Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LinoAF_DISSERT.pdf: 8452397 bytes, checksum: f4854ebf6942546ff7bf8e8e0a4689c4 (MD5) Previous issue date: 2013-08-09 / The technique of ion nitriding, despite being fully consolidated in the industry, has great limitations when applied to the treatment of small parts. This is because effects that occur due to non-uniformity of the electric field, generate localized heating in parts, damaging the uniformity of nitrided layer. In addition, because the samples are treated static parts thereof are untreated. To expand the use of plasma nitriding, this work presents the development, assembly and testing of a prototype plasma reactor with rotatory cathodic cage [patent pending], able to meet these needs, giving the material a uniform treatment and opening doors to industrial scale production. The samples tested with hexagonal nuts are 6.0 mm in diameter, made of stainless steel AISI 304 nitrided at a pressure of 1 mbar in an atmosphere of 20% H2 + 80% N2 for 1 h. After treatment, testing visual inspection, optical microscopy and microhardness were carried out to check the effectiveness of the process for uniformity and hardness of the parts. All samples exhibited uniform color, and matte brownish, unlike the untreated samples, silver color and gloss. The hardness of the surface (top and sides) was 65% and even higher than the original hardness. The nitrided layer showed great uniformity in microstructure and thickness. It is concluded, therefore, that the unit was effective constructed for the purposes for which it was designed / A t?cnica de nitreta??o i?nica, apesar de estar plenamente consolidada na ind?stria, possui grande limita??o quando aplicada ao tratamento de pe?as pequenas. Isso acontece porque efeitos que ocorrem devido a n?o uniformidade do campo el?trico, geram aquecimentos localizados nas pe?as, prejudicando a uniformidade da camada nitretada. Al?m disso, pelo fato das amostras serem tratadas de maneira est?tica, partes das mesmas ficam sem tratamento. Para ampliar o uso da nitreta??o a plasma, este trabalho apresenta o desenvolvimento, montagem e teste de um prot?tipo de reator de plasma com gaiola cat?dica rotat?ria [patente requerida], capaz de atender a essas necessidades, conferindo ao material um tratamento uniforme e abrindo portas ? produ??o em escala industrial. As amostras submetidas ao teste s?o porcas sextavadas de 6,0 mm de di?metro, fabricadas em a?o inoxid?vel AISI 304, nitretadas numa press?o de 1 mbar em atmosfera de 20%H2 + 80%N2, durante 1 h. Ap?s o tratamento, ensaios de inspe??es visuais, microscopia ?tica e microdureza foram realizadas a fim de conferir a efic?cia do processo quanto ? uniformidade e dureza das pe?as. Todas as amostras apresentaram cor uniforme, amarronzada e fosca, ao contr?rio das amostras sem tratamento, de cor prata e brilhosas. A dureza da superf?cie (topo e lateral) mostrou-se uniforme e 65% superior ? dureza original, considerado o tempo de tratamento. A camada nitretada apresentou grande uniformidade na microestrutura e espessura. Conclui-se, portanto, que o equipamento constru?do mostrou efic?cia para os fins a que foi designado

La nitruration gazeuse de pièces en acier de construction est un procédé thermochimique permettant de générer un gradient de propriétés mécaniques à la surface des pièces par diffusion d’atomes d’azote. Les pièces traitées présentent un fort gradient de contraintes résiduelles et de dureté, optimales pour les applications de transmission de puissance utilisées dans les domaines de l’aéronautique ou l’automobile de compétition. L’enrichissement en azote est issu de la décomposition catalytique de l’ammoniac à la surface des pièces en acier. Cependant, le procédé reste extrêmement sensible à l’état de surface des pièces, qui inclue les caractéristiques géométriques, mécaniques mais également chimique, pouvant inhiber les propriétés de décomposition catalytique ainsi que la diffusion de l’azote. Cette désactivation peut avoir différentes origines, comme l’adsorption d’un élément poison de la réaction ou l’encrassement de la surface des pièces. Le phénomène de désactivation catalytique est étudié depuis quelques dizaines d’années. Cependant, peu de publications sont disponibles au sujet de son application dans le cas particulier de la nitruration d’aciers de construction. Comprendre l’inhibition de la nitruration permettrait d’améliorer la fiabilité industrielle de ce procédé. Afin de répondre à cette demande, une démarche expérimentale, basée sur des études de cas industriels et sur une étude bibliographique, a été mis en place. Une étude de pollution issue de résidus d’huile de coupe, de dépôt de carbone et