Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, da Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. / Nas fundições de discos de freios para o mercado de reposição tem sido empregado o antimônio como perlitizante, em ligas de ferro fundido cinzento. Percentuais de 0,020% a 0,030% são empregados empiricamente para aumentar a quantidade de perlita, o limite de resistência a tração e a dureza. Este trabalho buscou comparar o comportamento de desgaste de uma liga de ferro fundido da classe FC25 sem a adição de antimônio e de outras 3 com adições de (0,010%; 0,025% e 0,040%). Foram realizadas análises químicas espectrométricas, micrográficas, testes de dureza e microindentação e teste de desgaste pino sobre disco e teste funcional em dinamômetro, para caracterização das amostras. A medida que o percentual de antimônio aumentou houve aumento da dureza, da resistência à tração, do percentual de perlita e houve redução da perda de massa no teste de desgaste pino sobre disco. As microestruturas foram avaliadas via microscopia óptica e eletrônica de varredura e foi observado o aumento do percentual de perlita e de cementita. O ensaio de pino sobre disco evidenciou ainda aumento do coeficiente de atrito, que é condição desejável no sistema de frenagem.

Este trabalho dedica-se ao estudo dos mecanismos de desgaste de ferramentas utilizadas em processos de conformação a frio, como punções e matrizes. O texto se inicia por uma discussão que há na literatura a respeito do esfolamento (tradução da palavra galling) que é o principal ao mecanismo de desgaste encontrado na conformação a frio. Em seguida apresenta-se uma breve análise do desempenho tribológico de punções usados industrialmente em operações de estampagem. Tornos CNC foram utilizados para a realização de alguns ensaios de desgaste por deslizamento, sem repetição de trilha, com materiais normalmente utilizados em conformação a frio. Ferramentas de aço AISI M2 com e sem revestimentos por filmes finos de TiN e AlTiCrN foram deslizadas contra aços AISI 1045. Resultados de força de atrito e observações das superfícies via microscopia foram obtidos para qualificar as diferentes condições ensaiadas. Ambas as condições de ferramentas revestidas apresentaram desempenho tribológico superior à ferramenta sem revestimento e uma inversão de desempenho foi observada entre as ferramentas revestidas: a ferramenta revestida com o filme de AlTiCrN apresentou um melhor desempenho quando a situação de ensaio foi mais branda. Quando os esforços foram mais severos, o melhor desempenho foi obtido com o revestimento de TiN. A essa inversão de desempenho foi atribuído o acabamento superficial dos filmes finos. / This work is devoted to the study of wear mechanisms in cold forming tools, such as punches and dies. The text begins with a discussion on the galling phenomenon, which is the main wear mechanism that takes place in cold forming operations. A brief analysis of the tribological behavior of punches that have operated in industrial conditions is then presented. Tests of sliding wear without repetition of the wear track were conducted in CNC lathes, considering the contact of materials normally used in cold forming operations. AISI M2 tool steels with and without TiN and AlTiCrN coatings were slided against AISI 1045 steel. Friction force results and microscopic surface observations were analyzed in order to qualify different tests conditions. Both coated tools conditions presented a better tribology performance than the uncoated ones and an inversion in performance was observed between the coated tools: the AlTiCrN coated tool had a better performance in milder conditions, while the TiN coated tool presented a better performance in more severe conditions. This inversion in performance was attributed to the surface finish of the coatings.

Os aços AISI 8620, 15B30, 8640 e 52100 são amplamente usados como componentes em rolamentos, engrenagens, pistões e discos de arado, estando sujeitos a constante contato relativo e, consequentemente, sobre diferentes formas de desgaste tribológico. O uso de tratamentos que produzam camadas duras e resistente ao desgaste podem aumentar significativamente o tempo em uso e reduzir custos operacionais. Neste trabalho, tais aços, foram submetidos a tratamentos de Boretação e Deposição termorreativa (TRD) e caracterizados por meio de ensaios de dureza, desgaste microadesivo e difração de raios - X. A dureza das camadas foram determinadas, ocorrendo aumento dessa propriedade para valores de 1650 a 1750 HK0.2 e 2000 a 2400 HK0.2 respectivamente para as camadas de boretos e carbonetos, já em relação ao desgaste microadesivo, as camadas de boretos, VC e NbC formadas apresentaram maior resistência ao desgaste quando comparadas aos seus respectivos substratos protegidos. / The AISI 8620, 15B30, 8640 and 52100 steels are widely used as components in bearings, gears, pistons and plow discs, being subject to constant relative contact and, consequently, to different forms of tribological wear. The use of treatments that produce hard layers and wear resistant can significantly increase the time in use and reduce operating costs. In this work, these steels were submitted to Boride and Thermorreative Deposition (TRD) treatments and characterized by tests of hardness, microadhesive wear and X - ray diffraction. The hardness of the layers was determined, increasing this property to values of 1650 to 1750 HK0.2 and 2000 to 2400 HK0.2 respectively for the layers of borides and carbides, already in relation to the microadhesive wear, the boride layers, VC and NbC formed presented higher resistance to wear when compared to their respective protected substrates.

