Este trabalho tem por objetivo otimizar os parâmetros de nitretação a plasma para a formação de camadas nitretadas com propriedades tribológicas adequadas para a utilização em ponteiras de conexão utilizadas em “risers” de completação de poços de petróleo. Para atingir este objetivo, amostras de aço inoxidável endurecível por precipitação 17-4 PH foram nitretadas a plasma em um reator com mistura gasosa de 76%N2 e 24%H2 durante 4 horas. As temperaturas utilizadas no processo foram 400, 450, 480 e 550°C. As camadas nitretadas produzidas foram avaliadas quanto à morfologia, espessura, composição, dureza, resistência à corrosão e resistência ao desgaste. Os resultados demonstraram que as condições de nitretação utilizadas foram eficientes no endurecimento superficial das amostras. A utilização de temperatura elevada (550°C) não é adequada para a nitretação de aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação 17-4 PH. A amostra nitretada a 450°C apresentou a melhor combinação de propriedades para aplicação nas ponteiras de “risers” de completação.

Os aços de ultra resistência com médio carbono e baixa liga apresentam excelentes propriedades de resistência mecânica e à fadiga além de uma elevada temperabilidade. No entanto, tais aços apresentam o fenômeno da têmpera ou de tratamentos superficiais. O aço 300M foi desenvolvido visando a ampliação desta faixa, permitindo tratamentos em temperaturas em torno de 350ºC viabilizando o emprego da técnica de nitretação do mesmo por plasma sem a consequente fragilização. Neste trabalho comparou-se as características e propriedades do aço 300M nitretado por plasma à 350ºC e 550ºC com os aços de alta-resistência AISI 4340, 4140 e 5140 nitretados à 550ºC. Variou-se as condições de tratamento de forma a verificar a influência do tempo de nitretação e de frequência de pulso nas camadas nitretadas. Verificou-se que a nitretação por plasma demostrou ser bastante efetiva para conferir resistência ao desgaste abrasivo para todos os aços nitretados. O aço 300M nitretado em 350ºC apresentou no ensaio de desgaste abrasivo comportamento similar aos demais aços nitretados em 550ºC, enquanto que o melhor resultado geral foi alcançado pelo 300M nitretado à 550ºC em CC durante 6 horas, devido à formação de uma camada dupla de levada dureza e espessura. / The ultrahigh-strength steels with medium carbon and low alloy, like AISI 4340, show excellent tensile strength and fatigue properties further higher hardenability. However, these steels have the phenomenon of tempering embrittlement, that restrict the temperature of treatments after quench or surfaces treatments. The 300M steel was developed aiming the enlargement this area of application, this steel permits treatments in temperatures about 350°C what allowed to use the plasma nitriding without problems with the embrittlement. In this production were compared the properties of the nitrited layers of the 300M nitriding by plasma in 350°C and 550°C with the steels AISI 4340, AISI 4140, AISI 5140 nitriding in 550°C. Plasma nitriding conditions like time and pulse frequency were varied. It was checked that the plasma nitriding showed good performance to improve the resistance to the abrasive wear in ali the steels tested. The 300M steel nitrited in 350°C showed results similar to the others in the pin-on-disk test and the better result occurred to the 300M steel nitrited in 550°C in dC plasma during 6 hours, because of a duble compound lawyer that arouse with a high thickness and high hardness.