d’empoisonnement au soufre est proposée. De plus, une démarche expérimentale visant à déterminer l’impact de pollutions mécaniques (état mécanique initial) sur le procédé de nitruration est proposée. Des analyses thermogravimétriques couplées à des observations et à la détermination des propriétés mécaniques générées par nitruration permettent d’approfondir la compréhension de ces phénomènes de désactivation des surfaces nitrurées. Suite à cette étude, la capacité d’activation de surface de trois éléments de préparation in-situ, que sont l’oxydation, l’urée et le chlorure d’ammonium, a été déterminé sur les pollutions précédemment étudiées. / The gaseous nitriding of steel parts is a thermochemical process that generates a mechanical properties gradient at the surface by nitrogen diffusion. The treated parts indicate an important residual stress and hardness gradient, optimized for power transmission applications used in aeronautics and motor sports. The increase of nitrogen concentration is due to the catalytic decomposition of ammonia at the iron-based surface of parts. However, the process is extremely sensitive to the surface state of parts that includes geometrical, mechanical but also chemical properties. This state can inhibit the catalytic decomposition properties and the nitrogen diffusion. This deactivation can have different origins, such as the adsorption of a poisoning element or the fouling of the surface of the parts. The catalytic deactivation phenomenon is studied since decades. However, few publications are available in the case of its application in the specific case of the gaseous nitriding of steel. A better understanding of the nitriding inhibition would improve the reliability of this industrial process. In order to answer this demand, an experimental approach, based on industrial case and bibliographical study, is proposed. A pollution study obtained from machining oil residues, carbon deposit, or sulfur poisoning is proposed. Moreover, an experimental approach, aiming to determine the impact of initial mechanical properties on the nitriding process is proposed. Thermogravimetric analyses coupled to observations and mechanical properties analyses enable to develop the knowledge of the nitrided surfaces deactivation processes. After this study, the surface activation capacity of three in-situ processes, namely oxidation, urea and ammonium chloride, over the previously studied contaminations is determined.

O processo de injeção sob pressão de ligas de alumínio é empregado para a produção de peças diversas, destinadas principalmente à indústria automobilística. Dentre as principais vantagens deste processo, destaca-se a possibilidade de produção de peças complexas, com seções delgadas, e a alta velocidade de produção. Apesar desses pontos positivos, o reduzido tempo de ciclo e as elevadas temperaturas (~ 700°C) envolvidas promovem danos por fadiga térmica na superfície de trabalho das matrizes. Após milhares de peças produzidas, surgem trincas em regiões críticas, que crescem com o aumento da produção até atingirem condições que inviabilizam o uso da matriz, levando ao seu fim de vida. Na última década, novos aços de alta tenacidade e melhor resistência a quente, bem como tratamentos termoquímicos como a nitretação sob plasma vêm sendo aplicados em tais matrizes, retardando significativamente o fim de vida. Neste contexto, o presente trabalho visou estudar o fim de vida de matrizes de fundição sob pressão, relacionando-o aos aspectos microestruturais da superfície nitretada, tensões residuais inseridas durante processo de nitretação e as condições do processo de fundição. Para o estudo, os aços AISI H13, AISI H11 com redução do teor de Si e AISI H10 modificado, foram temperados e revenidos para dureza na faixa de 44 a 46 HRC e posteriormente nitretados sob plasma em diversas condições de temperatura, tempo e composição da atmosfera gasosa. Foram feitos ensaios de medições de tensões residuais, perfis de dureza, metalografia e difração de Raios-X. Para o estudo de fadiga térmica, foi utilizado o software DEFORM 3DTM para simular os danos ocasionados pelos mecanismos de fadiga térmica nas superfícies das matrizes com a presença e ausência de camada nitretada. Os resultados obtidos mostraram que a variação dos parâmetros de nitretação, tais como: tempo, temperatura e percentual de nitrogênio, afetam o perfil de dureza e de tensões residuais presentes na camada nitretada, bem como os microconstituintes da camada nitretada. Também foi verificado que a variação dos teores de elementos de liga de aços ferramenta para trabalho a quente em relação ao H13, mudam o perfil de dureza e de tensões residuais de compressão das