Title

THE INFLUENCE OF PLASMA NITRIDING ON THE FATIGUE BEHAVIOR OF AUSTENITIC STAINLESS STEEL TYPES AISI 316 AND AISI 304

INFLUÊNCIA DA NITRETAÇÃO A PLASMA NO COMPORTAMENTO EM FADIGA DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS AISI 316 E AISI 304

Authorship

Varavallo, Rogério; Manfrinato, Marcos Dorigão; Rossino, Luciana Sgarbi; Spinelli, Dirceu; Riofano, Rosamel Melita Muñoz; Souza, Sylvio Dionysio de

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DOI

10.5151/2594-5327-16903

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Abstract

The plasma nitriding process has been used as an efficient method to optimize the surface properties of steel and alloy in order to increase their wear, fatigue and corrosion resistance. This paper reports on a study of the composition and influence of the nitrided layer on the high-cycle fatigue properties of the AISI 316 and 304 type austenitic stainless steels. Test specimens of AISI 316 and 304 steel were nitrided at 400oC for 6 hours under a pressure of 4.5 mbar, using a gas mixture of 80% volume of H2 and 20% volume of N2. The rotary fatigue limit of both nitrided and non-nitrided steels was determined, and the effect of the treatment on the fatigue limit of the two steels was evaluated. The mechanical properties of the materials were evaluated based on tensile tests, and the nitrided layer was characterized by microhardness tests, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The resulting nitride layer showed high hardness and mechanical strength, increasing the fatigue limit of the nitrided material in comparison with the non-nitrided one. The fatigue limit of the 316 steel increased from 400 MPa to 510 MPa in response to nitriding, while that of the 304 steel increased from 380 MPa to 560 MPa. One of the contributing factors of this increase was the introduction of residual compressive stresses during the surface hardening process, which reduce the onset of crack formation underneath the nitride layer.

O processo de nitretação a plasma tem sido utilizado como um método eficiente para otimizar as propriedades superficiais de aços e ligas metálicas com o objetivo de elevar a resistência ao desgaste, à fadiga e à corrosão. Neste trabalho, estudou-se a composição e a influência da camada nitretada nas propriedades de fadiga de alto ciclo dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e 304. Corpos de prova de aço AISI 316 e 304 foram nitretados a 400oC durante 6 horas, com pressão de 4,5 mbar, utilizando uma mistura gasosa de 80% em volume de H2 e 20% em volume de N2. Determinou-se o limite de fadiga rotativa para os dois materiais estudados, nitretados e não nitretados, observando-se o efeito do tratamento no limite de fadiga de ambos os materiais. As propriedades mecânicas dos materiais foram determinadas através de ensaios de tração, e a camada nitretada foi caracterizada através de ensaios de microdureza, microscopia eletrônica de varredura e difração de raio-x. A camada de nitreto formada possui alta dureza e resistência mecânica, o que proporcionou aumento no limite de fadiga do material nitretado em relação ao não nitretado. O limite de fadiga do aço 316 aumentou de 400 MPa para 510 MPa após o tratamento de nitretação, enquanto que para o aço 304, o limite de fadiga aumentou de 380 MPa para 560 MPa. Um dos fatores que contribuiu para isto foi a introdução de tensões residuais compressivas durante o processo de endurecimento superficial, que retarda a iniciação da trinca. A análise fractográfica evidenciou a iniciação da trinca abaixo da camada de nitreto formada.

Keywords

Plasma nitriding; Type 316 and 304 austenitic stainless steel; Fatigue.

Nitretação a plasma; Aços austeniticos 316 e 304; Fatiga.