Álvaro José da Luz ESTUDO TRIBOLÓGICO DA CAMADA CEMENTADA DO AÇO SAE 1020

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica Álvaro José da Luz ESTUDO TRIBOLÓGICO DA CAMADA CEMENTADA DO AÇO SAE 1020 São João del-rei MG Julho de 2018

2 Álvaro José da Luz ESTUDO TRIBOLÓGICO DA CAMADA CEMENTADA DO AÇO SAE 1020 Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Federal de São João del- Rei, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Caracterização e Propriedades Mecânicas dos Materiais Profa. Dra. Roseli Marins Balestra São João del-rei MG Departamento de Engenharia Mecânica - UFSJ Julho de 2018

3 FICHA CATALOGRÁFICA Luz, Álvaro ESTUDO TRIBOLÓGICO DA CAMADA CEMENTADA DO AÇO SAE 1020 São João Del-Rei, p. Área de concentração: Caracterização e Propriedades Mecânicas dos Materiais. Orientadora: Prof. Dra. Roseli Marins Balestra. Dissertação (Mestrado) Universidade Federal de São João del-rei Departamento de Engenharia Mecânica. 1.Tribologia; 2. Atrito; 3. Desgaste; 4. Cementação.

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5 Sê humilde para evitar o orgulho, mas voa alto para alcançar a sabedoria. Santo Agostinho.

6 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por ter me dado a oportunidade de realizar este trabalho. Teus planos para minha vida são maiores do que meus sonhos. À minha mãe, Irene Gonçalves da Luz, pelo exemplo de vida, força e determinação para enfrentar os desafios da vida. Se um dia eu alcançar a metade de sua vontade e coragem me darei por satisfeito. Ao meu pai, Antônio Geraldo da Luz (in memoriam), pelo exemplo de pai. Os poucos anos que tivemos juntos, valeram pela vida inteira. Eu sei que estaria orgulhoso de mim nesse momento. Na verdade, eu sei que está. À minha esposa, Nathalia Avelar Teixeira Ferraz Luz, pelo companheirismo, carinho e amor oferecidos desde o dia em que nos conhecemos. À irmã Andréia Auxiliadora da Luz, pela sua fé e otimismo inabaláveis. Seu sorriso enche de esperança e alegria nossa família. Aos irmãos André e Thiago, pelos momentos felizes e divertidos que passamos juntos. André, pelas horas de conversas e conselhos dados ao longo da minha vida. Thiago, sua calma e paciência servem de exemplo para mim. Além de irmãos, vocês são meus amigos. Ao meu padrasto e amigo Wander Lúcio, pela amizade e apoio oferecidos desde que entrou para a família. Sei que posso contar contigo a qualquer momento. À minha orientadora, Prof.ª Dra. Roseli Marins Balestra, pelo profissionalismo e atenção dada à minha dissertação. Nesses anos de convivência seus ensinamentos foram fundamentais para minha vida acadêmica. Ao Tomás, pela amizade construída ao longo da pesquisa. As horas de estudo, convivência e trocas de opiniões foram muito importantes no desenvolvimento do trabalho.

7 À Ângela Mara, além de líder exemplar, pessoa que tive a sorte de conhecer. Sua garra, postura, atitudes e palavras me inspiram. Seu apoio e incentivo moral à essa dissertação foram muito importantes. Aos membros da banca examinadora de qualificação e defesa da dissertação, Prof. Dr. Frederico Ozanan Neves, Prof. Dr. Alysson Helton Santos Bueno, Prof. Dr a. Ésoly Santos, pelas críticas e sugestões que me ajudaram no desenvolvimento da pesquisa. Ao Departamento de Engenharia Mecânica da UFSJ, pelas ótimas instalações e condições de estudo e pesquisa oferecidos. Ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra e ao Dr. Albano Cavaleiro e aluno de doutorado Diogo Cavaleiro na parceria oferecida para realização dos ensaios tribológicos. Aos amigos, aos colegas de estudo e trabalho, e aos demais professores pela contribuição prestada ao longo dessa caminhada.

8 RESUMO Este trabalho estuda os fenômenos de atrito e desgaste e o efeito da profundidade da camada cementada, obtida em diferentes tempos de cementação, em relação à resistência ao desgaste por deslizamento a seco do aço SAE As amostras passaram pelos tratamentos de cementação, têmpera e revenimento. Todas foram cementadas a 930º C, singularizando o tempo de cementação em 2, 4 e 8 horas. Para a caracterização das amostras foram realizadas análises de macroscopia, de microscopia óptica, de MEV/EDS, ensaios de microdureza, de rugosidade e de desgaste. Afim de correlacionar os efeitos do tempo de cementação com o coeficiente de atrito e taxa de desgaste foi investigado o comportamento das amostras através do ensaio de desgaste pino no disco. As taxas de desgaste foram calculadas através do cálculo volumétrico realizado pela área do perfil de desgaste de cada amostra em conjunto com a equação de Archard. Os resultados indicaram que diferentes tempos de cementação conduziram a diferentes espessuras de camada cementada, microestruturas e valores de dureza. O perfil de dureza de cada amostra indica decréscimo de dureza da superfície em direção ao núcleo. Como foco principal deste trabalho, o ensaio de desgaste gerou curvas de atrito típicas de sistemas de deslizamento a seco para aços cementados. Contudo, as curvas de coeficiente de atrito de cada amostra apresentaram diferentes intervalos nos períodos de regime. O período de running-in e regimes permanentes para as amostras foram de 109,27, 279,34 e 3315,78 segundos para amostra 2, 126,50, 508,08 e 3795,14 segundos para amostra 4, e 211,78, 592,35 e 4640,14 segundos para amostra 8. Os perfis de desgaste foram distintos, gerando taxas de desgaste de 6,99x10-5, 9,94 x10-5 e 4,40 x10-5 mm³.m para as amostras 2, 4 e 8, nesta ordem. Verificou-se que os regimes de atrito são mais curtos e acontecem previamente quando a cementação é realizada em menor tempo. Concluiu-se também que maiores tempos de cementação implicaram em menores valores de coeficiente de atrito. Fato que não se replica para taxa de desgaste, onde esta foi influenciada pela microestrutura da amostra 2 e presença de óxidos proveniente de cementação na amostra 4. Estes dois fatores foram determinantes para os resultados na taxa de desgaste dessas duas amostras, já que a amostra 4 resistiu menos ao desgaste do que a amostra 2. A amostra 8 apresentou o melhor desempenho em atrito e resistência ao desgaste, sendo a escolha considerada ideal, visto seus resultados. Diante dos fatos, este trabalho analisou e comparou o comportamento de atrito e de desgaste na camada cementada do aço, enfatizando que embora estes fenômenos ajam simultaneamente, eles devem ser observados de forma distintas nesse sistema tribológico. Palavras-chave: Aço, atrito, cementação, desgaste.

9 ABSTRACT This study investigates the effect of carburized layer depth, obtained in different carburizing times, in relation to the resistance to wear caused by dry sliding in SAE 1020 steel. The samples underwent carburizing treatment, quenching and tempering. All of them were carburized at 930º C, for 2, 4 and 8 hours, individually. For the characterization of the samples, tests of optical microscopy, SEM/EDS, microhardness, roughness and wear tests were carried out. In order to correlate the effects of the carburizing time with the friction coefficient and wear rate, the behavior of the samples was investigated through the pin-on-disk wear test. The wear rates were calculated through the volumetric calculation performed by the wear profile area of each sample in conjunction with the Archard s equation. The results showed that different carburizing times led to different carburized layer thicknesses, microstructures and hardness values. The hardness profile of each sample indicated the decrease on the surface. As the main focus of this study, the wear test generated typical friction curves for dry sliding systems in carburized steels. However, the friction coefficient curves of each sample presented different intervals in the periods of friction regime. The running-in and permanent periods for the samples were , and seconds for sample 2; , and seconds for sample 4; and , and seconds for sample 8. The wear profiles were different, generating wear rates of 6,99x10-5, 9,94 x10-5, and 4.40 x10-5 mm³.m for samples 2, 4 and 8, in that order. It was found that the friction regimes are shorter and occur previously when carburizing is performed in a shorter time. It was also concluded that higher carburizing times imply lower friction coefficient values. This fact does not replicate for wear rate, where it was influenced by the microstructure of sample 2 and presence of oxides from carburizing in sample 4. These two factors were determinant for the results in the wear rate of these two samples, since the sample 4 was less resistant to wear than sample 2. Sample 8 presented the best performance in friction and wear resistance, being the ideal choice, given its results.considering the facts, this study analyzed and compared the behavior of friction and wear on carburized steel layer, emphasizing that although these phenomena act simultaneously, they must be observed in a different way in this tribological system. Keywords: Steel, friction, carburizing, wear.

10 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AISI Instituto Americano do Ferro e do Aço (American Iron and Steel Institute) ASTM American Society for Testing and Materials CCC Estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrada CFC Estrutura cristalina Cúbica de Face Centrada DIN Instituto Alemão para Normalização (Deutsches Institut für Normung) EDS Espectroscopia por Dispersão de Energia Fat- Força de Atrito Ft Força Tangencial FeC Carboneto de Ferro Fn Força normal HC Estrutura cristalina hexagonal compacta HRC Dureza Rockwell C HV- Dureza Vickers ISO International Organization for Standardization MEV Microscopia Eletrônica de Varredura MO Microscopia Óptica NBR Denominação de Norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas N Newton PPMEC Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica Q Taxa de desgaste Pa Pascal V Volume de desgaste (mm³); x Distância de deslizamento (m); K Coeficiente de desgaste k Coeficiente de desgaste específico UFSJ Universidade Federal de São João del-rei % Porcentagem μ Coeficiente de Atrito μm Micrometro

