ANÁLISE DO COEFICIENTE DE ATRITO PARA O COMPÓSITO DE ZAMAC 2 REFORÇADO COM SiC PRODUZIDO POR METALURGIA DO PÓ

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1 ANÁLISE DO COEFICIENTE DE ATRITO PARA O COMPÓSITO DE ZAMAC 2 REFORÇADO COM SiC PRODUZIDO POR METALURGIA DO PÓ T. A. Proença 1, K. Kazmierczak 2, C. E. da Costa 2, J. C. G. Milan 2 1 Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). thaisaproenca@gmail.com 2 Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC) RESUMO A liga Zamac 2 é utilizada em diversos produtos de engenharia, uma vez que possui uma ótima combinação de propriedades físicas e mecânicas, como baixo ponto de fusão, boa resistência à tração e elevada dureza. Estudos recentes reportaram que a adição de 1 a 5 % p de SiC a ligas zinco e alumínio resulta em uma menor taxa de desgaste quando comparada à liga não reforçada. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho foi produzir, via metalurgia do pó, compósitos à base de Zamac 2 com reforço de SiC. O coeficiente de atrito entre os compósitos e da liga não reforçada entre um contra corpo de aço, foi avaliada por meio de ensaio por deslizamento do tipo pino-sobre-disco. Os resultados dos testes revelaram que, ao se aumentar quantidade em peso do reforço, há a diminuição do coeficiente de atrito em relação às amostras não reforçadas. Palavras-chave: Liga Zamac 2; Partículas de SiC; Compósitos, Metalurgia do Pó INTRODUÇÃO As ligas de zinco e alumínio são utilizadas em diversos produtos de engenharia devido às suas propriedades únicas e a ampla variedade de ligas comerciais existentes. As ligas que são utilizadas para fundição são agrupadas, 6218

2 conforme o teor de alumínio existente, em duas categorias: ligas ZA e ligas Zamac (EASTERN ALLOYS, 2017). De maneira geral, as ligas à base de zinco e alumínio exibem propriedades físicas e mecânicas atraentes, como ponto de fusão relativamente baixo - cerca de 400 C, boa resistência à corrosão e excelente fundibilidade. Entretanto, essas ligas possuem ductilidade limitada em baixas temperaturas e apresentam queda na resistência em temperaturas elevadas (WU et al., 2016). Os materiais que são aplicados na engenharia têm sido desenvolvidos para fornecer uma combinação única de propriedades, que não são encontrados em materiais convencionais. Por exemplo, na indústria aeronáutica busca-se obter materiais estruturais que possuam baixa densidade, alta rigidez e elevada resistência ao impacto características que não são exibidas por nenhum material metálico, cerâmico ou polimérico tradicionais. Novos materiais que estão sendo desenvolvidos são os materiais compósitos, os quais podem apresentar um aperfeiçoamento das propriedades (ABOU EL-KHAIR et al., 2011). Dentro dessa classe de materiais avançados, destacam-se os estudos de compósitos metálicos, especialmente aqueles que utilizam como matriz ligas de zinco e alumínio com o objetivo de produzir materiais resistentes ao desgaste (MITROVIĆ et al., 2012). Na indústria automotiva, por exemplo, pequenas engrenagens e polias são tipicamente fabricados em ligas de zinco com baixo teor de alumínio. Para outros produtos, como caixas de engrenagem, preferem-se ligas de zinco com alto teor de alumínio, já que possuem propriedades mecânicas elevadas quando comparadas com as de menor quantidade de alumínio (POLA et al., 2016). É importante destacar que a utilização de tais ligas é limitada a determinadas aplicações, uma vez que possuem ductilidade limitada em baixas temperaturas e queda pronunciada na resistência em temperaturas elevadas (WU et al., 2016). Para contornar esses problemas e manter as demais propriedades, as ligas de zinco e alumínio têm sido reforçadas com materiais cerâmicos, principalmente a alumina (Al2O3 e o carbeto de silício (SiC). A adição de reforço de Al2O3 em ligas de zinco com teor de alumínio entre 27 e 32% p foi estudada por Lo, Dionne e Sahoo (1992), Bobić, Jovanović e Ilić (2003) e Shivakumar, 6219