camadas nitretadas. O material nitretado, após ser submetido em temperatura elevada, apresenta redução no nível de tensões residuais de compressão, ocorrendo processo de alívio de tensões. O mesmo efeito não é tão fortemente verificado no perfil de dureza do material. Deste modo, foi possível verificar que nos primeiros ciclos de injeção de alumínio, os mecanismos responsáveis por retardar a nucleação das trincas térmicas são a presença de tensões residuais de compressão na superfície do material e maior dureza local, dada pela maior dureza a quente existente no perfil de dureza da camada nitretada. Para estágios mais avançados de ciclagem térmica, apenas a maior dureza local será responsável por retardar a nucleação das trincas térmicas. A simulação demonstrou que o dano gerado durante processo de fadiga térmica é mais intenso no processo em que a matriz permanece exposta por tempos mais longos em elevadas temperaturas. O conhecimento destas características pode auxiliar a retardar o dano na superfície da matriz, via alterações do processo de fundição, ou das características dos aços ferramenta, dada pela tenacidade e resistência a quente da liga empregada na matriz, ou dos tratamentos térmicos e ou dos tratamentos de superfície, como a nitretação sob plasma, aplicados às matrizes. / The process of pressured injection of aluminum alloys is made use of in the production of sundry parts, meant mainly for the automotive industry. Among the main advantages of such process there stands out the possibility of production of complex parts, with thin sections, and at a high output speed. Despite these positive points, the reduced cycle time and high temperatures (~ 700°C) involved cause damage due to the thermal fatigue on the working surface of dies. After a great number of parts made there appear cracks in these areas that grow with the production increase up to reaching conditions that make the use of the die no longer viable, thus leading to its death. In the last decade, new unyielding, better heat resistant steels, as well as thermochemical treatments like plasma nitriding, have been applied to such dies, significantly hindering their death. In this context, the present paper has aimed at studying the death of pressured die casting by relating it to the microstructural aspects of the surface, residual tensions inserted during the nitriding process and the die casting conditions. For the study, AISI H13, AISI H11 with Si content reduction, and DIN WNr. 1.2367 steels were quenched and tempered to hardness in the range of 44 to 46 HRC and later subjected to plasma nitriding in different conditions of temperature, time, and gas atmosphere composition. Measurement tests of residual tensions, hardness profiles, metallography, and X-Ray diffraction have been carried out. For the thermal fatigue study, the software DEFORM 3D has been used to simulate damages caused by the thermal fatigue on the surface of dies in the presence or absence of surface nitriding. Results obtained have shown that the variation of nitriding parameters, such as time, temperature, and nitrogen percent, affect the hardness and residual tension profiles present in the surface nitriding, as well as in its microcomponents. It has also been ascertained that the variation of content of elements of steel tool alloys for heat work in relation to H13 one changes the profile of hardness and residual tensions of compression of nitriding treated surface. The resulting material, after being subjected to high temperature, presents a reduction of level in the residual tensions of compression, bringing about a process of tensions relief. The same effect is not so strongly verified in the material hardness profile. Accordingly, it has been possible to ascertain that in the first cycles of aluminum injection, the mechanisms responsible for slowing down the nucleation of thermal cracks are the presence of residual compression tensions on the material surface and higher spot hardness, given the higher heated hardness existing in the hardness profile of nitriding treated surface. For more advanced thermal cycling stages just the higher spot hardness will account for hindering the nucleation of thermal cracks. The simulation has demonstrated that the thermal fatigue process is more intense in process in which the die is exposed to high temperature for a longer time. The knowledge of these characteristics may help hinder the die surface damage through modifications in the casting process, or in the characteristics of tool steel (given the toughness and heat resistance of the alloy used in the die), or in the thermal treatments, or in the surface treatments, like plasma nitriding applied to dies.