Os aços de ultra resistência com médio carbono e baixa liga apresentam excelentes propriedades de resistência mecânica e à fadiga além de uma elevada temperabilidade. No entanto, tais aços apresentam o fenômeno da têmpera ou de tratamentos superficiais. O aço 300M foi desenvolvido visando a ampliação desta faixa, permitindo tratamentos em temperaturas em torno de 350ºC viabilizando o emprego da técnica de nitretação do mesmo por plasma sem a consequente fragilização. Neste trabalho comparou-se as características e propriedades do aço 300M nitretado por plasma à 350ºC e 550ºC com os aços de alta-resistência AISI 4340, 4140 e 5140 nitretados à 550ºC. Variou-se as condições de tratamento de forma a verificar a influência do tempo de nitretação e de frequência de pulso nas camadas nitretadas. Verificou-se que a nitretação por plasma demostrou ser bastante efetiva para conferir resistência ao desgaste abrasivo para todos os aços nitretados. O aço 300M nitretado em 350ºC apresentou no ensaio de desgaste abrasivo comportamento similar aos demais aços nitretados em 550ºC, enquanto que o melhor resultado geral foi alcançado pelo 300M nitretado à 550ºC em CC durante 6 horas, devido à formação de uma camada dupla de levada dureza e espessura. / The ultrahigh-strength steels with medium carbon and low alloy, like AISI 4340, show excellent tensile strength and fatigue properties further higher hardenability. However, these steels have the phenomenon of tempering embrittlement, that restrict the temperature of treatments after quench or surfaces treatments. The 300M steel was developed aiming the enlargement this area of application, this steel permits treatments in temperatures about 350°C what allowed to use the plasma nitriding without problems with the embrittlement. In this production were compared the properties of the nitrited layers of the 300M nitriding by plasma in 350°C and 550°C with the steels AISI 4340, AISI 4140, AISI 5140 nitriding in 550°C. Plasma nitriding conditions like time and pulse frequency were varied. It was checked that the plasma nitriding showed good performance to improve the resistance to the abrasive wear in ali the steels tested. The 300M steel nitrited in 350°C showed results similar to the others in the pin-on-disk test and the better result occurred to the 300M steel nitrited in 550°C in dC plasma during 6 hours, because of a duble compound lawyer that arouse with a high thickness and high hardness.

Este trabalho apresenta uma análise das superfícies e das regiões interfaciais da estrutura nanométrica de TiN sobre o substrato de aço AISI M2 nitretado a plasma com uso de camada intermediária de Ti. O objetivo da investigação foi identificar os principais componentes químicos formados nesta estrutura e como estes estão distribuídos na região de interface filme-substrato. O efeito da pré-nitretação do substrato nas ligações interfaciais foi o foco principal. A nitretação a plasma do substrato foi do tipo brilhante (bright nitriding), ou seja, baixa temperatura (400oC) e mistura pobre em nitrogênio (5% de N2 em balanço com H2) para evitar a formação de camada de compostos. Depois de calibradas as taxas de deposição do TiN e do Ti em substratos de silício, filmes ultrafinos de TiN e Ti (menores que 10 nm), a temperatura ambiente, foram depositados por sputtering reativo nas amostras de aço rápido. A taxa de deposição e a estequiometria foram obtidas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford (RBS) e por análises por reações nucleares (NRA). Também foi analisado o perfil de Ti por espalhamento de íons de média energia (MEIS). A caracterização química das superfícies e interfaces das amostras de aço e do sistema composto TiN/Ti/Aço foi realizada por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). As interfaces e os perfis de concentração do Ti e do N, foram analisada por espalhamento de íons de média energia (MEIS) e pelo uso de ressonâncias estreitas na curva de seção de choque (NRP). Os resultados mostraram a formação de nitretos de ferro e de cromo na camada de difusão da superfície nitretada e uma menor quantidade relativa de óxidos e hidróxidos metálicos nesta superfície. No sistema TiN/Ti/Aço, a nitretação do substrato induziu a formação de uma maior quantidade de nitretos de Ti, Fe e Cr nesta estrutura. As análises dos perfis de concentração mostraram que a interdifusão nas interfaces (TiN/Ti e Ti/Aço) foi significativamente intensificada na amostra com substrato de aço nitretado. O efeito da desoxidação promovido pela nitretação a plasma e o incremento da interdifusão interfacial vão ao encontro de uma transição de propriedades mais suave e de uma maior adesão do revestimento duro ao substrato de aço. / This research presents a study about compound formation and interfacial mixing in TiN/Ti nanolayers on plasma nitrided AISI M2 tool steel. The investigation goal was to identify the main components formed by this structure and the effects in the chemical bonding and in the interfacial regions caused by the use of nitriding plasma on the substrate and on the Ti interlayer. The substrate used was bright plasma nitriding to avoid a compound layer formation. Low temperature (400oC) and low-nitrogen mixture (5% of N2, balance H2) were used. After the TiN and Ti deposition rate on silicon substrates were calibrated, thin TiN and Ti films (smaller than 10 nm), were deposited on the steel samples by reactive sputtering at room temperature. The