Recobrimento Tribológico Cr-N e Nitretação a Plasma para Melhoria da Resistência à Erosão Cavitacional de um Aço Carbono ABNT 1045: uma Abordagem Topográfica
Resumo
Este trabalho visou desenvolver sistemas tribológicos recobertos com Cr-N para resistência ao desgaste provocado pela erosão cavitacional. Utilizou-se o aço ABNT 1045 como referência e foram desenvolvidos três sistemas que são: aço nitretado, conjugado monocamada e conjugado dúplex. A nitretação iônica e a deposição do recobrimento Cr-N, produzindo o sistema denominado dúplex, foi realizada em um único reator, utilizando parâmetros do processo PVD (Physical Vapour Deposition), desenvolvidos anteriormente pelo Grupo de Pesquisa inscrito no Diretório dos Grupos de Pesquisa do CNPq-UFMG como 'Modificação e Caracterização de Superfície'. A produção dos sistemas aço nitretado e monocamada foram realizadas a partir de parâmetros adotados comercialmente. A caracterização estrutural destes sistemas revelou que os recobrimentos de Cr-N, depositados nos sistemas monocamada e dúplex, apresentaram uma similaridade em termos de fases cristalinas (a-Cr, g-Cr1-zNz e b-Cr2N1-z), de composição química e de aderência ao substrato, tal que estas variáveis de caracterização não constituíram fontes prováveis de causas de desempenho diferenciados destes sistemas relativo à erosão por cavitação. No entanto, a realização da nitretação iônica anterior a deposi-ção do recobrimento modificou as propriedades mecânicas destes sistemas ao longo da profundidade, aferidas por testes de microdureza e por testes de nanodureza instrumentada, que levou os mesmos a apresentarem respostas diferenciadas quanto à resistência à erosão cavitacional. Análises estatísticas de regressão segmentada contínua, utilizadas para descrição dos dados experimentais obtidos pelos testes de erosão cavitacional, indicaram a presença de diferentes regimes de erosão ao longo do tempo de teste. O sistema conjugado dúplex de Cr-N apresentou o melhor desempenho para o uso em erosão cavitacional em água destilada, pois apresentou a menor perda de massa e um maior tempo de incubação. O sistema nitretado apresentou um desempenho similar ao sistema monocamada e superior ao aço. O monitoramento, por perfilometria tridimensional, da evolução da erosão cavitacional nos diferentes sistemas estudados foi capaz de determinar o início de formação dos vales, que são criadas por arrancamento de material da superfície por esta erosão. O tempo associado ao início deste fenômeno foi denominado de 't-cratera'. Este tempo se mostrou inferior ao de incubação, com exceção do sistema dúplex, que é o tempo onde não se há perda de massa detectável por balança. Imagens topográficas tridi-mensionais invertidas indicaram a profundidade obtida dos danos cavitacionais e constituiu uma ferramenta capaz de elucidar os mecanismos presentes no processo de erosão e permitiu confirmar a superioridade do sistema dúplex, que apresentou em um tempo de até 20 horas, danos com profundidade inferiores aos outros sistemas es-tudados. Este resultado foi atribuído não somente a uma elevada dureza superficial obtida pela deposição do recobrimento de Cr-N, mas também a uma maior profundidade de dureza, obtida pela nitretação iônica, que formou uma camada nitretada da ordem de 40mm. This thesis sought to develop tribology systems covered with Cr-N for wear resistance
against by cavitation erosion. The ABNT 1045 steel was used as a reference material,
and three systems were develop: nitrided steel, single-layered coating, and duplex
coating.
The plasma nitriding and the deposition of the Cr-N coating, producing the system
denominated duplex coating, were accomplished in a single reactor, using parameters
of the PVD process (Physical Vapour Deposition), which had previously been
developed by the Group of Research, enrolled in the Directory of the Groups of
Research of CNPq-UFMG as "Modification and Characterization of Surface". The
production of the nitrided steel and single-layered coating systems were carried out
starting from parameters adopted commercially.
The structural characterization of these systems revealed that the Cr-N coatings,
deposited in the single-layered and duplex systems, presented similarities in terms of
crystalline phases (α-Cr, γ-Cr 1-z N z and β-Cr 2 N 1-z ), chemical composition and substrate
adherence. These variables of characterization, however, did not constitute the main
source of reasons for the distinct performance of these co-related cavitation erosion
systems. In the other hand, the results of this research showed that the mechanical
properties of these systems were modified along the depth, by the accomplishment of
the previous plasma nitriding the deposition of the coating, assured by micro-hardness
and scored nano-hardness tests. As a result, the systems showed distinct
performances in terms of cavitation erosion resistance.
Statistical analyses of continuous segmented regression, used for description of the
experimental data obtained by the tests of cavitation erosion, indicated the presence of
different erosion regimes along the time of test.
The Cr-N duplex system presented the best performance for the use in cavitation
erosion in distilled water, as it presented the smallest mass loss and a larger incubation
time. The nitrided system presented a similar performance to the single-layered system
and superior to the steel. The control, carried out by three-dimensional profilometry tests, of the evolution of the
cavitation erosion in the distinct researched systems was able to determine the
beginning of formation of the valleys, created by the removing of materials of the
surface by this erosion. The time associated to the beginning of this phenomenon was
referred as "t-crater". Except for the duplex system this time was shown to be inferior to
the incubation time, that it is the time where loss of mass there is not to be detected by
balance. Three-dimensional topographical inverted images indicated the obtained
depth of the damages and it constituted a tool capable to elucidate the present
mechanisms in the erosion process and it allowed to confirm the superiority of the
duplex system, that presented in a time of up to 20 hours, damages with depth inferior
to the other researched systems. This result was attributed not only to a high superficial
hardness obtained by the deposition of the Cr-N coating, but also to a larger hardness
depth, obtained by the plasma nitriding, that it formed a nitrided layer in the order of
40μm