Concebido há milhares de anos, o forjamento passa por melhorias contínuas, mantendo-se como um processo de fabricação moderno, capaz de agregar características importantes a produtos forjados que são utilizados em inúmeras aplicações. Na indústria automobilística, responsável pelo consumo de cerca de 60% de todos os produtos forjados, o forjamento mostrou-se como um processo de conformação plástica eficaz no atendimento das especificações de resistência mecânica e nos quesitos de produtividade. Esta demanda por produtos forjados estimulou a busca por processos mais robustos, nos quais as ferramentas de forjamento possuem papel fundamental para possibilitar a produção de lotes maiores sem paradas de máquina devido a falhas. Cerca de 70% das falhas estão relacionadas ao desgaste das ferramentas. Este trabalho buscou identificar no ambiente industrial, os modos de desgaste responsáveis pela degradação da superfície de contato de um punção, fabricado em aço H-10. Um conjunto de punções foi utilizado no forjamento a quente em prensa mecânica excêntrica horizontal e automática de múltiplos estágios, que utiliza água na refrigeração das ferramentas, durante a fabricação de porcas de roda, em aço SAE 1045. Os resultados obtidos basearam-se: (i) nas análises da superfície e da seção transversal de seis punções em microscópio eletrônico de varredura, (ii) na análise da nanodureza e (iii) na variação dimensional e da massa dos punções. Os resultados apontaram para o desgaste da superfície dos punções logo nas primeiras peças forjadas devido à transferência de óxidos do blank para a superfície da ferramenta. Nesta camada transferida para a superfície dos punções, foram encontrados danos causados pelo desgaste abrasivo e pela fadiga térmica. / Since the initial development, thousands of years ago, forging has faced continuous improvements, remaining as a modern manufacturing process, capable of adding important characteristics to forged products that are used in numerous applications. In the automotive industry, responsible for the consumption of approximately 60% of all forged products, the forging has proved to be an effective metal forming process in terms of mechanical strength specifications and productivity requirements. This demand for forged parts has stimulated the search for more robust processes in which the forging tool has a fundamental role to enable the production of larger batches without downtime due to failures. Approximately 70% of these failures are related to tool wear. This work aimed identifying, in an industrial environmental, the wear modes responsible for the degradation of the contact surface of a punch, made of H-10 steel. A series of punches was used for hot forging in a horizontal and automatic multi-stage eccentric mechanical press which uses water for tool cooling, during the manufacture of wheel nuts, made of SAE 1045 steel. Results were based: (i) on the analysis of the surface and cross section of six punches in a scanning electronic microscope, (ii) on nanohardness analyses and (iii) as well as on mass and dimensional variations. Results pointed to the punch wear in the first forged pieces, due to oxides transferring from blank to the punch surface. On this transferred layer to punch surface, have also found damage caused by abrasive wear and thermal fatigue.

Amostras de ferros fundidos nodulares ligados com Cu, Cu-Ni ou Cu-Ni-Mo foram austemperadas, boretadas e boroaustemperadas e caracterizadas quanto à dureza e o comportamento ao desgaste microadesivo, tendo sido também estudada a cinética de formação da camada. O método de boretação utilizado foi via líquida em banho de bórax fundido, com tempos de permanência de 2 e 4 horas nas temperaturas de 850, 900 e 950ºC. Procedeu-se o tratamento direto de austêmpera, a partir dessa temperatura, em banhos de sal fundidos nas temperaturas de 240, 300 e 360ºC com tempos de permanência de 4 horas (boroaustêmpera). Realizou-se também, para fins de comparação, tratamento convencional de austêmpera. Microscopias óptica e eletrônica de varredura, EDS por raios-X, testes de dureza Brinell (substrato) e Vickers (revestimento) foram realizados, bem como ensaios de desgaste microadesivo do tipo esfera presa. A boretação resultou na formação de camadas de elevadas durezas, na faixa de 1300 a 1700 HV, e elevadas resistências ao desgaste. As resistências ao desgaste das amostras boretadas ou boroaustemperadas foram aumentadas em até 40x em relação às amostras brutas de fundição ou apenas austemperadas, indicando a grande eficácia do tratamento neste tipo de propriedade. / Samples of ductile cast iron alloyed with Cu, Cu-Ni or Cu-Ni-Mo were austempered, borided and boroaustempered and afterwards characterized for hardness and micro-adhesive wear behavior. The kinetics of layer formation were also studied. The boriding method used was liquid molten borax bath, in periods of 2 and 4 hours at temperatures of 850, 900 and 950°C. The direct austempering treatment was performed from the borax bath temperature using molten salt baths at temperatures of 240, 300 and 360°C for 4 hours (boroaustempered). For comparative purposes, the conventional austempering treatment was also conducted. Optical microscopy, scanning electron microscopy, EDX, Brinell hardness measurements (substrate) and Vickers (coating) were performed, as were the tests for micro-adhesive wear. The boriding treatment resulted in the formation of layers with high hardness, in the range of 1300 to 1700 HV and high wear resistance. The wear resistance of borided or boroaustempered samples were increased by 40 times when compared to cast irons or austempered samples, indicating the high efficiency of this type of treatment in increasing the wear resistance of this material.

