Os aços ultra-resistentes e os sinterizados estão bem estabelecidos tecnologicamente, sendo utilizados nas mais variadas aplicações. Entretanto para certas situações, como é o caso de componentes sujeitos aos desgaste severo, existe a necessidade de se melhorar suas propriedades superficiais. Dentre as técnicas de endurecimento superficial, a nitretação iônica se apresenta como uma boa alternativa para o tratamento desses aços, uma vez que as peças ficam menos suscetíveis a empenamentos e distorções, como ocorre em outros tratamentos superficiais convencionais e permite o controle adequado da camada produzida. O presente trabalho tem por objetivo estudar o efeito do silício em aços ultra-resistentes com relação ao tratamento térmico bem como a influência desse elemento na nitretação e conseqüentemente no desgaste abrasivo e verificar a influência do V sobre essas mesmas características no caso de aços sinterizados. Foram utilizadas oito ligas, com diferentes teores de silício e vanádio, que foram nitretados ionicamente em diferentes condições de temperatura e/ou tempo. As camadas nitretadas obtidas foram avaliadas por meio de ensaios de microdureza na superfície e na seção transversal, microscopia ótica e eletrônica de varredura, com microssonda (EDX), análise por difração de raios X e ensaios de abrasão do tipo \"pino-sobre-disco\". Observou-se que, com o aumento do teor de silício, nas ligas ultra-resistentes aumentou a dureza após o revenido e que a presença desse elemento aumenta consideravelmente a dureza da camada nitretada. O aumento do teor de silício produziu camadas de compostos menos espessas e de alta dureza, que apresentaram as melhores resistência ao desgaste abrasivo. As análises superficiais por meio de raio X demonstraram que essas camadas são formadas por uma mistura de nitretos &#947\'-Fe4N, &#949Fe2-3N, CrN, MoN e Si3N4, que variam suas proporções com as condições de nitretação. Nas ligas sinterizadas as durezas das camadas aumentaram consideravelmente depois da nitretação iônica, devido a formação de VN. No ensaio de desgaste abrasivo verificou-se que tal aumento de dureza resultou em uma menor perda de massa, quando a camada de compostos é constituída significativamente de VN e &#947\'- Fe4N. O incremento do tempo de tratamento não influenciou na forma e tamanho dos carbonetos presentes nesses aços. / The ultra-strength and sintered steels are technologically very established, being used in the most varied applications. In the cases where the main selection requirements are the mechanical resistance and the cost of the material, those steels are an interesting option. However for certain applications, as it is the case of components subject to the severe wear, the need exists of improving its surface properties. Among the techniques of superficial hardening, the ion nitriding present it self as a good alternative for the treatment of those steels, once the specimen are less susceptible to the warpage and distortions, as it happens in another conventional superficial treatments. The objective of the present work is to study the effect of the Si in ultra-strength steels relating it to the heat treatment as well as the abrasive wear resistance of the same and of sintered tool steels with variable content of V, after ion nitriding. Eight alloys were used with different content of Si and V. The alloys were ion nitrided in different conditions of temperature and/or time. The nitrided layers obtained were appraised by means of microhardness test in the surface and in the cross section of the layers, optical and scanning electron microscopy (SEM), with energy dispersive spectrometry (EDS), analysis for X-ray diffraction and \"Pin-on-Disc\" type abrasion test. It was observed that with the increase of the content of Si in the ultra-resistant alloys, increased the hardness after the tempering and the presence of that element it increases the hardness of the nitrided layer considerably. The increase of the content of Si produced smaller compound layers and of high hardness, that presented the best resistance to the abrasive wear. The superficial analysis by means of X-ray has shown that the compound layers are formed by a mixture of &#947\'-Fe4N, e-Fe2-3N, CrN, MoN and Si3N4, nitrides that vary its proportions with the nitriding conditions. In the sintered alloys the hardness of the layers increased considerably after the ion nitriding, due to formation of VN. In the test of abrasive wear it was verified that such increase of hardness results in a smaller mass loss, when the compound layer is constituted of VN and &#947\'-Fe4N phase. The increase of time of treatment did not influence in the shape and size of the present carbides in the steels.