11 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 - Representação esquemática de um sistema tribológico. Adaptado de (ZUM GAHR, 1987) Figura 2 - Representação esquemática das interações tribológicas. Adaptado de (CRNKOVIC, 1993) Figura 3 - a) Diagrama de esforços de uma massa deslocada por força tangencial, b) Gráfico típico da força tangencial em função do tempo. Adaptado de (DUFFOUR, 2002) Figura 4 - Tipos de movimento relativo entre superfícies: (a) Rolamento e (b) Deslizamento. Adaptado de (FARIAS, 2011) Figura 5 - Esquema das componentes que atuam no fenômeno de atrito. Adaptado de (DURANGO, 2016) Figura 6 - Comportamento da curva de atrito inicial em diferentes interações: (a) Metais oxidados não lubrificados, (b) Sistemas revestidos e (c) Metais lubrificados. Adaptado de (BLAU, 2009) Figura 7 - Comportamento severo do atrito (RABINOWICZ, 1965) Figura 8 - Comportamento moderado do atrito (RABINOWICZ, 1965) Figura 9 - Mecanismo de transferência de material (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Figura 10 - Diferentes mecanismos de formação de sulco em superfícies desgastadas por detritos: a) por corte, b) por fratura, c) por fadiga e d) por arrancamento (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Figura 11 - Modos de desgaste abrasivo a dois e a três corpos (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Figura 12 - Processo de nucleação e propagação de trinca superficial (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Figura 13 - Desenvolvimento do mecanismo oxidativo (ZUM GAHR, 1987) Figura 14 - Desenvolvimento do processo de desgaste por corrosão. Adaptado de (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2014) Figura 15 - Classificação dos processos de desgaste. Adaptado de (RADI et al., 2007) Figura 16 - Cinética de oxidação do metal a baixa e alta temperatura (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2001) Figura 17 - Influência da velocidade na taxa de desgaste de um aço com 0,64%C, sujeito a uma carga de 30 kg, para as seguintes durezas HV: x 160, 178, 348, e 690. Adaptado de (KEHL et al., 1965) Figura 18 - Representações esquemáticas: a) Área aparente de contato, b) Área real de contato, c) Contato estático e d) Contato em deslizamento (GAHR, 1987) Figura 19 - Perfil de uma superfície (KALPAKJIAN; SCHMID, 2001) Figura 20 - Quadro 1 - Comprimento de amostragem (cut-off) conforme tipos de perfis (CASTRO, 2012) Figura 21 - Média aritmética do perfil (Ra). Adaptado de (DAVIM, 2009) Figura 22 - Rugosidade de profundidade média (Rz). Adaptado de (GADELMAWLA et al., 2002) Figura 23 - Representação esquemática dos ensaios de pino no disco. Adaptado de (SCIENCEDIRECT, 2017) Figura 24 - Curvas teóricas mostrando a influência da temperatura e do tempo na penetração Figura 25 - Valores para a profundidade de cementação (BAUMGARTEN, 2003) Figura 26 - Comparação entre a microestrutura formada e o diagrama CCT, mostrando a mudança da concentração de C e taxa de resfriamento da superfície ao núcleo da peça cementada (COLPAERT, 2008) Figura 27 - Diagrama de resfriamento contínuo CCT para o aço SAE Adaptado de (Costa et al., 2006) Figura 28 - Macrografia do disco e esfera

12 Figura 29 - Macrografia do disco seccionado SAE 1020: (a) cementado por 2 horas, (b) cementado por 4 horas e (c) cementado por 8 horas Figura 30 - Amostra do aço SAE 1020 (estado de fornecimento): a) micrografia da superfície, b) micrografia do aço SAE 1020 (estado de fornecimento). Ampliação de 1000 X e 200 X, respectivamente Figura 31 Micrografia da superfície da amostra cementada por 2 horas (com acabamento de superfície realizado em retífica plana) Figura 32 Micrografia da superfície da amostra cementada por 4 horas (com acabamento de superfície realizado em retífica plana) Figura 33 Micrografia da superfície da amostra cementada por 8 horas (com acabamento de superfície realizado em retífica plana) Figura 34 Análise química da superfície cementada da amostra 2: a) região de superfície usinada, b) pontos de óxidos e c) amostra polida. Ampliação de 1000 X Figura 35 Análise química da superfície cementada da amostra 4: a) região de superfície usinada, b) pontos de óxidos, c) amostra polida d) oxidação e e) análise do óxido. Ampliação de 1000 X Figura 36 Análise química da superfície cementada da amostra 8: a) região de superfície usinada, b) pontos de óxidos, c) amostra polida. Ampliação de 1000 X Figura 37 Micrografia do aço SAE 1020 cementado por 2 horas. Ampliação de 200 X Figura 38 Micrografia do aço SAE 1020 cementado por 4 horas. Ampliação de 200 X Figura 39 - Micrografia do aço SAE 1020 cementado por 8 horas. Ampliação de 200 X Figura 40 - Micrografia e análise EDS da esfera: (a) e (b) superfície da esfera em ampliações de 30X e 3 KX Figura 41 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 2 horas. Ampliação de 1000 X Figura 42 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 2 horas, (inclusões). Ampliação de 1000 X Figura 43 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 2 horas: a) borda e b) direção ao núcleo. Ampliação de 1000 X Figura 44 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 4 horas: a) varredura geral e b) aglomeração de carbonetos. Ampliação de 1000 X Figura 45 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 4 horas: a) borda e b) direção ao núcleo. Ampliação de 1000 X Figura 46 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 8 horas: a) varredura geral e b) presença de carbonetos. Ampliação de 1000 X Figura 47 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 8 horas: a) borda e b) direção ao núcleo. Ampliação de 1000 X Figura 48 - Micrografia do aço SAE 1020 seccionado cementado por 2 horas. Ampliação de 50 X Figura 49 - Micrografia do aço SAE 1020 seccionado cementado por 4 horas. Ampliação de 50 X Figura 50 - Micrografia do aço SAE 1020 seccionado cementado por 8 horas. Ampliação de 50 X Figura 51 - Gráfico comparativo de dureza entre os aços SAE 1020 em estado de fornecimento (F) e os tratados em diferentes tempos de cementação Figura 52 - Gráfico com valores de dureza em HV no perfil da amostra - da borda para o núcleo Figura 53 - Macrografia da trilha da superfície 1 das amostras cementadas por: a) 2 horas, b) 4 horas e c) 8 horas Figura 54 - Trilha de desgaste no sentido transversal as marcas de usinagem, perfil a Figura 55 - Perfil da trilha de desgaste, perfil a Figura 56 - Trilha de desgaste no mesmo sentido das marcas de usinagem, perfil b Figura 57 - Perfil da trilha de desgaste, perfil b Figura 58 - Trilha de desgaste no sentido transversal as marcas de usinagem, perfil a... 94

13 Figura 59 - Perfil da trilha de desgaste, perfil a Figura 60 - Trilha de desgaste no mesmo sentido das marcas de usinagem, perfil b Figura 61 - Perfil da trilha de desgaste, perfil b Figura 62 - Trilha de desgaste no sentido transversal às marcas de usinagem, perfil a Figura 63 - Perfil da trilha de desgaste, perfil a Figura 64 - Trilha de desgaste no mesmo sentido das marcas de usinagem, perfil b Figura 65 - Perfil da trilha de desgaste, perfil b Figura 66 - Análise EDS das partículas de desgaste: a) óxido aderido à trilha, b) inclusão de aluminato e c) deformação plástica. Ampliação de 1000 X Figura 67 Análise EDS da esfera: a) área de contato da esfera, b) presença de óxido. Ampliação de 1000 X Figura 68 - Análise EDS das partículas de desgaste: a) óxido e deformação plástica aderida à trilha, b) oxidação aderida à trilha c) detritos de desgastes remanescentes. Ampliação de 1000 X Figura 69 - Análise EDS da esfera: a) área de contato da esfera, b) presença de camada de óxido. Ampliação de 1000 X Figura 70 - Análise EDS das partículas de desgaste: a) deformação plástica e óxido aderida à trilha, b) e c) oxidação e material deformado plasticamente. Ampliação de 1000 X Figura 71 - a) Análise EDS da esfera: a) área de contato da esfera, b) presença de óxidos dispersos. Ampliação de 1000 X Figura 72 - Curva do coeficiente de atrito Figura 73 - Período de running-in Figura 74 - Período de desgaste por cementação Figura 75-2º regime permanente Figura 76 - Curva do coeficiente de atrito Figura 77 - Período de running-in Figura 78 - Período de desgaste por cementação Figura 79-2º Regime permanente Figura 80 - Curva do coeficiente de atrito Figura 81 - Período de running-in Figura 82 - Período de desgaste por cementação Figura 83-2º regime permanente Figura 84 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil a, amostra Figura 85 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil b, amostra Figura 86 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil a, amostra Figura 87 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil b, amostra Figura 88 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil a, amostra Figura 89 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil b, amostra

14 ÍNDICE DE TABELA Tabela 1 - Valores típicos de coeficiente de desgaste. Adaptado de (RABINOWICZ, 1984) Tabela 2 - Parâmetros dos tratamentos aplicados aos discos Tabela 3 Composição química da superfície do aço 1020 (estado de fornecimento) Tabela 4 Composição química da superfície do aço 1020, amostra 2, correspondente as micrografias da figura Tabela 5 - Composição química da superfície do aço 1020, amostra 4, correspondente as micrografias da figura Tabela 6 - Composição química da superfície do aço 1020, amostra 8, correspondente as micrografias da figura Tabela 7 - Composição química da superfície da esfera Tabela 8 - Composição química do perfil do aço 1020, amostra 2, correspondente as micrografias das figuras 41, 42 e Tabela 9 - Composição química do perfil do aço 1020, amostra 4, correspondente as micrografias das figuras 44 e Tabela 10 - Composição química do perfil do aço 1020, amostra 8, correspondente as micrografias das figuras 46 e Tabela 11 - Valores de dureza em HV para os aços SAE 1020 no estado de fornecimento (F) e nos tratados em diferentes tempos de cementação Tabela 12 - Valores de dureza em HV no perfil da amostra - da borda para o núcleo Tabela 13 - Dureza das esferas ema HV Tabela 14 - Valores de rugosidade dos discos Tabela 15 - Valores de rugosidade das esferas Tabela 16 - Composição química das partículas de desgaste, amostra 2, correspondente as micrografias da figura Tabela 17 - Composição química do circulo de varredura, correspondente a micrografia da figura 67 b) Tabela 18 - Análise de variância para dureza dos discos Tabela 19 - Análise de variância para dureza dos discos Tabela 20 - Análise de variância para dureza dos discos Tabela 21 - Análise de variância para dureza dos discos Tabela 22 - Variáveis características das perdas de desgaste

15 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS JUSTIFICATIVA REVISÃO DA LITERATURA TRIBOLOGIA Processo Tribológico ATRITO Atrito estático e dinâmico Atrito de rolamento e deslizamento Regimes de atrito Comportamento severo e moderado no processo de atrito Fatores que afetam a intensidade do atrito no deslizamento a) Deslizamento não lubrificado b) Deslizamento entre materiais rigorosamente similares ou iguais c) Carga d) Microestrutura e) Detritos ou debris de desgaste f) Presença de óxidos g) Vácuo h) Temperatura DESGASTE Desgaste adesivo Mecanismo e tipos de desgaste adesivo Desgaste abrasivo Mecanismos e tipos de desgaste por abrasão Desgaste por fadiga Mecanismo e tipos de desgaste por fadiga Desgaste por reação triboquímica Mecanismos de desgaste por oxidação e corrosão Classificação dos processos de desgaste Desgaste por deslizamento Equação de Archard para quantificar o desgaste... 38

