ENSAIO DE DESGASTE EM CHAPAS DE AÇO E PINOS DE AÇO FERRAMENTA D2 REVESTIDOS PELO PROCESSO PVD

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1 ENSAIO DE DESGASTE EM CHAPAS DE AÇO E PINOS DE AÇO FERRAMENTA D2 REVESTIDOS PELO PROCESSO PVD José Divo Bressan Departamento de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas CCT - UDESC, Campus Universitário, Joinville/SC, , dem2jdb@joinville.udesc.br Leonidas C. Mamani Gilapa Instituto Superior TUPY (IST), Sociedade Educacional de Santa Catarina (SOCIESC), Rua Albano Schmidt, 3333, Joinville / SC. leonidas@sociesc.com.br Resumo: O presente trabalho investiga os efeitos do atrito e do desgaste sobre superfícies causados pelo ferramental durante os processos de estampagem de chapas metálicas. Aborda-se também os vários processos de engenharia de superfície na indústria metalúrgica. Os testes de desgaste por deslizamento e/ou abrasão foram realizados num equipamento do tipo pino-sobredisco cujos pinos foram de aço ferramenta D6 com tratamento térmico, e pino de aço ferramenta D2 revestido com TiN pelo processo PVD. Os discos foram de chapas de aço ABNT 1008 empregados na confecção de geladeiras. Os resultados apresentados mostram que o pino D2 com revestimento de TiN tem resistência ao desgaste superior ao pino D6 com tratamento térmico. Palavras-chave: ensaio de desgaste, estamparia, aço D6, aço D2, processo PVD. 1. INTRODUÇÃO O desgaste pode ser definido como sendo uma perda progressiva de massa em superfícies de contato com movimento relativo de deslizamento que ocorrem em vários sistemas mecânicos e estruturais. Entretanto, o desgaste é classificado de acordo com o mecanismo operante de retirada de massa, como por exemplo: desgaste por deslizamento, abrasão, erosão, fadiga de contato, corrosão e outros. A sua importância econômica devido a ocorrência nos processos industriais e equipamentos em geral corresponde a: abrasão: 50%; erosão: 8%; fadiga de contato: 8%; químico: 5%; outros: 14%. Portanto, o desgaste por partículas duras, abrasão e erosão, é relevante nos processos de fabricação, no bombeamento de lamas, ferramental, pisos cerâmicos, dentes e ossos humanos, manuseio e transporte de partículas abrasivas finas, movimentação de terra, equipamento e ferramentas para corte e furação de pedras (Williams, 1997; Zum Gahr, 2001). Em muitos contatos deslizantes, nessas variedades de equipamentos, também existe a possibilidade do desgaste abrasivo e da erosão por partículas duras provenientes do meio ambiente. Cerca de 66% da crosta da terra é feita de materiais a base de silica tais como a argila ou barro, o quartzo, e a areia que podem exibir durezas de aproximadamente HV1800, superior a maioria dos materiais comuns empregados na engenharia. Contaminações por partículas duras são estimadas ser a causa de grandes prejuízos a equipamentos e a ferramental. O ensaio em laboratório de materiais mais comumente usado no desgaste por deslizamento e abrasão a dois corpos é o equipamento de pino-sobre-disco. Para o teste de materiais em condições abrasivas, o disco de contra face geralmente é coberto por uma lixa que é colada com um adesivo. A perda de massa pode ser devido a ambos mecanismos de deslizamento ou abrasão por partículas.

