Microscopia de varredura por sonda (SPM) aplicada a aços inoxidáveis dúplex

LIGAS INOXIDÁVEIS

Microscopia de varredura por sonda (SPM) aplicada a aços inoxidáveis dúplex

Fabricio Simão dos Santos^I; Simoni Maria Gheno^II; Sebastião Elias Kuri^III

^IEngenheiro de Materiais e Mestrando no PPG-CEM/UFScar E-mail: [e-mail]

^IIDra., Pesquisadora do DEMa/UFSCar E-mail: [e-mail] ^IIIProfessor Adjunto do DEMa/UFSCar E-mail: [e-mail]

RESUMO

Nesse trabalho, a microscopia de varredura por sonda (Scanning Probe Microscopy - SPM), nos modos contato (Atomic Force Microscopy - AFM) e de força magnética (Magnetic Force Microscopy - MFM), foi utilizada para analisar a microestrutura de um aço inoxidável dúplex 2205 solubilizado e envelhecido. Foi feita uma análise por AFM da superfície do aço solubilizado após crescimento de filme passivo. Por AFM, obteve-se indicação de crescimento de filme sobre a microestrutura do aço solubilizado, enquanto por MFM a distribuição de fases pôde ser observada sem a necessidade de ataque da superfície.

Palavras-chave: Aço inoxidável dúplex, crescimento de filme, SPM, microestrutura.

ABSTRACT

In this work, Scanning Probe Microscopy (SPM), in the contact (Atomic Force Microscopy - AFM) and magnetic force (Magnetic Force Microscopy - MFM) modes, has been used to analyze the microstructure of a solution-treated and aged 2205 duplex stainless steel. A surface analysis of the solution-treated steel has been performed by AFM after passive film growth. By AFM it was obtained a indication of film growth on the microstructure of the solution-treated steel, while by MFM the phase distribution could be observed without the need of surface etching.

Keywords: Duplex stainless steel, film growth, SPM, microstructure.

1. Introdução

Aços inoxidáveis dúplex apresentam as fases ferrítica e austenítica. Para otimizar as propriedades, essas fases apresentam frações volumétricas próximas a 50%. Pela combinação de excelentes propriedades mecânicas e alta resistência à corrosão, esses materiais são utilizados em numerosas atividades industriais [1].

Contudo, quando o inoxidável dúplex é envelhecido em condições de serviço em baixas temperaturas (em torno de 400ºC), ocorre uma degradação de suas propriedades mecânicas e de sua resistência à corrosão, devido à precipitação de fases ricas em Cr ou Mo [2-4].

A microscopia de varredura por sonda (Scanning Probe Microscopy - SPM) utiliza uma sonda mecânica para obter imagens a partir de interações entre a ponta e a amostra. A SPM apresenta alta resolução espacial e pode ser utilizada em vários modos de operação, entre eles o modo contato (Atomic Force Microscopy - AFM) e a microscopia de força magnética (Magnetic Force Microscopy - MFM), que é uma ferramenta importante e avançada, que possibilita a detecção das interações magnéticas [5].

Esse trabalho utiliza a microscopia de varredura por sonda, AFM e MFM, para analisar a estrutura de um aço inoxidável dúplex 2205 nas condições solubilizada e envelhecida em baixas temperaturas por tempos prolongados. Além disso, foi feita uma análise da superfície por AFM antes e após crescimento de filme passivo sobre o dúplex na condição solubilizada.

2. Material e métodos

O material analisado foi um aço inoxidável dúplex 2205 com composição química mostrada na Tabela 1.

Foi feita uma solubilização a 1050ºC por 1 hora, seguida de resfriamento em óleo. Algumas amostras foram envelhecidas a 400ºC por 7000 horas. Foi analisada a seção longitudinal de laminação.

Utilizaram-se dois tipos de amostras: polidas em alumina 1,0 µm e atacadas com ácido oxálico eletrolítico a 1 A/cm² por cerca de 20 segundos. Após limpeza com ultra-som, em soluções contendo desengordurante e acetona, foram feitas as análises por MFM e AFM.

O aço solubilizado, com a superfície polida, foi polarizado potenciostaticamente a +400 mV_SCE (na região passiva) em H₂SO₄ 0,1 M por 30 minutos, para crescimento de um filme passivo. Posteriormente, a superfície foi analisada por AFM antes e após o crescimento de filme, para investigar alterações topográficas devido à formação do filme anódico.

