Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, foram realizados ensaios de tribocorrosão no aço inoxidável AISI 304L, no titânio comercialmente puro (CPTi) e na liga de titânio Ti6Al4V em solução aquosa de 0,90% m/v NaCl. Amostras de ligas de titânio com tratamento térmico superficial de refusão a laser também foram utilizadas. Um tribômetro do tipo pino-no-disco com contracorpo de alumina foi usado. Técnicas eletroquímicas in situ de monitoramento em circuito aberto, espectroscopia de impedância eletroquímica, curvas de polarização e amperimetria de resistência nula foram empregadas. Os resultados obtidos indicam que o desgaste tribocorrosivo das ligas de titânio é mais intenso do que o observado no aço inoxidável, apresentando perfis de superfície mais irregulares. A análise da impedância eletroquímica mostrou que todos os materiais utilizados apresentam uma rápida recuperação da camada passiva, exibindo módulos e fases um pouco menores do que os medidos antes do desgaste. Sob atrito, os diagramas de impedância apresentam uma forte redução do módulo. Sob desgaste, o expoente α do elemento de fase constante (CPE) atinge seu valor mais baixo, enquanto o parâmetro γ é máximo. As curvas de polarização exibem potenciais menores e densidades de corrente de corrosão maiores durante o desgaste. O tratamento de refusão a laser, embora mude a microestrutura e a dureza superficial das amostras, não indica uma mudança aparente nos parâmetros eletroquímicos sob tribocorrosão, bem como do coeficiente de atrito. Nos ensaios de amperimetria de resistência nula, foi possível estimar a corrente mensurada no ARN por meio do emprego de um circuito elétrico equivalente. A densidade espectral de potência dos sinais de potencial e de corrente exibe a frequência de rotação (1,25 Hz) e seus harmônicos. Para baixas frequências (abaixo de 10 mHz), o decaimento obedece à relação 1 ⁄ e 1⁄ para os sinais de potencial e corrente, respectivamente. / In this study, tribocorrosion tests were performed in stainless steel AISI 304L, commercially pure titanium (CPTI) and Ti6Al4V titanium alloy in 0.9% m/v NaCl aqueous solution of. Titanium alloy sample with laser remelting treatments were also tested. A pin-on-disc tribometer with alumina counterbody was used. In situ electrochemical techniques of open circuit monitoring, electrochemical impedance spectroscopy, polarization curves and zero resistance ammeter were employed. Results indicate tribocorrosion wear of titanium alloys is more intense than that observed in stainless steel, presenting more irregular surface profiles. Analysis of electrochemical impedance spectroscopy showed all materials used have a fast recovery of the passive layer, showing modulus and phase slightly smaller than those measured prior to wear. Under friction, impedance diagrams show a strong reduction of the modulus. Under rubbing, exponent α of the constant phase element (CPE) reaches its lowest value, while γ parameter is maximum. Polarization curves show lower corrosion potential and higher corrosion current density during rubbing. Laser remelting treatments, although changes microstructure and surface hardness of the samples, does not indicate an apparent change in electrochemical parameters under tribocorrosion, as well as in coefficient of friction. In zero resistance ammeter tests, it was possible to estimate the current measured in ZRA using an electrical equivalent circuit. Power spectral density of the potential and current signals exhibits the rotation frequency (1.25 Hz) and its harmonics. For lower frequencies (below 10 mHz), the decay follows 1⁄ and 1⁄ roll-off for signals of potential and current, respectively.