3 Vasu e Narasaiah (2017), os quais observaram que esse reforço melhora as propriedades de resistência à tração, compressão e ao desgaste, porém reduz a ductilidade do material. Quando da adição de reforço de SiC liga Zn-27Al, Seah et al. (1995) constataram aumenta a resistência à tração e a dureza e, ao mesmo tempo, reduz a ductilidade e a resistência ao impacto. A respeito do comportamento tribológico, Sharma et al. (1997) e Tjong and Chen (1997) observaram que, ao se aumentar a quantidade de reforço, a taxa de desgaste diminui em condições sem e com lubrificação. Além disso, os compósitos exibem, em baixas cargas, desgaste abrasivo e, em altas cargas, desgaste por delaminação. É importante ressaltar que todos os estudos citados utilizaram o método de fundição para obter o compósito. Todavia, nas últimas décadas, novos processos de manufatura foram desenvolvidos para produzir compósitos com melhores propriedades ou com menor custo (FOGAGNOLO et al., 2004). Entre essas técnicas, destaca-se a metalurgia do pó (MP) devido as suas vantagens sobre a fundição, como o uso de menores temperaturas de processamento e a ausência do fenômeno de segregação (PARVIN et al., 2008). Outro ponto em comum entre tais estudos é o uso de ligas de zinco hipereutéticas (Al > 5,1% p) como metal base, o que reflete na ausência de informações sobre o desempenho de compósitos preparados com ligas Zamac (Al < 5,1% p). Essas ligas, assim como as hipereutéticas, apresentam uma excelente combinação de custo, ductilidade e resistência ao impacto, além de serem amplamente utilizadas para a fabricação de componentes mecânicos (EASTERN ALLOYS, 2017). O objetivo desse trabalho é produzir, através da metalurgia do pó, compósitos à base da liga Zamac 2, utilizando como reforço partículas de carbeto de silício (SiC) em duas concentrações diferentes, em comparação com Zamac produzido por fundição, na empresa Zinco ligas, este será denominado como ZAP. Investigou-se também o comportamento do coeficiente de atrito do compósito com tratamento térmico T6. MATERIAIS E MÉTODOS 6220

4 Pós elementares de zinco, alumínio e cobre, cujas proporções e características são dadas na Tabela 1, foram submetidos à moagem de alta energia em moinho atritor. A composição usada no ensaio de moagem é descrita na Tabela 1. Tabela 1: Composição da liga. Componente Concentração (%) Densidade a 25 C (g/cm 3 ) Zinco 93 7,140 Alumínio 4 2,70 Cobre 3 8,93 Tabela 2. A composição para a liga Zamac ZAP, produzido por fundição é dada na Tabela 2: Composição Zamac ZAP produzido por fundição. Componente Concentração mínima (%) Concentração máxima (%) Zinco 92,404 94,050 Alumínio 3,500 4,200 Cobre 2,000 2,700 Magnésio 0,450 0,650 Ferro 0,000 0,035 Chumbo 0,000 0,005 Cádmio 0,000 0,003 Estanho 0,000 0,002 Fonte: adaptado Zinco ligas. Os compósitos em pó foram produzidos em duas composições diferentes, com adições 3 e 5% p SiC, por meio da técnica de homogeneização manual. Nessa técnica, os pós de Zamac 2, SiC e ácido esteárico, são misturados por 20 minutos. Por meio do estudo da compressibilidade do pó, definiu-se a pressão de compactação de 400 MPa. As pré-formas foram obtidas por meio da compactação uniaxial a frio dos pós de Zamac 2 sem reforço (0% p SiC) e de 6221

