Investigação comparativa da influência de métodos de nitretação por plasma no aço AISI H13 para suporte de um revestimento PVD AlCrN

Abstract

O aço martensítico H13 é utilizado em ambientes onde é submetido a altas temperaturas e pressões, o que requer do material utilizado boa resistência à fadiga térmica, à corrosão e ao desgaste para estender sua vida útil. Para melhorar estas propriedades, o tratamento chamado duplex, que combina nitretação por plasma (PN) e deposição de um revestimento duro por deposição física de vapor (PVD), já é utilizado nesta aplicação. A implantação iônica por imersão em plasma (PIII) difere do processo termoquímico convencional de PN por fornecer aos íons valores de energia mais de 10 vezes superiores, e assim envolver mecanismos físicos na modificação da superfície. No entanto, ainda há poucos trabalhos relacionados à nitretação por PIII do aço H13 e sobre a interação das superfícies nitretadas com o revestimento depositado por PVD. Dessa forma, neste estudo, investigou-se superfícies do aço H13 modificadas por PN e PIII através da caracterização microestrutural (microscopia eletrônica de varredura e perfilometria ótica), caracterização estrutural (difração de raios X), e propriedades tribo-mecânicas (ensaios de indentação instrumentada, microdesgaste e pino sobre disco). Também foi avaliada a influência da superfície criada por essas duas técnicas de nitretação nas propriedades de camadas de AlCrN depositadas subsequentemente por PVD em 480 °C. A nitretação por PN foi realizada em 400, 450, 520 e 560 °C, e por PIII em 400 °C, com atmosfera de nitretação com 50% H2 e 50% N2 e tempo de tratamento de 3 h. O aquecimento do material durante a nitretação não afeta de modo significativo as propriedades mecânicas e a estrutura do substrato martensítico. Nas superfícies nitretadas, forma-se uma camada de compostos seguida por uma região de difusão com martensita rica em nitrogênio, chamada de martensita expandida (´N). A nitretação por PIII resulta em camadas com menor espessura que aquelas obtidas por PN sob a mesma temperatura (27 μm e 59 μm, respectivamente), mas com dureza e resistência ao desgaste equivalentes, e menor formação de nitretos superficiais (os quais são deletérios à estabilidade de um revestimento duro crescido sobre elas). A camada produzida por PVD, com espessura de ~1 μm, apresenta dureza duas vezes superior à superfície nitretada, com valores acima de 25 GPa. A temperatura do processo PVD atua como um tratamento térmico à zona de difusão, elevando sua espessura em até 20% em comparação à superfície apenas nitretada; há ainda decomposição da camada de compostos em martensita pobre em nitrogênio. Esse fenômeno foi mais significativo na superfície PN devido à maior presença de nitretos, o que resulta na diminuição da resistência ao desgaste da camada duplex. Além disso, os ensaios de microdesgaste mostram que a camada de AlCrN apresenta alta resistência enquanto esta permanece íntegra, mas, após sua falha sob uma carga crítica, a resistência ao desgaste decai para níveis similares ou piores que os das superfícies apenas nitretadas.