Concebido há milhares de anos, o forjamento passa por melhorias contínuas, mantendo-se como um processo de fabricação moderno, capaz de agregar características importantes a produtos forjados que são utilizados em inúmeras aplicações. Na indústria automobilística, responsável pelo consumo de cerca de 60% de todos os produtos forjados, o forjamento mostrou-se como um processo de conformação plástica eficaz no atendimento das especificações de resistência mecânica e nos quesitos de produtividade. Esta demanda por produtos forjados estimulou a busca por processos mais robustos, nos quais as ferramentas de forjamento possuem papel fundamental para possibilitar a produção de lotes maiores sem paradas de máquina devido a falhas. Cerca de 70% das falhas estão relacionadas ao desgaste das ferramentas. Este trabalho buscou identificar no ambiente industrial, os modos de desgaste responsáveis pela degradação da superfície de contato de um punção, fabricado em aço H-10. Um conjunto de punções foi utilizado no forjamento a quente em prensa mecânica excêntrica horizontal e automática de múltiplos estágios, que utiliza água na refrigeração das ferramentas, durante a fabricação de porcas de roda, em aço SAE 1045. Os resultados obtidos basearam-se: (i) nas análises da superfície e da seção transversal de seis punções em microscópio eletrônico de varredura, (ii) na análise da nanodureza e (iii) na variação dimensional e da massa dos punções. Os resultados apontaram para o desgaste da superfície dos punções logo nas primeiras peças forjadas devido à transferência de óxidos do blank para a superfície da ferramenta. Nesta camada transferida para a superfície dos punções, foram encontrados danos causados pelo desgaste abrasivo e pela fadiga térmica. / Since the initial development, thousands of years ago, forging has faced continuous improvements, remaining as a modern manufacturing process, capable of adding important characteristics to forged products that are used in numerous applications. In the automotive industry, responsible for the consumption of approximately 60% of all forged products, the forging has proved to be an effective metal forming process in terms of mechanical strength specifications and productivity requirements. This demand for forged parts has stimulated the search for more robust processes in which the forging tool has a fundamental role to enable the production of larger batches without downtime due to failures. Approximately 70% of these failures are related to tool wear. This work aimed identifying, in an industrial environmental, the wear modes responsible for the degradation of the contact surface of a punch, made of H-10 steel. A series of punches was used for hot forging in a horizontal and automatic multi-stage eccentric mechanical press which uses water for tool cooling, during the manufacture of wheel nuts, made of SAE 1045 steel. Results were based: (i) on the analysis of the surface and cross section of six punches in a scanning electronic microscope, (ii) on nanohardness analyses and (iii) as well as on mass and dimensional variations. Results pointed to the punch wear in the first forged pieces, due to oxides transferring from blank to the punch surface. On this transferred layer to punch surface, have also found damage caused by abrasive wear and thermal fatigue.

