Caracterização mecânica e tribológica do aço ferramenta ABNT H13 com tratamento híbrido de modificação de superfície com usinagem por descarga elétrica e revestimento TiAlN PVD

Abstract

High productivity and performance requirements are continuously required by the tooling and mechanical components industry, among which, attain the level of hardness necessary for higher wear resistance and improve the load bearing capacity of steel substrates. To meet this demand, hybrid treatments consisted of conventional nitriding and coating are applied. However, adhesion at the coating-substrate interface can be affected by the presence of a compound layer or recast layer, which can destabilize. Another aspect, which is also able to influence the wear is the manufacturing parameters, which can contribute to answer the challenges of producing more uniform surface layers, in the emerging process of surface modification by die-sinking electrical discharge machining (SM-SEDM). Hence, the aim of this work was to produce hybrid systems: MS-EDM, with higher uniformity and hardened depth of the altered metal zone (AMZ), and subsequent deposition of the TiAlN coating by physical vapor deposition (PVD), on AISI H13 steel substrates, as received and hardened and tempered (H&T), for tribological evaluation. To enable the application of SM-EDM, the electric discharge machining (EDM) machine was previously adapted to work with aqueous dielectric fluids. The influence of pulse duration (TON) and pulse interval (TOFF) times on the layers produced by SM-EDM was investigated. In order to characterize the systems, chemical analysis, microhardness tests, adhesion of the coating by Rockwell C hardness test, X-ray diffraction (XRD), optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), X-ray fluorescence and profilometry were performed. Wear was assessed by microscale sliding and abrasion tests. There is an evident influence of the SM-EDM process parameters on the uniformity and thickness of the layers produced. The thickest AMZ obtained was 53.2 ± 5.5 μm when TON and TOFF of 500 μs were used, while the smallest thickness of 31.0 ± 4.6 μm was obtained with both TON and TOFF of 100 μs. The hybrid treatment of SM-EDM and TiAlN PVD provided improved sliding wear resistance by four to six times compared to systems nitrided by SM-EDM only, as well as provided lower abrasion wear. This performance gain can be explained by the increase in hardness (e.g., five times compared to AISI H13H&T steel), which in turn is influenced by the phase difference, Fe11N, TiN and TiO. The obtained results showed that the hybrid systems have the potential to improve the tribological properties of surfaces in contact conditions by sliding and also by abrasion.Requisitos de alta produtividade e desempenho são continuamente exigidos pela indústria de ferramentas e componentes mecânicos, dentre os quais a obtenção da dureza necessária para maior resistência ao desgaste e a melhoria da capacidade de suporte de carga dos substratos de aço. Para responder a essa demanda, tratamentos híbridos de nitretação convencional e revestimento são aplicados. Entretanto, a adesão na interface revestimento-substrato pode ser afetada pela camada de compostos, que pode se desestruturar. Outro aspecto são os parâmetros de fabricação, os quais podem contribuir para responder aos desafios de produzir camadas superficiais mais uniformes, no emergente processo de modificação de superfície com usinagem por descarga elétrica por penetração (MS- EDM). Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi produzir sistemas híbridos: MS-EDM, com maior uniformidade e profundidade endurecida da camada de metal alterada (CMA) e subsequente deposição do revestimento de TiAlN por deposição física de vapor (PVD), sobre substratos de aço ABNT H13, conforme recebido, temperado e revenido (TR) para avaliação tribológica. Para possibilitar a aplicação do MS-EDM, a máquina de usinagem por descarga elétrica (EDM) foi previamente adaptada para trabalhar com fluidos dielétricos aquosos. A influência dos tempos de duração do pulso (TON) e de intervalo do pulso (TOFF), nas camadas produzidas por MS-EDM foi pesquisada. Para a caracterização dos sistemas foram realizados análise química, ensaios de microdureza, adesão do revestimento por dureza Rockwell C, difração de raios X (DRX), microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV), fluorescência de raios X e perfilometria. O desgaste foi avaliado por testes de deslizamento e de abrasão em microescala. Observa-se evidente influência dos parâmetros de processo MS-EDM na uniformidade e espessura das camadas produzidas. A CMA mais espessa obtida foi de 53,2 ± 5,5 μm quando foram usados TON e TOFF de 500 μs, enquanto a menor espessura de 31,0 ± 4,6 μm foi obtida com ambos TON e TOFF de 100 μs. O tratamento híbrido de MS-EDM e TiAlN PVD proporcionou melhoria da resistência relativa ao desgaste por deslizamento de quatro a seis vezes em relação aos sistemas nitretados por MS-EDM apenas, além do menor desgaste por abrasão. Esse ganho em desempenho pode ser explicado pelo aumento de dureza (p. ex.: de cinco vezes em relação ao aço ABNT H13TR), que por sua vez é influenciado pela diferença de fases, Fe11N, TiN e TiO. Os resultados obtidos mostraram que os sistemas híbridos têm potencial para melhorar as propriedades tribológicas de superfícies em condições de contato por deslizamento e abrasão.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio