Efeito dos teores de carbono, manganês, cromo e nitrogênio e da força normal no comportamento tribológico de aço manganês austenítico

Este trabalho analisa o comportamento tribológico de aços com microestruturas e composições químicas inspiradas nos aços Hadfield. Foram estudadas doze composições com as quais se analisou o efeito dos teores de C, Mn, Cr e N. Foram realizados ensaios de desgaste por deslizamento (pino contra disco), com os pinos fabricados com os aços em estudo e os discos de aço H-13 (600 HV). A força normal foi variada entre 50 e 500 N e velocidade de deslizamento de 0,18 m/s. A força de atrito foi avaliada durante os ensaios e a perda de massa obtida após os ensaios. Foram realizados perfis de microdureza na seção transversal, caracterização das superfícies de desgaste utilizando microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, Astar, espectroscopia Raman e difração de Raio X. Ensaios de resistência ao impacto Charpy foram realizados. Os resultados de desgaste mostraram que as ligas com maiores teores de N (família G3) apresentaram expressiva resistência ao desgaste na faixa de força normal entre 50 e 500 N. A liga com 0,26% N não mostrou aumento de perda de massa expressiva ao longo de toda a faixa de força. Para as demais ligas (famílias G1 e G2), com menores teores de N, as maiores perdas de massa ocorreram nos ensaios com 500 N, entretanto foi observado um máximo relativo de perda de massa para forças intermediárias. O efeito do C, Mn e Cr no desgaste não teve um comportamento generalizável. Esse trabalho sugere que ligas com composições e microestruturas semelhantes à de aços Hadfield podem ter seu desempenho melhorado por meio da adequação do teor de N para algumas aplicações. O coeficiente de atrito foi similar para todas as ligas, diminuindo com aumento da força normal, devido ao aumento da fração de óxidos nas superfícies. As medidas de microdureza mostraram que as famílias G1 e G2 tem maior dureza que a família G3. As análises com DRX, MET e Astar, mostraram a formação de uma camada recristalizada nanocristalina e formação de martensita (´e ) para as forças entre 300 e 500 N para todas as ligas. Para a liga com maior teor de N o mecanismo de desgaste oxidativo foi predominante em todas as forças com ocorrência limitada de evidências de formação e ruptura de junção. Para as famílias G1 e G2 o desgaste oxidativo foi predominante para forças menores e para forças maiores as evidências de abrasão, formação e ruptura de junção foram mais intensas e crescem com a força. Para explicar os resultados de desgaste e atrito em função da força e composição química foi proposto que as ligas com maiores teores de N têm uma capacidade de deformação superior às demais, evidenciadas pela maior espessura da camada nanocristalina e pelos menores teores de martensita. As ligas com maior teor de N apresentaram valores de resistência ao impacto ainda compatíveis com aplicações industriais, embora menores do que das demais famílias. This work presents an analysis of the tribological behaviour of steels with microstructure inspired by Hadfield steels, with twelve different chemical compositions varying C, Mn, Cr and N contents. Sliding wear tests (pin-to-disk) were performed, the pins were fabricated with Hadfield steels and the discs with H-13 steel (600 HV). The normal load was varied between 50 and 500 N and the sliding speed was 0.18 m/s. The friction force was monitored during the tests, as well as the mass loss obtained after the tests. Microhardness profiles were performed in the cross section, in addition to evaluation of the wear surfaces using scanning and transmission electron microscopy, Astar, Raman spectroscopy and X-ray diffraction. Charpy impact resistance tests were performed. The wear results showed that the alloys with higher N content (family G3) showed significant wear resistance with an increase in normal load between 50 and 500 N. The 0.26% N alloy did not show significant increase in mass loss over the entire load range. For the other alloys (G1 and G2 families), with lower contents of N, the higher mass losses occurred in the tests with 500 N, however, a relative maximum of mass loss was observed for an intermediate load. The effect of C, Mn and Cr on wear did not have a generalizable behavior. This work suggests that alloys with compositions and microstructures similar to Hadfield steel may have their performance improved by adapting the N content for some applications. The friction coefficient was similar for all alloys, decreasing with an increase in normal load, due to the increase in the fraction of oxides on the surfaces. The microhardness measurements showed that the G1 and G2 families have higher hardness than the G3 family. The use of XRD, MET and Astar techniques showed the formation of a recrystallized nanocrystalline layer and the formation of martensites (´e ) for loads between 300 and 500 N for all alloys. For the alloy with a higher N content, the oxidative wear mechanism was predominant in all loads with limited evidence of formation and rupture of the junction. For the G1 and G2 families, oxidative wear was predominant for lower loads and for higher loads the evidence of abrasion, formation and rupture of the adhesion joint was more intense and increased with the load. To explain the results of wear and friction as a function of load and chemical composition, it was proposed that the alloys with the highest N content have a higher deformation capacity than the others, evidenced by the higher thickness of the nanocrystalline layer and the lower contents of martensite. Alloys with a higher N content showed impact resistance values still compatible with industrial applications, although lower than those of other families.