Amostras de ferros fundidos nodulares ligados com Cu, Cu-Ni ou Cu-Ni-Mo foram austemperadas, boretadas e boroaustemperadas e caracterizadas quanto à dureza e o comportamento ao desgaste microadesivo, tendo sido também estudada a cinética de formação da camada. O método de boretação utilizado foi via líquida em banho de bórax fundido, com tempos de permanência de 2 e 4 horas nas temperaturas de 850, 900 e 950ºC. Procedeu-se o tratamento direto de austêmpera, a partir dessa temperatura, em banhos de sal fundidos nas temperaturas de 240, 300 e 360ºC com tempos de permanência de 4 horas (boroaustêmpera). Realizou-se também, para fins de comparação, tratamento convencional de austêmpera. Microscopias óptica e eletrônica de varredura, EDS por raios-X, testes de dureza Brinell (substrato) e Vickers (revestimento) foram realizados, bem como ensaios de desgaste microadesivo do tipo esfera presa. A boretação resultou na formação de camadas de elevadas durezas, na faixa de 1300 a 1700 HV, e elevadas resistências ao desgaste. As resistências ao desgaste das amostras boretadas ou boroaustemperadas foram aumentadas em até 40x em relação às amostras brutas de fundição ou apenas austemperadas, indicando a grande eficácia do tratamento neste tipo de propriedade. / Samples of ductile cast iron alloyed with Cu, Cu-Ni or Cu-Ni-Mo were austempered, borided and boroaustempered and afterwards characterized for hardness and micro-adhesive wear behavior. The kinetics of layer formation were also studied. The boriding method used was liquid molten borax bath, in periods of 2 and 4 hours at temperatures of 850, 900 and 950°C. The direct austempering treatment was performed from the borax bath temperature using molten salt baths at temperatures of 240, 300 and 360°C for 4 hours (boroaustempered). For comparative purposes, the conventional austempering treatment was also conducted. Optical microscopy, scanning electron microscopy, EDX, Brinell hardness measurements (substrate) and Vickers (coating) were performed, as were the tests for micro-adhesive wear. The boriding treatment resulted in the formation of layers with high hardness, in the range of 1300 to 1700 HV and high wear resistance. The wear resistance of borided or boroaustempered samples were increased by 40 times when compared to cast irons or austempered samples, indicating the high efficiency of this type of treatment in increasing the wear resistance of this material.

Este trabalho dedica-se ao estudo dos mecanismos de desgaste de ferramentas utilizadas em processos de conformação a frio, como punções e matrizes. O texto se inicia por uma discussão que há na literatura a respeito do esfolamento (tradução da palavra galling) que é o principal ao mecanismo de desgaste encontrado na conformação a frio. Em seguida apresenta-se uma breve análise do desempenho tribológico de punções usados industrialmente em operações de estampagem. Tornos CNC foram utilizados para a realização de alguns ensaios de desgaste por deslizamento, sem repetição de trilha, com materiais normalmente utilizados em conformação a frio. Ferramentas de aço AISI M2 com e sem revestimentos por filmes finos de TiN e AlTiCrN foram deslizadas contra aços AISI 1045. Resultados de força de atrito e observações das superfícies via microscopia foram obtidos para qualificar as diferentes condições ensaiadas. Ambas as condições de ferramentas revestidas apresentaram desempenho tribológico superior à ferramenta sem revestimento e uma inversão de desempenho foi observada entre as ferramentas revestidas: a ferramenta revestida com o filme de AlTiCrN apresentou um melhor desempenho quando a situação de ensaio foi mais branda. Quando os esforços foram mais severos, o melhor desempenho foi obtido com o revestimento de TiN. A essa inversão de desempenho foi atribuído o acabamento superficial dos filmes finos. / This work is devoted to the study of wear mechanisms in cold forming tools, such as punches and dies. The text begins with a discussion on the galling phenomenon, which is the main wear mechanism that takes place in cold forming operations. A brief analysis of the tribological behavior of punches that have operated in industrial conditions is then presented. Tests of sliding wear without repetition of the wear track were conducted in CNC lathes, considering the contact of materials normally used in cold forming operations. AISI M2 tool steels with and without TiN and AlTiCrN coatings were slided against AISI 1045 steel. Friction force results and microscopic surface observations were analyzed in order to qualify different tests conditions. Both coated tools conditions presented a better tribology performance than the uncoated ones and an inversion in performance was observed between the coated tools: the AlTiCrN coated tool had a better performance in milder conditions, while the TiN coated tool presented a better performance in more severe conditions. This inversion in performance was attributed to the surface finish of the coatings.