16 Fatores que afetam o desgaste a) Influência da dureza da amostra e diferença de dureza entre o par de deslizamento na taxa de desgaste b) Tamanho do Abrasivo c) Microestrutura d) Influência do filme de óxido em metais e) Fatores dos ensaios CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE Área real de contato e rugosidade superficial Área real de contato Textura superficial Parâmetro de rugosidade Ra e Rz ENSAIOS TRIBOLÓGICOS Ensaio de desgaste pino no disco AÇOS CARBONO Aços para cementação e o aço SAE TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DIAGRAMA ISOTÉRMICO E RESFRIAMENTO CONTÍNUO TRATAMENTOS TÉRMICOS DE TÊMPERA E REVENIMENTO Têmpera Revenimento MATERIAIS E MÉTODOS CARACTERÍSTICAS DAS AMOSTRAS PARÂMETROS DOS TRATAMENTOS APLICADOS PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS EQUIPAMENTOS CARACTERIZAÇÃO DAS AMOTRAS Microscopia Óptica Microscopia Eletrônica de Varredura/Espectroscopia de Energia Dispersiva (MEV/EDS) Microdureza Rugosidade das amostras Ensaio de desgaste RESULTADOS E DISCUSSÃO MACROGRAFIA DO PERFIL DAS AMOSTRAS... 64

17 4.2. CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE DAS AMOSTRAS SAE 1020 (estado de fornecimento) e SAE 1020 (amostras 2, 4 e 8) Ensaios MEV/EDS e M.O do aço SAE 1020 (estado de fornecimento) Ensaio MEV/EDS das amostras 2, 4 e Ensaio de microscopia óptica das amostras 2, 4 e Esfera Ensaio MEV/EDS da esfera CARACTERIZAÇÃO DO PERFIL DAS AMOSTRAS Ensaio MEV/EDS das amostras 2, 4 e Ensaio de microscopia óptica das amostras 2, 4 e ENSAIO DE MICRODUREZA Valores de dureza dos discos Valores de dureza das esferas ENSAIO DE RUGOSIDADE Valores de rugosidade dos discos e esferas ENSAIO DE DESGASTE Análise do comportamento de atrito e desgaste das amostras 2, 4 e Análise da trilha e perfil de desgaste Partículas de desgaste da trilha e área de desgaste da esfera das amostras 2, 4 e Análise da curva do coeficiente de atrito das amostras 2, 4 e CÁLCULO DE DESGASTE Área de desgaste das amostras 2, 4 e CONCLUSÕES SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS

18 1. INTRODUÇÃO Para o prolongamento da vida útil de diversos componentes da área mecânica sujeitos a carregamentos estáticos ou dinâmicos é importante considerar os elementos atuantes em um determinado processo tribológico. Compreender melhor a tribologia têm-se demonstrado notável no caráter econômico, onde estudos relacionados a este assunto apontam para uma perda econômica na faixa de 1,3 a 1,6% do produto interno bruto (PIB) em alguns países industrializados (BARROS, 2013). Um aumento na aceitação da importância a respeito de tribologia foi indicado por crescente número de pesquisas realizadas em diferentes países, onde se notou um empenho na melhoria de transferência do conhecimento teórico sobre este tema (SOUZA, 2011). Na presença de movimento relativo, seja de deslizamento ou rolamento, de superfícies sólidas colocadas em contato sob uma força normal, em situações de desgaste a seco onde ocorre contato entre metais, haverá inevitavelmente à ação de atrito e do desgaste. Em especial para os aços baixo carbono, apesar de serem versáteis e economicamente atrativos entre outros aspectos, sabe-se que em condições de fornecimento geralmente não atendem aos requisitos para a fabricação de determinados produtos que necessitam de resistência ao desgaste. Para satisfazer a este requisito, normalmente é feito o endurecimento da superfície neste tipo de aço. O tratamento é útil para peças que precisam ser duras externamente para suportar o desgaste, mantendo núcleo dúctil, melhor dizendo, as características de resistência ao desgaste das superfícies de aços com baixo teor de carbono, como SAE 1020, podem ser melhoradas por tratamentos termoquímicos, tais como cementação, nitretação, entre outros, seguidos por tratamentos térmicos (SELÇUK et al., 2002). Por ser um método econômico, a cementação é geralmente empregada nas indústrias como o método de endurecimento de superfície. Este método é usualmente utilizado para o aço com baixo teor de carbono, com porcentagem deste elemento químico em até 0,20 ou menor do que isso (ASTUNKAR; BONDE, 2013). Uma vez selecionado o material, conhecendo as suas propriedades após o tratamento termoquímico e térmico, para esta dissertação, sua resistência ao desgaste será avaliada através de ensaio tribológico. Os parâmetros inerentes aos tratamentos, tal como a escolha dos valores de força normal, velocidade e distância percorrida para o ensaio de desgaste foram selecionados fundamentados em normas e literaturas correlacionadas aos assuntos específicos destas áreas. As etapas de desenvolvimento passa pela caracterização da superfície e da microestrutura pré e pós ensaios de desgaste, ensaios tribológicos nas condições pré-estabelecidas, tal como analisar os resultados gerados por este ensaio, no intuito de entender o comportamento tribológico que se desenvolverá. 18

19 1.1. OBJETIVOS O presente trabalho teve como objetivo determinar a influência da profundidade da camada cementada em relação aos fenômenos de atrito e desgaste. Verificar a resistência ao desgaste por deslizamento à seco em um sistema composto por uma esfera e disco, ambos de aço. Os tempos de cementação escolhidos foram de 2, 4 e 8 horas aplicados ao disco. Os resultados foram avaliados através de: - Análise das curvas de coeficiente de atrito geradas durante o ensaio. - Quantificação do desgaste por meio de cálculo de área dos perfis de desgaste e consequentemente apuração da perda volumétrica. - Análise da ocorrência dos mecanismos de desgaste desenvolvidos durante os ensaios. - Análise das trilhas de desgaste gerados pelo deslizamento da esfera sobre o disco. - Verificação das partículas de desgaste produzidas durante ensaio tribológico - Investigação das áreas de desgaste da superfície do disco e esfera, através de técnica de microscopia e mapeamento químico. O equipamento utilizado neste teste tribológico foi do tipo pino no disco, bastante utilizado para este fim JUSTIFICATIVA Partindo da hipótese que com o aumento progressivo da camada cementada haverá diminuição da perda de material devido aumento da resistência, a justificativa do estudo proposto é equiparar diferentes profundidades de camada cementada, e como esta fonte de variação pode influenciar no atrito e desgaste do aço selecionado. Outra motivação, é estudar o impacto dos diferentes tempos de cementação nos resultados do ensaio de deslizamento à seco, já que apesar de haver estudos sobre a resistência ao desgaste das camadas cementadas, o entendimento dessa variável (tempo de cementação) ainda é um tema que pode ser aprofundado e discutido. 19

20 2. REVISÃO DA LITERATURA Neste capítulo será apresentada a revisão sobre os fenômenos tribológicos de atrito e desgaste, focando suas principais características como classificação, tipos e mecanismos, entre outros aspectos que são de relevância para este trabalho. Também serão abordados temas como caracterização de superfície, tratamento termoquímico de cementação e tratamentos térmicos de têmpera e revenimento. Os tratamentos termoquímicos e térmicos serão aqui apresentados em função do objetivo de o trabalho ser o de estudar a influência da espessura da camada cementada do aço de baixo teor de carbono, obtida em diferentes tempos de cementação e posteriormente temperado e revenido, em relação à resistência ao desgaste em um contato deslizante a seco TRIBOLOGIA A tribologia engloba vários campos do conhecimento, entre eles o estudo tribológico de materiais de engenharia. Possui raízes antigas, contando com mais de mil anos de história. Apesar disso, a tribologia somente começou seu desenvolvimento como ciência na segunda metade do século XX, quando se tornou um campo específico e independente da engenharia, tal fato foi conseguido com o avanço nas áreas de física, química, mecânica e outras ciências. Vários pesquisadores estudaram este tema, onde se pode citar Leonardo da Vinci, Galileu Galilei, Newton, Coulomb, seguidos por Amontons e Brisco (DROZDOV et al., 2011). Nos dias atuais define-se tribologia como a ciência que estuda a interação das superfícies em movimento relativo, incluindo o atrito, o desgaste e a lubrificação. Entender estes fenômenos é imprescindível para manutenção e vida útil de um equipamento e seus componentes (BORDA et al., 2018). Quando a interação se dá entre duas superfícies metálicas, a visão clássica desses fenômenos é que elas tendem a sofrer deformação em uma local chamado de área real de contato. Seguindo esta lógica, durante este contato ocorrerá uma forte adesão em todas das fases de deslizamento. Logicamente se parte do pressuposto que as superfícies estejam livres e o contato não está sendo mediado por filmes de óxidos ou lubrificantes. Desta maneira haverá deformação plástica e ruptura das junções, e obviamente atrito e desgastes significativos (HUTCHINGS, 1992) Processo Tribológico Os processos tribológicos que ocorrem no contato de duas superfícies que estão em movimento relativo são muito complexos, uma vez que envolvem simultaneamente o atrito e diferentes tipos e escalas de mecanismos de desgaste e deformação (STACHOWIAK, 2005). Apesar disso, na prática, atrito e desgaste são fenômenos qualitativamente diferentes (POPOV, 2010). A estrutura mais elementar de um sistema tribológico é composta pelos elementos 20

21 que estão em contato e movimento relativo, as propriedades destes elementos e a relação entre os mesmos. Existe um meio que envolve o conjunto e uma transformação entre o início e o fim do processo de interação (JEMAA et al., 2012). Um sistema tribológico é composto basicamente por quatro elementos: corpo sólido, contra corpo, elementos interfaciais e ambiente, conforme pode ser visto na figura 1. Figura 1 - Representação esquemática de um sistema tribológico. Adaptado de (ZUM GAHR, 1987). (4) (2) (3) (1) As interações entre os elementos do sistema tribológico podem ocorrer em sistemas no vácuo, em ar e lubrificado, onde nestes dois últimos além da a presença de contra corpo e corpo haverá a presença de elementos interfaciais (3) e meio ambiente (4). Estas possíveis interações são representadas esquematicamente na figura 2, utilizando os elementos já vistos na figura 1. Figura 2 - Representação esquemática das interações tribológicas. Adaptado de (CRNKOVIC, 1993). deformação fadiga abrasão adesão reações triboquímicas deformação fadiga abrasão adesão lubrificação deformação fadiga abrasão adesão 21