A maneira mais usual de estudar desgaste de componentes mecânicos e avaliar os parâmetros que o afetam é através de ensaios experimentais. Adicionalmente, estudos utilizando simulações numéricas com o Método dos Elementos Finitos em conjunto com modelos matemáticos têm ajudado a entender alguns princípios físicos, bem como estimar os efeitos do desgaste. Dentro desse contexto está inserida a presente dissertação, cujo objetivo é estudar o comportamento tribológico do sistema pistão-corpo de uma bomba de injeção a diesel através de ensaios experimentais e simulações numéricas. Um dispositivo é desenvolvido e construído para a realização dos ensaios experimentais por deslizamento em um tribômetro. Os ensaios são realizados a seco, com variações de forças normais e distâncias deslizadas. Os resultados obtidos são integrados a um modelo numérico através de uma sub-rotina que aplica o desgaste ao longo da simulação. O modelo numérico é desenvolvido através do método dos elementos finitos com o intuito de representar os experimentos e reproduzir o desgaste na superfície do pistão. Os resultados experimentais mostram diferentes comportamentos e mecanismos de desgaste atuantes. No início dos ensaios, o comportamento é estável, como menor taxa de desgaste e mecanismos com predominância de deformação plástica. No final desse período, aumenta-se o número de partículas de desgaste na interface e aderidas na superfície oposta, gerando abrasão, aumentando a taxa de desgaste, até o rompimento total do revestimento de nitreto de titânio do pistão. A sub-rotina aplica o desgaste com boa concordância com os experimentos. Com os resultados do modelo numérico é possível avaliar o comportamento dos componentes, levando-se em consideração a evolução do desgaste no pistão, além de estimar o coeficiente de desgaste para o par de contato avaliado. / The most common way to study wear of mechanical components and evaluate the parameters that affect it is through experimental tests. In addition, studies using numerical simulations with the Finite Element Method in combination with mathematical models have helped to understand some physical principles, as well to estimate the effects of wear. Within this context it is inserted this thesis, which goal is to study the tribological behavior of the plunger-pump body of a diesel injection system through experimental tests and numerical simulations. A device is developed and built for experimental sliding tests on a tribometer. Dry tests are performed with variation of normal forces and sliding distances. Results are integrated with a numerical model through a sub-routine that applies the wear along the simulation. The numerical model is developed by finite element method in order to represent the experimental tests and reproduce the wear in the plunger surface. The experimental results show different wear behaviors and mechanisms. In the beginning of the tests, the behavior is stable, with smaller wear rate and mechanisms with predominance of plastic deformation. At the end of this period, the number of wear particles in the interface and attached to the opposing surface is increased, generating abrasion, increasing the wear rate, up to the total break of the plunger titanium-nitride coating. The sub-routine applies the wear with good agreement with experimental tests. With the results of the numerical model, it is possible to evaluate the components behavior, taking into account the wear evolution in the plunger, besides estimating the wear coefficient for the evaluated contact pair.

A maneira mais usual de estudar desgaste de componentes mecânicos e avaliar os parâmetros que o afetam é através de ensaios experimentais. Adicionalmente, estudos utilizando simulações numéricas com o Método dos Elementos Finitos em conjunto com modelos matemáticos têm ajudado a entender alguns princípios físicos, bem como estimar os efeitos do desgaste. Dentro desse contexto está inserida a presente dissertação, cujo objetivo é estudar o comportamento tribológico do sistema pistão-corpo de uma bomba de injeção a diesel através de ensaios experimentais e simulações numéricas. Um dispositivo é desenvolvido e construído para a realização dos ensaios experimentais por deslizamento em um tribômetro. Os ensaios são realizados a seco, com variações de forças normais e distâncias deslizadas. Os resultados obtidos são integrados a um modelo numérico através de uma sub-rotina que aplica o desgaste ao longo da simulação. O modelo numérico é desenvolvido através do método dos elementos finitos com o intuito de representar os experimentos e reproduzir o desgaste na superfície do pistão. Os resultados experimentais mostram diferentes comportamentos e mecanismos de desgaste atuantes. No início dos ensaios, o comportamento é estável, como menor taxa de desgaste e mecanismos com predominância de deformação plástica. No final desse período, aumenta-se o número de partículas de desgaste na interface e aderidas na superfície oposta, gerando abrasão, aumentando a taxa de desgaste, até o rompimento total do revestimento de nitreto de titânio do pistão. A sub-rotina aplica o desgaste com boa concordância com os experimentos. Com os resultados do modelo numérico é possível avaliar o comportamento dos componentes, levando-se em consideração a evolução do desgaste no pistão, além de estimar o coeficiente de desgaste para o par de contato avaliado. / The most common way to study wear of mechanical components and evaluate the parameters that affect it is through experimental tests. In addition, studies using numerical simulations with the Finite Element Method in combination with mathematical models have helped to understand some physical principles, as well to estimate the effects of wear. Within this context it is inserted this thesis, which goal is to study the tribological behavior of the plunger-pump body of a diesel injection system through experimental tests and numerical simulations. A device is developed and built for experimental sliding tests on a tribometer. Dry tests are performed with variation of normal forces and sliding distances. Results are integrated with a numerical model through a sub-routine that applies the wear along the simulation. The numerical model is developed by finite element method in order to represent the experimental tests and reproduce the wear in the plunger surface. The experimental results show different wear behaviors and mechanisms. In the beginning of the tests, the behavior is stable, with smaller wear rate and mechanisms with predominance of plastic deformation. At the end of this period, the number of wear particles in the interface and attached to the opposing surface is increased, generating abrasion, increasing the wear rate, up to the total break of the plunger titanium-nitride coating. The sub-routine applies the wear with good agreement with experimental tests. With the results of the numerical model, it is possible to evaluate the components behavior, taking into account the wear evolution in the plunger, besides estimating the wear coefficient for the evaluated contact pair.

