Comparative analysis of the friction and microstructural properties of WC-10Co-4Cr and Cr3C2-25NiCr coatings sprayed by high-velocity oxy-fuel (HVOF)

In this study, coatings WC-10Co-4Cr and Cr3C2-25NiCr were deposited on the AISI H13 steel by oxy-fuel Thermal spraying (HVOF). This coating increases the wear resistance of surfaces subjected to severe conditions, such as: abrasive wear, thermal fatigue and plastic deformation. The coatings microstructure, hardness and wear resistance are investigated through friction and wear tests performed through a pin-on-disc type tribometer following the procedures defined in ASTM G99-04. It was verified that both materials used in the spraying have high resistance to wear, however, in the sample coated with Cr3C2-25NiCr there was a greater removal of material during the test

Wear characterization of hot forging punches coated with WC-CoCr and Cr3C2-NiCr applied by high velocity oxygen fuel (HVOF)

Melhorias na vida de ferramentas de conformação podem ser obtidas através do uso de tratamento superficial. Os revestimentos melhoram a resistência ao desgaste e têm sido cada vez mais utilizados, objetivando a diminuição dos danos causados nas superfícies de ferramentas utilizadas na conformação mecânica(AKHTARI ZAVAREH et al., 2015; TAHA-AL; HASHMI; YILBAS, 2008)(AKHTARI ZAVAREH et al., 2015; TAHA-AL; HASHMI; YILBAS, 2008). Neste estudo, utiliza-se a combinação de dois tratamentos superficiais: a nitretação a plasma e o HVOF para revestir e proteger ferramentas utilizadas em um processo de extrusão inversa, durante o forjamento a quente da ponta de um eixo. A nitretação é um processo termoquímico no qual o nitrogênio é difundido na superfície da ferramenta até uma determinada profundidade. O processo HVOF consiste em uma fina camada de materiais metálicos e cerâmicos depositados em uma condição fundida sob uma superfície, formando uma fina camada de depósito aspergido. A sobreposição da nitretação com o revestimento depositado via HVOF é chamada de duplex, que confere maior resistência ao desgaste e durabilidade à ferramenta. Com base neste contexto, o objetivo desta pesquisa é investigar o desempenho do tratamento superficial HVOF e do duplex (nitretação+HVOF) aplicados em punções de forjamento a quente fabricados em aço SAE H13. Na primeira etapa da pesquisa, dois tipos de pó são utilizados para revestir a superfície das amostras e das ferramentas via HVOF: Cr3C2-25NiCr e WC-10Co4Cr. A segunda etapa é realizada com base nos resultados da etapa anterior, e por isso optou-se por utilizar um revestimento duplex, pois verificou-se que seria necessário promover uma redução gradual de dureza da superfície para o núcleo do substrato, em função do desgaste severo sofrido pelo punção na primeira etapa. Os resultados obtidos na segunda etapa demonstraram que as alterações no processo de acabamento para redução da rugosidade superficial e o tratamento duplex trouxeram melhorias e elevaram a vida útil dos punções.Life-enhancement of forming tools can be achieved through the use of surface treatment. The coatings improve the resistance against wear and have been increasingly used to reduce the damage caused to the surface of tools used in mechanical forming. In this study the combination of two surface treatments is used: the plasma nitriding and the HVOF to coat and protect hot forging tools. The nitriding is a thermochemical process in which the nitrogen is diffused on the tool surface up to a certain depth. The HVOF process consists of a thin layer of metallic and ceramic materials deposited in a molten condition under a surface, forming a thin spray layer. The superposition of the nitriding with the deposited coating via HVOF is called duplex, which gives greater resistance against wear and durability to the tool. Based on this context, this research aims to investigate the performance of the HVOF surface treatment and the duplex (nitriding+HVOF) applied in hot forging punches made of SAE H13 steel. In the first stage of the research, two types of powder material are used to coat the samples and tools’ surfaces via HVOF: Cr3C2-25NiCr and WC-10Co4Cr. The second stage is performed based on the results of the previous stage and therefore it was chosen to use a duplex coating, since it has been found necessary to gradually reduce hardness from the surface to the substrate core due to the severe wear suffered by the punch in the first stage. The results obtained in the second stage showed that the changes in the finishing process to reduce the superficial roughness and the duplex treatment brought improvements and extended the punches life cycle

Wear characterization of hot forging punches coated with WC-CoCr and Cr3C2-NiCr applied by high velocity oxygen fuel (HVOF)