22 2.2. ATRITO Pode-se destacar um período entre os anos de 1669 a 1785, como sendo de grande importância em relação à pesquisa de atrito. Através das leis clássicas formuladas e experimentadas por Leonardo da Vinci, redescoberto por Amontons em 1699 e desenvolvida por Coulomb em O modelo clássico de atrito diz que a força de atrito é proporcional à carga, oposta ao movimento, e independente da área aparente de contato (DING, 2012). Os resultados de vários experimentos se resumem nas leis de atrito e nas equações 1 e 2. Na literatura são vistas diferentes descrições para atrito, seja destacando o seu comportamento como força ou como forma de energia (ASM HANDBOOK, 1992; HUTCHINGS, 1992; WILLIAMS, 1995; STACHOWIAK; BATCHELOR, 2014). Sendo assim, a definição a ser seguida para este trabalho é que o atrito é a resistência ao movimento quando um objeto sólido é movido tangencialmente a outro, em contato ou quando um esforço é feito para produzir este, ou de forma mais clara, é a resistência encontrada entre duas superfícies em contato quando submetido a um movimento relativo (SOUZA, 2011; FARIAS, 2015). A força de atrito é tangencial à interface de contato e com direção contrária à de deslizamento (HUTCHINGS, 1992). Ele geralmente é quantificado em termos do coeficiente de atrito, que é uma medida adimensional obtida pela relação entre força de atrito (força que se opõe ao movimento) e a carga ou peso do corpo deslizante (ASM HANDBOOK, 1992). É importante salientar que o atrito é uma saída do sistema tribológico em contato, e não pode ser atribuído a uma propriedade dos materiais que estão envolvidos, logo, o coeficiente de atrito depende de entradas do sistema, como: força, velocidade, materiais, meio interfacial e textura superficial (TERTULIANO, 2017). F at = μf n Equação (1) μ = F at /F n Equação (2) Para: F at - Força de atrito F n - Força normal μ - Coeficiente de atrito As pesquisas realizadas pelos prógonos nos estudos relacionados à tribologia possibilitaram obter resultados que ainda são aplicados em muitos casos da engenharia contemporânea (DOWSON, 1998). Alguns dos resultados obtidos encontram-se resumidos nas três leis seguintes: 22

23 - A força de atrito é proporcional à força normal aplicada (1ª Lei de Amontons). - O coeficiente de atrito é independente da área aparente de contato (2ª Lei de Amontons). - O coeficiente de atrito é independente da velocidade de deslizamento (Lei de Coulomb). Estas três leis são aplicáveis apenas ao atrito seco, pois a adição de um lubrificante modifica significativamente as propriedades tribológicas dos materiais. As considerações do atrito a seco implicam em uma análise do comportamento das propriedades dos materiais, uma vez que a presença de lubrificante afeta as propriedades da superfície de atrito. Portanto, as condições lubrificadas somente deverão ser executadas quando suficiente conhecimento for adquirido em condições secas (WILSON et al., 1980). Seguindo os pensamentos de Amontons e Coulomb, Bowden e Tabor (1950) resume o modelo de atrito considerando que o coeficiente de atrito é a soma dos coeficientes de atrito por efeito da adesão e da deformação. Dessa forma quando uma superfície desliza sobre a outra, há origem de consecutivas soldas, rupturas e deslizamento, ocorrendo o fenômeno de stick-slip que dá origem à força de atrito. Atualmente as leis desenvolvidas por Amontons e Coulomb são aplicáveis na área da tribologia, unindo-se aos fatores dos mecanismos de adesão e deformação plástica abordados nas pesquisas de Bowden e Tabor (TRINDADE, 2014) Atrito estático e dinâmico Uma das formas utilizadas para a classificação do atrito entre sólidos está relacionada com a ocorrência ou não de movimento relativo das superfícies. Fazer distinção entre estas duas situações é necessário, já que em um caso a força aplicada é insuficiente para causar o movimento e outra o deslizamento ocorre. Na figura 3, pode-se notar que a força de atrito, F at, é paralela e oposta à direção do movimento. Quando uma força tangencial é aplicada, desde que ela não ultrapasse a um determinado valor limite que não haja deslizamento, a força de atrito exercida na interface de contato é exatamente igual e oposta à força F, denominando-se de força de atrito estático, F s. Do contrário, se F for suficientemente grande para causar deslizamento, o corpo se move na direção da força aplicada, e a força de atrito que atua sobre a interface de contato durante o deslizamento é a força de atrito dinâmico F k. 23

24 Figura 3 - a) Diagrama de esforços de uma massa deslocada por força tangencial, b) Gráfico típico da força tangencial em função do tempo. Adaptado de (DUFFOUR, 2002). a) b) Atrito de rolamento e deslizamento O atrito pode ser classificado conforme o tipo de movimento relativo das superfícies que estão em contato. Os dois tipos estão representados na figura 4, onde claramente devido à aplicação de uma força F tangencial nos dois corpos há um movimento de rolamento do objeto da figura 4 a) enquanto, que o outro objeto desliza sobre a superfície, figura 4 b). Figura 4 - Tipos de movimento relativo entre superfícies: (a) Rolamento e (b) Deslizamento. Adaptado de (FARIAS, 2011). F n F n F F a) F at b) F at No atrito por deslizamento, foco deste estudo, que é esquematizado na figura 5, e conforme é descrito no modelo de Bowden e Tabor, a força de atrito F at é composta pelas componentes, forças de adesão e de deformação. A formação do sulcamento pelas asperezas de uma superfície de maior dureza em relação à outra é provocado devido atuação destas duas componentes. A força adesiva é mais forte para contatos nas condições em que as superfícies estejam limpas e livres de óxidos, sob alto vácuo (pressões < 10-8 Pa) e em materiais dúcteis (HUTCHINGS, 1992). 24

25 Figura 5 - Esquema das componentes que atuam no fenômeno de atrito. Adaptado de (DURANGO, 2016). Deslizamento F n F at Regimes de atrito Dois períodos geralmente ocorrem ao se analisar as curvas de coeficiente de atrito em deslizamento entre aços resultantes de testes não lubrificados, sendo um chamado de running-in e o outro de estacionário ou permanente. O período running-in caracterizado como o período de tempo gasto para se alcançar estado estacionário, conforme descrito por Blau (2005), ou ainda, como o tempo necessário para o valor de coeficiente de atrito atingir uma constância (VIÁFARA, 2010). Neste período ocorre inicialmente a interação entre duas superfícies. A área de contato varia significativamente devido acomodação entre as superfícies. A instabilidade do valor da força de atrito é provocada por esta variação. Já o regime permanente condiz com a força ou o coeficiente de atrito aproximadamente constante durante o movimento. Este fator associasse à atuação de um ou mais mecanismos de atrito determinados, produzindo um mecanismo de desgaste correlacionado ao atrito (DUARTE, 2014). Conforme ocorrem os regimes, curvas características do coeficiente de atrito em relação ao tempo ou distância são geradas. Através de pesquisa realizadas, Blau (2009) identificou diferentes tipos de curvas de atrito vs. tempo/distância. Na figura 6 têm-se algumas variações destas curvas. Pode se ver na figura 6 a) o comportamento para metais oxidados e não lubrificados, sendo que esta curva característica ocorre na maioria dos casos em pares de metais ferrosos ou não ferrosos. Este tipo de curva é produzido pelo desenvolvimento de uma camada de detritos ou excessiva transferência de material. Na figura 6 b) tem-se a curva típica de sistemas revestidos e em sistemas onde o desgaste é controlado pelos processos de fadiga subsuperficial. A transição rápida do atrito se dá pelas rachaduras crescerem até formar os primeiros debris, criando a formação de um terceiro corpo. Na figura 6 c) é visto um comportamento típico de metais lubrificados, alta taxa de desgaste inicial se dá pelas asperezas da superfície de desgaste. A curva tende a atenuar-se e estabilizar 25

26 Coef. atrito Coef. atrito Coef. atrito quando as asperezas são desgastadas. Já o regime permanente ocorre quando a força ou o coeficiente de atrito é aproximadamente constante. Figura 6 - Comportamento da curva de atrito inicial em diferentes interações: (a) Metais oxidados não lubrificados, (b) Sistemas revestidos e (c) Metais lubrificados. Adaptado de (BLAU, 2009). c) a) Tempo b) Tempo c) Tempo Sabe-se que o mecanismo de atrito influenciará o mecanismo responsável pelo desgaste. No deslizamento não lubrificado de aços já se observou a ocorrência frequente de dois mecanismos de desgaste, o desgaste adesivo e o oxidativo (VIÁFARA, 2009; SINATORA, 2011). Estes mecanismos estão relacionados com diferentes taxas de desgaste durante o regime de estado estacionário (DUARTE, 2014) Comportamento severo e moderado no processo de atrito O comportamento do atrito pode ser influenciado pelos estágios do deslizamento das superfícies em contado. O comportamento no processo de atrito de metais descontaminados foi classificado segundo Rabinowicz (1965) em dois tipos: severo e moderado, que podem ser visualizados nas figuras 7 e 8, respectivamente. 26

27 Figura 7 - Comportamento severo do atrito (RABINOWICZ, 1965). Figura 8 - Comportamento moderado do atrito (RABINOWICZ, 1965). Para o comportamento severo dos metais, os valores de coeficiente de atrito situam-se na faixa de 0,9 a 1,2 havendo flutuações instantâneas nestes valores. A superfície após o deslizamento contém poucos traços, predominando pontos sulcados de uma superfície sobre a outra, estes traços são grandes e geralmente com lados irregulares. Há também partículas microscópicas, consideradas "grandes", acima de 50 µm, que são transferidas de uma superfície para a outra. No comportamento moderado o coeficiente de atrito é menor, usualmente na faixa de 0,3 a 0,7, sendo bastante estacionário ou com oscilações regulares do tipo stick-slip, em que a força de atrito flutua entre dois extremos bem definidos. A superfície apresenta um grande número de linhas finas, onde pequenas protuberâncias de uma superfície sulcam um traço através da outra. Há presença partículas (da ordem de 25 µm) que são transferidas de uma superfície para a outra. 27