Neste trabalho são estudados os mecanismos de desgaste, atuantes na escala do tamanho de grão (meso-escala), durante ensaios de cavitação vibratória, para diferentes amostras de aços inoxidáveis austeníticos ligados com nitrogênio. Amostras com teores superficiais de nitrogênio de aproximadamente 0, 9 % massa, 1, 4%massa e 20%massa, obtidas a partir do a¸co inoxidável dúplex UNS S31803, foram estudadas. As amostras do a¸co inoxidável duplex UNS S31803, com aproximadamente 0, 9 % N massa, foram obtidas por nitretação gasosa em alta temperatura (temperatura de nitretação entre 1050 e 1200 C) e consistiram em três grupos diferentes: amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas, amostras com precipitação de nitretos e amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas. Já as amostras com teor de nitrogênio próximo de 20 % N massa foram processadas por meio de nitretação a plasma na temperatura de 400 C, obtendo-se uma camada superficial de austenita expandida. As amostras de ensaio foram submetidas à caracterização de textura por difração de elétrons retroespalhados, EBSD, e posteriormente à cavitação vibratória em ´agua destilada. Os ensaios de cavitação foram periodicamente interrompidos com o intuito de estudar a deteriora¸cao das amostras por exame das mesmas no microscópio eletrônico de varredura, MEV, e por medidas de perda de massa. Quando comparadas com os aços inoxidáveis austeníticos convencionais (UNS S30403 solubilizado e UNS S31803 como recebido), sem adição de nitrogênio e livre de encruamento, as amostras estudadas apresentaram resistência ao desgaste por cavitação superior, quantificada tanto pelo tempo de incubação do dano com perda de massa quanto pela taxa máxima de perda de massa nos estágios avançados do dano. A taxa máxima de perda de massa para cada tipo de amostra estudada, com relação `a taxa máxima do material de comparação, o aço inoxidável convencional sem adição de nitrogênio e livre de encruamento (UNS S30403) solubilizado, foi de: amostras com precipitação de nitretos (318HTGN+Nit), 6,9 vezes menor; amostras com nitrogênio em solução sólida e solubilizadas (318HTGH+Sol) e laminadas e solubilizadas (318HTGN+Lam+Sol), 26,8 e 25 vezes menor, respectivamente; amostras com nitrogênio em solução sólida e encruadas (318HTGN+Enc) 145 vezes menor; e amostras com camada superficial de austenita expandida (obtidas por nitretação a plasma), (318HTGN+Plas e 304LSol+Plas) 290 e 1,77 e vezes menor respectivamente. O efeito benéfico da adição de nitrogênio na resistência à erosão por cavitação dos aços inoxidáveis austeníticos estudados foi atribuído a: (i) aumento na resistência à deformação plástica; (ii) distribuição mais homogênea da deformação plástica induzida pelas ondas de choque e micro-jatos característicos do processo de cavitação; e (iii) aumento da importância relativa dos mecanismos de perda de massa com elevado consumo de energia de impacto. Nos primeiros estágios do dano erosivo por cavitação se observou clara evidência de deformação plástica, acompanhada de formação de microreelevo superficial e de protrusão de bandas de escorregamento. A perda de massa em nível microscópico (observações no MEV) começa como destacamento de material em microtrincas e micropites. Observou-se que tanto a nucleação do dano como o seu crescimento se apresenta de forma heterogênea na escala do tamanho de grão. Os sítios microestruturais nos quais se iniciou o dano com perda de massa foram preferencialmente protuberâncias nas protrusões de bandas de escorregamento, protuberâncias nos contornos de grão e as interfaces matriznitreto. O incremento do teor de nitrogênio (em solução sólida) na amostra aumentou a importância relativa dos contornos de grão como locais de nucleação do dano, em relação ao dano iniciado no interior dos grãos. Observou-se que o interior dos grãos com planos 100 ou 111 orientados de forma aproximadamente paralela à superfície das amostras são regiões muito suscetíveis à incubação do dano e ao crescimento do mesmo. Já os grãos com planos 101 orientados