Utilização de revestimento PVD em aços ferramenta

Utilização de revestimento PVD em aços ferramenta

Ferramentas são utilizadas com objetivo de dar forma a outros materiais; metálicos, cerâmicos e/ou poliméricos. As mais diferentes operações em ferramentaria exigem sempre o movimento relativo entre no mínimo dois corpos, a ferramenta e o esboço, promovendo gerando com isso o fenômeno de desgaste. Para reduzir os danos por desgaste são utilizados tratamentos superficiais como o Revestimento PVD (do inglês Physical Vapour Deposition). Os revestimentos PVD depositam sobre a superfície das ferramentas uma fina camada cerâmica, de elevada dureza, que diminui sensivelmente o atrito em serviço, oferecendo assim condições para elevar a vida de ferramentas pela melhoria das propriedades tribológicas da superfície

Os processos de fabricação do setor metal-mecânico utilizam os mais diferentes tipos de ferramentas, sujeitas a condições múltiplas de solicitações como; carga, impacto, fadiga, temperatura, corrosão, entre outras, que operando de forma combinada requerem da ferramenta propriedades que nem sempre são atingidas apenas com o uso do tratamento térmico.

Os tratamentos térmicos condicionam a microestrutura dos aços ferramenta de modo a melhor combinar propriedades como: resistência ao carregamento mecânico, resistência à fratura, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. Entretanto, estas propriedades têm limitações que dependem do tipo de aço utilizado e da melhor combinação necessária, principalmente entre resistência e tenacidade. Assim, nem sempre é possível atingir a melhor resistência ao desgaste de um aço ferramenta. Nestas condições, o uso de tratamentos superficiais pode promover modificações estruturais na superfície que potencializam propriedades como; resistência ao desgaste, coeficiente de atrito, estabilidade térmico, resistência à corrosão, entre outras, em níveis não atingíveis por rotas convencionais de tratamento do aço.

O uso de revestimentos PVD tem por objetivo satisfazer necessidades de interação entre as superfícies em contato, fornecendo novas propriedades que influenciam decisivamente no desgaste, como o coeficiente de atrito e a dureza. Ao conjunto de fenômenos envolvidos na interação de duas ou mais superfícies em contato, na presença ou não de lubrificação, tratamos como “Sistemas Tribológicos” ou “Tribologia”.

Tribologia

Os revestimentos têm como objetivo diminuir sensivelmente a taxa de desgaste abrasivo e adesivo na superfície de ferramentas por sua ação nas propriedades superficiais das ferramentas e pela modificação no sistema de interação entre a ferramenta e seu contra-corpo. Na ordem de grandeza dimensional onde ocorre o desgaste, os fatores micro-mecânicos mais importantes que o são:

– A tensão e deformação presentes no contato entre as superfícies;
– A temperatura de contato;
– A geração de deformação entre os corpos em contato;
– A geração e propagação de trincas com remoção e liberação de partículas que podem produzir a formação de riscos e crateras.

Ao se considerar um processo de conformação, por exemplo, interação entre a ferramenta e o corpo em deformação produz um sistema de deslizamento relativo entre os dois corpos. Este conjunto está sujeito a um sistema de forças, como o apresentado na Figura 1. Neste sistema, para a manutenção do equilíbrio de forças, a força de deformação imposta pela prensa (P) gera a força norma (N) e a força de deslizamento (F) gera a força de atrito (FA). Como resultado, a força de atrito é proporcional ao coeficiente de atrito (µ) e à força normal nas superfícies de contato. É importante salientar que as superfícies dos corpos não são perfeitamente planas, possuindo uma topografia composta por asperezas. O resultado do deslizamento contínuo deste sistema é a geração de desgaste em suas diferentes formas.

Nas superfícies de contato a distribuição de carga e temperatura não é homogênea, considerando que o contato não é perfeitamente plano e sim localizado em pontos decorrentes das asperezas, (Fig. 2 [2]). Caso as superfícies fossem perfeitamente planas tanto a pressão de contato como a dissipação de energia na forma de calor seriam homogêneas, linhas tracejadas. Entretanto, como a interação ocorre apenas no contato das asperezas, tanto a pressão real quanto a temperatura, decorrente do atrito, são muito superiores. Estes fatores são fundamentais no desenvolvimento do desgaste abrasivo e/ou adesivo e devem são minimizados no caso de superfícies revestidas.