28 Fatores que afetam a intensidade do atrito no deslizamento Rabinowicz (1965) descreveu alguns fatores importantes, que caracterizam um maior ou menor atrito entre as superfícies. Nos itens abaixo há também citações de outros autores sobre este assunto. a) Deslizamento não lubrificado No deslizamento não lubrificado, o coeficiente de atrito dos materiais em contato está entre 0,5 a 1,5. Já a presença de oxigênio no ar favorece a formação de camada de óxido sobre a superfície metálica (1 a 10 nm), esta por sua vez, é responsável pela queda no coeficiente de atrito (HUTCHINGS, 1992). b) Deslizamento entre materiais rigorosamente similares ou iguais Em um par de superfícies deslizantes do mesmo material ou de materiais rigorosamente similares, o atrito característico é de severidade, devido à capacidade destes materiais em formar ligas ou possíveis substâncias devido à solubilidade de um dos metais na rede do outro. Um exemplo é o deslizamento cobre-cobre que gera alto valor de atrito, acima de 1,0, ou materiais que mesmo dissimilares, interagem fortemente e formam compostos intermetálicos como alumínio-ferro ou alumínio-aço de baixo carbono, com valores de atrito acima de 0,8. Para metais dissimilares e com baixa afinidade o atrito tem valores mais baixos, como no caso da prata-ferro ou prata-aço de baixo carbono com valores ao redor de 0,3, pois não há formação de ligas nem compostos intermetálicos. Prata fundida e ferro fundido são imiscíveis, mostrando uma indicação de incompatibilidade. c) Carga Existem algumas interações metálicas onde há uma carga mínima, e que abaixo deste valor determinado de carga, o atrito severo não ocorrerá. Esta carga mínima varia com a quebra do filme de óxido, de forma que o contato metal-metal ocorra no sistema de deslizamento. A carga mínima varia e é dependente de outros fatores como a natureza do filme de óxido, geometria de contato, acabamento superficial e capacidade de formação de óxido do metal. d) Microestrutura Para ligas de uma única fase o comportamento é idêntico ao de metais puros. A propriedade de atrito será relacionada com a do seu maior constituinte e tento alto atrito para deslizamento entre si. 28

29 Para ligas multifásicas o comportamento é diferente, geralmente apresentam comportamento de atrito moderado, ainda mais evidente quando a fase menos presente possui dureza menor do que a fase majoritária (BARROS, 2013). e) Detritos ou debris de desgaste O processo de desgaste gera acúmulo de pequenas partículas, que atuam como um terceiro corpo na fricção. Estas partículas podem rolar ou agir como indentadores na interface de contato, deformando plasticamente as superfícies dos materiais em contato (LARSEN-BASSE, 1992). f) Presença de óxidos Uma camada natural de óxido na superfície geralmente está presente nos metais. Esta camada, em algumas situações, reduzem as forças de adesão na região de contato entre os materiais. Pode até reduzir o atrito e desgaste, se possuir dureza menor que a do metal, pois atuará como um filme lubrificante (RABINOWICZ, 1995; LARSEN-BASSE, 1992; DECKER; LANGER, 1986). g) Vácuo O coeficiente de atrito é muito elevado em superfícies limpas, devido à ocorrência de uma grande adesão entre as superfícies em contato, de modo que durante o deslizamento surgem fortes tensões de cisalhamento (RABINOWICZ, 1995; KATO et al., 2003). h) Temperatura Sabe-se, dessa forma, que não é uma análise simples e abrangente quando se relaciona a força de atrito com a temperatura, existem vários mecanismos associados que podem interferir e provocar a comportamentos irregulares na curva de análise. No entanto, a tendência é de que o coeficiente de atrito tende a diminuir conforme a temperatura aumenta para muitas ligas aplicadas na engenharia. Esse efeito deve-se de certa forma, pela redução no valor da resistência ao cisalhamento do material. Temperatura mais elevadas no contexto do atrito pode facilitar a geração de partículas que aumentam ou diminuem o coeficiente de atrito, e facilitam ou dificultam o deslizamento, dependendo da situação em questão (BLAU, 2009) DESGASTE Em praticamente todos os ramos de engenharia encontram-se problemas relacionados ao desgaste. As perdas econômicas e consequentes de desgastes são generalizadas e críticas. Estas não envolvem somente os custos de reposição, mas também os custos de depreciação de equipamentos, 29

30 perdas de produção, de competitividade e de oportunidades de negócios (SOUZA, 2014). Na norma DIN 50320, desgaste é definido como A progressiva perda de material da superfície de um corpo sólido devido à ação mecânica". Qualquer equipamento que tenha partes móveis estará sujeito ao fenômeno de desgaste. Há uma variedade de termos usados por diferentes autores para descrever os processos de desgaste, o que pode confundir quando há uma discussão sobre o tema. Mesmo classificando-os de acordo com seus mecanismos ainda assim haverá diferentes definições de acordo com diferentes autores. Para esta dissertação seguiremos a norma DIN 50320, que classifica os mecanismos de desgaste em quatro principais, que são: adesão, abrasão, fadiga e reação triboquímica. Vale lembrar que vários fatores ocorrem simultaneamente durante a ocorrência de algum tipo de desgaste, mas é comum definir seu tipo em função do mecanismo predominante, por isso um desgaste classificado como adesivo é caracterizado como tal, mas não exclui outros mecanismos, que podem coexistir (TRINDADE, 2014) Desgaste adesivo Refere-se ao dano produzido quando duas superfícies de contato se movem uma em relação a outra sob uma carga normal. Asperidades de superfície interagem, tensões e taxas de deformação muito altas são gerados em regiões localizadas. O contato contínuo dos dois materiais normalmente promove alta temperaturas na interface. Evidências para soldagem localizada, microliga e oxidação foi dada na literatura e produção de partículas de detrito duro provoca abrasão subsequente Mecanismo e tipos de desgaste adesivo No caso do contato metal-metal em uma variedade de metais, através de estudos já realizados, chegou-se a uma conclusão que quando há forte adesão ocorre transferência de material do metal mais fraco (ligações atômicas fracas) para o mais forte (ligações atômicas fortes). O desenho esquemático do funcionamento do processo de transferência de um material para outro através da adesão pode ser visto na figura 9 (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). O que singulariza o mecanismo de desgaste adesivo dos demais é justamente esta transferência dos detritos de uma superfície para outra, até a sua transformação em detritos de desgaste (RABINOWICZ, 1965). A explicação se dá pelo fato de que nos metais há uma grande quantidade de elétrons livres, que ao entrarem em contato favorece à transferência dos elétrons de um sólido para outro estabelecendo uma ligação química entre eles (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). Figura 9 - Mecanismo de transferência de material (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). 30

31 Este mecanismo pode produzir fragmentos duros devido ao contato entre as superfícies, gerados pela deformação e rompimento de junções adesivas. Estes fragmentos promovem uma microabrasão nas superfícies por onde passam caracterizando uma superfície toda microrranhurada. Por isso às vezes há interpretação similar do mecanismo de desgaste abrasivo, pois a abrasão nas superfícies dos materiais, na verdade, foi produzida pelas partículas geradas no desgaste adesivo. Quanto ao tipo o desgaste adesivo pode dividir-se em: Galling, fretting, seizure e slinding wear. - Galling ou escoriação é uma forma severa de desgaste adesivo, caracterizada por transferência de massa e danos macroscópicos. Ocorre com maior facilidade quando se tem cargas elevadas e ausência de lubrificação. Materiais dúcteis são mais propensos a este mecanismo, já que há grande deformação plástica das asperidades antes que haja a fratura do fragmento deformado. - Seizure ou emperramento é a interrupção do movimento entre as superfícies provocado pela soldagem local (surgimento de partículas que acabam promovendo a solda) e pelo atrito entre as superfícies (ASM HANDBOOK, 1992). Este dano pode se tornar tão severo de forma que as duas superfícies aderem uma a outra em uma ampla região, de maneira que as forças atuantes não produzam movimento relativo entre elas. - Slinding wear ou desgaste por deslizamento ocorre quando duas superfícies sólidas deslizam entre si na ausência de partículas abrasivas gerando o desgaste. É de difícil ocorrência, pois o deslizamento pode liberar partículas que provocariam o desgaste abrasivo, em um modo de contato atuante. (ASM HANDBOOK, 1991; HUTCHINGS, 1992) Desgaste abrasivo A ASTM G40-15 (2015) descreve o desgaste abrasivo como "a perda de massa resultante da interação entre partículas ou asperezas duras que são forçadas contra uma superfície ao longo da qual se movem". Durante o desgaste por deslizamento de materiais sólidos podem ser encontradas 31

32 partículas entre as superfícies deslizantes, cuja origem está relacionada a contaminantes externos ou acúmulo de partículas de desgaste do próprio sistema tribológico. A interação da partícula abrasiva com a superfície pode prover diferentes formas de avarias, como microssulcamento, microcorte, microfadiga e microtrinca na superfície dos aços. A ocorrência de determinado dano pode estar relacionada com a dureza, microestrutura, e parâmetros de processo como ângulo de ataque e dureza do abrasivo Mecanismos e tipos de desgaste por abrasão Os mecanismos de desgaste por abrasão são mostrados na figura 10. A primeira figura 10 a) representa um grão afiado ou aspereza dura que corta a superfície de um material mais dúctil, desta forma, o material que é cortado é removido e atua como detrito de desgaste. Este mecanismo é semelhante ao trabalho executado por uma máquina ferramenta. A figura 10 b) ocorre quando o material é frágil, este sofre alta concentração de tensões o que acarreta na fratura da superfície desgastada. Acontece geralmente em materiais cerâmicos, e a partícula de desgaste é gerada como o resultado de trincas. Na figura 10 c) nota-se que quando um material dúctil é desgastado por um grão, não ocorre o corte e sim apenas deformação sucessiva pelo abrasivo. O material é deformado e depositado na periferia do sulco. Não há propriamente perda de massa durante essa formação do sulco (BHUSHAN, 2001). A figura 10 d) representa o desprendimento ou arrancamento de grãos, também típico de materiais cerâmicos, onde a fronteira entre os grãos é relativamente fraca, o grão arrancado, atua como detrito de desgaste (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Figura 10 - Diferentes mecanismos de formação de sulco em superfícies desgastadas por detritos: a) por corte, b) por fratura, c) por fadiga e d) por arrancamento (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). 32

33 Na figura 11 pode-se ver como ocorre o desgaste abrasivo a dois e a três corpos. O desgaste abrasivo classificado como a dois corpos, por riscamento ou grooving abrasion, acontece quando existem pequenas partículas presas atuando como se fosse uma ferramenta de corte durante o deslizamento. Figura 11 - Modos de desgaste abrasivo a dois e a três corpos (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). O desgaste abrasivo classificado como a três corpos, por rolamento ou rooling abrasion, acontece quando os grãos têm liberdade para rolar ou para escorregar sobre a superfície. A taxa de remoção de material na abrasão a três corpos pode ser de uma a duas ordens de grandeza menor do que na abrasão a dois corpos, porque neste caso as partículas abrasivas soltas, passam apenas 10% do tempo desgastando a superfície, enquanto o restante do tempo passa rolando (ZUM GAHR, 1998; STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Desgaste por fadiga O desgaste por fadiga é caracterizado pela remoção de partículas removidas causada por variações cíclicas de tensões (KAJDAS et al., 1990). Segundo estudos de Crnkovic (1993), há ocorrência de tensão compressiva máxima na superfície, enquanto que a máxima tensão de cisalhamento ocorre a uma determinada distância abaixo da superfície. 33