aproximadamente paralela à superfície das amostras, apresentam regiões com resistência ao dano bem maior. Esses resultados são discutidos, considerando as diferenças de tensão (resultantes da ação de ondas de choque causadas pela implosão de bolhas de cavitação) crítica projetada para cisalhamento de grãos com diferentes orientações. O dano ocorre preferencialmente em contornos de grãos com acentuados gradientes de tensão resolvida para a deformação plástica, onde se desenvolve elevada concentração de tensões. Em particular, os contornos de macla CSL 3 são acentuadamente mais suscetíveis à incubação do dano que os outros tipos de contornos CSL e que os contornos não CSL. / High nitrogen austenitic stainless steels containing 0.9 wt-% N and 20 wt- % N were tested in a ultrasonically induced vibratory cavitation testing device. Incubation times for damage initiation and mass losses were periodically measured during the cavitation-erosion tests. Scanning Electron Microscopy observation of the damaged surfaces allowed identifying the wear mechanisms operating during each step of the cavitation-erosion test. 0.9 wt-% N specimens were obtained through High Temperature Gas Nitriding UNS S31803 duplex stainless steel, at temperatures between 1050 and 1200 oC. Three groups of specimens were obtained: solubilized with all nitrogen in solid solution, solubilized and work hardened specimens and nitride containing specimens. The 20 wt- % N specimens were obtained through Low Temperature Plasma Nitriding the already High Temperature Gas Nitrided specimens and getting an expanded austenite layer at the surface. The specimens were firstly characterized by Electron Backscattered Diffraction - EBSD techniques and then submitted to the cavitation-erosion tests in distilled water. When compared to conventional UNS S30403 lean nitrogen solubilized austenitic stainless steel specimens, greater incubation times and smaller maximum wear rates were observed. The maximum wear rates (compared to those of the solubilized UNS S30403 steel) were: for the nitride containing specimen 6.9 times smaller; for textured and non-textured all nitrogen in solid solution specimens 26.8 and 25 times smaller, respectively; for the solubilized and work hardened specimen 145 times smaller; for the expanded austenite layer, with circa 20 wt- % N, specimens 300 times smaller. The beneficial effect of nitrogen on the cavitation-erosion resistance of the studied specimens was attributed to: (i) an increase in resistance to plastic deformation; (ii) a more homogeneous distribution of the plastic deformation; and (iii) an increase of the relative participation of energy consuming mass loss mechanisms. Plastic deformation accompanied by formation of micro relief at the surface and slip bands protrusions were clearly identified, during the first stages of cavitation erosion. The first evidences of mass loss (detected by SEM observations) were seen as particles detaching from micro cracks and micro pits formed at the grain surface. Nucleation and growth of cavitation damage was heterogeneously distributed at the grain scale. Slip bands protrusions, grain boundary protrusions and nitride matrix interfaces sites were more prone to nucleating the damage. Increasing nitrogen contents in solid solution increased the relative contribution of grain boundary nucleated damage, compared to the total amount of nucleation sites. Grains with 100 and 111 crystallographic planes approximately parallel to the surface were more prone to nucleation and growth of cavitation damage. Grains with 101 planes // surface were much more resistant to cavitation-erosion damage. These results are discussed considering differences of critical resolved shear stresses for grains with different orientations. Cavitation erosion damage occurs preferentially at grain boundaries across which steep stress gradients arise. Particularly, CSL -3 twin boundaries are much more susceptible to cavitation erosion damage incubation than other types of CSL boundaries and non CSL boundaries.