deposition rate and stoichiometry of films were determined Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and through Nuclear Reaction Analysis (NRA). The profile of Ti was analyzed through Medium Energy Ion Scattering as well. The chemistry characterization of steel surfaces and interfaces samples of TiN/Ti/Steel structure was made through X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Ti e N interfaces and concentration profile were analyzed through Medium Energy Ion Scattering (MEIS) and through the use of Narrow Nuclear Reaction Profiling (NRP). Results showed the formation of Fe and Cr nitrides in the nitrited steel diffusion layer and a smaller quantity, related to metal oxides and hydroxides, on this surface. In the TiN/Ti/Steel system, the nitriding inducted the formation of a larger amount of Ti, Fe and Cr nitrates on this structure. Concentration profile analyses showed interface interdiffusion (TiN/Ti and Ti/Steel) was significantly intensified in the sample with nitrited steel substrate. The effect of the desoxidation promoted by plasma nitriding and the increasing in the interfacial interdiffusion indicate a smoother property transition and a larger hard coating adhesion on substrate.

Este trabalho apresenta uma análise das superfícies e das regiões interfaciais da estrutura nanométrica de TiN sobre o substrato de aço AISI M2 nitretado a plasma com uso de camada intermediária de Ti. O objetivo da investigação foi identificar os principais componentes químicos formados nesta estrutura e como estes estão distribuídos na região de interface filme-substrato. O efeito da pré-nitretação do substrato nas ligações interfaciais foi o foco principal. A nitretação a plasma do substrato foi do tipo brilhante (bright nitriding), ou seja, baixa temperatura (400oC) e mistura pobre em nitrogênio (5% de N2 em balanço com H2) para evitar a formação de camada de compostos. Depois de calibradas as taxas de deposição do TiN e do Ti em substratos de silício, filmes ultrafinos de TiN e Ti (menores que 10 nm), a temperatura ambiente, foram depositados por sputtering reativo nas amostras de aço rápido. A taxa de deposição e a estequiometria foram obtidas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford (RBS) e por análises por reações nucleares (NRA). Também foi analisado o perfil de Ti por espalhamento de íons de média energia (MEIS). A caracterização química das superfícies e interfaces das amostras de aço e do sistema composto TiN/Ti/Aço foi realizada por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). As interfaces e os perfis de concentração do Ti e do N, foram analisada por espalhamento de íons de média energia (MEIS) e pelo uso de ressonâncias estreitas na curva de seção de choque (NRP). Os resultados mostraram a formação de nitretos de ferro e de cromo na camada de difusão da superfície nitretada e uma menor quantidade relativa de óxidos e hidróxidos metálicos nesta superfície. No sistema TiN/Ti/Aço, a nitretação do substrato induziu a formação de uma maior quantidade de nitretos de Ti, Fe e Cr nesta estrutura. As análises dos perfis de concentração mostraram que a interdifusão nas interfaces (TiN/Ti e Ti/Aço) foi significativamente intensificada na amostra com substrato de aço nitretado. O efeito da desoxidação promovido pela nitretação a plasma e o incremento da interdifusão interfacial vão ao encontro de uma transição de propriedades mais suave e de uma maior adesão do revestimento duro ao substrato de aço. / This research presents a study about compound formation and interfacial mixing in TiN/Ti nanolayers on plasma nitrided AISI M2 tool steel. The investigation goal was to identify the main components formed by this structure and the effects in the chemical bonding and in the interfacial regions caused by the use of nitriding plasma on the substrate and on the Ti interlayer. The substrate used was bright plasma nitriding to avoid a compound layer formation. Low temperature (400oC) and low-nitrogen mixture (5% of N2, balance H2) were used. After the TiN and Ti deposition rate on silicon substrates were calibrated, thin TiN and Ti films (smaller than 10 nm), were deposited on the steel samples by reactive sputtering at room temperature. The deposition rate and stoichiometry of films were determined Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and through Nuclear Reaction Analysis (NRA). The profile of Ti was analyzed through Medium Energy Ion Scattering as well. The chemistry characterization of steel surfaces and interfaces samples of TiN/Ti/Steel structure was made through X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Ti e N interfaces and concentration profile were analyzed through Medium Energy Ion Scattering (MEIS) and through the use of Narrow Nuclear Reaction Profiling (NRP). Results showed the formation of Fe and Cr nitrides in the nitrited steel diffusion layer and a smaller quantity, related to metal oxides and hydroxides, on this surface. In the TiN/Ti/Steel system, the nitriding inducted the formation of a larger amount of Ti, Fe and Cr nitrates on this structure. Concentration profile analyses showed interface interdiffusion (TiN/Ti and Ti/Steel) was significantly intensified in the sample with nitrited steel substrate. The effect of the desoxidation promoted by plasma nitriding and the increasing in the interfacial interdiffusion indicate a smoother property transition and a larger hard coating adhesion on substrate.