34 Mecanismo e tipos de desgaste por fadiga Na figura 12 está ilustrado como se desenvolve os mecanismos de iniciação e crescimento de trinca e fratura neste tipo de desgaste. A trinca terá a tendência de surgir na superfície em algum ponto preferencial mais fraco, e sua propagação para o interior do material acontece através de planos preferenciais como planos de deslizamento. Uma segunda trinca vai iniciar-se a partir da primeira. Quando estas trincas estiverem conectadas, vão propagar em direção da superfície, ocorrerá o destacamento deste material, que agirá como detrito de desgaste resultando em fratura (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). A classificação do desgaste por fadiga é separada em três tipos: - Pitting se dá pela formação de cavidades na superfície. Isto ocorre pela formação de trincas subsuperficiais causadas por deslizamento ou rolamento repetitivo. O crescimento da trinca produz uma fratura localizada. - Spalling ou lascamento é a fratura e remoção de material da superfície na forma de escamas. Ocorre pelo mesmo mecanismo de pitting, porém de forma mais severa. - Brinelling é definido como sendo o dano superficial que surge por carga excessiva em um elemento estacionário. O dano consiste em deformação plástica, e ocorre em um único evento. Figura 12 - Processo de nucleação e propagação de trinca superficial (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). 34

35 Desgaste por reação triboquímica A corrosão e a oxidação podem ocorrer em muitas situações mesmo com a utilização ou não de lubrificantes. A principal causa na ocorrência destas formas de desgaste é a reação química que ocorre entre o material desgastado e o meio de corrosão que pode ser um reagente químico, um lubrificante reativo ou o ar atmosférico. O desgaste corrosivo é um termo geral relativo a qualquer forma de desgaste químico ou processo corrosivo, enquanto que o desgaste oxidativo, refere-se ao desgaste de metais não lubrificados na presença de ar ou oxigênio atmosférico mudando as taxas do coeficiente de atrito e de desgaste (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000) Mecanismos de desgaste por oxidação e corrosão A ocorrência do mecanismo de desgaste oxidativo é evidenciada na geração de filmes de óxidos, devido a superfícies em deslizamento reagirem com o oxigênio do meio. Se esta interface composta por óxidos isolar uma superfície da outra, a taxa de desgaste será baixa ou moderada, pois não haverá a ocorrência do mecanismo de adesão, e o desgaste ocorrerá pela remoção de partículas como debris desta camada. Acontece geralmente em deslizamento sem lubrificação de metais, associando-se à alta temperatura local que se atinge em pontos de contato e asperidades na superfície. O desgaste oxidativo pode acontecer também em temperatura ambiente, já que o deslizamento por si só pode causar o aumento da temperatura, visto que velocidades moderadas já são capazes de provocar a elevação desta a níveis suficientes. A sequência de eventos para formação da camada de óxido é mostrada adiante na figura 13. Na figura 13 a), há uma interação entre as asperezas da área real de contato e em suas pontas há oxidação dos elementos metálicos, formando placas ou ilhas de óxidos, posteriormente o atrito causa o aquecimento e o óxido tende a estender-se a região ao redor do ponto inicial, figura 13 b) e 13 c). Acontece o rompimento das camadas ao atingir uma espessura limite, expondo a superfície abaixo, dando origem a um novo ciclo de oxidação, figura 13 d) (DALLLMANN, 2012). Já o desgaste corrosivo pode ocorrer em inúmeras situações, sendo a causa predominante a reação química entre o material e o meio ou lubrificante que está em contato (KATO, 2003). O meio pode ser o oxigênio do ar, gás, lubrificante líquido ou até mesmo outro material sólido (BUCKLEY, 1981). O fator que determinará sua magnitude será o grau de interação entre a superfície e o meio. Sem presença de deslizamento os produtos da corrosão formam um filme que é removido caso ocorra algum escorregamento das superfícies do sistema. Com isto, a superfície fica novamente exposta e propícia a novas reações. Os produtos removidos da superfície podem acelerar outros desgastes, por exemplo, o desgaste abrasivo, uma vez que o produto da reação química seja 35

36 duro e abrasivo. A representação esquemática do processo de desgaste por corrosão, onde o filme é removido por cisalhamento pode ser visualizada e explicada na figura 14. Figura 13 - Desenvolvimento do mecanismo oxidativo (ZUM GAHR, 1987). Figura 14 - Desenvolvimento do processo de desgaste por corrosão. Adaptado de (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2014). 36

37 Classificação dos processos de desgaste O desgaste depende da cinemática do sistema e um aspecto a ser considerado em relação ao mecanismo de desgaste é o movimento que o causa. Este movimento permite classificar o modo de desgaste como por deslizamento, rolamento, erosão, impacto e oscilação (FRANCO, 2014). Este movimento relativo se dá entre duas superfícies rugosas, onde há contato entre elas e exposição ao carregamento. O dano à superfície ocorre por ação das tensões de contato. As superfícies podem ser de natureza metálica, não metálica, em um sistema lubrificado ou não lubrificado (ZUM GAHR, 1987). Na figura 15 há um resumo dos processos existentes, sendo que nesta dissertação dá-se ênfase ao processo de desgaste por deslizamento. Os mecanismos atuantes de desgaste (abrasão, adesão, corrosão, fadiga), mostrados anteriormente, regem o comportamento que irá acontecer durante o processo de desgaste, tal comportamento dependem também da estrutura do sistema tribológico (corpo, contra corpo, interface, meio ao redor), além de parâmetros de operação como carga, velocidade, temperatura e tempo (DALLMANN, 2012). Figura 15 - Classificação dos processos de desgaste. Adaptado de (RADI et al., 2007) Desgaste por deslizamento O desgaste por deslizamento pode definido pelo movimento relativo entre duas superfícies em contato e submetidas a carregamentos. O desgaste por deslizamento é também chamado por alguns autores de desgaste por adesão e conforme se tem na literatura, o desgaste adesivo exerce um importante papel no processo de desgaste por deslizamento e geralmente é utilizado para descrevê-lo. Apesar de importante, a adesão não é o único processo envolvido. Pode haver outro processo como desgaste abrasivo, influenciado pela rugosidade, desgaste por reação triboquímica, 37

38 observando a afinidade química, por exemplo, (TREVISAN, 2013). Através de estudos, Hutchings (1992) relata que duas superfícies metálicas em contato possuíam tendência de sofrer deformação plástica na área real de contato. Se este contato não for mediado por filmes lubrificantes, ocorrerá uma forte adesão em todas as fases do processo de deslizamento. Como consequência da deformação plástica e ruptura das junções haverá atrito e desgaste significativos. Normalmente, em aplicações práticas, as superfícies de deslizamento são lubrificadas, utilizando-se então o termo desgaste por deslizamento lubrificado. Já em algumas aplicações de engenharia, investigações de laboratório, etc., superfícies deslizam sem lubrificantes, resultando no desgaste chamado desgaste por deslizamento a seco (HUTCHINGS, 1992) Equação de Archard para quantificar o desgaste Para calcular a perda de massa do corpo pode ser utilizada a variação de volume em função do tempo ou distância de deslizamento. Em certas condições de movimento de deslizamento à seco entre superfícies metálicas em algum regime de desgaste, Archard encontrou uma equação empírica que pode ser traduzida da seguinte forma. A taxa de desgaste Q é igual ao volume desgastado V dividido pela distância de deslizamento (x). A severidade de desgaste é medida pelo coeficiente de desgaste K, adimensional e menor que 1, e H é a dureza do material menos duro. Nota-se que a taxa de desgaste aumenta proporcionalmente em relação à carga aplicada, mantendo constantes as outras grandezas. A equação é escrita como: Q = V x = K Fn H K = Q.H Fn Equação (3) Equação (4) Estas equações estabelecem que, para uma carga constante, a taxa de remoção de material por distância de escorregamento Q é inversamente proporcional à dureza H. Por outro lado, esse parâmetro Q é diretamente proporcional à carga F n, se um mesmo mecanismo atua durante o processo de desgaste, K é útil para comparar as taxas de desgaste em diferentes classes de materiais (HUTCHINGS, 1992). No desgaste por deslizamento, o coeficiente dimensional de desgaste, k (k minúsculo), é mais utilizado e é definido por (HUTCHINGS, 1992): k = K H Equação (5) 38

39 A taxa de desgaste dimensional k também pode ser expressada como Q/F n, cuja unidade é mm³ (Nm) -1, sendo a resistência ao desgaste correspondente ao inverso desta taxa de desgaste (1/k). Para: F n - Força normal Q - Taxa de desgaste V -Volume x - Distância de deslizamento H - Dureza K - Coeficiente adimensional de desgaste k - Coeficiente dimensional de desgaste O coeficiente K é usado pela sua simplicidade em indicar a severidade do desgaste. Na tabela 1 pode ser visto valores típicos de coeficiente de desgaste K para diversos sistemas tribológicos em pares de aço (RABINOWICZ, 1984). Tabela 1 - Valores típicos de coeficiente de desgaste. Adaptado de (RABINOWICZ, 1984). Valores típicos do coeficiente de desgaste Adesivo Abrasivo Triboquímico Fadiga 10-3 a a a a 10-8 Severo Moderado Ultra Moderado Severo Ultra Moderado Severo Moderado Lubrif. sólida Fratura frágil Fadiga de contato A equação de Archard fornece importantes parâmetros, que através do coeficiente K, caracteriza a severidade do desgaste. No entanto, há limitação para determinar a existência ou não de um dos diferentes tipos de mecanismos. Por isso, é necessário o uso de microscópio para identificar os principais mecanismos de desgaste atuantes (BRESSAN; COMELI, 2007). Apesar das limitações, provavelmente seja a única forma de análise de desgaste que tenha ampla aceitação. Conforme Bressan e Comeli (2007), a resistência ao desgaste dos materiais pode ser obtida através da realização de ensaios de desgaste, em um equipamento de laboratório chamado tribômetro. Uma das técnicas de ensaio padrão, que simula as condições severas de desgaste em componentes mecânicos é o ensaio de pino no disco, de acordo com a norma ASTM G

