Reparo de ferramentas de estampagem por laser cladding e tratamento térmico de têmpera superficial a laser

Abstract

As ferramentas de estampagem estão sujeitas a diversos tipos de solicitações, como impacto, tensões cíclicas, variações de temperatura e abrasão, que podem ocasionar falhas ou desgaste prematuro e, consequentemente, longas paradas não programadas para manutenção. Os materiais empregados na fabricação dessas ferramentas, como o aço AISI D2, apresentam elevada resistência mecânica e ao desgaste, porém baixa soldabilidade, o que pode favorecer a formação de trincas durante o reparo. Com o objetivo de reduzir problemas associados ao lead time, processos como o L-DED (Laser Directed Energy Deposition) e, mais especificamente, o Laser cladding, com adição de arame ou pó metálico, podem ser empregados na fabricação e no reparo de componentes com geometrias complexas, oferecendo vantagens como baixo aporte térmico, controle de diluição e elevada resistência da ligação metalúrgica com o substrato. Os objetivos deste trabalho foram desenvolver uma metodologia para a deposição de reparos em aço-ferramenta e a avaliação do subsequente tratamento térmico de têmpera a Laser. Como materiais de estudo, foram escolhidos o aço-ferramenta AISI D2 (utilizado como substrato) e, como metais de adição, o aço inoxidável martensítico AISI 420 e o aço-ferramenta AISI M2, ambos na forma de pó metálico. Os procedimentos de deposição foram otimizados por meio de experimentos fatoriais completos e de análise de superfícies de resposta, utilizando critérios de desejabilidade (desirability) com o objetivo de evitar defeitos como trincas, falta de fusão e porosidade. Foram analisados depósitos com uma e três camadas, sendo que os últimos apresentaram espessura total entre 1,4 e 1,8 mm. As amostras com três camadas, com diluição final em torno de 1%, foram avaliadas quanto às características microestruturais e ao desempenho ao desgaste, utilizando um tribômetro com movimento reciprocante. As análises realizadas incluíram microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV/EDS) e difração de raios X (DRX). Os resultados mostraram que, com o tratamento térmico de têmpera a Laser aplicado ao aço AISI 420, é possível obter uma camada endurecida de até 0,8 mm, com aumento significativo da dureza (de 540 para 650 HV) e maior homogeneidade microestrutural em relação ao estado como depositado, no qual cada ponto do depósito é submetido a diferentes ciclos térmicos, em razão da formação das camadas por sobreposição de cordões. Embora o coeficiente de atrito tenha sido reduzido pela têmpera, observou-se um aumento na taxa de desgaste, atribuído à formação de uma camada de óxidos rugosa (haja vista que o tratamento foi realizado sem atmosfera protetora). Essa camada, formada no AISI 420 tratado termicamente, atuou inicialmente como barreira de proteção contra o desgaste, mas sua remoção precoce expôs a superfície a falhas. Sem tratamento térmico, o depósito de AISI 420 apresentou uma taxa de desgaste semelhante à do substrato (AISI D2), porém com alta variabilidade nos resultados. O AISI M2, por sua vez, destacou-se pela menor taxa de desgaste, apesar de exigir cuidados adicionais durante o processo de deposição. O AISI D2 manteve excelente desempenho tribológico, comportamento que parece estar associado à presença de carbonetos dispersos em sua microestrutura. Assim, o estudo permitiu estabelecer parâmetros viáveis para o reparo de matrizes de aço AISI D2, com elevada integridade superficial, contribuindo para o desenvolvimento de soluções mais eficazes em reparos de ferramentais de estampagem.

Abstract: Stamping tools are subjected to several types of loading, such as impact, cyclic stresses, temperature variations, and abrasion, which can lead to failures or premature wear and, consequently, long unscheduled maintenance shutdowns. The materials used in the manufacture of these tools, such as AISI D2 steel, exhibit high mechanical strength and wear resistance but low weldability, which may promote crack formation during repair. In order to reduce issues related to lead time, processes such as L-DED (Laser Directed Energy Deposition) and, more specifically, Laser Cladding with wire or powder feedstock can be employed in the manufacturing and repair of components with complex geometries, offering advantages such as low heat input, dilution control, and high metallurgical bonding strength with the substrate. The objectives of this work were to develop a methodology for depositing repair layers on tool steel and to evaluate the subsequent Laser hardening heat treatment. As study materials, AISI D2 tool steel was selected as the substrate, and AISI 420 martensitic stainless steel and AISI M2 tool steel were chosen as filler metals, both in powder form. The deposition procedures were optimized through full factorial experiments and response surface analysis using desirability criteria in order to avoid defects such as cracking, lack of fusion, and porosity. Deposits with one and three layers were analyzed, with the latter presenting a total thickness between 1.4 and 1.8 mm. The three-layer samples, with a final dilution of approximately 1%, were evaluated regarding their microstructural characteristics and wear performance using a reciprocating tribometer. The analyses performed included optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM/EDS), and X-ray diffraction (XRD).The results showed that, with the Laser hardening treatment applied to AISI 420, it is possible to obtain a hardened layer of up to 0.8 mm, with a significant increase in hardness (from 540 to 650 HV) and improved microstructural homogeneity compared to the as-deposited condition, in which each region of the deposit is subjected to different thermal cycles due to the formation of layers through bead overlap. Although the coefficient of friction was reduced by the hardening treatment, an increase in wear rate was observed, attributed to the formation of a rough oxide layer (given that the treatment was performed without a protective atmosphere). This layer, formed on heat-treated AISI 420, initially acted as a protective barrier against wear, but its early removal exposed the surface to failure. Without heat treatment, the AISI 420 deposit exhibited a wear rate similar to that of the substrate (AISI D2), though with high variability. AISI M2, in turn, stood out for its lower wear rate, despite requiring additional care during the deposition process. AISI D2 maintained excellent tribological performance, a behavior that seems to be associated with the presence of dispersed carbides in its microstructure.Thus, the study established viable parameters for the repair of AISI D2 steel dies with high surface integrity, contributing to the development of more effective solutions for repairing stamping tooling.