Este trabalho traz contribuições à linha de pesquisa \'Nova Família de Ligas Baseada no Sistema Ni-Al-Cr-C Resistentes ao Desgaste em Elevadas Temperaturas\', estudando o comportamento mecânico, tribológico e a estabilidade superficial destas ligas. Esta família de ligas fundidas, denominada NICRALC - busca conjugar algumas características das superligas à base de níquel e dos ferros fundidos brancos, aliando ao comportamento mecânico anômalo do Ni3Al - aumento da resistência mecânica com a temperatura, até valores da ordem de 800°C - a uma dispersão de carbonetos de cromo de alta dureza. Desta forma, busca-se desenvolver uma alternativa às ligas ferrosas nas temperaturas acima das quais estas ligas perdem significativamente sua resistência mecânica (notadamente 600 °C), assim como uma alternativa mais econômica às ligas a base de cobalto resistentes ao desgaste, em virtude das altas cotações e instabilidades no preço deste elemento. Neste trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas em elevadas temperaturas (compressão e dureza), tenacidade à fratura na temperatura ambiente, comportamento tribológico (cavitação, abrasão, deslizamento e erosão) e a resistência à oxidação ao ar e à carburação em atmosfera redutora, em temperaturas elevadas, de ligas Ni-Al-Cr-C (NICRALC) fundidas. Ligas NICRALC fundidas com diferentes teores de carbono e submetidas a diferentes tratamentos tiveram seu comportamento mecânico e tribológico comparado ao comportamento do STELLITE 6 fundido, a uma liga NICRALC produzida por deposição por \'SPRAY\', a um ferro fundido branco alto cromo fundido convencionalmente e a um ferro fundido branco alto cromo depositado por \'SPRAY\'. Os ensaios de compressão confirmaram o comportamento anômalo da matriz ordenada Ni3Al. As ligas NICRALC apresentaram aumento ou manutenção da resistência ao escoamento com o aumento da temperatura de ensaio. A mesma tendência foi encontrada nos ensaios de dureza a quente. As demais ligas apresentaram tendência de queda da resistência ao escoamento e da dureza com o aumento da temperatura de ensaio. Esta tendência é mais acentuada na liga STELLITE, desta forma, as ligas NICRALC apresentaram em altas temperaturas maior resistência ao escoamento e maior dureza que o STELLITE. Os diferentes ensaios de desgaste mostraram, em geral, uma maior resistência do STELLITE em comparação com as ligas NICRALC na temperatura ambiente. Nestas condições verifica-se que a menor resistência mecânica da matriz ordenada nas ligas NICRALC é determinante para definir uma menor resistência ao desgaste na temperatura ambiente. Nos ensaios de erosão-oxidativa realizados a 600 e 800°C as ligas NICRALC mostraram perdas de massa menores que as experimentadas pelo STELLITE e pelos ferros fundidos. As ligas NICRALC com microestrutura de carbonetos mais homogênea, próxima do eutético, mostraram melhor comportamento sob desgaste abrasivo e erosivo se comparadas às ligas NICRALC 05 e 13. Os ensaios de resistência à oxidação mostraram que as ligas NICRALC são mais resistentes à oxidação que o STELLITE. Além disso, observou-se grande propensão ao destacamento dos filmes de óxidos formados nos STELLITES em temperaturas acima de 800°C. Os ensaios de resistência à carburação mostraram que no caso das ligas NICRALC ocorreu a precipitação de um depósito de grafita e, subjacente a esta, a formação de uma zona de fragmentação microestrutural, na qual se observa empobrecimento ora do Al ora do Cr, que aparentemente impede o avanço do processo. No caso do STELLITE verificou-se a ocorrência do aumento da fração volumétrica de carbonetos, típico dos casos clássicos de carburação. Os procedimentos de simulação termodinâmica utilizados indicam a necessidade de se implementar a descrição da solubilidade do carbono na fase ordenada de forma a permitir o pleno uso do software THERMOCALC no projeto e aprimoramento de ligas NICRALC. / This work contributes to the research line \'New Family of High Temperature Wear Resistant Alloys based on the Ni-Al-Cr-C System\', studying the mechanical and tribological behaviour and the surface stability of these alloys. This family of foundry alloys, called NICRALC, tries to unite some of the characteristics of the Ni based superalloys and the high-chromium-white-cast-irons, associating the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al - which increases its strength with the increase of temperature - with a dispersion of hard chromium carbides. The aim is to develop an alternative to iron-based wear resistant alloys at temperatures where they loose significantly their strength, as well as