Revestimentos PVD

O custo das ferramentas pode representar uma fração importante do preço final do produto, portanto, é muito importante aumentar ao máximo a vidas das ferramentas com o objetivo de diminuir o custo de fabricação pelo aumento na produtividade. Uma das alternativas é a escolha do material e do tratamento térmicos mais apropriados para a ferramenta. Em conjunto, o uso de revestimentos protetores tem sido objeto de intenso desenvolvimento nos últimos 20 anos, desde a introdução em larga escala do revestimento de Nitreto de Titânio-TiN por processo de deposição Física a Vapor PVD em meados da década de 80, do século passado. Desenvolvido inicialmente para ferramentas de corte por remoção de cavaco, contínuo ou intermitente, atualmente os revestimentos têm sido aplicados em todos os tipos de ferramentas e solicitações, que incluem, por exemplo: corte e conformação a frio, forjamento a quente, fundição sob pressão, entre outros. Atualmente existem diferentes tipos de processos PVD, como: “magnetron sputtering”, evaporação a laser, arco catódico, feixe de elétrons, etc. Em todos, a atmosfera é de vácuo, a temperatura de processo varia de 200º a 500ºC e a espessura da camada é da ordem de poucos micrometros.

Revestimentos em sua maioria são compostos cerâmicos depositados como uma fina camada sobre a superfície das ferramentas. As camadas usuais possuem entre 2 e 5 µm, podendo em casos especiais atingir até 15 µm de espessura. Estas camadas têm como características principais a; elevada dureza, baixo coeficiente de atrito, estabilidade térmica e coloração característica. A combinação destas propriedades fornece à superfície das ferramentas propriedades tribológicas otimizadas que permite um considerável aumento do desempenho em serviço. Notadamente os revestimentos possuem dureza muito superior a dos aços ferramenta temperados e revenidos, para trabalho a frio em torno de 600 – 700 HV, em média 2000 HV, o que diminui o coeficiente de atrito da superfície de trabalho e, por consequência, diminui a força de atrito (FA) que age no sistema em deslizamento e com isso diminuindo o desgaste. A Tabela 1 apresenta os revestimentos mais utilizados pela indústria de ferramentas. Estes são baseados em nitretos de metais de transição, como o TiC e CrN, mas revestimentos multicomponentes têm sido utilizados de forma crescente na última década, como o TiAlN e TiCN. Ainda, sistemas multicamadas e nanoestruturadas são os mais modernos desenvolvimentos.

A Figura 3 mostra uma camada de revestimento PVD de TiN sobre superfície de aço ferramenta para trabalho a frio AISI D2. A espessura média e o coeficiente de atrito medido para esta camada são indicados, e encontram-se dentro do apresentado na Tabela 1.

Tratamento Dúplex

Uma melhoria nas propriedades tribológicas de superfícies de ferramentas pode ser conseguido utilizando a tecnologia “Duplex”. Esta tecnologia faz uso de dois processos que combinados levam a uma maior vida do ferramental. A tecnologia de engenharia de superfície na geração de “Superfícies Dúplex” combina os processos de Nitretação sob Plasma e Revestimento PVD e tem encontrado aplicação crescente na indústria como forma de elevar as propriedades tribológicas de componentes de aço [4].

O tratamento dúplex consiste em obter uma superfície onde o revestimento de elevada dureza é suportado por uma camada espessa e endurecida pelas reações de nitretação, diminuindo a diferença de propriedades mecânicas entre o revestimento e o aço ferramenta. Com isso se objetiva aumentar o tempo de residência do revestimento com o aumento na adesão promovido pelo suporte mecânico oferecido pela camada nitretada em comparação com o aço apenas temperado e revenido.