Duas das principais formas de degradação de materiais metálicos estão relacionadas a danos mecânicos e eletroquímicos, devidos ao atrito, e à corrosão, respectivamente. Especialmente em materiais passivos, como os aços inoxidáveis, observa-se uma sinergia entre esses mecanismos de dano. Nesta dissertação foram realizados ensaios de tribocorrosão do aço superduplex UNS S32750 em solução aquosa de 3,5% em massa de NaCl. Para realizar estes ensaios foi necessário, inicialmente, instrumentar e adaptar um tribômetro do tipo pino-no-disco construído no Instituto Politécnico da UERJ. Para identificar os parâmetros de tribocorrosão mais relevantes para este sistema, foi elaborado um planejamento fatorial 23 e, a partir destes resultados, outros ensaios mais específicos foram elaborados. Técnicas eletroquímicas in situ de espectroscopia de impedância eletroquímica, polarização potenciodinâmica e amperometria de resistência nula foram usadas em amostras submetidas à solicitação tribológica. Os resultados mostraram que a carga aplicada no atrito é o fator de maior influência nas variáveis eletroquímicas medidas. Foi verificado que há efetivamente uma correlação entre os aspectos mecânicos e eletroquímicos com base no coeficiente de atrito e nos resultados dos ensaios eletroquímicos, principalmente nos obtidos de varredura potenciodinâmica e amperometria de resistência nula. Os dados eletroquímicos para a carga aplicada mostra claramente dois grupos com diferentes comportamentos, abaixo e acima da carga aplicada de 7 N. / Two of the main forms of degradation of metallic materials are related to mechanical and electrochemical damages due to friction and corrosion processes respectively. Especially in passive materials, such as stainless steels, there is a synergy between these mechanisms of damage. In this dissertation, we carried out tribocorrosion tests of superduplex steel UNS S32750 in 3.5 wt% NaCl aqueous solution. Initially, to perform these tests was necessary to instrumentate and adapt a pin-on-disk tribometer, wich had built at the Instituto Politécnico of UERJ. In order to identify most relevant tribocorrosion parameters of this system, was designed a 23 factorial design and, from these results, other more specific tests were developed. In situ electrochemical techniques of electrochemical impedance spectroscopy, potentiodynamic polarization and zero resistance amperometry were used on samples under tribological solicitation. The results showed that the applied load is the most influent factor on electrochemical measurements. It was found a close correlation between the electrochemical and mechanical aspects, based on the analysis of friction coefficient and the results of electrochemical tests, mainly those obtained from potentiodynamic sweeping and zero resistance amperometry. The electrochemical data for mechanical loads clearly shows two groups of different behaviors, below and beyond the applied charge of 7 N.

