade da camada, para maiores valores de temperatura e pressão pode ser responsável por esta tendência inversa. A resistência ao desgaste das amostras do aço AISI 409 nitretado seguiram uma tendência lógica: quanto maior a dureza da camada, melhor o desempenho, ou seja, a resistência ao desgaste foi melhorada com o aumento na temperatura e pressão.

Keywords

Stainless steel; Plasma nitriding; Wear.

Aços inoxidáveis; Nitretação por plasma; Desgaste.