Modificações superficiais de aço Ti-UBC por processos a plasma em configuração triodo: influência no comportamento ao desgaste e à corrosão

Exportado OPUSMade available in DSpace on 2019-08-10T15:30:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese___carlos_alberto_llanes_leyva.pdf: 42798535 bytes, checksum: 38fa9360826f56be20723aa39a6611c6 (MD5) Previous issue date: 14Os aços Ultra Baixo Carbono (UBC) têm baixo limite de escoamento e excelente conformabilidade. A Deposição Física de Vapor Assistida por Plasma (PAPVD) pode ser um método de recobrimento para melhorar as propriedades superficiais de resistência mecânica, à corrosão e ao desgaste de ligas de baixa resistência (MATTHEWS, 1995). Porém, quando depositados sobre substratos de baixa resistência mecânica os recobrimentos duros PAPVD podem sofrer falha prematura se o substrato deformar sob carga. Um substrato com suficiente capacidade de suporte de carga é usualmente necessário para que os recobrimentos duros tenham um desempenho adequado. Tratamentos combinados de nitretação e recobrimento PAPVD têm sido utilizados para melhorar a capacidade de carga de recobrimentos duros (AVELARBATISTA, 2005; MANCOSU, 2005; SANTOS, 2009). O presente trabalho investiga a caracterização, o comportamento à corrosão e a resistência ao desgaste microabrasivo de aços UBC estabilizados com Ti, após modificação superficial por DC-TPN (Nitretação a Plasma em Configuração Triodo com Corrente Contínua) e recobrimento seqüencial com Cr-Al-N por EB-PAPVD (Deposição Física de Vapor Assistida por Plasma com Evaporação por Feixe de Elétrons). Os processos de fabricação a plasma utilizados foram descritos. Os sistemas substrato, aço nitretado e dúplex com Cr-Al-N foram investigados. Os resultados dos ensaios de resistência à corrosão dos sistemas modificados a plasma foram comparados com aqueles obtidos para o substrato não modificado, com o mesmo aço após galvanização por imersão e com tratamento térmico (galvannealed), e com o mesmo aço após eletrogalvanização. Ensaios de Potencial de Circuito Aberto (OCP, Open Circuit Potential) foram realizados. O comportamento à corrosão foi avaliado com ensaios potenciodinâmicos. Todos os ensaios eletroquímicos foram realizados em solução aquosa de NaCl (3.5%) aerada. As curvas de polarização foram investigadas entre -2.5V e + 1.5V, além do potencial de pitting para recobrimentos Cr-Al-N que oscila entre 0.6V e 0.8V dependendo da relação Al/Cr (DING, 2008). Os parâmetros de corrosão foram medidos e comparados: EOCP (V); Icorr; (A/cm2); Ecorr (V); Rp (W*cm2) e a eficiência relativa de proteção contra a corrosão _c (%). Estudos MEV foram conduzidos após os ensaios, e os modos de corrosão variando de corrosão generalizada no substrato não recoberto até pitting nos sistemas recobertos foram discutidos. Caracterização de composição química, microestrutura, fases, e rugosidade superficial foram realizadas. A espessura do recobrimento foi medida através de ensaios de calotest, com base nos diâmetros interno e externo das calotas de desgaste. Sob as condições experimentais dadas, os resultados de corrosão podem ser correlacionados com as diferenças em morfologia e composição das superfícies dos diversos sistemas. Por exemplo, as amostras galvanizadas com tratamento térmico mostraram uma seqüência de fases _ _ - _ - _1 - _- aFe no sentido da superfície ao substrato, enquanto o sistema dúplex mostra recobrimento cfc-(Cr-Al-N) sobre uma camada nitretada com g´-Fe4N sobre uma camada de difusão de matriz ferrítica (aFe) com N em solução sólida. Os resultados indicam que é viável fabricar sistemas dúplex de aço Ti-UBC via DC-TPN e EB-PAPVD com melhoria na resistência à corrosão. As curvas potenciodinâmicas mostraram um claro deslocamento para maiores potenciais de corrosão e menores correntes de corrosão desde o aço não tratado até o aço dúplex. O comportamento ao desgaste microabrasivo também foi estudado para os diferentes sistemas. Os ensaios de desgaste microabrasivo foram realizados em configuração esfera fixa até 1350rev utilizando lama abrasiva de SiC e uma esfera de aço AISI 52100 com diâmetro 25mm. Caracterização adicional foi realizada com medidas de microdureza Vickers (HV) e dureza por penetração instrumentada, bem como análises de perfilometria das superfícies antes e após os ensaios de desgaste. Análises em MEV com EDS foram realizadas sobre as calotas de desgaste; os mecanismos de desgaste microabrasivo são apresentados e discutidos. Os sistemas nitretado e dúplex foram, respectivamente, 2.5 e 3.4 vezes mais duros que o aço não tratado. O coeficiente de desgaste do aço nitretado foi 36% menor que o do substrato. Análises por regressão foram utilizadas para calcular o coeficiente de desgaste do substrato (ks) e do recobrimento (kc) no sistema dúplex, sendo este último 6.6 vezes menor que o