Nitretação a plasma de aços maraging C300 obtidos por fusão seletiva a laser

Abstract

A crescente necessidade por peças mais resistentes ao desgaste e à corrosão tem instigado o interesse da engenharia de superfície a desenvolver processos mais eficazes no que diz respeito a melhoria nas propriedades tribológicas e triboquímicas dos materiais. No processo de injeção de peças plásticas a refrigeração é a etapa mais importante para a qualidade e para determinação do tempo total de ciclo pois consome entre 70 a 80%, os canais de refrigeração confeccionados copiando a geometria da peça ?canais conformados? fabricados pelo processo de fusão seletiva a laser (FSL) proporcionam uma extração de calor homogênea do molde diminuindo o tempo de ciclo permitindo reduzir o custo da peça e obtendo a peça com maior qualidade. O desgaste é o mecanismo principal de falha nos moldes de injeção a nitretação iônica ou nitretação a plasma é um processo de tratamento termo-físico-químico que consiste em um endurecimento superficial, provocado pela difusão intersticial de nitrogênio atômico na superfície de ligas ferrosas e não ferrosas aumentando a resistência na superfície do molde. O estudo e o controle da formação da camada nitretada apresenta considerável interesse industrial devido às melhorias alcançadas nas resistências ao desgaste, corrosão e à fadiga dos metais e suas ligas. Neste sentido, no presente trabalho é apresentado o estudo da influência do tratamento de nitretação a plasma em molde/matrizes de injeção de polímeros. Este tipo de tratamento confere a estas materiais propriedades de superfície diferentes daquelas apresentadas pelo material de base, com melhoras em termos de resistência ao desgaste e fadiga, bem como redução de processos de corrosão. O processo de fabricação das amostras foi realizado por fusão seletiva a laser (FSL). O material escolhido como objeto do presente estudo é o aço maraging C300, de ultra-alta resistência utilizado em alguns segmentos como, por exemplo, na fabricação de moldes de injeção, na indústria aeroespacial, naval, médica, odontológica e no setor energético. Este estudo caracterizou as camadas nitretadas geradas no processo a plasma em três diferentes tempos na mesma temperatura, aplicando as técnicas analíticas de Microdureza Vickers, Microscopia Óptica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (FEG), Difração de Raio-X (DRX), Rugosidade e o ensaio tribológico de resistência ao Desgaste Pino sobre Disco através do volume de desgaste e do coeficiente de atrito. Através da técnica de DRX foram encontradas duas fases na camada nitretada, a (fase a-Fe) da martensita e a fase (??-Fe4N) dos nitretos. Os resultados da microscopia óptica mostraram a formação de uma camada nitretada contínua e uniforme com profundidade de 37 mícrons. O tratamento de nitretação a plasma proporcionou um aumento na microdureza Vickers de 227% e também um aumento na resistência ao desgaste de todas as condições estudadas, no entanto a condição com maior resistência se apresentou 88% maior que a condição não nitretada. Esse presente estudo foi realizado em parceria com o Instituto SENAI Inovação em Sistemas de Manufatura e de Processamento a Laser, Universidade Federal de Santa Catarina ? Campus Joinville (UFSC) e a Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC).

Abstract: The growing need for more wear and corrosion resistant parts has instigated the interest of surface engineering to develop more effective processes for improving the tribological and tribo-chemical properties of materials. In the injection process of plastic parts, cooling is the most important step for quality and for determining the total cycle time because it consumes between 70 to 80%, the cooling channels made by copying the geometry of the part \"formed channels\" manufactured by the selective laser fusion process (FSL) provide a homogeneous heat extraction from the mold, reducing the cycle time allowing to reduce the cost of the part and obtaining the highest quality part. Wear is the main failure mechanism in injection moulds. Ionic nitriding or plasma nitriding is a thermophysical-chemical treatment process that consists of a surface hardening, caused by the interstitial diffusion of atomic nitrogen on the surface of ferrous and non-ferrous alloys increasing the resistance on the mould surface. The study and control of the formation of the nitrided layer presents considerable industrial interest due to the improvements achieved in the resistance to wear, corrosion and fatigue of metals and their alloys. In this sense, the study of the influence of plasma nitriding treatment on polymer injection moulds and dies is presented in this work. This type of treatment gives these materials surface properties different from those presented by the base material, with improvements in terms of wear and fatigue resistance, as well as reduction of corrosion processes. The sample manufacturing process was performed by selective laser fusion (FSL). The material chosen as the object of this study is maraging steel C300, of ultra-high strength used in some segments such as, for example, in the manufacture of injection moulds, in the aerospace, naval, medical, dental and energy industries. This study characterized the nitrided layers generated in the plasma process in three different times at the same temperature, applying the analytical techniques of Vickers Microhardness, Optical Microscopy (MO), Scanning Electronic Microscopy (FEG), X-Ray Diffraction (DRX), Roughness and the tribological test of resistance to Wear Pin on Disc through the volume of wear and coefficient of friction. Through the DRX technique two phases were found in the nitrided layer, the (phase a-Fe) of the martensite and the ('-Fe4N) phase of the nitrides. The results of optical microscopy showed the formation of a continuous and uniform nitrided layer with a depth of 37 microns. The plasma nitriding treatment provided an increase in Vickers microhardness of 227% and also an increase in wear resistance of all the conditions studied, however the condition with higher resistance was 88% higher than the non nitrided condition. This study was conducted in partnership with the SENAI Institute of Innovation in Manufacturing and Laser Processing Systems, Federal University of Santa Catarina - Campus Joinville (UFSC) and the State University of Santa Catarina (UDESC).