O tratamento duplex de nitretação a plasma e posterior deposição de TiN pode proporcionar um aumento na vida útil de ferramentas revestidas, já que a camada nitretada garante uma melhor adesão e maior capacidade de sustentação de carga. Essa melhoria ocorre desde que não haja a formação de uma camada contínua de nitretos de ferro, visto que esta é extremamente frágil, podendo causar o lascamento do filme protetor. A possibilidade de integração da nitretação a baixas pressões e posterior deposição de TiN em um processo contínuo se mostra interessante, pois possibilita a nitretação sem formação de camada de nitretos de ferro, eliminando assim uma etapa de polimento, diminuindo o grau de impurezas do revestimento e o tempo de processamento como um todo. O objetivo desse trabalho é o estudo dos parâmetros de processo mais adequados para a nitretação a baixas pressões de um aço de trabalho a quente H13, de modo a preparar o substrato de forma efetiva para uma posterior deposição de TiN. Diferentes temperaturas (faixa de 400-530ºC), pressões e composições gasosas (misturas de N2, N2 + Ar e N2+H2) foram avaliadas por microscopia ótica, testes de microdureza e difração de raios X. Buscou-se a melhor condição de nitretação, caracterizada pela camada de difusão mais profunda, maior dureza superficial e não aparecimento de uma camada de nitretos de ferro Os resultados indicam que adições de argônio e hidrogênio não resultam na melhor condição de nitretação do aço H13, e que outros parâmetros que não haviam sido considerados como importantes, como rotação das amostras e proteção dos termopares com miçangas, têm grande efeito indireto no tamanho da camada nitretada. O melhor resultado obtido foi com os parâmetros de: temperatura 450ºC, pressão total de N2 de 2x10-3 mbar, termopares protegidos com miçangas, árvore de sustentação das amostras girando a duas e meia revoluções por minuto e filamentos de tungstênio novos.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um equipamento utilizado para acompanhamento e monitoramento do processo de nitretação a plasma enquanto ele ocorre, ou seja, de forma in-situ. Os resultados obtidos com a utilização deste equipamento são demonstrados e confirmam a potencialidade da técnica na caracterização de mecanismos de nitretação a plasma. Ensaios de adaptação à técnica foram realizados, visando adquirir experiência no reconhecimento e detecção de fases formadas durante o processo e de possibilidades de caracterização proporcionadas pela técnica. Desta forma a influência de três composições gasosas na formação de camadas nitretadas em aço médio carbono AISI 1045 foi avaliada de forma in-situ por difração de raios-X e post-mortem por metalografia, GDOS e microdureza Vickers. A composição gasosa de 76% N2 – 24% H2 mostrou alto poder de nitretação, e formou camadas de compostos espessas e zonas de difusão profundas, com aumentos consideráveis de dureza. A composição gasosa de 5% N2 – 95% H2, formou camadas de compostos pequenas e zonas de difusão profundas, além de aumentos de dureza superficial. Em uma segunda avaliação, amostras de aço AISI 1045, foram nitretadas em duas composições gasosas: 5% N2 – 95% H2 e 25% N2 – 75% H2, nas temperaturas de 450ºC, 480ºC, 520ºC, 540ºC e 560ºC. Com o acompanhamento in-situ por difração de raios-X de trechos específicos de 2Θ correspondentes às linhas de difração das fases γ’ e ε, foi possível obter o tempo de incubação da fase γ’ para cada combinação composição gasosa - temperatura, que foram comparados com dados já existentes para nitretação a gás. Também foi possível o acompanhamento do crescimento, desenvolvimento e de mudanças na largura das linhas destas fases