A nitretação sob plasma de apresenta como um processo versátil e seguro para eliminar a presença da camada branca que diminui a adesão dos revestimentos tribológicos. A modificação das propriedades mecânicas em um sistema Dúplex é estudada pela determinação das propriedades de Dureza (HV) e o Módulo de Elasticidade (E) dos dois componentes do sistema, substrato e revestimento, e da relação H/E das superfícies. O efeito das propriedades mecânicas do conjunto na adesão do revestimento PVD é estudado em ensaios de indentação Rockwell C pela determinação das cargas críticas de falha, sendo Lc1 a carga crítica para trincamento e Lc2 a carga crítica de desplacamento.

A Figura 4 mostra a relação H/E para substrato e revestimento em um aço ferramenta para trabalho a frio tipo AISI D2, sem e com nitretação anterior ao revestimento. Comparando a relação H/E do revestimento de TiN com a do aço D2 na condição apenas temperada e revenida – TPRV – observa-se que a relação H/E no estado temperado e revenido é cerca da metade da medida para o TiN. Quando se utiliza da nitretação sob plasma antes do revestimento (sistema Dúplex) a camada nitretada eleva a relação H/E para um valor próximo ao encontrado para o TiN, ou seja, as propriedades mecânicas de resistência e elasticidade do aço ferramenta ficam comparáveis às do revestimento PVD.

Com relação ao desempenho do revestimento em superfícies com diferentes propriedades mecânicas, se comparadas às cargas críticas de trincamento e desplacamento do revestimento de TiN com e sem a nitretação prévia observa-se na Figura 4 que a condição Dúplex, com nitretação sob plasma prévia, eleva consideravelmente as cargas críticas para a falha e com isso eleva a resistência ao trincamento e ao desplacamento do revestimento TiN. Com menor tendência ao desplacamento o tempo de residência do revestimento na ferramenta aumenta e com isso a vida da ferramenta é elevada.

Considerações Finais

Ferramentas são componentes sujeitos a condições severas de desgaste que exigem o uso de tratamentos superficiais para satisfazer as necessidades tribológicas em serviço e elevar seu desempenho em busca de um aumento de vida. Os revestimentos tribológicos por PVD com elevada dureza associada ao baixo coeficiente de atrito são uma alternativa viável para aumentar o desempenho de ferramentas para as mais variadas aplicações de conformação, corte ou remoção de cavaco.

O uso do processo Dúplex, de nitretação sob plasma seguida de revestimento PVD se apresenta como uma alternativa eficiente para elevar as características de adesão do revestimento por efeito da compatibilização das propriedades mecânicas na superfície do substrato às do revestimento de TiN.

Referências

[1] Tovbin, R.; Pinedo, C.E.; Utilização de Revestimentos Tribológicos em Ferramentas para Trabalho a Frio, Anais do “7o Encontro da Cadeia de Ferramentas, Moldes e Matrizes da ABM”, São Paulo/SP, p. 50-59, 2009;
[2] Sinátora, A., Tschiptschin, A.P.; Propriedades de Superfície de Filmes e Camadas, Metalurgia e Materiais, v. 60, n. 543, p. 164-166, 2004;
[3] ALI, M., HAMZAH, E.B., Effect of metal ion etching on the tribological, mechanical and microstructural properties of TiN-coated D2 steel using CAE PVD technique, Surface Review and Letters, v. 14, p. 413–421, 2006;
[4] Franco Jr, A.R., Pinedo, C.E., Tschiptschin, A.P.; Utilização da Nitretação sob Plasma como Pré-Tratamento ao Revestimento TiN-PVD na Geração de Superfícies Dúplex no Aço AISI H13, Tecnologia em Metalurgia e Materiais, v. 5, p. 179-185, 2009;
[5] Franco Jr, A.R., Obtenção de Revestimentos Dúplex por Nitretação a Plasma e PVD-TiN em Aços Ferramenta AISI D2 e AISI H13, Tese de Doutorado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 178 p., 2003.

Para mais informações: Contate Carlos Eduardo Pinedo pelo tel.: (11) 4792-3881 ou pelo email pinedo@heattech.com.br

 

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