Visando-se determinar as temperaturas mais adequadas de nitretação e carbonitretação por plasma dos aços inoxidáveis austenítico AISI 316L, ferrítico AISI 409 e super duplex ASTM A890 Gr 5A e suas influências nas resistências ao desgaste e à corrosão, amostras desses aços foram tratadas a 400, 450 e 500°C, e submetidas a ensaios micrográficos, de raios X, ensaios microabrasivos e de corrosão. Todas as temperaturas de tratamentos utilizadas nos vários aços estudados produziram camadas com grande regularidade, que tiveram suas espessuras e durezas aumentadas com o aumento da temperatura de tratamento. Em todos os casos, ocorreu um grande aumento nas resistências ao desgaste microabrasivo das amostras nitretadas ou carbonitretadas, em comparação com o substrato, comprovando a efetividade da fase \"S\", produzida nas temperaturas mais baixas, no aumento das durezas e resistências ao desgaste. No caso das amostras tratadas em temperaturas mais elevadas, o nitreto de cromo foi o responsável principal pelo aumento dessa resistência. Verificou-se por meio dos resultados das curvas de polarização anódicas das camadas nitretadas e carbonitretadas a 400°C que, para os três tipos de aços em estudo, tais camadas apresentaram comportamentos semelhantes e superiores aos dos substratos, devido a formação de austenita ou ferrita expandidas. No caso das temperaturas de tratamentos de 450 e 500°C, as amostras carbonitretadas apresentaram desempenho superior ao das nitretadas e, próximos aos dos substratos, não tendo ocorrido degradação dessa propriedade. Os tratamentos de nitretação e carbonitretação por plasma, realizados nas temperaturas adequadas definidas no presente trabalho para os principais tipos de aços inoxidáveis, produziram camadas com elevadas durezas e resistências ao desgaste, sem perdas nas características de corrosão, que inclusive melhoraram em alguns casos, permitem a ampliação do uso dos aços inoxidáveis para situações que requeiram aquelas propriedades. / Aiming to determine the most appropriate temperatures of plasma and carbonitriding of the AISI 316L austenitic stainless steel, AISI 409 stainless steel and ASTM A890 Gr5A super duplex steel and their influence corrosion and wear resistances of those steel samples, they were treated 450 and 500°C, and submitted to micrography analyses, X-ray diffraction, abrasive wear and corrosion tests. All treatment temperatures used in the several studied steels produced layers with great regularity, which increased their thickness and hardness with the increase of the treatment temperature. In all the cases, a great increase occurred in the micro-abrasivive resistance of the nitrided and carbonitrided samples, in comparison with the substrate, proving the effectiveness of the \"S\" phase, produced in the temperatures, in the increase of the hardness and wear resistances. In the the samples treated at higher temperatures, the chromium nitride was the responsible one for the increase in the wear resistance. It was verified through the results of the potenciodinâmicos corrosion the nitrided and carbonitrided layers at 400°C, that for the three types of stee study, such layers presented similar and superior behaviors to that of the substrate, due to austenite or expanded ferrite formation. In the case of the treatment temperatures of 450 and 500°C, the carbonitrided samples presented s performance to the nitrided one and similar performance to the substrates s without the occurrence of any degradation of that property. The plasma nitriding and plasma carbonitriding treatments, carried out in the temperatures defined in the present work, for the principal types of stainless to produce layers with high hardness and wear resistances, without losses corrosion characteristics, which even got better in some cases, allow to expand the use of the stainless steels in situations where those properties are required.

Foi estudado o comportamento da nitretação de aços inoxidáveis austeniticos AISI 304 e 316 através de comparação entre diferentes graus de deformações anteriores aos processos de nitretações gasosa, plasma e líquida. A microestrutura, espessura, microdureza e microcomposição química foram avaliadas por técnicas de microscopia óptica, microdureza, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios x. Por meio destas técnicas observou-se que deformações plásticas prévias não influenciaram diretamente na espessura da camada nitretada. Uma maior profundidade de difusão pode ser observada nos aços AISI 304. Além disso, duas camadas distintas podem ser identificadas como resultado dos tratamentos, uma formada por uma matriz de austenita expandida pelos átomos de nitrogênio e outra abaixo com menor espessura expandida por átomos de carbono. / The nitriding behavior of AISI 304 and 316 austenitic stainless steel was studied by different cold work degree before nitriding processes. The microstructure, thickness, microhardness and chemical micro-composition were evaluated through optical microscopy, microhardness, scanner electronic microscopy and x ray diffraction techniques. Through them, it was observed that previous plastic deformations do not have influence on layer thickness. However, a nitrided layer thicker can be noticed in the AISI 304 steel. In addition, two different layers can be identified as resulted of the nitriding, composited for austenitic matrix expanded by nitrogen atoms and another thinner imediatelly below expanded by Carbon atoms.