Melhorias na vida de ferramentas de conformação podem ser obtidas através do uso de tratamento superficial. Os revestimentos melhoram a resistência ao desgaste e têm sido cada vez mais utilizados, objetivando a diminuição dos danos causados nas superfícies de ferramentas utilizadas na conformação mecânica(AKHTARI ZAVAREH et al., 2015; TAHA-AL; HASHMI; YILBAS, 2008)(AKHTARI ZAVAREH et al., 2015; TAHA-AL; HASHMI; YILBAS, 2008). Neste estudo, utiliza-se a combinação de dois tratamentos superficiais: a nitretação a plasma e o HVOF para revestir e proteger ferramentas utilizadas em um processo de extrusão inversa, durante o forjamento a quente da ponta de um eixo. A nitretação é um processo termoquímico no qual o nitrogênio é difundido na superfície da ferramenta até uma determinada profundidade. O processo HVOF consiste em uma fina camada de materiais metálicos e cerâmicos depositados em uma condição fundida sob uma superfície, formando uma fina camada de depósito aspergido. A sobreposição da nitretação com o revestimento depositado via HVOF é chamada de duplex, que confere maior resistência ao desgaste e durabilidade à ferramenta. Com base neste contexto, o objetivo desta pesquisa é investigar o desempenho do tratamento superficial HVOF e do duplex (nitretação+HVOF) aplicados em punções de forjamento a quente fabricados em aço SAE H13. Na primeira etapa da pesquisa, dois tipos de pó são utilizados para revestir a superfície das amostras e das ferramentas via HVOF: Cr3C2-25NiCr e WC-10Co4Cr. A segunda etapa é realizada com base nos resultados da etapa anterior, e por isso optou-se por utilizar um revestimento duplex, pois verificou-se que seria necessário promover uma redução gradual de dureza da superfície para o núcleo do substrato, em função do desgaste severo sofrido pelo punção na primeira etapa. Os resultados obtidos na segunda etapa demonstraram que as alterações no processo de acabamento para redução da rugosidade superficial e o tratamento duplex trouxeram melhorias e elevaram a vida útil dos punções.Life-enhancement of forming tools can be achieved through the use of surface treatment. The coatings improve the resistance against wear and have been increasingly used to reduce the damage caused to the surface of tools used in mechanical forming. In this study the combination of two surface treatments is used: the plasma nitriding and the HVOF to coat and protect hot forging tools. The nitriding is a thermochemical process in which the nitrogen is diffused on the tool surface up to a certain depth. The HVOF process consists of a thin layer of metallic and ceramic materials deposited in a molten condition under a surface, forming a thin spray layer. The superposition of the nitriding with the deposited coating via HVOF is called duplex, which gives greater resistance against wear and durability to the tool. Based on this context, this research aims to investigate the performance of the HVOF surface treatment and the duplex (nitriding+HVOF) applied in hot forging punches made of SAE H13 steel. In the first stage of the research, two types of powder material are used to coat the samples and tools’ surfaces via HVOF: Cr3C2-25NiCr and WC-10Co4Cr. The second stage is performed based on the results of the previous stage and therefore it was chosen to use a duplex coating, since it has been found necessary to gradually reduce hardness from the surface to the substrate core due to the severe wear suffered by the punch in the first stage. The results obtained in the second stage showed that the changes in the finishing process to reduce the superficial roughness and the duplex treatment brought improvements and extended the punches life cycle