O tempo de incubação da fase γ’ permitiu a comparação entre os resultados das nitretações a plasma e os resultados previstos por um diagrama de Lehrer, e uma boa correlação entre as fases previstas pelo diagrama e as encontradas na prática foi encontrada. As amostras foram avaliadas ainda por difração de raios-X em ângulos rasantes, que permitiu a caracterização das camadas mais superficiais das amostras e, com base nestes resultados e nos resultados das análises in-situ, obteve-se um mapa prático de previsão de fases para a nitretação a plasma.

Este trabalho tem como objetivo estudar a influência do tratamento superficial, através da técnica de nitretação a plasma, no processo de fresamento com fresas de aço rápido AISI M2. Foram investigados os efeitos deste tratamento superficial no processo de corte, variando-se a forma de refrigeração/lubrificação das fresas com fluído de corte convencional (emulsão) em abundância, com minimização e sem fluído (lubrificação a seco). Na nitretação, a composição da mistura de gases utilizada nos experimentos foi de 5% N2 e 95% H2 em volume, a uma pressão de tratamento de 5 mbar (3,8 Torr). A temperatura utilizada foi de 440oC, durante um tempo de tratamento de 30 minutos, resultando em uma camada nitretada com uma zona de difusão com aproximadamente 8µm de profundidade. As ferramentas empregadas no processo de fresamento foram investigadas através de medição de forças de usinagem, medições de desgaste na superfície de incidência (flanco) e na superfície de saída (face), sendo as camadas nitretadas caracterizadas por metalografia óptica e microdureza. Foi observado um desempenho superior das fresas nitretadas apenas para as condições de corte a seco.

O objetivo deste trabalho foi verificar a influência das tensões sobre o processo de nitretação a plasma/ difusão do nitrogênio. Amostras do aço AISI M2 e DIN CK45 foram nitretadas apresentando diferentes condições superficiais prévias. Amostras foram nitretadas a plasma a 5000C, com a composição gasosa de 5% de nitrogênio com o balanço em hidrogênio, variando-se o tempo do processo entre 30 e 60, e ainda, 120 minutos para as amostras do aço AISI M2. Estas condições foram produzidas por jateamento controlado e polimento mecânico. Adicionalmente, buscando comparar diferenças entre as tensões mecânicas e residuais, foi utilizado um dispositivo de flexão para promover tensões de carregamento na superfície de uma parte das amostras. As técnicas de análise envolveram medidas de tensões residuais e análise de fases por difração de raios X, caracterização microestrutural por microscopia ótica, perfis de microdurezas e perfis de composição química via espectroscopia ótica de descarga incandescente. Para as amostras do aço AISI M2 não foi detectada a formação da camada de compostos em nenhuma das condições utilizadas. Para amostras do aço DIN CK45, a formação da camada de compostos não pôde ser evitada. Tensões residuais da ordem de 1000 MPa foram medidas nas amostras do aço AISI M2, sendo mais altas para amostras jateadas e polidas que para amostras apenas polidas Os ensaios realizados demonstraram que o nível de tensões do material influencia significantemente a difusão do nitrogênio na matriz. Amostras nitretadas com tensões compressivas apresentaram profundidade de camada da ordem de 45µm, enquanto amostras com tensões zero ou tensões de tração apresentaram camadas da ordem de 50µm. Amostras polidas apresentaram em geral zonas de difusão mais profundas que as amostras jateadas e polidas previamente, obtendo-se uma diferença em profundidade de camada nitretada de até 100%, como se observou nas amostras do aço AISI M2 tratadas por 120 minutos.