40 Fatores que afetam o desgaste Conforme já dito, os vários mecanismos de desgaste podem ocorrer de forma combinada, somando-se a dependência de diferentes fatores que podem favorecer maior ou menor severidade no desgaste (RIBEIRO, 2004). a) Influência da dureza da amostra e diferença de dureza entre o par de deslizamento na taxa de desgaste A dureza é a propriedade de materiais maciços que define sua resistência à deformação e é utilizada para avaliar propriedades mecânicas, tais como resistência, capacidade de usinagem, maleabilidade e resistência ao desgaste sendo a dureza Vickers a mais adequada devido à sua aplicação em amostras de tamanhos e durezas variáveis (BOSCH, 2005). Materiais com alta dureza, usualmente são associados a materiais com elevada resistência ao desgaste (LEAHEY, 2009). Ainda que isso não seja uma regra verdadeira para todos os casos, o estudo comparativo dessa propriedade, em alguns casos, pode ser fator determinante na compreensão de fenômenos e mecanismos de desgaste envolvidos em um sistema. A dureza, tanto da partícula abrasiva como o da superfície de deslizamento, é outra característica importante no processo de desgaste. A taxa de desgaste tende a diminuir com o aumento da dureza da superfície de deslizamento (BUDINSKI, 1988). Para Pintaúde (2002), a resistência ao desgaste relativo não varia de forma proporcional com a dureza, por exemplo, aumenta 3,4 vezes para uma variação de dureza de apenas 20%. b) Tamanho do Abrasivo Partículas ou grãos abrasivos fazem parte das características inerentes de muitos sistemas tribológicos. Quanto maiores às dimensões das partículas abrasivas maior será a taxa de desgaste da superfície atritada (BUDINSKI, 1988). Para Ribeiro (2004), não existe boa relação entre o desgaste abrasivo e o tamanho da partícula abrasiva. O que se observa em geral é que o volume de material removido aumenta com o tamanho da partícula. Para Wainer et al., (1992), o volume removido no desgaste aumenta linearmente com o tamanho da partícula abrasiva, sendo que esta variação é bastante acentuada até um tamanho crítico da partícula (relação entre tamanho da amostra e abrasivo), e a partir daí a variação é menos sensível. c) Microestrutura Nos metais, a presença de microconstituintes com elevada dureza (alta concentração de carbono, carbonetos, estruturas como bainita e martensita) contribuem para o aumento da resistência ao desgaste (ASM HANDBOOK, 1992; BUDINSKI, 1988). 40

41 Para aços baixo carbono, a influência da microestrutura depende se o aço escolhido é hipo-eutetóide ou hiper-eutetóide. Para aços hipo-eutetóides, a bainita é a fase mais resistente, com martensita revenida, ferrita/perlita sucessivamente, estas últimas sem praticamente oferecer resistência ao desgaste (XU; KENNON, 1991). Para aços hiper-eutetóide à presença de inclusões na morfologia, por exemplo, inclusões de cementita e outros carbonetos de ferro têm influência dominante na resistência ao desgaste. Com o alto teor de carbono, a microestrutura temperada (martensita) tem dureza superior e alta resistência ao desgaste, esta inibição ao dano superficial se dá pelas inclusões de carbonetos (XU; KENNON, 1991). d) Influência do filme de óxido em metais A temperatura está relacionada com a taxa de oxidação dos metais, o que já se é esperado por se tratar de uma reação química. A cinética de formação de oxidação na superfície dos metais em contato é bem relevante no desgaste por oxidação. Para baixas temperaturas ou temperaturas ambientes, próximas a 20 ºC, o processo de oxidação do metal inicia-se muito rapidamente e a passivação da superfície limita a espessura da camada de óxido (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2001). Quando a temperatura é menor do que 200 ºC, a espessura do filme limita-se a valores menores do que 2 nm (5 camadas atômicas) para aços, (FEHLNER; MOTT, 1970). Com o aumento da temperatura do aço, por exemplo, 500 ºC, haverá uma oxidação ilimitada, resultando em uma espessa camada de óxido (1 10 μm). As singularidades das duas formas de oxidação são ilustradas na figura 16. Figura 16 - Cinética de oxidação do metal a baixa e alta temperatura (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2001). 41

42 e) Fatores dos ensaios Fatores externos que atuam sobre a superfície do componente durante o ensaio (velocidade de deslizamento e força normal aplicada) são de grande importância para os metais em sistemas de deslizamento pois influenciam o seu desempenho. No desgaste a seco as principais variáveis envolvidas são as tensões e cargas aplicadas, as temperaturas e os fenômenos oxidativos. A complexidade deste sistema se deve ao fato destas três variáveis se influenciarem mutuamente e também sofrerem influência da carga e da velocidade de deslizamento. Uma carga maior leva a maiores tensões, o que resulta em maior dano superficial. A carga e a velocidade de deslizamento influenciam na temperatura, já que ambos controlam a energia dissipada na interface. A velocidade de deslizamento também regula a troca de calor, em baixas velocidades o calor é conduzido para fora do sistema rapidamente e consequentemente a temperatura se manterá baixa, e em altas velocidades somente haverá condução limitada e a temperatura irá subir, causando maior reatividade da superfície e reduzindo a resistência mecânica de asperidades e pontos de contato (EL-ESKANDARANY et al., 2000). Andrade et al. (2013) investigaram a influência da carga normal aplicada sobre o pino no ensaio de desgaste utilizando o dispositivo pino no disco. Os pinos foram confeccionados em aço AISI 1020 e AISI 4340 e o disco foi fabricado em aço AISI As cargas variaram entre 9,9N e 18,7 N. O aumento da carga normal elevou a taxa de desgaste em ambos os pares de pino e disco ensaiados. Sachan et al. (2012) conduziram testes de desgaste em um aço de baixo carbono cementado estudando a influência de força aplicada, utilizando três valores de cargas distintas, experimentando forças de 75, 200 e 375 N a fim de verificar a influência da perda de volume também devido a esta variação de carga. Concluíram que a perda de massa é maior para carga de 375 N e a mais baixa para a carga de 75 N neste tipo de aço, concluindo em seus testes que à medida que se aumenta a carga de ensaio, a perda de volume também aumenta. Quanto à velocidade, Kehl et al., (1965) notaram uma mudança acentuada na taxa de desgaste nos testes utilizando aços com alto teor de carbono deslizando sobre si. Eles citaram que a taxa de desgaste destes aços diminuía em torno de 600 vezes quando a velocidade atingia um valor crítico, para um aço com 0,64 % de carbono deslizando sobre outro aço com diferente valor de dureza, conforme ilustrado na figura 17. Esta transição ocorre somente quando o aço é de baixa dureza, não sendo observado com esta intensidade para altos valores de dureza. 42

43 Figura 17 - Influência da velocidade na taxa de desgaste de um aço com 0,64%C, sujeito a uma carga de 30 kg, para as seguintes durezas HV: x 160, 178, 348, e 690. Adaptado de (KEHL et al., 1965). Curva Curva x Curva Curva + Curva A influência da temperatura é considerada dentro de um contexto individual (fator externo) ou quando está ligada a análise da velocidade de deslizamento, devido à correlação direta entre essas duas variáveis, sendo este último a ser abordado para esta dissertação. Existem principalmente dois fatores importantes no estudo da influência da temperatura, com seu aumento ocorrerá uma redução da resistência mecânica e haverá formação de camada superficial de óxido (DURANGO, 2016) CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE Conforme mencionado anteriormente, a área real de contato e o acabamento de superfície são dentre outras características as que também influenciam o comportamento dos materiais em um sistema tribológico, e, portanto, devem ser avaliadas para realização de estudos ligados ao entendimento dos fenômenos de atrito e desgaste. Para isto vê-se a necessidade da criação de um tópico voltado para este assunto. Para qualquer superfície real, independentes do método de produção existirá uma variedade de defeitos e distorções presentes. Estas características da superfície variam desde distorções maiores da superfície até irregularidades microscópicas locais (STACHOWIAK; BATCHELOR, 1996; BHUSHAN, 2000). 43

44 Área real de contato e rugosidade superficial Existe uma relação entre a área de contato e rugosidade. Quando a superfície apresenta baixa rugosidade haverá crescimento da área real de contato, do contrário, se a superfície apresentar alta rugosidade superficial atenuará o crescimento da junção, porém a probabilidade de contato entre as superfícies de deslizamento aumenta (BARROS, 2013). O aumento da rugosidade também facilita a deformação plástica e retirada do filme de óxido das asperezas (ARANGO, 2010) Área real de contato Quando há dois materiais em contato, nota-se regiões unidas e outras separadas na interface entre as duas superfícies, isto em escala microscópica. É considerada como área real de contato Ai, a interação de pequenas regiões das superfícies, que é dependente da distribuição das irregularidades das superfícies, da força de contato e da tensão de escoamento do material de menor dureza. Uma característica da área real de contato é ser muito maior no deslizamento do que em estado estático (GAHR, 1987; RABINOWICZ, 1995). A área total interfacial consiste de regiões, onde existem a área real de contato e as regiões onde um contato parece ter ocorrido, denotada como área aparente de contato (RABINOWICZ, 1995). A figura 18 a) ilustra a área aparente de contato, que à primeira vista, mostra um apoio quase total de uma superfície sobre a outra. Na figura 18 b) nota-se que o contato é bem menor tendo em vista os pontos representados pela área real de contato. Nas figuras 18 c) e d), já sabendo que a área de contato real é o que condiz com o que ocorre na prática, dá-se distinção para este tipo de contato no estado estacionário e dinâmico (em deslizamento), sendo que para o primeiro, quando se aplica uma força normal F n provoca o surgimento de pequenas áreas reais de contato, que se intensificam e expandem quando à uma força tangencial F t aplicada em conjunto com uma força normal F n. O tipo de deformação pode ser elástica ou plástica e está ligada ao valor da carga aplicada, das dimensões e das propriedades dos materiais. Em muitas aplicações da engenharia, as áreas de contato serão muito pequenas e as pressões elevadas (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2000). 44

45 Figura 18 - Representações esquemáticas: a) Área aparente de contato, b) Área real de contato, c) Contato estático e d) Contato em deslizamento (GAHR, 1987) Textura superficial A textura e topografia da superfície são as principais características em termos de integridade da superfície que são transmitidas por ferramentas de usinagem, especialmente em processos de acabamento (DAVIM, 2009). O perfil de uma superfície apresenta características complexas combinando variações macrogeométricas (ondulações e erros de forma) e microgeométricas (rugosidades superficiais) (DAVIM, 2009). Na figura 19 são apresentadas as características que descrevem o perfil de uma superfície. 45

46 Figura 19 - Perfil de uma superfície (KALPAKJIAN; SCHMID, 2001). A textura ou acabamento superficial é definido em termos de rugosidade, ondulações, marcas e falhas: - Rugosidades da superfície: são finas irregularidades formadas por picos e vales resultantes da ação inerente do processo de corte, semelhante às marcas de avanço produzidas na usinagem. A altura ou profundidade média dessas irregularidades são medidas em um pequeno comprimento chamado cut-off (comprimento da amostragem) - Ondulações: consistem em irregularidades superficiais cujos espaçamentos são maiores que o comprimento de amostragem (aproximadamente maiores em um milímetro). Podem ser resultantes de vários fatores como vibração e deflexões da ferramenta e peça. A altura das ondulações é influenciada pela profundidade de corte - Marcas: indicam a direção predominante das irregularidades superficiais deixadas pelo avanço da ferramenta de corte. Dependem da orientação da peça e da ferramenta, e do movimento relativo entre ambas. - Falhas: são interrupções inesperadas e indesejáveis na topografia típica da superfície. Pode ser causado por defeitos tais como trincas, bolhas, inclusões, ou mesmo surgir durante o processo de manufatura e usinagem (SOUZA, 2014). Pode-se dizer que a rugosidade e ondulações são as características mais determinantes que constituem a textura de uma superfície, apesar de haver outras caracterizações. Para avaliação do acabamento superficial e das características de uma superfície é necessário utilizar critérios e também normas de medição que as quantificam através de parâmetros (SOUZA, 2014). 46