5 compósitos (3% p e 5% p SiC). Resultando em compactados em verde de 25mm de diâmetro. As amostras obtidas foram conformadas a quente em uma matriz cilíndrica bipartida, aquecida por resistências elétricas, e um termopar próximo à pre-forma para controle de temperatura de conformação. As pre-formas foram conformadas com uma pressão de 500Mpa, na temperatura de 350 C, e posterior resfriamento a temperatura ambiente. O ciclo de tratamento térmico foi realizado com aquecimento por duas horas a 240 C e resfriado em água. Na sequência, a amostra foi aquecida por 12 horas a 180 C e foram resfriadas dentro do forno até a temperatura ambiente. Com o intuito de se determinar o coeficiente de atrito, ensaios de desgaste por deslizamento do tipo pino sobre disco, foram realizados nas amostras consolidadas com e sem tratamento térmico, de acordo com a norma ASTM G99/17, em um tribômetro do tipo pino-sobre-disco, sob condições de deslizamento a seco, com velocidade de 0,1m/s, utilizando contra corpo esférico de aço com diâmetro de 6mm. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os valores de coeficiente de atrito obtidos durante os ensaios de desgaste por deslizamento do tipo pino-sobre-disco, a seco, para todas as condições experimentais estudadas são apresentados na Figura 1. A amostra com 5% foi a que apresentou menor coeficiente de atrito, o qual difere significativamente das demais amostras em um intervalo de confiança de 95%. A análise estatística de variância (ANOVA) identificou que o tipo de material influencia significativamente no valor médio do coeficiente de atrito. As amostras ZAP, ZAP+TT, 0% SiC+TT e 3% SiC foram as condições que apresentaram os maiores valores de coeficiente de atrito, os quais são estatisticamente iguais entre si. As condições 0%SiC, 3% SiC+TT e 5% SiC+TT apresentaram valores de coeficiente de atrito intermediários entre o máximo e o mínimo observados e são iguais em um intervalo de confiança de 95%. 6222

6 Figura 1 - Valores de coeficiente de atrito. A evolução do coeficiente de atrito durante o ensaio de deslizamento para um ensaio de cada condição experimental analisada é apresentada na Figura 3. A linha vertical presente em alguns gráficos indica o ponto a partir de qual a média foi considerada, ou seja, o momento em que o ensaio atingiu o regime permanente de desgaste. Nos gráficos em que não está presente tal linha, o coeficiente de atrito foi calculado com base em todos os pontos coletados, já que não se detectou visualmente a transição entre os regimes transiente e permanente de desgaste. 6223

7 Figura 3 - Evolução do coeficiente de atrito durante o ensaio de desgaste por deslizamento para todas as condições experimentais As curvas de evolução do coeficiente de atrito das amostras 0% (Figura 3-a), 0% SiC +TT (Figura 3-b), 3% SiC (Figura 3-c), 3% SiC +TT (Figura 3-d) e 5% SiC +TT (Figura 3-f) possuem um coeficiente de atrito variável nos primeiros 70 metros de ensaio e, a partir desse ponto, o coeficiente de atrito permanece aproximadamente constante com o aumento da distância de deslizamento. Para a amostra ZAP+TT (Figura 3-h), nota-se um menor coeficiente de atrito nos 100 metros iniciais e verifica-se que, desse ponto em diante, tal coeficiente começa a oscilar entre os valores 0,40 e 0,60. Nas amostras 5% (Figura 3-e) e ZAP (Figura 3-g), observa-se que o coeficiente de atrito é, em média, constante desde os primeiros metros iniciais. O comportamento da amostra 5% SiC (Figura 3-e) é similar àquele descrito por Tjong e Chen (1997) no estudo de compósitos à base de liga ZA-27 reforçados com 10% SiC em vários tamanhos de partícula e produzidos por fundição. Os autores observaram que, enquanto o coeficiente de atrito, no ensaio da liga sem reforço, variou nos primeiros 500 m de deslizamento, nos compósitos o coeficiente de atrito permaneceu aproximadamente constante durante todo o ensaio. Segundo os autores, essa diferença no comportamento do atrito pode estar associada à formação de uma camada sub-superficial deformada na liga 6224