O presente trabalho discute a influência da microestrutura dos ferros fundidos, cinzento (FFC) e vermicular (FFV), na ocorrência de metal dobrado (FM) em superfícies brunidas e no comportamento tribológico em ensaio lubrificado do tipo anel sobre cilindro. As amostras de ferro fundido foram extraídas diretamente de um bloco de motor de combustão interna, em regiões de diferentes espessuras. O anel de pistão utilizado foi de aço inoxidável martensítico nitretado com perfil assimétrico e o óleo lubrificante foi o SAE 30 CF monoviscoso. A quantificação de sulcos e de metal dobrado (FM) foi realizada empregando-se uma metodologia baseada na literatura. Para a execução dos ensaios tribológicos foi projetada e construída uma adaptação para a montagem das amostras e controle de temperatura do óleo lubrificante. Um parâmetro para avaliação do desempenho tribológico foi proposto – índice de mérito tribológico (IMT) – que leva em conta coeficiente de atrito (COF) e alterações de topografia. Os ferros fundidos apresentaram microestruturas típicas. Contudo, observaram-se diferenças de morfologia e distribuição da grafita; com maior número de grafitas e menor fração de grafita para os materiais de parede fina. Observou-se FM nos platôs e nos sulcos das superfícies brunidas em todas as amostras. Quantificações mostraram que as larguras dos sulcos foram estatisticamente iguais e com alto percentual de obstrução. A quantificação de FM dos materiais mostrou maiores valores presentes na região do Spk (FMspk) para os FFC's. Os materiais de parede grossa apresentaram maiores valores de % FM dentro do sulco (%FM/Sulco) e este parâmetro teve forte e positiva correlação estatística com a fração de grafita. Evidências, obtidas em avaliações de seções transversais, corroboraram a relação entre FM e grafita. Constatou-se que o FM pode ser formado diretamente sobre a grafita ou, ainda, de forma indireta devido à extrusão desta fase. Ademais, verificou-se que a morfologia e orientação da grafita têm influência na formação do FM. Realizaram-se ensaios preliminares de curta duração de anel sobre cilindro para a avaliação da repetibilidade dos resultados de COF, os quais indicaram menor dispersão para condições com menores frequências e maiores forças normais. Avaliações da dinâmica do ensaio tribológico permitiram apontar relações de redução de COF durante os semi-ciclos de movimento e associá-las à teoria de lubrificação hidrodinâmica. O COF para ensaios de longa duração apresentou comportamento cíclico com transições. Estas transições foram associadas a mecanismos de formação-remoção-formação de tribofilmes de ZDDP. Os ensaios impuseram alterações nos parâmetros de rugosidade (principalmente com alisamento das superfícies) e redução do parâmetro de filme. O IMT evidenciou pouca influência da espessura do material; e melhor desempenho tribológico para os FFV's. A rotina de quantificação de FM mostrou limitação técnica devido ao alisamento da superfície, o que causa mudança na referência de alturas das superfícies brunidas. Ainda assim, verificou-se redução do %FM/Sulco e tendência de desobstrução do sulco. Contatou-se pouca influência do FM no comportamento do COF devido à similaridade dos parâmetros de FM entre os materiais. Contudo, o FM foi associado a um agente de abrasão à três corpos e apresentou forte correlação positiva do parâmetro de FMspk (no início do ensaio) com o parâmetro do IMT relacionado com a alteração de topografia. / The present work discusses the influence of the microstructure of gray cast iron (GCI) and compacted graphite iron (CGI) on the occurrence of folded metal (FM) on honed surfaces and its tribological behavior in ring-on-cylinder test under lubrication. The cast iron samples were taken directly from an internal combustion engine block in regions of different thicknesses. The piston ring used was a nitrided martensitic stainless steel with asymmetrical profile and the lubricant oil was the SAE 30 CF. The quantification of grooves and folded metal (FM) was carried out using a methodology based on the literature. For the execution of the tribological tests an adaptation was designed and built for assembling the samples and for controlling the oil temperature. One parameter to evaluate the tribological performance was proposed - tribological merit index (TMI) - which considers the coefficient of friction (COF) and changes in topography. Each cast iron presented typical microstructures. However, differences in morphology and graphite distribution were observed; the samples from thinner wall presented higher number of graphite and less fraction of graphite. FM was observed on the plateaus and grooves of the honed surfaces in all samples. Quantification showed that the widths of the grooves were statistically similar and with a high percentage of obstruction. GCIs present a higher amount of FM in the Spk region (FMspk).The thicker wall samples presented a higher amount of FM in the grooves (% FM / Groove) and this parameter had a strong and positive statistical correlation with the graphite fraction. Evidences, obtained in cross section evaluations, corroborated the relationship between FM and graphite. It was verified that FM can be formed directly on graphite or indirectly due to the extrusion of this phase. In addition, its morphology and orientation influenced the occurrence of FM. Preliminary short-term tests were performed to evaluate the repeatability of COF results. These tests indicated less dispersion for conditions with lower frequencies and higher normal forces. Evaluations of the dynamics of the tribological test allowed to point out conditions to reduce the COF during the half-cycles of movement and to associate them to the theory of hydrodynamic lubrication. The COF for long-term tests presented cyclical behavior with transitions. These transitions were associated with formation-removal-formation mechanisms of ZDDP tribofilms. The tribological tests imposed changes on the roughness parameters (mainly with smoothness of the surfaces) and reductions on the film parameter. The thickness of samples affected little the TMI; and a better tribological performance of CGIs was detected. The FM quantification routine showed a technical limitation due to surface smoothing, which causes a change in the reference of heights of honed surfaces. Nevertheless, there was a reduction in %FM/Groove and tendency to clear the grooves. There was little influence of FM in COF behavior due to the similarity of FM parameters among the materials. However, FM was associated as a three-body abrasive agent and a strong positive correlation between the FMspk parameter (at the beginning of the test) and the TMI parameter was described.

