Avaliação da resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 nitretado a plasma

Abstract

RESUMO: A nitretação iônica ou nitretação a plasma é considerada uma das primeiras técnicas a plasma amplamente usada para a modificação das superfícies de materiais em aplicações tribológicas na indústria. O presente trabalho estuda relações entre resistência ao desgaste microabrasivo, tempo de tratamento e temperaturas aplicadas na formação de camadas nitretadas do aço ferramenta AISI D2. Amostras foram tratadas em dois diferentes patamares de temperatura a 470 ºC e 500 ºC com uma pressão fixada em 4 Torr e três diferentes potenciais de nitrogênio foram usados na composição das misturas gasosas de N2 e H2, sendo 5% de N2com 95% de H2, 10% de N2com 90% de H2e 20% de N2com 80% de H2, todos por períodos de 1, 3 e 6 horas, produzindo assim um conjunto de 18 condições de tratamento. O aprimoramento das propriedades tribológicas do aço ferramenta AISI D2 foi analisado por meio de ensaios de microdureza superficial, pelo delineamento do perfil de dureza das camadas nitretadas e ensaio de desgaste microabrasivo com esfera livre. A caracterização do material foi realizada usando microscopia óptica com diferentes tipos de reagentes e por meio de difração de raios-X. Por fim, as calotas produzidas durante os ensaios de microabrasão foram investigadas com auxílio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) no intuito de identificar a predominância dos mecanismos de desgaste impostos ao material. Ficou evidenciado que curtos períodos de tempo são responsáveis por um pico de endurecimento do material próximo da superfície em torno 1375 HV, associado aos melhores índices de resistência ao desgaste microabrasivo do aço ferramenta AISI D2 mesmo com camadas de menor espessura. As condições que apresentaram melhor desempenho tiveram um incremento de 20% na resistência ao desgaste e de 100% na dureza superficial quando comparadas ao material não tratado.

ABSTRACT: Ion nitriding or plasma nitriding is one of the first widely used techniques using plasma for modification of material surfaces in industrial tribological applications. This paper studies the relations between microabrasive wear resistance, treatment time and temperatures applied in the formation of nitrided layers of AISI D2 tool steel. Samples were treated at two different levels of temperature, 470 °C and 500 °C, at a pressure set at 4 Torr and three different potentials of nitrogen were used in the composition of the gas mixture of N2 and H2, 5% N2- 95% H2, 10% N2- 90% H2 and 20% N2- 80% H2, all for periods of 1, 3 and 6 hours, thereby producing a set of 18 treatment conditions. The improvement of tribological properties of AISI D2 tool steel was analyzed by microhardness tests, the design of the hardness profile of the nitrided layers and microabrasive wear test with free ball. The characterization of the material was performed using optical microscopy with different types of reagents and by X-ray diffraction. Finally, the craters produced during microabrasion wear test were investigated with the aid of scanning electron microscopy (SEM) in order to identify the prevalence of the wear mechanisms imposed on the material. It was demonstrated that short periods of time are responsible for a hardening peak in the material near the surface, about 1375HV, associated with the best combination of microabrasive wear resistance AISI D2tool steel even with layers of lesser thickness. The conditions that showed the best performance had a 20% wear resistance increase and a 100%hardness increase when compared to the untreated material.