Os aços ultra-resistentes e os sinterizados estão bem estabelecidos tecnologicamente, sendo utilizados nas mais variadas aplicações. Entretanto para certas situações, como é o caso de componentes sujeitos aos desgaste severo, existe a necessidade de se melhorar suas propriedades superficiais. Dentre as técnicas de endurecimento superficial, a nitretação iônica se apresenta como uma boa alternativa para o tratamento desses aços, uma vez que as peças ficam menos suscetíveis a empenamentos e distorções, como ocorre em outros tratamentos superficiais convencionais e permite o controle adequado da camada produzida. O presente trabalho tem por objetivo estudar o efeito do silício em aços ultra-resistentes com relação ao tratamento térmico bem como a influência desse elemento na nitretação e conseqüentemente no desgaste abrasivo e verificar a influência do V sobre essas mesmas características no caso de aços sinterizados. Foram utilizadas oito ligas, com diferentes teores de silício e vanádio, que foram nitretados ionicamente em diferentes condições de temperatura e/ou tempo. As camadas nitretadas obtidas foram avaliadas por meio de ensaios de microdureza na superfície e na seção transversal, microscopia ótica e eletrônica de varredura, com microssonda (EDX), análise por difração de raios X e ensaios de abrasão do tipo \"pino-sobre-disco\". Observou-se que, com o aumento do teor de silício, nas ligas ultra-resistentes aumentou a dureza após o revenido e que a presença desse elemento aumenta consideravelmente a dureza da camada nitretada. O aumento do teor de silício produziu camadas de compostos menos espessas e de alta dureza, que apresentaram as melhores resistência ao desgaste abrasivo. As análises superficiais por meio de raio X demonstraram que essas camadas são formadas por uma mistura de nitretos &#947\'-Fe4N, &#949Fe2-3N, CrN, MoN e Si3N4, que variam suas proporções com as condições de nitretação. Nas ligas sinterizadas as durezas das camadas aumentaram consideravelmente depois da nitretação iônica, devido a formação de VN. No ensaio de desgaste abrasivo verificou-se que tal aumento de dureza resultou em uma menor perda de massa, quando a camada de compostos é constituída significativamente de VN e &#947\'- Fe4N. O incremento do tempo de tratamento não influenciou na forma e tamanho dos carbonetos presentes nesses aços. / The ultra-strength and sintered steels are technologically very established, being used in the most varied applications. In the cases where the main selection requirements are the mechanical resistance and the cost of the material, those steels are an interesting option. However for certain applications, as it is the case of components subject to the severe wear, the need exists of improving its surface properties. Among the techniques of superficial hardening, the ion nitriding present it self as a good alternative for the treatment of those steels, once the specimen are less susceptible to the warpage and distortions, as it happens in another conventional superficial treatments. The objective of the present work is to study the effect of the Si in ultra-strength steels relating it to the heat treatment as well as the abrasive wear resistance of the same and of sintered tool steels with variable content of V, after ion nitriding. Eight alloys were used with different content of Si and V. The alloys were ion nitrided in different conditions of temperature and/or time. The nitrided layers obtained were appraised by means of microhardness test in the surface and in the cross section of the layers, optical and scanning electron microscopy (SEM), with energy dispersive spectrometry (EDS), analysis for X-ray diffraction and \"Pin-on-Disc\" type abrasion test. It was observed that with the increase of the content of Si in the ultra-resistant alloys, increased the hardness after the tempering and the presence of that element it increases the hardness of the nitrided layer considerably. The increase of the content of Si produced smaller compound layers and of high hardness, that presented the best resistance to the abrasive wear. The superficial analysis by means of X-ray has shown that the compound layers are formed by a mixture of &#947\'-Fe4N, e-Fe2-3N, CrN, MoN and Si3N4, nitrides that vary its proportions with the nitriding conditions. In the sintered alloys the hardness of the layers increased considerably after the ion nitriding, due to formation of VN. In the test of abrasive wear it was verified that such increase of hardness results in a smaller mass loss, when the compound layer is constituted of VN and &#947\'-Fe4N phase. The increase of time of treatment did not influence in the shape and size of the present carbides in the steels.