As imagens de AFM e MFM foram obtidas utilizando um microscópio de força atômica, Dimension 3000, equipado com um controlador Nanoscope IIIa e um módulo de extensão eletrônica (Veeco Instruments, Santa Barbara, CA). As medidas topográficas e de MFM foram obtidas simultaneamente e em duas etapas (Lift Mode). Na primeira etapa, a ponta (operando em TappingMode) varre uma linha topográfica e, então, utilizando o Interlive/Lift Mode, a ponta é afastada a uma altura predefinida para a segunda varredura com o objetivo de remover o efeito da rugosidade da superfície. Nessa segunda varredura, detectam-se as variações de freqüência de oscilação do cantilever, registrando a influência das forças magnéticas, usando o princípio de detecção de gradiente de força. Em todas as análises, utilizou-se uma sonda MESP, recoberta de Co/Cr. A distância de separação entre a ponta e a amostra foi de 75 nm, para minimizar os efeitos das forças de van der Waals.

3. Resultados

A Tabela 2 mostra como varia a dureza com o envelhecimento. Após o envelhecimento, observa-se endurecimento da ferrita, o que não ocorre na austenita.

As Figuras 1 e 2 apresentam imagens topográficas das amostras atacadas com ácido oxálico, nas condições solubilizada e envelhecida a 400ºC por 7000 h, respectivamente.

A Figura 1 mostra que ocorreu maior dissolução da austenita, representada pelas regiões mais baixas e escuras. Além disso, é possível observar maclas na austenita.

Nas Figuras 2 (a) e (b), observa-se dissolução preferencial da ferrita, representada pelas regiões mais baixas e escuras, contrário ao observado nas imagens da amostra solubilizada (Figura 1).

As Figuras 3 e 4 apresentam imagens de amostras polidas, nas condições solubilizada e envelhecida, respectivamente.

As imagens topográficas (Figuras 3(a) e 4(a)) mostram superfícies planas, com partículas de contaminação e alguns riscos, não sendo possível observar a distribuição de fases. Observa-se que a ferrita, (Figuras 3b e 4b), apresenta domínios magnéticos, enquanto a austenita revela-se mais clara e uniforme, devido ao seu paramagnetismo.

As Figuras 5(a) e (b) apresentam imagens da superfície polida do dúplex solubilizado, antes e após crescimento de filme anódico. A Figura 5(c) é uma imagem da mesma região atacada. Nas Figuras 5 (a) e (b), as linhas demarcam regiões ao longo das quais foram obtidos os perfis de topografia, mostrados na Figura 5(d) .

Os perfis topográficos sugerem crescimento de filme sobre a microestrutura do aço solubilizado.

4. Discussão

Na estrutura de ferrita e austenita dos aços inoxidáveis dúplex, é possível ocorrer dissolução preferencial da austenita ou da ferrita, dependendo da composição do meio corrosivo e do potencial eletroquímico [6]. A menor taxa de dissolução da ferrita no aço solubilizado (Figura 1) pode ser atribuída aos maiores teores dos elementos ferritizantes Cr e Mo presentes nessa fase em relação à austenita. Na amostra envelhecida, esse comportamento inverte-se, com foi mostrado na Figura 2. A dissolução preferencial da ferrita pode ser atribuída à diminuição dos teores de Cr e Mo da ferrita devido à formação das fases a' e G, descritas na literatura [2-4]. O aumento de dureza da ferrita mostrado na Tabela 2 é ocasionado por essas transformações de fase. Por serem muito finas, essas fases não foram observadas por AFM e MFM.

A técnica de MFM é útil na visualização da distribuição de fases do aço inoxidável dúplex, uma vez que permitiu a identificação das fases com um mínimo de preparação de amostra e sem a necessidade de ataque metalográfico. As imagens de MFM, mostradas nas Figuras 3 e 4, são similares àquelas obtidas com dúplex em trabalhos anteriores [7-8].

A análise dos perfis topográficos obtidos por AFM antes e após crescimento de filme (Figura 5d) dá indicação de crescimento de filme sobre a microestrutura ferrítica-austenítica do aço solubilizado. Entretanto o crescimento de filme anódico requer investigação adicional.

5. Conclusões

1. As técnicas de AFM e MFM foram utilizadas com sucesso para observar a distribuição de austenita e ferrita em aço inoxidável dúplex; particularmente, a MFM não requer ataque metalográfico.

2. Houve dissolução preferencial de uma das fases ferrítica ou austenítica durante o ataque com ácido oxálico, sendo que a topografia resultante depende do tratamento térmico, invertendo-se de uma amostra para a outra.

3. Obteve-se indicação de crescimento de filme sobre a microestrutura do aço solubilizado, o que requer investigação adicional.

6. Agradecimentos

À CAPES, FAPESP e CNPq pelo suporte financeiro imprescindível para o desenvolvimento dessa pesquisa.

7. Referências bibliográficas

Artigo recebido em 30/07/2006 e aprovado em 05/10/2006.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  22 Maio 2007
• Data do Fascículo
  Mar 2007

Histórico

• Aceito
  05 Out 2006
• Recebido
  30 Jul 2006