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jefferson Vieitas Fragoso.pdf: 11096922 bytes, checksum: 614fce3b64151fd99da32b8caf716e7f (MD5) Previous issue date: 2015-02-05 / This study aims to evaluate through destructive testing of steel specimens quick tempered subjected to a variation in the number of tempering treatments ranging from 1 to 4 cycles. Every condition of heat treatment at least three specimens were subjected to Charpy impact test on specimens without notch determining the modulus of rupture by three points flexion test. The samples were subjected to chemical and metallographic analyzes. The fracture surfaces were observed visually, by using microscope with increases ranging from 8 to 20 times, and also by scanning electron microscopy to determine the active fracture mechanisms. This experimental technique allowed the characterization in terms of semi quantitative chemical composition of the phases present in the specimens heat treated, namely primary and secondary carbides. The results were discussed in the light of information gathered in the literature review, and one of the main conclusions is that the sequence of tempering in the league studied did not alter significantly the energy absorbed results in impact tests and flexion resistance of bodies evidence submitted to bending test at three points. / O presente trabalho tem como objetivo avaliar, através de ensaios destrutivos, corpos de prova de aço rápido temperados, submetidos a uma variação no número de tratamentos de revenimento variando de 1 a 4 ciclos. A cada condição de tratamento térmico, pelo menos três corpos de prova foram submetidos ao Ensaio de Impacto Charpy em corpos de prova sem entalhe, determinando o módulo de ruptura de ensaio de flexão por três pontos. As amostras foram submetidas a análise química e metalográfica e, testes de dureza. As superfícies de fratura foram observadas a olho nu, através da utilização de estéreo microscópio com aumentos variando de 8 a 20 vezes, e também, por microscopia eletrônica de varredura para determinação dos mecanismos de fratura atuantes. Esta técnica experimental permitiu a caracterização, em termos, de composição química semi-quantitativa, das fases presentes nos corpos de prova tratados termicamente, a saber, os carbonetos primários e secundários. Os resultados foram discutidos à luz das informações colhidas na revisão bibliográfica, onde uma das observações principais é a de que a seqüência de revenimentos na liga estudada não altera de forma significativa os resultados de energia absorvida em ensaios de impacto e resistência à flexão, de corpos de prova submetidos ao ensaio de flexão a três pontos.

Realizou-se neste trabalho uma investigação comparativa do comportamento dos aços ferramenta H13 e THYROTHERM 2999 EFS SUPRA, destinados à fabricação de matrizes para conformação a quente, quando submetidos à fadiga de baixo ciclo a altas temperaturas (FBCAT). A partir de suas curvas de revenimento, foram definidas três durezas de trabalho para cada material (durezas de 42, 52 e 58 HRC), correspondendo a três temperaturas de revenimento distintas e três condições de estudo, buscando-se a condição ótima apresentada por estes materiais para este tipo de aplicação, visando-se então analisar a influência da dureza inicial do material na vida do componente. Foi determinada também a temperatura de ensaio de fadiga isotérmica, em 400°C, correspondente à temperatura de utilização da matriz, ou seja, uma temperatura crítica típica que a matriz atinge durante a solicitação em trabalho. A seguir foram realizados para cada material os ensaios de tração a temperatura ambiente, e na seqüência, os ensaios de tração na temperatura de trabalho definida, que permitiram a determinação dos primeiros parâmetros monotônicos dos materiais, dentre eles uma previsão para os níveis de deformação a serem utilizados nos ensaios de fadiga (0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 e 1.1%), e demais parâmetros como E, k, n, σe, σ’f, ε’f, b, c, que permitiram a elaboração de curvas ε−N, com um modelo estimativo já existente. Finalmente, foram então realizados os ensaios de fadiga isotérmica de baixo ciclo, à temperatura de 400°C, e os resultados foram utilizados para a elaboração das curvas ε−N, resultando então na proposta de um modelo de previsão de resistência à fadiga específico para os materiais pesquisados. / It was made in this work an investigative comparison of the behavior of the tool steels H13 and THYROTHERM 2999 EFS SUPRA, designed for die steels for hot forming, when exposed to high temperature low cycle fatigue (HTLCF). From their tempering curves three material working hardness were defined for each material (hardness of 42, 52 and 58 HRC), corresponding to three different tempering temperatures, and so three study cases for each material, searching for the best condition for this kind of application, and to assess the influence of the initial hardness on the part material life. The isothermal low cycle fatigue test temperature was either defined at 400°C, corresponding to the used temperature at the die steel, i.e., a critical typical temperature that the forging dies reach on hot working. After that, tensile tests were performed for both materials, at room temperature, and at the working temperature formerly defined, and these tests allowed the definition of the first monotonic parameters for these materials, among them predictions for strain levels (0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 and 1.1%), to be used on fatigue tests, and further parameters like E, k, n, σe, σ’f, ε’f, b, c, that allowed the elaboration of ε−N curves, based on a still existing prediction model. Finally, isothermal low cycle fatigue tests were performed, at 400°C, and the results were used for ε−N curves elaboration, resulting on a prediction model of the fatigue strength specified for the assessed materials.