substituting cobalt based high temperature wear resistant alloys, which suffer from the instability and high cost of the Co metal. The high temperature mechanical properties (hardness and compression), room temperature fracture toughness, tribological behaviour (cavitation, abrasion, sliding and erosion) and resistance to high temperature oxidation and carburization of cast Ni-Al-Cr-C (NICRALC) alloys are studied. Cast NICRALC alloys with different C contents and different heat treatments were compared with a cast STELLITE 6, a conventionally cast high chromium white cast iron, a spray formed high chromium white cast iron and a spray formed NICRALC. Mechanical tests in compression confirmed that NICRALC alloys share the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al, increasing or maintaining their yield strength with increased testing temperature. The same occurred with hot hardness tests. STELLITE and all other alloys showed loss of strength with increased testing temperatures. Thus NICRALC alloys showed higher strength and hardness than STELLITE at high temperatures. All wear tests showed a higher wear resistance of STELLITE in comparison with NICRALC at room temperature. This result can be explained by the higher matrix hardness of STELLITE at room temperature. Oxidative-erosion tests run at 600 and 800° C showed that NICRALC suffered smaller mass loss than STELLITE and the white cast irons. NICRALC alloys with more homogeneous carbide distributions (eutectic alloys) obtained the best results under severe oxidation-erosion conditions. NICRALC alloys were more oxidation resistant than STELLITE alloy, which tended to break and detach the oxide layer formed above 800°C under air. During carburization essays in a reducing atmosphere the NICRALC alloys tended to form a coke-like graphite layer, over a layer with a fragmented microstructure depleted alternatively in chromium and aluminum, which effectively stopped the advance of the process. The STELLITE alloy suffered an increase in carbide volume fraction, a classic carburizing behaviour. The thermodynamic simulation results show that it is still needed to introduce the solubility of carbon on the ordered Ni3Al phase in the model in order to be able to fully calculate the NICRALC phase diagrams.

Este trabalho traz contribuições à linha de pesquisa \'Nova Família de Ligas Baseada no Sistema Ni-Al-Cr-C Resistentes ao Desgaste em Elevadas Temperaturas\', estudando o comportamento mecânico, tribológico e a estabilidade superficial destas ligas. Esta família de ligas fundidas, denominada NICRALC - busca conjugar algumas características das superligas à base de níquel e dos ferros fundidos brancos, aliando ao comportamento mecânico anômalo do Ni3Al - aumento da resistência mecânica com a temperatura, até valores da ordem de 800°C - a uma dispersão de carbonetos de cromo de alta dureza. Desta forma, busca-se desenvolver uma alternativa às ligas ferrosas nas temperaturas acima das quais estas ligas perdem significativamente sua resistência mecânica (notadamente 600 °C), assim como uma alternativa mais econômica às ligas a base de cobalto resistentes ao desgaste, em virtude das altas cotações e instabilidades no preço deste elemento. Neste trabalho foram avaliadas as propriedades mecânicas em elevadas temperaturas (compressão e dureza), tenacidade à fratura na temperatura ambiente, comportamento tribológico (cavitação, abrasão, deslizamento e erosão) e a resistência à oxidação ao ar e à carburação em atmosfera redutora, em temperaturas elevadas, de ligas Ni-Al-Cr-C (NICRALC) fundidas. Ligas NICRALC fundidas com diferentes teores de carbono e submetidas a diferentes tratamentos tiveram seu comportamento mecânico e tribológico comparado ao comportamento do STELLITE 6 fundido, a uma liga NICRALC produzida por deposição por \'SPRAY\', a um ferro fundido branco alto cromo fundido convencionalmente e a um ferro fundido branco alto cromo depositado por \'SPRAY\'. Os ensaios de compressão confirmaram o comportamento anômalo da matriz ordenada Ni3Al. As ligas NICRALC apresentaram aumento ou manutenção da resistência ao escoamento com o aumento da temperatura de ensaio. A mesma tendência foi encontrada nos ensaios de dureza a quente. As demais ligas apresentaram tendência de queda da resistência ao escoamento e da dureza com o aumento da temperatura de ensaio. Esta tendência é mais acentuada na liga STELLITE, desta forma, as ligas NICRALC apresentaram em altas temperaturas maior resistência ao escoamento e maior dureza que o STELLITE. Os diferentes ensaios de desgaste mostraram, em geral, uma maior resistência