Influência do estado superficial prévio na nitretação a plasma do aço AISI M2

Abstract

No presente trabalho foram geradas diferentes condições superficiais em amostras e brocas do aço rápido AISI M2 através de polimento, lixamento e jateamento das superfícies. As amostras e brocas foram nitretadas a plasma variando-se a temperatura, para duas diferentes composições da mistura gasosa: 5%vol. N2 e 76% vol. N2 em hidrogênio. As superfícies (não nitretadas e nitretadas) foram caracterizadas quanto a microestrutura, rugosidade, microdureza, composição química, composição ele fases e o estado ele tensões residuais. Embora algumas análises tenham sido realizadas nas brocas, a maior parte delas foi feita nas amostras cilíndricas tendo-se em vista a geometria complexa das ferramentas que dificulta a caracterização direta. Algumas ferramentas nitretadas a plasma foram testadas em ambiente de produção e as brocas foram submetidas a ensaios de usinagem. Durante os ensaios de usinagem com brocas os esforços de corte e o desgaste de flanco foram avaliados. A mistura gasosa pobre em nitrogênio evitou a formação da zona de compostos e, com o emprego da mistura gasosa rica em nitrogênio foi formada uma zona de compostos de (carbo)nitretos e-Fe2.3(C)N na superfície das amostras. Foram medidas altas tensões residuais compressivas na zona de difusão de amostras nitretadas, mostrando um aumento com o aumento da temperatura de nitretação a plasma para o caso de amostras polidas. Uma significativa influência do estado superficial antes da nitretação nas propriedades finais obtidas foi encontrada e seus principais aspectos discutidos: menores profundidades de camada em amostras lixadas e jateadas quando comparadas a amostras polidas foram atribuídas as altas tensões residuais compressivas presentes na superfície e logo abaixo da superfície antes da nitretação, especialmente para o caso de amostras jateadas. Testes com ferramentas em ambiente industrial de produção demostraram possibilidades de ganho de vida significativos com a nitretação a plasma. Em ensaios de laboratório as brocas submetidas ao jateamento apresentaram o melhor comportamento, o que foi explicado principalmente pela remoção de material recalcado sobre os gumes e a introdução de tensões residuais compressivas. Juntamente com o jateamento prévio a utilização da mistura gasosa pobre em nitrogênio na nitretação a plasma levou aos menores valores ele desgaste de flanco, enquanto a mistura rica em nitrogênio reduziu os esforços de furação.

In the present work different surface conditions were generated on samples and drills of AISI M2 high speed steel by polishing and sand blasting processes. Samples and drills were plasma nitrided at different temperatures with two different compositions of the gas mixture: 5vol.% N2 and 76vol.% N2 in hydrogen. Surfaces of non-nitrided and nitrided samples were characterized concerning the microstructure, roughness, microhardness, chemical composition, phase composition and the state of residual stresses. Even though some of the analyses were carried on drills, most part of them were carried on samples since tools possess a complex shape which difficults the direct characterization. Some plasma nitrided tools were tested in industrial production and the drills submitted to machining tests. During machining tests the drilling forces and flank wear were evaluated. The gas mixture of 5vol% N2 avoided the compound layer formation during plasma nitriding. It was found a E-(carbo)nitride layer on top of samples plasma nitrided with the use of 76vol.% N2 gas mixture. High compressive residual stresses were measured on samples surface in diffusion zone, which increased with nitriding temperature for polished samples. A significant influence of the surface state prior nitriding on final properties was found and their main aspects discussed: thioner nitrided layers on ground and sand blasted samples were attributed to high compressive residual stresses on surface and near surface areas before nitriding, specially for the case of sand blasted samples. The industrial production tests demonstrated good possibilities of tool-life improvement by the application of plasma nitriding. In the machining tests with drills, the plasma nitrided drills which were sand blasted before showed the best behavior, which was explained by the removal of overlapped material from cutting edges and introduction of compressive residual stresses. Associated to prior sand blasting the lower nitrogen concentration in the gas atmosphere gave the smallest drill flank wear while the higher nitrogen concentration gave a reduction of drilling forces.