Estágio realizado na FERESPE - e orientado pelo Eng. Pedro Lacerda / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Realizou-se neste trabalho uma investigação comparativa do comportamento dos aços ferramenta H13 e THYROTHERM 2999 EFS SUPRA, destinados à fabricação de matrizes para conformação a quente, quando submetidos à fadiga de baixo ciclo a altas temperaturas (FBCAT). A partir de suas curvas de revenimento, foram definidas três durezas de trabalho para cada material (durezas de 42, 52 e 58 HRC), correspondendo a três temperaturas de revenimento distintas e três condições de estudo, buscando-se a condição ótima apresentada por estes materiais para este tipo de aplicação, visando-se então analisar a influência da dureza inicial do material na vida do componente. Foi determinada também a temperatura de ensaio de fadiga isotérmica, em 400°C, correspondente à temperatura de utilização da matriz, ou seja, uma temperatura crítica típica que a matriz atinge durante a solicitação em trabalho. A seguir foram realizados para cada material os ensaios de tração a temperatura ambiente, e na seqüência, os ensaios de tração na temperatura de trabalho definida, que permitiram a determinação dos primeiros parâmetros monotônicos dos materiais, dentre eles uma previsão para os níveis de deformação a serem utilizados nos ensaios de fadiga (0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 e 1.1%), e demais parâmetros como E, k, n, σe, σ’f, ε’f, b, c, que permitiram a elaboração de curvas ε−N, com um modelo estimativo já existente. Finalmente, foram então realizados os ensaios de fadiga isotérmica de baixo ciclo, à temperatura de 400°C, e os resultados foram utilizados para a elaboração das curvas ε−N, resultando então na proposta de um modelo de previsão de resistência à fadiga específico para os materiais pesquisados. / It was made in this work an investigative comparison of the behavior of the tool steels H13 and THYROTHERM 2999 EFS SUPRA, designed for die steels for hot forming, when exposed to high temperature low cycle fatigue (HTLCF). From their tempering curves three material working hardness were defined for each material (hardness of 42, 52 and 58 HRC), corresponding to three different tempering temperatures, and so three study cases for each material, searching for the best condition for this kind of application, and to assess the influence of the initial hardness on the part material life. The isothermal low cycle fatigue test temperature was either defined at 400°C, corresponding to the used temperature at the die steel, i.e., a critical typical temperature that the forging dies reach on hot working. After that, tensile tests were performed for both materials, at room temperature, and at the working temperature formerly defined, and these tests allowed the definition of the first monotonic parameters for these materials, among them predictions for strain levels (0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 and 1.1%), to be used on fatigue tests, and further parameters like E, k, n, σe, σ’f, ε’f, b, c, that allowed the elaboration of ε−N curves, based on a still existing prediction model. Finally, isothermal low cycle fatigue tests were performed, at 400°C, and the results were used for ε−N curves elaboration, resulting on a prediction model of the fatigue strength specified for the assessed materials.

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.