do STELLITE em comparação com as ligas NICRALC na temperatura ambiente. Nestas condições verifica-se que a menor resistência mecânica da matriz ordenada nas ligas NICRALC é determinante para definir uma menor resistência ao desgaste na temperatura ambiente. Nos ensaios de erosão-oxidativa realizados a 600 e 800°C as ligas NICRALC mostraram perdas de massa menores que as experimentadas pelo STELLITE e pelos ferros fundidos. As ligas NICRALC com microestrutura de carbonetos mais homogênea, próxima do eutético, mostraram melhor comportamento sob desgaste abrasivo e erosivo se comparadas às ligas NICRALC 05 e 13. Os ensaios de resistência à oxidação mostraram que as ligas NICRALC são mais resistentes à oxidação que o STELLITE. Além disso, observou-se grande propensão ao destacamento dos filmes de óxidos formados nos STELLITES em temperaturas acima de 800°C. Os ensaios de resistência à carburação mostraram que no caso das ligas NICRALC ocorreu a precipitação de um depósito de grafita e, subjacente a esta, a formação de uma zona de fragmentação microestrutural, na qual se observa empobrecimento ora do Al ora do Cr, que aparentemente impede o avanço do processo. No caso do STELLITE verificou-se a ocorrência do aumento da fração volumétrica de carbonetos, típico dos casos clássicos de carburação. Os procedimentos de simulação termodinâmica utilizados indicam a necessidade de se implementar a descrição da solubilidade do carbono na fase ordenada de forma a permitir o pleno uso do software THERMOCALC no projeto e aprimoramento de ligas NICRALC. / This work contributes to the research line \'New Family of High Temperature Wear Resistant Alloys based on the Ni-Al-Cr-C System\', studying the mechanical and tribological behaviour and the surface stability of these alloys. This family of foundry alloys, called NICRALC, tries to unite some of the characteristics of the Ni based superalloys and the high-chromium-white-cast-irons, associating the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al - which increases its strength with the increase of temperature - with a dispersion of hard chromium carbides. The aim is to develop an alternative to iron-based wear resistant alloys at temperatures where they loose significantly their strength, as well as substituting cobalt based high temperature wear resistant alloys, which suffer from the instability and high cost of the Co metal. The high temperature mechanical properties (hardness and compression), room temperature fracture toughness, tribological behaviour (cavitation, abrasion, sliding and erosion) and resistance to high temperature oxidation and carburization of cast Ni-Al-Cr-C (NICRALC) alloys are studied. Cast NICRALC alloys with different C contents and different heat treatments were compared with a cast STELLITE 6, a conventionally cast high chromium white cast iron, a spray formed high chromium white cast iron and a spray formed NICRALC. Mechanical tests in compression confirmed that NICRALC alloys share the anomalous behaviour of the ordered intermetallic phase Ni3Al, increasing or maintaining their yield strength with increased testing temperature. The same occurred with hot hardness tests. STELLITE and all other alloys showed loss of strength with increased testing temperatures. Thus NICRALC alloys showed higher strength and hardness than STELLITE at high temperatures. All wear tests showed a higher wear resistance of STELLITE in comparison with NICRALC at room temperature. This result can be explained by the higher matrix hardness of STELLITE at room temperature. Oxidative-erosion tests run at 600 and 800° C showed that NICRALC suffered smaller mass loss than STELLITE and the white cast irons. NICRALC alloys with more homogeneous carbide distributions (eutectic alloys) obtained the best results under severe oxidation-erosion conditions. NICRALC alloys were more oxidation resistant than STELLITE alloy, which tended to break and detach the oxide layer formed above 800°C under air. During carburization essays in a reducing atmosphere the NICRALC alloys tended to form a coke-like graphite layer, over a layer with a fragmented microstructure depleted alternatively in chromium and aluminum, which effectively stopped the advance of the process. The STELLITE alloy suffered an increase in carbide volume fraction, a classic carburizing behaviour. The thermodynamic simulation results show that it is still needed to introduce the solubility of carbon on the ordered Ni3Al phase in the model in order to be able to fully calculate the NICRALC phase diagrams.

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.