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Foi estudado o comportamento da nitretação de aços inoxidáveis austeniticos AISI 304 e 316 através de comparação entre diferentes graus de deformações anteriores aos processos de nitretações gasosa, plasma e líquida. A microestrutura, espessura, microdureza e microcomposição química foram avaliadas por técnicas de microscopia óptica, microdureza, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios x. Por meio destas técnicas observou-se que deformações plásticas prévias não influenciaram diretamente na espessura da camada nitretada. Uma maior profundidade de difusão pode ser observada nos aços AISI 304. Além disso, duas camadas distintas podem ser identificadas como resultado dos tratamentos, uma formada por uma matriz de austenita expandida pelos átomos de nitrogênio e outra abaixo com menor espessura expandida por átomos de carbono. / The nitriding behavior of AISI 304 and 316 austenitic stainless steel was studied by different cold work degree before nitriding processes. The microstructure, thickness, microhardness and chemical micro-composition were evaluated through optical microscopy, microhardness, scanner electronic microscopy and x ray diffraction techniques. Through them, it was observed that previous plastic deformations do not have influence on layer thickness. However, a nitrided layer thicker can be noticed in the AISI 304 steel. In addition, two different layers can be identified as resulted of the nitriding, composited for austenitic matrix expanded by nitrogen atoms and another thinner imediatelly below expanded by Carbon atoms.

This thesis consists of three main parts, starting with the use of improved nitridation processes to grow acceptable quality gate oxides on silicon carbide (SiC)[1]–[7], to the comprehensive investigation of basic electron-hole generation process in 4H SiC-based metal–oxide–semiconductor (MOS) capacitors [8], [9], and concluding with the experimental demonstration and analysis of nonvolatile characteristics of 4H SiC-based memory devices [10]–[15]. In the first part of the thesis, two improved versions of nitridation techniques have been introduced to alleviate oxide-growth rate and toxicity problems. Using a combination of nitridation and oxidation processes, a sandwich technique (nitridation–oxidation–nitridation) has been proposed and verified to solve the lengthy and expensive oxide-growing process in direct nitric oxide (NO) gas [1]. The nitrogen source from the toxic-NO gas has been replaced by using a nontoxic nitrous oxide (N2O) gas. The best combination of process parameters in this gas is oxide-growing temperature at 1300oC with 10% N2O [2], [3]. The quality of nitrided gate oxides obtained by this technique is lower than the sandwich technique [6], [13]. Using 4H SiC-based MOS with nitrided gate oxides grown by either of the abovementioned nitridation techniques, the fundamentals of electron-hole generation have been investigated using high-temperature capacitance–transient measurements. The contributions of carrier generation, occurring at room temperature, in the bulk and at the SiC–SiO2 interface are evaluated and compared using a newly developed method [8], [9]. The effective bulk-generation rates are approximately equal for both types of nitrided oxides, whereas the effective surface-generation rates have been shown to exhibit very strong dependencies on the methods of producing the nitrided gate oxide. Based on analysis, the prevailing generation component in a SiC-based MOS capacitor with nitrided gate oxide is at SiC–SiO2 interface located below the gate. Utilizing the understanding of electron-hole generation in SiC, the nonvolatile characteristics of memory device fabricated on SiC have been explored. The potential of developing a SiC-based one-transistor one-capacitor (1T/1C) nonvolatile-dynamic memory (NDM) has been analyzed using SiC-based MOS capacitors as storage elements or test structures. Three possible leakage mechanisms have been evaluated [10]–[16]: (1) leakage via MOS capacitor dielectric, (2) leakage due to electron-hole generation in a depleted MOS capacitor, and (3) junction leakage due to generation current occurred at a reverse-biased pn junction surrounding the drain region of a select metal–oxide– semiconductor field–effect–transistor (MOSFET). Among them, leakage through capacitor oxide remains an important factor that could affect the nonvolatile property in the proposed device, whereas others leakage mechanisms are insignificant. Based on the overall results, the potential of developing a SiC-based 1T/1C NDM is encouraging.