O presente trabalho discute a influência da microestrutura dos ferros fundidos, cinzento (FFC) e vermicular (FFV), na ocorrência de metal dobrado (FM) em superfícies brunidas e no comportamento tribológico em ensaio lubrificado do tipo anel sobre cilindro. As amostras de ferro fundido foram extraídas diretamente de um bloco de motor de combustão interna, em regiões de diferentes espessuras. O anel de pistão utilizado foi de aço inoxidável martensítico nitretado com perfil assimétrico e o óleo lubrificante foi o SAE 30 CF monoviscoso. A quantificação de sulcos e de metal dobrado (FM) foi realizada empregando-se uma metodologia baseada na literatura. Para a execução dos ensaios tribológicos foi projetada e construída uma adaptação para a montagem das amostras e controle de temperatura do óleo lubrificante. Um parâmetro para avaliação do desempenho tribológico foi proposto – índice de mérito tribológico (IMT) – que leva em conta coeficiente de atrito (COF) e alterações de topografia. Os ferros fundidos apresentaram microestruturas típicas. Contudo, observaram-se diferenças de morfologia e distribuição da grafita; com maior número de grafitas e menor fração de grafita para os materiais de parede fina. Observou-se FM nos platôs e nos sulcos das superfícies brunidas em todas as amostras. Quantificações mostraram que as larguras dos sulcos foram estatisticamente iguais e com alto percentual de obstrução. A quantificação de FM dos materiais mostrou maiores valores presentes na região do Spk (FMspk) para os FFC's. Os materiais de parede grossa apresentaram maiores valores de % FM dentro do sulco (%FM/Sulco) e este parâmetro teve forte e positiva correlação estatística com a fração de grafita. Evidências, obtidas em avaliações de seções transversais, corroboraram a relação entre FM e grafita. Constatou-se que o FM pode ser formado diretamente sobre a grafita ou, ainda, de forma indireta devido à extrusão desta fase. Ademais, verificou-se que a morfologia e orientação da grafita têm influência na formação do FM. Realizaram-se ensaios preliminares de curta duração de anel sobre cilindro para a avaliação da repetibilidade dos resultados de COF, os quais indicaram menor dispersão para condições com menores frequências e maiores forças normais. Avaliações da dinâmica do ensaio tribológico permitiram apontar relações de redução de COF durante os semi-ciclos de movimento e associá-las à teoria de lubrificação hidrodinâmica. O COF para ensaios de longa duração apresentou comportamento cíclico com transições. Estas transições foram associadas a mecanismos de formação-remoção-formação de tribofilmes de ZDDP. Os ensaios impuseram alterações nos parâmetros de rugosidade (principalmente com alisamento das superfícies) e redução do parâmetro de filme. O IMT evidenciou pouca influência da espessura do material; e melhor desempenho tribológico para os FFV's. A rotina de quantificação de FM mostrou limitação técnica devido ao alisamento da superfície, o que causa mudança na referência de alturas das superfícies brunidas. Ainda assim, verificou-se redução do %FM/Sulco e tendência de desobstrução do sulco. Contatou-se pouca influência do FM no comportamento do COF devido à similaridade dos parâmetros de FM entre os materiais. Contudo, o FM foi associado a um agente de abrasão à três corpos e apresentou forte correlação positiva do parâmetro de FMspk (no início do ensaio) com o parâmetro do IMT relacionado com a alteração de topografia. / The present work discusses the influence of the microstructure of gray cast iron (GCI) and compacted graphite iron (CGI) on the occurrence of folded metal (FM) on honed surfaces and its tribological behavior in ring-on-cylinder test under lubrication. The cast iron samples were taken directly from an internal combustion engine block in regions of different thicknesses. The piston ring used was a nitrided martensitic stainless steel with asymmetrical profile and the lubricant oil was the SAE 30 CF. The quantification of grooves and folded metal (FM) was carried out using a methodology based on the literature. For the execution of the tribological tests an adaptation was designed and built for assembling the samples and for controlling the oil temperature. One parameter to evaluate the tribological performance was proposed - tribological merit index (TMI) - which