8 ZA-27, cuja espessura diminui com a adição de partículas de SiC, as quais agem como um elemento de apoio de carga. CONCLUSÕES O ensaio com a amostra 5% SiC foi o que apresentou menores valores de coeficiente de atrito. Esse comportamento pode estar associado à adição de partículas de SiC, as quais suportam o carregamento durante o ensaio de desgaste por deslizamento, melhorando a resistência ao desgaste do compósito. O tratamento térmico não influenciou em relação ao coeficiente de atrito, somente a amostra com 5% SiC com tratamento térmico apresentou um aumento do atrito com tratamento térmico. AGRADECIMENTOS A CAPES pela bolsa de estudos concedida e a empresa Zinco Ligas pela doação da liga Zamac. À FAPESC (projeto nº 2017TR652). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA EASTERN ALLOYS. Overview of zinc alloys. Disponível em: < Acesso em: 24 abr WU, Z. et al. Mechanical behaviour of Zn Al Cu Mg alloys: Deformation mechanisms of as-cast microstructures. Materials Science & Engineering: A, Germany, v. 651, p , 10 jan SEAH, K.H.W. et al. Mechanical properties of as-cast and heat-treated ZA- 27/silicon carbide particulate composites. Materials & Design, [s.l.], v. 16, n. 5, p , SHARMA, S.C. et al. Effect of SiC particle reinforcement on the unlubricated sliding wear behaviour of ZA-27 alloy composites. Wear, [s.l.], v. 213, n. 1-2, p.33-40, 30 dez

9 BOBIĆ, I.; JOVANOVIĆ, M.T.; ILIĆ, N. Microstructure and strength of ZA-27- based composites reinforced with Al2O3 particles. Materials Letters, v. 57, n. 11, p , mar YU, S.; LI, W.; HE, Z.. Study on tensile strengths of Al2O3 short fiber reinforced Zn Al alloy composites at elevated temperatures. Journal Of Alloys And Compounds, v. 431, n. 1-2, p.l8-l11, abr ARIKAN, H.; SAHAR, F.. Fracture and mechanical properties of steel fibre reinforced Zn 5Al (Zamak 5) alloy. International Journal Of Cast Metals Research, v. 23, n. 3, p , ABOU EL-KHAIR, M.T. et al. Microstructure, thermal behavior and mechanical properties of squeeze cast SiC, ZrO2 or C reinforced ZA27 composites. Materials Science And Engineering: A, v. 528, n. 6, p , mar MITROVIĆ, S. et al. Tribological Potential of Hybrid Composites Based on Zinc and Aluminium Alloys Reinforced with SiC and Graphite Particles. Tribology In Industry, [S.l], v. 34, n. 4, p , POLA, A. et al. On the aging of a hyper-eutectic Zn-Al alloy. La Metallurgia Italiana, v. 4, p LO, S. H. J.; DIONNE, S.; SAHOO, M. Mechanical and tribological properties of zincaluminium metal-matrix composites. Journal Of Materials Science. [s.l], p nov SHIVAKUMAR, N.; VASU, V.; NARASAIAH, N. Processing and dry sliding wear behavior of Al 2 O 3 nanoparticles reinforced ZA-27 composites. Materials Today: Proceedings, [s.l.], v. 4, n. 2, p ,

10 TJONG, S. C.; CHEN, F. Wear behavior of as-cast ZnAl27/SiC particulate metalmatrix compositesunder lubricated sliding condition. Metall Mater Trans A, [s.l.], v. 28, n. 9, p , FOGAGNOLO, J. B. Estudo do processo de fabricação de materiais compósitos de matriz alumínio por metalurgia do pó, via moagem de alta energia e extrusão f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, PARVIN, N. et al. Preparation and mechanical properties of SiC-reinforced Al6061 composite by mechanical alloying. Materials Science And Engineering: A, [s.l.], v. 492, n. 1-2, p , set