Avaliação de desempenho de tratamentos duplex para o aço AISI H13, variando-se propriedades de núcleo, nitretação a plasma e revestimento PVD CrN/CrAlTiN

Abstract

O comportamento tribológico dos materiais é de extrema importância para diversas aplicações industriais, especialmente na área de engenharia mecânica e metalúrgica. Nesse contexto, o objetivo deste estudo é caracterizar e avaliar o comportamento tribológico do aço H13 quando submetido a tratamentos duplex. A metodologia utilizada consistiu na aplicação de tratamentos duplex em amostras de aço H13, que no caso deste estudo foi a combinação do processo de nitretação a plasma e deposição física de vapor assistida por plasma (PAPVD). As amostras de aço H13 foram temperadas e revenidas para atingirem 3 diferentes faixas de dureza 48, 51 e 54 HRC e duas profundidades de camada nitretada distintas. O revestimento escolhido foi o CrN/CrAlTiN, pois ele foi desenvolvido para moldes e matrizes para trabalho a quente, mas não limitado a essas aplicações. As amostras foram caracterizadas por meio da realização de medições da rugosidade, perfil de microdureza para determinar a profundidade de camada nitretada, ensaios de adesão por indentação Rockwell-C, medições de nanodureza e ensaios para determinação do módulo de elasticidade e teste do risco, o qual serve para determinar a capacidade de sustentação de cargas nos substratos com tratamentos duplex. Os resultados obtidos nas amostras mostraram que a dureza do substrato influenciou de forma discreta nos testes de adesão, nanodureza e módulo de elasticidade dos tratamentos superficiais aplicados. Entretanto, verificou-se que a profundidade de camada nitretada, por atuar como efeito de suporte ao revestimento é capaz de modificar propriedades como nanodureza e módulo de elasticidade do revestimento. A adesão do revestimento, verificada pelo aspecto das trincas ao redor da indentação Rockwell-C, possui morfologia distinta quando se compara substratos não nitretados e nitretados. A nanodureza com carga que ultrapassam os 10 % da espessura do revestimento foi influenciada pela profundidade de camada nitretada, mas não de forma significativa pela dureza do substrato. O mesmo aconteceu no teste do risco, pois profundidade de camada nitretada maior teve valores de cargas críticas maiores do que as amostras sem nitretação ou com profundidade de camada nitretada menor. Nos testes realizados em condições industriais, a dureza do substrato apresentou influência direta no desempenho da matriz de forjamento, enquanto a aplicação do tratamento superficial duplex contribuiu de forma significativa para o aumento de sua vida útil

The tribological behavior of materials is extremely important for several industrial applications, especially in the field of mechanical and metallurgical engineering. In this context, the objective of this study is to characterize and evaluate the tribological behavior of H13 steel when subjected to duplex treatments. The methodology consisted of applying duplex treatments to H13 steel samples, which in this study was the combination of plasma nitriding and plasmaassisted physical vapor deposition (PAPVD). The H13 steel samples were quenched and tempered to reach three different hardness ranges, 48, 51 and 54 HRC, and two distinct nitrided layer depths. The chosen coating was CrN/CrAlTiN, as it was developed for hot working dies and molds, but not limited to these applications. The samples were characterized by roughness measurements, microhardness profile analysis to determine nitrided layer depth, adhesion tests by Rockwell-C indentation, nanohardness measurements and tests to determine the elastic modulus, as well as scratch tests, which serve to determine the load-bearing capacity of substrates with duplex treatments. The results obtained in the samples showed that substrate hardness had a discrete influence on the adhesion test, nanohardness, and elastic modulus tests of the applied surface treatments. However, it was verified that the nitrided layer depth, by acting as a support effect for the coating, is capable of modifying properties such as nanohardness and elastic modulus of the coating. The adhesion of the coating, verified by the crack patterns around the Rockwell-C indentation, showed distinct morphology when comparing non-nitrided and nitrided substrates. Nanohardness with loads exceeding 10 % of the coating thickness was influenced by the nitrided layer depth, but not significantly by substrate hardness. The same occurred in the scratch test, since a greater nitrided layer depth resulted in higher critical load values than the samples without nitriding or with a thinner nitrided layer depth. In the tests carried out under industrial conditions, the substrate hardness had a direct influence on the performance of the forging die, while the application of the duplex surface treatment contributed significantly to the increase of its service life.