2 No desenvolvimento de materiais resistentes ao desgaste, o método alternativo de proteção do material por um revestimento é de grande interesse porque somente as propriedades da superfície do material é que são modificadas. O fenômeno do desgaste ocorre na região do filme superficial, e portanto, a modificação das propriedades do substrato ou do componente total não é necessário. Então, aplicando-se um material de revestimento para proteger do desgaste as propriedades interiores do substrato ou componente são preservadas, enquanto que as propriedades da superfície são otimizadas. Os processos de modificação superficial e de revestimentos com o objetivo de se obter uma boa combinação das propriedades da superfície com as do interior do material são chamados de Engenharia de Superfície. Os dois objetivos principais da engenharia de superfície para as aplicações tribológicas em componentes são: aumentar a resistência ao desgaste e modificar o comportamento ao atrito (Hutchings, 1995). Em alguns casos ambos objetivos são atingidos. Dentre os vários processos avançados existentes atualmente, destaca-se a nitretação por plasma, o PVD, o CVD, o tratamento por Laser, a implantação iônica, etc.. Na técnica de fabricação de peças por conformação plástica a partir de chapas, o desgaste do punção e matriz é devido ao contato entre as rugosidades, microcavacos e ou por partículas duras provenientes da microestrutura ou partículas externas contaminantes. Nesta técnica, o processo de corte da chapa sempre está presente, sendo que as operações de conformação plástica da peça são feitas a partir de um pedaço de chapa cortado. O grupo de estampagem profundo é constituído pelos seguintes processos: conformação por estampagem, reestampagem, reestampagem reversa, conformação rasa e conformação profunda. Por outro lado, pode-se verificar cinco tipos básicos de mecanismos de falha em ferramentas para conformação à frio que são: desgaste, lascamento, deformação plástica, trinca catastrófica e caldeamento (Brasimet, 2002). Os aços ferramenta D2 e D6 são comumente usados em matrizes de conformação à frio e, por este motivo, foram empregados no presente trabalho de pesquisa. Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre os aços ferramenta D6 com tratamento térmico e o aço D2 com revestimento duro de Nitreto de Titânio TiN aplicado pelo processo PVD numa empresa especializada. Para isso utilizou-se o ensaio normalizado do tipo pino-sobre-disco em que o disco empregado foi a chapa que é utilizada na confecção de tira com rosca da geladeira. O objetivo do trabalho foi avaliar o desempenho dos revestimentos de nitretação aplicado por PVD sobre um aço ferramenta sem tratamento térmico, bem como avaliar o comportamento ao desgaste do aço ferramenta com tratamento térmico através do ensaio de desgaste. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os resultados do desgaste são usualmente obtidos pela realização do ensaio com uma distância selecionada constante, um determinado valor de carga e uma velocidade constante (Hesse, 2001). A tabela 1 abaixo mostra os parâmetros empregados durante a execução dos ensaios. 2.1 Obtenção dos corpos de prova (cdp s) Pinos. Para a obtenção dos pinos foram utilizados dois materiais distintos que são o Aço D6 e o Aço D2. A confecção dos pinos foi realizada seguindo os métodos convencionais de usinagem, isto é, torneamento e retifica até a obtenção do formato desejado com a extremidade arredondada de raio aproximadamente 10mm, conforme mostra a figura 1. Tabela 1- Parâmetros empregados na realização dos ensaios de desgaste. Velocidade linear (m/s) Carga (Kgf) Dist. Percorrida (m) Raio da pista (mm) 0,8 2,

3 Pinos de material D6 Pinos de D2 revestidos de TiN Figura 1. Pinos utilizados nos ensaios de desgaste tipo Pino contra Disco. Os pinos confeccionados em aço D6 foram submetidos a tratamento térmico (temperado e revenido) com uma dureza média de 58HRC. Os pinos de aço D2 foram submetidos a tratamento superficial via PVD, com uma dureza média de 58HRC antes do revestimento. As características de deposição do revestimento TiN, pelo processo PVD estão descritas na tabela 2. Tabela 2 Características do filme de TiN. Material Micro dureza Espessura da Temperatura do. Coef. De atrito a seco [HV 0,05] * camada (µm)* Processo ( C) * contra aço µ * TiN a 500 0,4 (* Valores fornecidos pela empresa prestadora dos serviços Brasimet). Discos. A contra-face ou disco, figura 2 abaixo, foi obtido pelo corte da chapa de aço 1008 como utilizada na indústria e com o diâmetro médio de 62 mm. Este disco foi usinado nas dimensões estabelecidas e executado 4 furos de 8mm para a sua fixação no suporte para dar sustentação a chapa. 2.2 Preparação dos Corpos de Prova Figura 2. Disco ou contra face. Os corpos de prova seguiram um rigoroso procedimento de preparação afim de eliminar quaisquer vestígios de sujeira ou oxidação. Em seguida, pino e disco foram pesados numa balança analítica com resolução de 0,0001 g para determinação de sua massa inicial antes do ensaio. Foram ajustados o raio da pista de deslizamento, a rotação do porta amostra (disco) e o contador do número de voltas que foi programado para interromper o ensaio a cada 200 m percorridos para um total de 2400m, de modo a permitir as tomadas de medida intermediarias da perda de massa do pino e do disco. Estas medições foram precedidas sempre de uma completa limpeza dos corpos de prova usando ar comprimido e depois passado álcool etílico absoluto 99,5% e um pano. Antes de