do aço nitretado a plasma. Os resultados indicam que é possível processar o aço Ti-UBC via PAPVD, visto que uma melhoria significativa da resistência ao desgaste microabrasivo foi registrada tanto para o sistema nitretado quanto para o dúplex. O tratamento dúplex foi claramente o método mais efetivo para melhorar a resistência ao desgaste do aço UBC. Estes resultados sugerem uma extensão na aplicabilidade de aços UBC, onde alta estampabilidade e alta resistência mecânica superficial sejam necessáriasUltra-low carbon (ULC) steels exhibit low yield strength and excellent formability. Plasma Assisted Physical Vapor Deposition (PAPVD) could be a coating method for enhancing mechanical, corrosion and wear resistances of low strength materials (MATTHEWS, 1995). However, when deposited onto low mechanical resistance alloys PAPVD coatings may undergo premature failure if the substrate plastically deforms under heavy load. Extra load support is usually required for hard coatings to perform satisfactorily. Combined treatments involving plasma nitriding and PAPVD coating have been used to improve the load-bearing capacity of hard films (AVELARBATISTA, 2005; MANCOSU, 2005; SANTOS, 2009). Present work focuses the characterization, corrosion behavior and micro abrasive wear resistance of Ti-stabilized Ultra-Low Carbon (ULC) steel after surface modification by D.C Triode Plasma Nitriding (DC-TPN) and sequential coating with Cr-Al-N by Electron Beam Plasma Assisted Physical Vapor Deposition (EB-PAPVD). Manufacturing processes are described. The ULC steel substrate, the nitrided steel and the corresponding Cr-Al-N duplex were studied. Results from corrosion tests of plasma-modified systems were compared to those from uncoated, electro-galvanized and galvannealed ULC steel sheets. Open Circuit Potential (OCP) tests were performed. The corrosion properties were evaluated via electrochemical potentiodynamic tests in aerated chloride-containing solution (3.5% NaCl). Polarization curves were investigated from -2.5 V to +1.5 V, beyond the pitting potential for Cr-Al-N coatings which lies between 0.6 V and 0.8 V depending on the Al/Cr ratio (DING, 2008). Corrosion parameters were measured and compared: EOCP (V); Icorr; (A/cm2); Ecorr (V); Rp (W*cm2) and relative efficiency of protection against corrosion _c (%). SEM post-corrosion studies were conducted and the corrosion modes - from general corrosion in uncoated steel to pitting in coated systems are discussed. Characterization of chemical composition, microstructure, phases, and surface roughness were conducted. Coating thickness for the coated systems was measured by calotest based on the inner and outer diameter of the wear scars. Under the experimental conditions of the present study, the results for corrosion resistance could be correlated to the differences in morphology and composition of the surfaces. For example, galvannealed samples showed Zn-Fe phases _ _ - _ - _1 - _- aFe varying from surface to substrate, while the duplex system goes from cfc-Cr-Al-N coating on top of a g´-Fe4N nitrided layer to an aFe substrate with N in solid solution. Results indicate that it is feasible to manufacture duplex Ti-ULC steel via DC-TPN and EB-PAPVD with actual improvement of the corrosion resistance. Potentiodynamic curves clearly showed a shift to higher corrosion potentials and lower corrosion current intensity from the untreated ULC substrate to the duplex system. The micro-abrasive wear behavior was also studied for the different systems under investigation. Micro-abrasive wear tests were performed in fixed-ball configuration up to 1350 revolutions using SiC abrasive slurry and a 25mm diameter AISI 52100 steel ball. Additional characterization was performed via micro-hardness and instrumented indentation hardness measurements, as well as stylus profilometry on both initial and worn surfaces of the samples. SEM and EDS analyses were conducted over the worn samples; the micro-abrasion mechanisms are presented and discussed. Nitrided steel and duplex system were, respectively, 2.5 and 3.4 times harder than the untreated Ti-ULC steel. The wear coefficient of nitrided steel was 36 % lower than that of the parent Ti- ULC steel. Regression analyses were used to calculate substrate (ks) and coating (kc) wear coefficients for the duplex system, the latter being 6.6 times lower than that of the nitrided steel. Results indicate that it is feasible to manufacture duplex Ti-ULC steel via PAPVD, as significant improvements in wear resistance were recorded for both nitrided and duplex-treated steels. Duplex treatment clearly was the most effective method to enhance the wear resistance of ULC steels. These results suggest a wider range for applicability of the ULC steels, where high drawability and high superficial mechanical resistance may be necessar