considers the coefficient of friction (COF) and changes in topography. Each cast iron presented typical microstructures. However, differences in morphology and graphite distribution were observed; the samples from thinner wall presented higher number of graphite and less fraction of graphite. FM was observed on the plateaus and grooves of the honed surfaces in all samples. Quantification showed that the widths of the grooves were statistically similar and with a high percentage of obstruction. GCIs present a higher amount of FM in the Spk region (FMspk).The thicker wall samples presented a higher amount of FM in the grooves (% FM / Groove) and this parameter had a strong and positive statistical correlation with the graphite fraction. Evidences, obtained in cross section evaluations, corroborated the relationship between FM and graphite. It was verified that FM can be formed directly on graphite or indirectly due to the extrusion of this phase. In addition, its morphology and orientation influenced the occurrence of FM. Preliminary short-term tests were performed to evaluate the repeatability of COF results. These tests indicated less dispersion for conditions with lower frequencies and higher normal forces. Evaluations of the dynamics of the tribological test allowed to point out conditions to reduce the COF during the half-cycles of movement and to associate them to the theory of hydrodynamic lubrication. The COF for long-term tests presented cyclical behavior with transitions. These transitions were associated with formation-removal-formation mechanisms of ZDDP tribofilms. The tribological tests imposed changes on the roughness parameters (mainly with smoothness of the surfaces) and reductions on the film parameter. The thickness of samples affected little the TMI; and a better tribological performance of CGIs was detected. The FM quantification routine showed a technical limitation due to surface smoothing, which causes a change in the reference of heights of honed surfaces. Nevertheless, there was a reduction in %FM/Groove and tendency to clear the grooves. There was little influence of FM in COF behavior due to the similarity of FM parameters among the materials. However, FM was associated as a three-body abrasive agent and a strong positive correlation between the FMspk parameter (at the beginning of the test) and the TMI parameter was described.

No presente trabalho foi avaliado o efeito da microestrutura e da capacidade de suportar carregamento de camadas nitretadas produzidas em aços ferramenta AISI H13 e AISI D2 sobre a aderência e a resistência ao desgaste microabrasivo de revestimentos de TiN-PVD. Em cada um desses aços, foram produzidas camadas nitretadas de diferentes estruturas e espessuras, e foram determinadas experimentalmente as curvas potencial início de formação de camada branca, para a nitretação a 520oC. Para o aço ferramenta AISI H13, o emprego de tempos de pré-tratamento de nitretação mais prolongados ( aproximadamente 11 h) foi necessário para aprofundar a camada nitretada e, conseqüentemente, aumentar a capacidade de suportar carregamento dos revestimentos, evitando a formação de bordas que provocam o lascamento e a escamação das camadas de TiN. Observou-se que esse tipo de falha persiste se a zona de endurecimento for pouco profunda, uma vez que a transição de propriedades mecânicas da camada de TiN para o núcleo não nitretado continua abrupta e a capacidade de suportar carregamento da camada nitretada ainda é baixa. Por outro lado, curtos tempos de nitretação (aproximadamente 42 min.) foram suficientes para aumentar a aderência das camadas de TiN ao aço ferramenta D2, pois o núcleo não nitretado desse aço possui uma capacidade de suportar carregamento razoável. Observou-se que a resistência ao desgaste microabrasivo e a aderência dos revestimentos são prejudicadas com a presença de uma camada preta na interface camada de TiN/camada nitretada. Quando a superfície dos revestimentos é carregada, falhas do tipo “casca de ovo" facilmente ocorrem. / In this work, the influence of both the microstructure and the load-bearing capacity of nitrided layers, formed on top of AISI D2 and AISI H13 tool steels, on adhesion and wear resistance of PVD-TiN coatings was studied. The threshold nitriding potential curves for the above mentioned steels and the optimum