Estudo do forjamento de peças vazadas a partir de geratriz tubular

Neste trabalho é realizado um estudo teórico-experimental do processo de forjamento a quente em matriz fechada de peças tubulares, denominadas comercialmente por flanges. O material utilizado para fabricação das peças é a liga de alumínio AA 6351. Normalmente, tais peças são forjadas a partir de billets maciços e os furos centrais são, posteriormente, usinados. Desta forma, este trabalho visa o estudo do uso de billets vazados em substituição aos maciços minimizando a perda de material e força necessária para o forjamento que podem ser relativamente significativos dependendo do peso, geometria da peça, e tamanho do lote produzido. O processo de forjamento foi planejado e executado com auxilio de softwares, onde o projeto do ferramental foi realizado em programa de CAD 3D da empresa SolidWorks, e a simulação numérica computacional, aplicada para predizer o comportamento do material no final do forjamento, no programa Simufact. Forming 11.0. Foram analisados, por simulação numérica computacional, dados como a estimativa da força necessária para forjar a peça em estudo, preenchimento da matriz, escoamento do material e as deformações finais. Utilizam-se cálculos analíticos, baseados na Teoria Elementar da Plasticidade (TEP), para estimar a força necessária para o forjamento. Os resultados obtidos experimentalmente validam a utilização de métodos numéricos e analíticos para desenvolvimento de processos de forjamento. Os resultados de força obtidos utilizando o modelo matemático da Teoria Elementar da Plasticidade (TEP) foram os que mais se distanciaram da força real necessária para o forjamento, no caso do billet maciço foi de 2706 kN, enquanto que a força utilizada no experimento foi de 3432 kN e com a utilização do billet vazado a força calculada pela TEP foi de 2579 kN e a real foi de 2451 kN. Já a simulação indica valores necessários de 2432 kN para o billet vazado e 2814 kN para o billet maciço. Conclui-se, então, que com a utilização de billets vazados a força para o forjamento e o material utilizado são inferiores, assim, comprovando sua vantagem em relação ao processo de fabricação convencional.In this paper is done a theoretical-experimental study of the hot forging process in closed die of tubular components, commercially known as flanges. The material used for the manufacture process of the pieces is AA6351. These pieces are usually forged from massive billets and the central holes are subsequently machined. In this way, this paper aims the use of hollow billets instead of the massive ones, minimizing the loss of material and strength used in forging that can be relatively significant depending on the weight, geometry of the piece and size of the batch produced. The forging process was planned and done with the help of software where the tooling project is performed in CAD 3D from Solidworks, and the computer numerical simulation applied to predict the material behavior at the final of the forging process in Simufact Forming 11.0. Data as strength, die filling, material draining and final deformation are analyzed by computer numerical simulation. Analytical calculation, based on the Plasticity Elementary Theory (TEP), are performed in order to estimate the necessary strength for the forging process. The results, experimentally obtained, validate the use of numerical and analytical methods in forging process development. The strength results obtained using the mathematical model of Plasticity Elementary Theory, were the farthest from the real required strength used in forging. As with the massive billet, the strength was 2706 kN while the strength used in the experiment was 3432 kN and using de hollow billet the estimated strength calculated by the TEP was 2579 kN while the real one was 2451 kN. Yet, the simulation indicates required values of 2432 kN for the hollow billet and 2814 kN for the massive billet. We can therefore conclude that when using hollow billets the strength required in forging and the used material are inferior, thus proving its advantage in relation to the conventional manufacture process

Estudo do forjamento de peças vazadas a partir de geratriz tubular

Neste trabalho é realizado um estudo teórico-experimental do processo de forjamento a quente em matriz fechada de peças tubulares, denominadas comercialmente por flanges. O material utilizado para fabricação das peças é a liga de alumínio AA 6351. Normalmente, tais peças são forjadas a partir de billets maciços e os furos centrais são, posteriormente, usinados. Desta forma, este trabalho visa o estudo do uso de billets vazados em substituição aos maciços minimizando a perda de material e força necessária para o forjamento que podem ser relativamente significativos dependendo do peso, geometria da peça, e tamanho do lote produzido. O processo de forjamento foi planejado e executado com auxilio de softwares, onde o projeto do ferramental foi realizado em programa de CAD 3D da empresa SolidWorks, e a simulação numérica computacional, aplicada para predizer o comportamento do material no final do forjamento, no programa Simufact. Forming 11.0. Foram analisados, por simulação numérica computacional, dados como a estimativa da força necessária para forjar a peça em estudo, preenchimento da matriz, escoamento do material e as deformações finais. Utilizam-se cálculos analíticos, baseados na Teoria Elementar da Plasticidade (TEP), para estimar a força necessária para o forjamento. Os resultados obtidos experimentalmente validam a utilização de métodos numéricos e analíticos para desenvolvimento de processos de forjamento. Os resultados de força obtidos utilizando o modelo matemático da Teoria Elementar da Plasticidade (TEP) foram os que mais se distanciaram da força real necessária para o forjamento, no caso do billet maciço foi de 2706 kN, enquanto que a força utilizada no experimento foi de 3432 kN e com a utilização do billet vazado a força calculada pela TEP foi de 2579 kN e a real foi de 2451 kN. Já a simulação indica valores necessários de 2432 kN para o billet vazado e 2814 kN para o billet maciço. Conclui-se, então, que com a utilização de billets vazados a força para o forjamento e o material utilizado são inferiores, assim, comprovando sua vantagem em relação ao processo de fabricação convencional.In this paper is done a theoretical-experimental study of the hot forging process in closed die of tubular components, commercially known as flanges. The material used for the manufacture process of the pieces is AA6351. These pieces are usually forged from massive billets and the central holes are subsequently machined. In this way, this paper aims the use of hollow billets instead of the massive ones, minimizing the loss of material and strength used in forging that can be relatively significant depending on the weight, geometry of the piece and size of the batch produced. The forging process was planned and done with the help of software where the tooling project is performed in CAD 3D from Solidworks, and the computer numerical simulation applied to predict the material behavior at the final of the forging process in Simufact Forming 11.0. Data as strength, die filling, material draining and final deformation are analyzed by computer numerical simulation. Analytical calculation, based on the Plasticity Elementary Theory (TEP), are performed in order to estimate the necessary strength for the forging process. The results, experimentally obtained, validate the use of numerical and analytical methods in forging process development. The strength results obtained using the mathematical model of Plasticity Elementary Theory, were the farthest from the real required strength used in forging. As with the massive billet, the strength was 2706 kN while the strength used in the experiment was 3432 kN and using de hollow billet the estimated strength calculated by the TEP was 2579 kN while the real one was 2451 kN. Yet, the simulation indicates required values of 2432 kN for the hollow billet and 2814 kN for the massive billet. We can therefore conclude that when using hollow billets the strength required in forging and the used material are inferior, thus proving its advantage in relation to the conventional manufacture process