As ligas do sistema Fe-Mn-Al-C constituem-se numa das famílias mais promissoras para o atendimento dos requisitos crescentes de disponibilidade de aços com altas relações resistência/peso, principalmente nas indústrias de transporte aeronáutica e automotiva, visando a redução no consumo de combustível e a consequente emissão de CO2. Suas densidades, cerca de 10% a 13% inferiores aos dos aços convencionais e a possibilidade de aumento de resistência mecânica por tratamentos de endurecimento pela precipitação de carboneto k (Fe,Mn)Al3C possibilitam a obtenção de elevadas resistências específicas. O uso de técnicas da Engenharia de Superfícies, associadas aos tratamentos térmicos adequados, podem ampliar a faixa de desempenho dessas ligas. Neste trabalho foram realizados tratamentos termoquímicos de boretação em sais fundidos, nitrocementação a plasma e cromização por pó em amostras de um aço com a composição Fe-31,2Mn-7,5Al-1,3Si-0,9C (% em peso), visando à obtenção de camadas de elevados desempenhos mecânicos e físicos. As camadas produzidas foram caracterizadas por meio de ensaios micrográficos, de dureza, desgaste e corrosão. Todos os tipos de tratamentos produziram camadas com resistências ao desgaste muito superiores às do substrato, com destaque para os tratamentos de boretação e de cromização, que produziram camadas com resistências ao desgaste cerca de nove e seis vezes superiores às do substrato, respectivamente. O tratamento de cromização produziu camada com resistência à corrosão por pites muito superior à do substrato. / The alloys of the Fe-Mn-Al-C system belong to one of the most promising families to meet the increasing requirements of availability of steels with high resistance/weight ratio, particularly in the aeronautics and automotive industries, aimed at reducing the consumption of fuel and consequent CO2 emissions. Their densities, between 10% to 13% lower than those of conventional steels, and the possibility of increased strength by hardening treatment by the precipitation of k carbides (Fe, Mn)Al3C, allow to obtain high specific resistance. The use of techniques of surface engineering, attached to suitable heat treatment, can extend the performance range of these alloys. In this work were carried out thermochemical boriding treatment in molten salts, plasma nitrocarburizing and pack chromizing in a Fe-31,2Mn 7,5Al-1,3Si-0,9C(wt%) steel, in order to obtain coatings with high mechanical and physical performances. The layers produced were characterized using micrographic, hardness, wear and corrosion tests. All treatments produced layers with wear resistance superior to that the substrate, especially the boriding and chromizing treatments, which produced layers with wear resistance around nine and six times higher than that of substrate, respectively. The chromizing treatment produced layer with pitting corrosion resistance superior to that of the substrate.

As ligas do sistema Fe-Mn-Al-C constituem-se numa das famílias mais promissoras para o atendimento dos requisitos crescentes de disponibilidade de aços com altas relações resistência/peso, principalmente nas indústrias de transporte aeronáutica e automotiva, visando a redução no consumo de combustível e a consequente emissão de CO2. Suas densidades, cerca de 10% a 13% inferiores aos dos aços convencionais e a possibilidade de aumento de resistência mecânica por tratamentos de endurecimento pela precipitação de carboneto k (Fe,Mn)Al3C possibilitam a obtenção de elevadas resistências específicas. O uso de técnicas da Engenharia de Superfícies, associadas aos tratamentos térmicos adequados, podem ampliar a faixa de desempenho dessas ligas. Neste trabalho foram realizados tratamentos termoquímicos de boretação em sais fundidos, nitrocementação a plasma e cromização por pó em amostras de um aço com a composição Fe-31,2Mn-7,5Al-1,3Si-0,9C (% em peso), visando à obtenção de camadas de elevados desempenhos mecânicos e físicos. As camadas produzidas foram caracterizadas por meio de ensaios micrográficos, de dureza, desgaste e corrosão. Todos os tipos de tratamentos produziram camadas com resistências ao desgaste muito superiores às do substrato, com destaque para os tratamentos de boretação e de cromização, que produziram camadas com resistências ao desgaste cerca de nove e seis vezes superiores às do substrato, respectivamente. O tratamento de cromização produziu camada com resistência à corrosão por pites muito superior à do substrato. / The alloys of the Fe-Mn-Al-C system belong to one of the most promising families to meet the increasing requirements of availability of steels with high resistance/weight ratio, particularly in the aeronautics and automotive industries, aimed at reducing the consumption of fuel and consequent CO2 emissions. Their densities, between 10% to 13% lower than those of conventional steels, and the possibility of increased strength by hardening treatment by the precipitation of k carbides (Fe, Mn)Al3C, allow to obtain high specific resistance. The use of techniques of surface engineering, attached to suitable heat treatment, can extend the performance range of these alloys. In this work were carried out thermochemical boriding treatment in molten salts, plasma nitrocarburizing and pack chromizing in a Fe-31,2Mn 7,5Al-1,3Si-0,9C(wt%) steel, in order to obtain coatings with high mechanical and physical performances. The layers produced were characterized using micrographic, hardness, wear and corrosion tests. All treatments produced layers with wear resistance superior to that the substrate, especially the boriding and chromizing treatments, which produced layers with wear resistance around nine and six times higher than that of substrate, respectively. The chromizing treatment produced layer with pitting corrosion resistance superior to that of the substrate.