4 cada pesagem os corpos de prova foram submetido à secagem em estufa a 80 o C para evitar que o solvente empregado na limpeza influenciasse nos resultados, podendo desta forma ser avaliada a perda de massa real dos CDPs. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados demonstrados nas figuras 3 e 4 referem-se aos valores médios da perda de massa dos cinco discos e dos cinco pinos dos ensaios realizados para cada tipo de material do pino, percorrendo a distância total de 2400m, utilizando-se um peso de 2953g (2,96Kg). Perda de massa (g) 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Disco submetido à pino D6 Disco submetido à pino D2 revestido c/ TiN Distancia percorrida (m) Figura 3 Perda de massa dos discos. Como pode-se observar na figura 3, a taxa de perda de massa do disco submetido ao pino de aço D6 temperado e revenido é muito maior do que a perda de massa do disco sob ação do pino de aço D2 revestido com TiN. Isto é devido, possivelmente, ao menor coeficiente de atrito do filme TiN. Na figura 4 apresenta-se a variação da perda de massa do pino revestido em relação ao pino tratado termicamente. Podemos observar uma maior perda de massa do pino D6 com tratamento térmico em relação ao pino D2 revestido por TiN que apresentou maior resistência ao desgaste. 0,0014 0,0012 Pino D6 Pino D2 revestido Perda de massa (g) 0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0, Distancia percorrida (m) Figura 4 Evolução da perda de massa dos pinos.

5 Portanto, observando-se as figuras 3 e 4 acima, constata-se que numericamente a perda de massa dos discos submetidos aos pinos D6 foi 205% maior do que a perda de massa dos discos submetidos aos pinos D2 com revestimento TiN, enquanto que a perda de massa dos pinos D6 foi 63% maior do que a perda de massa dos pinos D2 com revestimento TiN. Verificou-se também que há uma tendência de cair para zero a taxa de perda de massa a medida que aumenta a distância percorrida. 4. CONCLUSÕES Dos gráficos acima, observa-se que ocorreu um maior desgaste dos pinos de D6, e dos discos submetidos a estes pinos, isto devido, possivelmente, a um maior coeficiente de atrito existente entre as superfícies de contato metal-metal. Já para os pinos D2 com revestimento e os respectivos discos se observou um menor desgaste que está relacionado também ao baixo coeficiente de atrito entre as superfícies e a maior dureza superficial do pino D2 revestido, comprovando as características de resistência ao desgaste dos materiais revestidos com TiN pelo processo PVD. Observa-se também na, figura 4, que a taxa de desgaste dos pinos de aço D6 é aproximadamente linear e constante até o final enquanto que o desgaste dos pinos D2 revestidos tende inicialmente a uma taxa de desgaste alta até aproximadamente 800 metros e em seguida um apresenta um comportamento que tende para a uma horizontal ou taxa zero de desgaste. Isto é devido possivelmente ao processo inicial de rodagem ( run in ) de rompimento dos picos de rugosidade e uma maior uniformidade da superfície do pino revestido com menor atrito. Por tanto, no caso especifico dos materiais deste trabalho, pode-se afirmar que o revestimento de TiN via PVD demonstrou maior potencial de resistência ao desgaste para o uso em ferramentas de estampagem. 5. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer o suporte financeiro recebido do CNPq na forma de bolsa de pesquisa, como também a CAPES, a SOCIESC e a Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC. 6. BIBLIOGRAFIA Hutchings,I.M.,Tribology: Friction and wear of engineering materials. Arnold, Hesse, R., Construção e teste de validação de um equipamento de ensaio de desgaste do tipo Pinosobre-Disco. Dissertação de mestrado, CCT/UDESC-Joinville, março Zum Gahr, K.H., Wear by hard particles. Tribology International, 31, p , Williams, J.A., The laboratory simulation of abrasive wear. Tribotest Journal, 3-3, p , Brasimet, março WEAR TEST OF STEEL SHEETS AND TOOL STEEL PINS D2 COATED WITH PVD PROCESS José Divo Bressan Depto. de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas CCT - UDESC, Campus Universitário, Joinville/SC, , dem2jdb@joinville.udesc.br Leonidas C. Mamani Gilapa Instituto Superior de Tecnologia (IST), Sociedade Educacional de Santa Catarina (SOCIESC), Rua Albano Schmidt, 3333, Joinville / SC. leonidas@sociesc.com.br

6 Abstract: Present work shows the effects of friction and wear on surfaces due to tooling during sheet metal stamping process. Various applications surface engineering processes are also approached in the metallurgical industries. The wear tests by sliding and/abrasion were performed in a pin-on-disc apparatus whose pins were tool steel D6 with heat treatment and tool steel D2 coated with TiN by the PVD process. The discs were ABNT 1008 steel sheet used in the fridge industry. The experimental results showed that D2 pin coated with TiN had superior wear resistance than the D6 pin with heat treatment. Key-words : wear test, stamping, D6 steel, D2 steel, PVD process.