Tratamentos Superficiais de Aços para o Aumento da Vida de Ferramentas de Conformação

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Analysis of forging dies coated with tungsten carbide through HVOF processing

In this paper we present a performance evaluation of thermal spraying coated hot forging dies conducted in a production line. The High Velocity Oxy-Fuel process was used for the deposition of a tungsten carbide coating, which is characterized by its optimal adherence and low porosity. A metallurgical characterization of the layer was previously done, in order to obtain reference information to assist in the interpretation of the practical tests results. The coated die allowed an increase in productivity of 37.5%, besides better dimensional stability results through the process and legibility of printed numbers

Analysis of forging dies coated with tungsten carbide through HVOF processing

In this paper we present a performance evaluation of thermal spraying coated hot forging dies conducted in a production line. The High Velocity Oxy-Fuel process was used for the deposition of a tungsten carbide coating, which is characterized by its optimal adherence and low porosity. A metallurgical characterization of the layer was previously done, in order to obtain reference information to assist in the interpretation of the practical tests results. The coated die allowed an increase in productivity of 37.5%, besides better dimensional stability results through the process and legibility of printed numbers

Optimizing hot forging process parameters of hollow parts using tubular and cylindrical workpiece : numerical analysis and experimental validation

CAE (computer aided engineering) evaluates the forging process virtually to optimize the industrial production. The numerical and experimental investigations of forging process of a hollow part are important in industrial point of view. This study has been focused on the development of a 3D elastic-plastic FEM (finite element model) of hot forging to evaluate the forming process of hollow parts. The validity of this method was verified through a laboratory experiment using aluminum alloy (AA6351) with medium geometric complexity. The distributions of effective strain, temperature, metal flow and strength were analyzed for two different initial workpieces (tubular and cylindrical). It was observed that both initial workpieces can be used to produce the final hollow part using the numerical simulation model. The results showed that the numerical analyses predict, filling cavity, calculated strength, work temperature and material flow were in agreement with the experimental results. However, some problems such as air trapping in the die causing incomplete filling could not be predicted and this problem was resolved experimentally by drilling small holes for air release in the dies

Optimizing hot forging process parameters of hollow parts using tubular and cylindrical workpiece : numerical analysis and experimental validation

CAE (computer aided engineering) evaluates the forging process virtually to optimize the industrial production. The numerical and experimental investigations of forging process of a hollow part are important in industrial point of view. This study has been focused on the development of a 3D elastic-plastic FEM (finite element model) of hot forging to evaluate the forming process of hollow parts. The validity of this method was verified through a laboratory experiment using aluminum alloy (AA6351) with medium geometric complexity. The distributions of effective strain, temperature, metal flow and strength were analyzed for two different initial workpieces (tubular and cylindrical). It was observed that both initial workpieces can be used to produce the final hollow part using the numerical simulation model. The results showed that the numerical analyses predict, filling cavity, calculated strength, work temperature and material flow were in agreement with the experimental results. However, some problems such as air trapping in the die causing incomplete filling could not be predicted and this problem was resolved experimentally by drilling small holes for air release in the dies