Influência de Tratamentos Superficiais na Resistência ao Desgaste Abrasivo do Aço SAE 4140 para Rolo Alimentador de Prensa de Estampagem

Abstract

O rolo alimentador utilizado no processo de estampagem apresenta alto custo e vida útil limitada em função do desgaste sofrido pelo contato contínuo com as chapas a serem estampadas, o que demanda paradas de linha para recuperação superficial e/ou troca destes rolos impactando negativamente a operação em decorrência de: i) redução da produtividade e lucratividade do setor em função do tempo de máquina parada; ii) custos de manutenção, por se tratar de peça de difícil acesso para extração e montagem na máquina; iii) dificuldade de acesso ao componente, o qual é importado, o que reduz sua disponibilidade pode aumentar significativamente seu custo de obtenção em função de variações cambiais e taxas. Neste contexto, este trabalho busca contribuir com o desenvolvimento de revestimentos e melhorias superficiais que possibilitem nacionalizar a cadeia de produção destes rolos e, principalmente, aumentar sua vida útil. Para tanto neste trabalho é avaliada comparativamente a resistência ao desgaste abrasivo do aço SAE 4140, utilizado na fabricação destes rolos, submetido a diferentes tratamentos superficiais: i) condição de referência: têmpera superficial por indução, seguida de jateamento e tratamento químico pro imersão em solução de ácido nítrico com cloreto férrico; ii) têmpera superficial por indução, seguida de tratamento químico por imersão em solução de ácido nítrico com cloreto férrico e depois jateamento; iii) nitretado a plasma; iv) revestido, por aspersão térmica HVOF. O substrato e as diferentes condições superficiais são analisados em termos de microestrutura utilizando MO, MEV e microdureza. A resistência ao desgaste é avaliada por abrasão em três corpos, através do ensaio areia-roda-de-borracha, de acordo com a norma ASTM G65. Os resultados obtidos nos ensaios de desgaste mostram que para as condições tribológicas utilizadas, a resistência ao desgaste mostrou-se menor nas condições de referência, de tratamento químico, e nitretado. Por sua vez, o revestimento WC-Co Cr por HVOF proporcionou a maior resistência ao desgaste, associada à sua elevada dureza e boa aderência.

The feed roller used in the stamping process is a high-cost component with a limited lifetime due to wear caused by continuous contact with the metal sheets being stamped. This wear requires production line shutdowns for surface restoration and/or replacement of the rollers, negatively affecting the operation due to: i) reduced productivity and profitability resulting from machine downtime; ii) maintenance costs, since the component is difficult to access for removal and installation; and iii) limited availability because the component is imported, which may significantly increase its acquisition cost due to exchange rate fluctuations and import-related fees. In this context, this study aims to contribute to the development of coatings and surface treatments that enable the localization of the production chain for these rollers and, more importantly, increase their lifetime. To this end, the abrasive wear resistance of SAE 4140 steel, used in the manufacture of these rollers, was comparatively evaluated after different surface treatments: i) reference condition: induction surface hardening by quenching and tempering, followed by grit blasting; ii) induction surface hardening by quenching and tempering, followed by a chemical treatment by immersion in a nitric acid solution containing ferric chloride, and a subsequent grit blasting process; iii) plasma nitriding; and iv) coating by High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) thermal spraying. The substrate and the different surface conditions were characterized in terms of microstructure using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and microhardness measurements. Wear resistance was evaluated by three body abrasive wear testing using the dry sand/rubber wheel test in accordance with ASTM G65. The wear test results showed that, under the tribological conditions employed, the reference condition, the chemically treated condition, and the plasma nitrided condition exhibited lower wear resistance. In contrast, the HVOF-sprayed WC Co-Cr coating provided the highest wear resistance, which was associated with its high hardness and good adhesion.