Publicação: Erosão, corrosão, erosão-corrosão e cavitação do aço ABNT 8550
nitretado a plasma
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Resumo
O aço ABNT 8550 é utilizado na construção de rotores de bombas multifásicas para
exploração de petróleo em águas oceânicas profundas, o que justifica um estudo visando o
aumento da resistência ao desgaste e à corrosão deste material. Neste trabalho, foram
analisadas amostras nitretadas do aço ABNT 8550 com ênfase na resistência à erosão,
corrosão, erosão associada à corrosão, e cavitação. Adicionalmente, foram avaliadas
amostras nitretadas com deposição adicional de revestimentos aplicados por PVD. O
procedimento experimental incluiu: a) produção e caracterização de diferentes tipos de
amostras, variando-se a microestrutura do material de base (martensita revenida e ferritaperlita)
e os principais parâmetros de nitretação; b) testes de corrosão em água do mar
sintética sem escoamento (parada); c) a construção e avaliação de um aparato para simular a
erosão e a corrosão, além da ação conjunta destes fenômenos, e d) a realização de testes de
cavitação pelo método de vibração ultra-sônica. Os resultados de caracterização das amostras
mostraram que um maior tempo de nitretação e maior teor de nitrogênio resultam em maiores
espessuras de camadas nitretadas. Com relação à dureza máxima dessas camadas, notou-se
um decréscimo desse parâmetro com o aumento do tempo de tratamento das amostras
nitretadas com mistura de 5% de N2; em atmosferas com 76% de N2, a dureza máxima se
manteve constante. A microestrutura do material base não influenciou de forma significativa na
espessura da camada nitretada, nem no perfil de dureza das amostras. A combinação de
revestimentos PVD com nitretação em amostras sem camada branca resultou num conjugado
com boa adesividade e elevada dureza. A nitretação e a aplicação de revestimentos de CrN e
AlCrN melhoram significativamente as características eletroquímicas do aço ABNT 8550 em
água do mar, reduzindo potencial e corrente de corrosão. A presença de camada branca em
amostras nitretadas melhora ligeiramente o desempenho em corrosão, em comparação com o
da zona de difusão. A infra-estrutura projetada e construída para a realização dos ensaios de
erosão e erosão-corrosão permitiu avaliar os diferentes materiais selecionados neste trabalho.
Amostras beneficiadas e recozidas do aço ABNT 8550 apresentam a mesma taxa de erosão e
um mecanismo de desgaste do tipo dútil. A taxa de desgaste das amostras nitretadas é
sistematicamente menor que a observada em amostras sem nitretação. O aspecto frágil da
camada branca foi observado através da maior taxa de desgaste na incidência normal das
partículas erosivas. Em ângulos rasos, a camada branca tem maior resistência à erosão que a
zona de difusão. A taxa de desgaste (em g/g) dos revestimentos de CrN e AlCrN é
significativamente menor que a de amostras nitretadas. Considerando a relação taxa de
desgaste/espessura das camadas produzidas, as amostras nitretadas com camada branca
possuem um desempenho equivalente aos dos revestimentos. O melhor desempenho é da
zona de difusão, de espessura maior. Nas condições de teste empregadas, não houve sinergia
nos resultados de erosão-corrosão de todos os materiais testados. A nitretação melhora a
resistência à cavitação do aço ABNT 8550, todavia, sugere-se que a camada branca seja
evitada devido a sua característica frágil. O revestimento de AlCrN, por sua vez, apresentou o
melhor desempenho à cavitação, tanto com relação ao CrN, quanto em relação ao aço
nitretado. Em geral, a microestrutura ferrítica-perlítica nitretada apresenta indicativo de melhor
desempenho quanto à cavitação, quando comparado com o da martensítica.
Abstract
Multiphase pump rotors for deepwater applications are usually made of ABNT 8550. This
justifies a study aiming an improvement of its wear and corrosion resistance. The main purpose
of this work was to evaluate erosion, corrosion, erosion-corrosion and cavitation behavior of
nitrided ABNT8550 steel. Additionally, nitrided surfaces combined with PVD applied coatings
were investigated. The experimental procedure included: a) production and characterization of
different types of samples, varying the microstructure of base material (quenched and
tempered martensite and ferrite-perlite) and the main nitriding parameters; b) corrosion tests in
stagnant synthetic seawater; c) construction and evaluation of an erosion, corrosion, and
erosion-corrosion simulation apparatus, and d) ultrasonic cavitation tests. The sample
characterization showed that a combination of long nitriding period of time with high nitrogen
content leads to thicker layers. Considering the maximum layer hardness, it was observed that
it decreases with time when nitriding with 5% N2 and remains constant for samples heat treated
in an atmosphere with 76% N2. The base material microstructure influenced neither the
thickness nor the hardness profile of the nitrided samples. The combination of nitriding and
PVD coatings lead to a combination of good coating adhesion with high hardness in samples
without white layer. Nitriding and application of CrN and AlCrN coatings improved significantly
the electrochemical characteristics of ABNT 8550 steel in sea water, reducing its potential and
corrosion current. The compound layer in nitrided samples slightly improves the corrosion
performance, in comparison to the corrosion behavior of the diffusion zone. The designed and
built infrastructure for erosion and erosion-corrosion tests allowed the evaluation of different
materials. Quenched and tempered and annealed samples of ABNT 8550 steel showed the
same erosion rate and the erosion mechanism was the ductile mode. The wear rate of nitrided
samples was systematically smaller than that observed at non-nitrided samples. The brittleness
of white layer was observed by its higher wear rate at normal impingement of erosive particles.
At small impingement angles, the white layer showed higher erosion resistance than that
observed at the diffusion zone. The wear rates (in g/g) of CrN and AlCrN coatings were
significantly lower than those observed in nitrided samples. Considering the wear rate/coating
thickness ratio of the studied layers, the nitrided samples with white layer showed similar
performance in comparison to those observed at the CrN and AlCrN coatings. The best
performance was observed at the sample with the thickest diffusion zone. Under the present
test conditions, no synergy in the erosion-corrosion results was observed. Nitriding improved
the cavitation resistance of ABNT 8550 steel, though, according to the present results, it can be
suggested that the brittle white layer should be avoided. The AlCrN coating presented the best
performance with respect to cavitation, when compared with both CrN and nitrided steel. In
general, the nitrided or coated ferrite-perlite microstructure presents an indication of a better
performance in respect to cavitation, when compared to that of quenched and tempered
martensite.
Palavras-chave
Aço ABNT 8550, Nitretação, Erosão, Corrosão, Erosão-corrosão, Cavitação, ABNT 8550 steel, Nitriding, Erosion, Corrosion, Erosion-corrosion, Cavitation, Tribologia, Desgaste mecânico, Aço, Materiais - Erosão
Citação
SILVA, Flávio José da. Erosion, Corrosion, Erosion-Corrosion and Cavitation of ABNT 8550 Plasmanitrided
Steel. 2008. 272 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2008.