Influência da microestrutura de ferros fundidos cinzentos na adesão de zinco em superfícies nitretadas a plasma e revestidas com DLC para aplicações em estampagem automotiva

Abstract

Chapas galvanizadas são amplamente empregadas na indústria automotiva devido à resistência à corrosão proporcionada pelo revestimento de zinco; entretanto, durante operações de estampagem, o contato entre chapa e ferramenta pode favorecer a transferência de Zn para a superfície dos ferramentais, promovendo a formação de regiões aderidas, alterações na topografia local, aumento do atrito e instabilidade do processo. Esse fenômeno é particularmente crítico em ferramentas fabricadas em ferros fundidos, os quais a microestrutura, conteúdo de grafita, a rugosidade e o suporte mecânico podem influenciar diretamente a integridade dos tratamentos superficiais e a nucleação da adesão. Nesse contexto, sistemas duplex formados por nitretação a plasma e filmes de carbono tipo diamante (DLC) surgem como alternativas de engenharia de superfície, mas seu desempenho depende da condição do substrato. Este trabalho avaliou a influência da microestrutura de substratos ferrosos na integridade de sistemas nitretação–DLC e na tendência à adesão e transferência de Zn em contato com aço galvanizado. Foram estudados o ferro fundido cinzento G2500, o ferro fundido de fundição contínua FUCO GMI e o aço SAE 1045, além de uma condição revestida com cromo duro utilizada como referência industrial. Os materiais foram caracterizados quanto à microestrutura, incluindo análise das estruturas grafíticas, dureza, topografia, formação de camada nitretada, e dos filmes DLC. O desempenho tribológico foi avaliado por ensaios de cilindros cruzados sob cargas de 5, 50 e 95 N, com análise das marcas por microscopia óptica, MEV-BSE, EDS e binarização de imagens. Os resultados mostraram que, na condição polida, o G2500 apresentou grafita lamelar mais grosseira (76–205 µm²) e maior rugosidade (Sa = 0,163 ± 0,055 µm), enquanto o FUCO GMI apresentou grafita mais refinada (25–58 µm²) e menor rugosidade (Sa = 0,038 ± 0,002 µm). Essa diferença microestrutural refletiu diretamente no comportamento tribológico, com o G2500 apresentando maior tendência à transferência de Zn, atingindo áreas aderidas de até 27,63 ± 7,58 ×10⁻³ mm², enquanto o FUCO GMI apresentou menor área aderida, com valores máximos de 5,26 ± 2,61 ×10⁻³ mm². O SAE 1045 apresentou menor dureza de topo, mas a matriz contínua exibiu menor rugosidade. O cromo duro apresentou a menor área aderida entre as condições avaliadas. Conclui-se que o desempenho dos sistemas nitretação–DLC não foi controlado apenas pela presença do revestimento ou pela dureza de superfície máxima, mas pela interação entre microestrutura, topografia, suporte mecânico em profundidade e integridade local do filme.

Galvanized steel sheets are widely used in the automotive industry due to the corrosion resistance provided by the zinc coating. However, during stamping operations, the contact between the sheet and the tool may promote Zn transfer to the tool surface, leading to formation of adhered regions, changes in local topography, increased friction, and process instability. This phenomenon is particularly critical in tools made of cast irons, whose microstructure, graphite content, surface topography, and mechanical support can directly influence the integrity of surface treatments and the nucleation of adhesion. In this context, duplex systems composed of plasma nitriding and diamond-like carbon (DLC) films emerge as surface engineering alternatives, although their performance depends on the condition of the substrate. This study evaluated the influence of the microstructure of ferrous substrates on the integrity of nitriding– DLC systems and on the tendency for adhesion and Zn transfer in contact with galvanized steel. Gray cast iron G2500, continuous cast iron FUCO GMI, and SAE 1045 steel were investigated, along with a hard chromium-coated condition used as an industrial reference. The materials were characterized in terms of microstructure, including analyses of graphite structures, hardness, topography, nitride layer formation, and DLC films. Tribological performance was evaluated by crossed-cylinder tests under loads of 5, 50, and 95 N, with wear tracks analyzed by optical microscopy, SEM-BSE, EDS, and image binarization. The results showed that, in the polished condition, G2500 presented coarser lamellar graphite (76–205 µm²) and higher roughness (Sa = 0.163 ± 0.055 µm), whereas FUCO GMI exhibited more refined graphite (25– 58 µm²) and lower roughness (Sa = 0.038 ± 0.002 µm). This microstructural difference was directly reflected in the tribological behavior, with G2500 showing a greater tendency for Zn transfer, reaching adhered areas of up to 27.63 ± 7.58 × 10⁻³ mm², while FUCO GMI showed smaller adhered areas, with maximum values of 5.26 ± 2.61 × 10⁻³ mm². SAE 1045 steel exhibited lower near-surface hardness, but its continuous matrix showed lower roughness. Hard chromium presented the lowest adhered area among the evaluated conditions. It is concluded that the performance of nitriding–DLC systems was not governed solely by the presence of the coating or by the maximum surface hardness, but rather by the interaction among microstructure, topography, mechanical support in depth, and local film integrity.