conditions of the pre-treatments which increased the adhesion as well as the wear resistance of the PVD-TiN were determined experimentally. By using longer nitriding times (about 11 h) and lower nitrogen contents in the gas mixture (about N2-5%vol.), it was possible to minimize the pile-up degree of the TiN/H13 nitrided substrates and, consequently, the occurrence of coatings chipping. This flaw persists when the nitrided layer is thin, due to an abrupt transition of mechanical properties at the TiN coating / steel core interface. Shorter nitriding times (about 42 min.) and lower nitrogen contents (about N2-5%vol.), on the other hand, are sufficient to guarantee a better adhesion of TiN coatings on AISI D2 tool steel, as the core of such steel possesses relatively better load-bearing capacity than the AISI H13 tool steel. The presence of a black layer at the TiN/nitrided layer interface was observed in all coatings deposited over nitrided layers produced above the threshold nitriding potential curves. This layer affects adversely the wear resistance and the adhesion of the TiN coatings. When higher loads are applied on the coated surface, “egg shell" type flaws easily occur.

No presente trabalho foi avaliado o efeito da microestrutura e da capacidade de suportar carregamento de camadas nitretadas produzidas em aços ferramenta AISI H13 e AISI D2 sobre a aderência e a resistência ao desgaste microabrasivo de revestimentos de TiN-PVD. Em cada um desses aços, foram produzidas camadas nitretadas de diferentes estruturas e espessuras, e foram determinadas experimentalmente as curvas potencial início de formação de camada branca, para a nitretação a 520oC. Para o aço ferramenta AISI H13, o emprego de tempos de pré-tratamento de nitretação mais prolongados ( aproximadamente 11 h) foi necessário para aprofundar a camada nitretada e, conseqüentemente, aumentar a capacidade de suportar carregamento dos revestimentos, evitando a formação de bordas que provocam o lascamento e a escamação das camadas de TiN. Observou-se que esse tipo de falha persiste se a zona de endurecimento for pouco profunda, uma vez que a transição de propriedades mecânicas da camada de TiN para o núcleo não nitretado continua abrupta e a capacidade de suportar carregamento da camada nitretada ainda é baixa. Por outro lado, curtos tempos de nitretação (aproximadamente 42 min.) foram suficientes para aumentar a aderência das camadas de TiN ao aço ferramenta D2, pois o núcleo não nitretado desse aço possui uma capacidade de suportar carregamento razoável. Observou-se que a resistência ao desgaste microabrasivo e a aderência dos revestimentos são prejudicadas com a presença de uma camada preta na interface camada de TiN/camada nitretada. Quando a superfície dos revestimentos é carregada, falhas do tipo “casca de ovo” facilmente ocorrem. / In this work, the influence of both the microstructure and the load-bearing capacity of nitrided layers, formed on top of AISI D2 and AISI H13 tool steels, on adhesion and wear resistance of PVD-TiN coatings was studied. The threshold nitriding potential curves for the above mentioned steels and the optimum conditions of the pre-treatments which increased the adhesion as well as the wear resistance of the PVD-TiN were determined experimentally. By using longer nitriding times (about 11 h) and lower nitrogen contents in the gas mixture (about N2-5%vol.), it was possible to minimize the pile-up degree of the TiN/H13 nitrided substrates and, consequently, the occurrence of coatings chipping. This flaw persists when the nitrided layer is thin, due to an abrupt transition of mechanical properties at the TiN coating / steel core interface. Shorter nitriding times (about 42 min.) and lower nitrogen contents (about N2-5%vol.), on the other hand, are sufficient to guarantee a better adhesion of TiN coatings on AISI D2 tool steel, as the core of such steel possesses relatively better load-bearing capacity than the AISI H13 tool steel. The presence of a black layer at the TiN/nitrided layer interface was observed in all coatings deposited over nitrided layers produced above the threshold nitriding potential curves. This layer affects adversely the wear resistance and the adhesion of the TiN coatings. When higher loads are applied on the coated surface, “egg shell” type flaws easily occur.