Influência da nitretação a plasma sobre a resistência ao desgaste de engrenagens forjadas em aço bainítico de resfriamento contínuo de baixo carbono

Abstract

O uso do processamento termomecânico utilizando aços bainíticos de resfriamento contínuo é um tema atual de alto potencial para a redução de etapas de processamento, redução do consumo energético e melhoria na qualidade de forjados. Para aplicações do aço bainítico em engrenagens, é necessário elevar sua dureza superficial e resistência ao desgaste. A hipótese desta tese é que a nitretação a plasma por permitir o uso de baixas temperaturas é mais adequada para preservar a microestrutura bainítica e reduzir o consumo energético. O objetivo principal deste estudo é avaliar a potencialidade do aço bainítico forjado e testar o desempenho das superfícies nitretadas a plasma. Neste contexto, amostras e engrenagens forjadas em aço DIN 18MnCrSiMo6-4 foram fabricadas e nitretadas a plasma com diferentes misturas gasosas contendo: 5, 24 e 76% N2. As amostras foram caracterizadas quanto a rugosidade, microestrutura, dureza, composição química, tenacidade a fratura, composição de fases, estado de tensões residuais e testadas por deslizamento recíproco para análise do coeficiente de atrito e desgaste, e por fim avaliadas estatisticamente. As engrenagens foram submetidas à ensaios de fadiga de contato para avaliar a resistência ao desgaste por pitting. Os resultados apresentados demonstram a viabilidade da utilização do aço DIN 18MnCrSiMo6-4 para a redução da rota de processamento de engrenagens forjadas. A nitretação a plasma mostrou-se ser um processo viável para aumentar a dureza superficial e a resistência ao desgaste do aço DIN 18MnCrSiMo6-4. As superfícies nitretadas a plasma com composição de nitrogênio de 24 e 76% N2 formaram uma camada de compostos bifásica de ε-Fe2-3(C)N e γ’-Fe4N. À medida que foi diminuído o percentual de nitrogênio na mistura gasosa, aumentou o percentual de γ’-Fe4N na camada de compostos, mas uma camada de compostos monofásica só foi alcançada com 5% N2. As composições gasosas ricas em nitrogênio (76% N2) apresentaram uma diminuição na tenacidade à fratura da camada de compostos, pois elas têm mais ε-Fe2-3(C)N. A zona de difusão das diferentes superfícies nitretadas a plasma apresentaram tensões residuais compressivas. A distribuição de Weibull revela que o melhor desempenho foi obtido nas engrenagens nitretadas com 24% N2, devido a melhor combinação entre a dureza superficial, tenacidade a fratura, tensões residuais e espessura da camada de compostos. As engrenagens nitretadas com 24% N2 têm uma melhoria de 10,0 vezes sobre as engrenagens forjadas não nitretadas, enquanto as engrenagens nitretadas com 5 e 76% N2 têm uma melhoria de 3,7 e 5,4 vezes.

The use of thermomechanical processing using continuous cooling bainitic steels is a current topic of high potential for reducing processing steps, reducing energy consumption, and improving the quality of forged products. For bainitic steel applications in gears, it is necessary to increase their surface hardness and wear resistance. The hypothesis of this thesis is that plasma nitriding for allowing the use of low temperatures is more suitable for preserving the bainitic microstructure and reducing energy consumption. The main objective of this study is to evaluate the potential of forged bainitic steel and test the performance of plasma nitrided surfaces. In this context, samples and forged gears in DIN 18MnCrSiMo6- 4 steel were manufactured e plasma nitrided with different gas mixtures containing: 5, 24 and 76 vol.% N2. Samples were characterized for concerning the roughness, microstructure, hardness, chemical composition, fracture toughness, phase composition, the state of residual stress and tested by reciprocating sliding for friction coefficient and wear analysis and finally evaluated statistically. The gears were subjected to contact fatigue tests to evaluate the pitting wear resistance. The results presented demonstrate the feasibility of using DIN 18MnCrSiMo6-4 steel to reduce the processing path of forged gears. Plasma nitriding proved to be a viable process to increase the surface hardness and wear resistance of DIN 18MnCrSiMo6-4 steel. The plasma nitrided surfaces with nitrogen composition of 24 and 76 vol.% N2 formed a biphasic compound layer of ε-Fe2-3(C)N and γ’-Fe4N. As the percentage of nitrogen in the gas mixture was decreased, the percentage of γ’-Fe4N in the compound layer increased, but a monophasic compound layer was only reached with 5 vol.% N2. The nitrogen rich gas compositions (76 vol.% N2) showed a decrease in fracture toughness of the compound layer, as they have more ε-Fe2-3(C)N. The diffusion zone of the different plasma nitrided surfaces showed residual compressive stresses. The Weibull distribution reveals that the best performance was obtained in the nitrided gears with 24 vol.% N2, due to the better combination between the surface hardness, fracture toughness, residual stresses, and compound layer thickness. The nitrided gears with 24 vol.% N2 have a 10.0 times improvement over the non-nitrided forged gears, while the nitrided gears with 5 and 76 vol.% N2 have an improvement of 3.7 and 5.4 times.