Este trabalho apresenta uma análise das superfícies e das regiões interfaciais da estrutura nanométrica de TiN sobre o substrato de aço AISI M2 nitretado a plasma com uso de camada intermediária de Ti. O objetivo da investigação foi identificar os principais componentes químicos formados nesta estrutura e como estes estão distribuídos na região de interface filme-substrato. O efeito da pré-nitretação do substrato nas ligações interfaciais foi o foco principal. A nitretação a plasma do substrato foi do tipo brilhante (bright nitriding), ou seja, baixa temperatura (400oC) e mistura pobre em nitrogênio (5% de N2 em balanço com H2) para evitar a formação de camada de compostos. Depois de calibradas as taxas de deposição do TiN e do Ti em substratos de silício, filmes ultrafinos de TiN e Ti (menores que 10 nm), a temperatura ambiente, foram depositados por sputtering reativo nas amostras de aço rápido. A taxa de deposição e a estequiometria foram obtidas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford (RBS) e por análises por reações nucleares (NRA). Também foi analisado o perfil de Ti por espalhamento de íons de média energia (MEIS). A caracterização química das superfícies e interfaces das amostras de aço e do sistema composto TiN/Ti/Aço foi realizada por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). As interfaces e os perfis de concentração do Ti e do N, foram analisada por espalhamento de íons de média energia (MEIS) e pelo uso de ressonâncias estreitas na curva de seção de choque (NRP). Os resultados mostraram a formação de nitretos de ferro e de cromo na camada de difusão da superfície nitretada e uma menor quantidade relativa de óxidos e hidróxidos metálicos nesta superfície. No sistema TiN/Ti/Aço, a nitretação do substrato induziu a formação de uma maior quantidade de nitretos de Ti, Fe e Cr nesta estrutura. As análises dos perfis de concentração mostraram que a interdifusão nas interfaces (TiN/Ti e Ti/Aço) foi significativamente intensificada na amostra com substrato de aço nitretado. O efeito da desoxidação promovido pela nitretação a plasma e o incremento da interdifusão interfacial vão ao encontro de uma transição de propriedades mais suave e de uma maior adesão do revestimento duro ao substrato de aço. / This research presents a study about compound formation and interfacial mixing in TiN/Ti nanolayers on plasma nitrided AISI M2 tool steel. The investigation goal was to identify the main components formed by this structure and the effects in the chemical bonding and in the interfacial regions caused by the use of nitriding plasma on the substrate and on the Ti interlayer. The substrate used was bright plasma nitriding to avoid a compound layer formation. Low temperature (400oC) and low-nitrogen mixture (5% of N2, balance H2) were used. After the TiN and Ti deposition rate on silicon substrates were calibrated, thin TiN and Ti films (smaller than 10 nm), were deposited on the steel samples by reactive sputtering at room temperature. The deposition rate and stoichiometry of films were determined Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and through Nuclear Reaction Analysis (NRA). The profile of Ti was analyzed through Medium Energy Ion Scattering as well. The chemistry characterization of steel surfaces and interfaces samples of TiN/Ti/Steel structure was made through X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Ti e N interfaces and concentration profile were analyzed through Medium Energy Ion Scattering (MEIS) and through the use of Narrow Nuclear Reaction Profiling (NRP). Results showed the formation of Fe and Cr nitrides in the nitrited steel diffusion layer and a smaller quantity, related to metal oxides and hydroxides, on this surface. In the TiN/Ti/Steel system, the nitriding inducted the formation of a larger amount of Ti, Fe and Cr nitrates on this structure. Concentration profile analyses showed interface interdiffusion (TiN/Ti and Ti/Steel) was significantly intensified in the sample with nitrited steel substrate. The effect of the desoxidation promoted by plasma nitriding and the increasing in the interfacial interdiffusion indicate a smoother property transition and a larger hard coating adhesion on substrate.