47 Parâmetro de rugosidade Ra e Rz As superfícies de peças usinadas apresentam perfis bastante diferentes entre si, chamadas de rugosidade, que acaba dando uma irregularidade à superfície. Para um acabamento específico à superfície, é necessário determinar o nível em que elas devem ser usinadas. A avaliação da rugosidade realizada através da atribuição de um valor numérico, um parâmetro, fornece uma informação consistente e aceitável a respeito desta superfície. Castro (2012) cita que para a medição da rugosidade, primeiramente é necessária uma avaliação da superfície para identificar se existe periodicidade no perfil. Através disso, é possível classificar a superfície com perfil periódico ou aperiódico, e assim estabelecer os valores referenciais do cut-off para cada tipo de perfil, conforme é mostrado no quadro da figura 20. Figura 20 - Quadro 1 - Comprimento de amostragem (cut-off) conforme tipos de perfis (CASTRO, 2012). O parâmetro Ra é o mais utilizado pela indústria para controle de qualidade em geral e monitoramento de processos produtivos onde mudanças graduais no acabamento superficial podem ocorrer. Por medir uma média de picos e vales, o parâmetro Ra não é muito sensível a algum defeito individual maior (DAVIM, 2009). Este parâmetro corresponde à área entre o perfil de rugosidade e a linha média, figura 21. O parâmetro Rz é calculado como a média distância vertical Zn entre o maior pico e o vale mais profundo das seções ln ao longo do perfil lt, que pode ser visto na figura 22. Logicamente, existem outros parâmetros de rugosidade, mas esta dissertação utilizará como referência estes dois apresentados. 47

48 Figura 21 - Média aritmética do perfil (Ra). Adaptado de (DAVIM, 2009). Figura 22 - Rugosidade de profundidade média (Rz). Adaptado de (GADELMAWLA et al., 2002) ENSAIOS TRIBOLÓGICOS Através dos ensaios de desgaste é possível realizar um estudo de degradação acelerada de dispositivos e elementos de máquina, simulando longos períodos de utilização em campo em um período de ensaio relativamente curto. Ao contrário de outras técnicas de caracterização, não existe uma técnica geral para os testes de desgaste, mas há várias aceitas mundialmente. As diversas técnicas existem devido aos diversos tipos de desgaste que ocorrem na prática. 48

49 Ensaio de desgaste pino no disco Esta técnica de ensaio é aplicada para determinar o desgaste provocado pelo deslizamento de contatos com áreas reduzidas. A máquina ou dispositivo de teste consiste em rotacionar o disco ou fazer movimentos circulares com o pino ou esfera para que haja um movimento discordante entre ambos, figura 23. O resultado do ensaio é um risco circular no disco. A norma ASTM G99 (2004) procedimenta este teste. A carga aplicada ao pino determina o grau de desgaste. Abrasivos livres podem ser adicionados ao sistema, ou podem ser gerados durante o ensaio. Quando se trata de ensaio em geometria pino-disco pode-se escolher materiais para o par (pino e disco) com características adequadas de forma a concentrar a maior parte do desgaste em um dos elementos. Figura 23 - Representação esquemática dos ensaios de pino no disco. Adaptado de (SCIENCEDIRECT, 2017). A ampla faixa de cargas e velocidades de deslizamento proporcionadas por este tipo de equipamento faz com que o mesmo seja utilizado na caracterização tribológica de materiais em que se deseja analisar o comportamento de uma variável em função de um conjunto de outras que se mantém fixas, obtendo-se boa repetibilidade nos experimentos. Entretanto, é necessário o controle adequado das condições ambientais do ensaio, bem como o cuidado com o manuseio e limpeza dos corpos de prova (TEIXEIRA, 2011). 49

50 2.6. AÇOS CARBONO Já que o estudo desta dissertação se concentra e se baseia na interação entre peças fabricadas em aço, há necessidade de se realizar uma breve revisão da literatura sobre este tipo de material e dos tratamentos que foram aplicados. Os aços possuem quantidade de carbono variando na faixa de aproximadamente 0,005% em peso, até um máximo de 2,0%. O carbono modifica profundamente as propriedades em aços. Geralmente, o teor de carbono é mantido baixo em aços que exigem alta ductilidade, alta tenacidade e boa soldabilidade, mas é mantida em níveis mais altos em aços que exigem alta resistência, alta dureza, resistência à fadiga e resistência ao desgaste (ASM HANDBOOK, 1992). Os aços carbono apresentam em sua composição quantidades mínimas de alguns elementos como silício, manganês, cobre, enxofre e fósforo. Podendo existir outros elementos em quantidades residuais, presentes devido ao de processo de fabricação. O custo relativamente baixo e a pequena exigência de tratamentos elaborados para a sua produção, tornam a aplicação do aço carbono extremamente vantajosa (SOUZA, 2008). A maioria dos componentes de engenharia são sujeitos a algum processo de desgaste. Eles devem ser selecionados com adequação para estes fins. Para utilização eficaz dos aços em aplicações resistentes ao desgaste, é essencial melhorar as propriedades superficiais dos aços com o tratamento térmico mais eficaz (SELÇUK et al., 2003) Aços para cementação e o aço SAE 1020 Aços para cementação geralmente possuem teor de carbono em torno de 0,2%, sendo que a percentagem de carbono obtida na camada do material geralmente é de 0,8 a 1% C. No entanto, não é desejado um teor elevado de carbono superficial, limitando-o em 0,9%, devido à probabilidade de ocasionar a presença de austenita retida e martensita, microestruturas mais frágeis, que se dá devido formação de carbonetos pro-eutetóide nos contornos dos grãos (ASM HANBOOK, 1991). Para que um aço seja considerado aço de cementação, o mesmo deverá atender alguns requisitos importantes, tais como: - Consiga absorver carbono no intervalo de temperatura entre 850º a 1050ºC. - Formar camada uniforme rica em carbono (até 0,80 %C). - Apresentar razoável tenacidade e resistência mecânica após o tratamento térmico. - Apresentar mínima distorção após o tratamento térmico. 50

51 O aço SAE 1020 atende aos requisitos acima, sendo escolhido para esta pesquisa. Este aço foi selecionado também por ser de grande aplicação industrial na área dos componentes tratados termicamente, principalmente quando se utiliza o tratamento de cementação. É um material com baixo teor de carbono, barato e suas propriedades superficiais são geralmente melhoradas pela cementação (SELÇUK et al., 2003) TRATAMENTO TERMOQUÍMICO Sobre tratamentos, Barra (2013) destacou que os tratamentos térmicos dos metais, principalmente dos aços, têm grande importância na engenharia, pois fazem com que eles possam assumir uma grande variedade de propriedades. Dentro deste grupo de processos estão os tratamentos termoquímicos, que além de transformar a liga metálica através da variação de temperatura, possibilita ainda a variação da composição química da liga, modificando assim ainda mais as suas propriedades. Para Silva e Mei (2008), os tratamentos termoquímicos são processos que visam à adição por difusão de elementos químicos (carbono, nitrogênio, boro, entre outros) na superfície do aço. Como a difusão desses elementos é feita com o aquecimento do aço entre 300 e 1200 ºC o tratamento é denominado termoquímico. O objetivo normalmente, é o de aumentar a dureza, ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantém dúctil, embora possa ser aplicado com outros propósitos (DOSSET; BOYER, 2006). Os tratamentos mais comuns são: - Cementação - introduz carbono na superfície do aço a temperaturas próximas a 900 ºC, normalmente. - Nitretação - o nitrogênio é difundido no aço entre 450 e 590 ºC. - Carbonitretação - tratamento derivado da cementação, em que o carbono e o nitrogênio são introduzidos no aço a temperaturas entre 800 e 900 C. - Cianetação - carbono e nitrogênio são absorvidos pela imersão o aço em um banho de sais de cianetos fundidos. - Nitrocarbonetação - difusão do carbono e nitrogênio no aço no estado ferrítico. Os tratamentos termoquímicos mais utilizados atualmente nos aços são os de cementação e nitretação, devido ao seu custo-benefício. Dando ênfase a cementação, temos que este é um processo termoquímico em que um metal ferroso, que é aquecido até o campo austenítico e colocado em contato com um meio que possua potencial de carbono suficiente para causar absorção do carbono na superfície do metal e, através da difusão deste carbono, cria-se um gradiente de concentração entre a superfície e o interior do metal (ASM HANDBOOK, 1991). 51

52 Geralmente o material utilizado neste processo possuir baixo teor de carbono em sua composição, propiciando uma reação entre o ferro do aço e o meio, que está rico em carbono. Deste modo, a superfície do aço fica enriquecida de carbono até profundidades preestabelecidas, permitindo assim, a sua têmpera posterior, para aumento superficial da dureza e resistência ao desgaste (CHIAVERINI, 2008). Para isso, a temperatura deve ser superior a zona crítica (850 a 950 C), ou seja, onde o ferro se encontrará na forma alotrópica gama, embora tenham sido usadas temperaturas mais baixas como 790ºC e mais elevadas como 1095ºC (COSTA et al.,2006) Contudo deve haver cautela em empregar temperaturas muito elevadas (em torno de 1095 C) devido a um aumento excessivo no tamanho do grão havendo necessidade de adicionar elementos de liga que inibem esse aumento, como o alumínio, o titânio ou o nióbio, gerando maiores custos e necessidade de conhecimento técnico, vistos como desnecessários na maioria dos casos (CHIAVERINI, 2008). Utilizam-se faixas maiores de temperatura onde há necessidade de reduzir o tempo do ciclo de cementação e/ou para atingir camadas mais profundas com teor de carbono elevado, como pode ser observado na figura 24. A profundidade de penetração do carbono depende da temperatura e do tempo, sendo rápida a princípio, decrescendo após um tempo, o que também pode ser visto na figura 24. Estas curvas permitem verificar também que as temperaturas mais elevadas favorecem a penetração de carbono (CHIAVERINI, 2008). Essas profundidades ficam entre 0,25 a 2,5 mm da superfície. A profundidade, em termos práticos, é medida por meio da dureza ou de acordo com a norma SAE J0432, onde a camada total cementada corresponde a distância da superfície até o ponto onde as diferenças nas propriedades químicas ou físicas da camada e núcleo não podem mais ser distinguidas. Figura 24 - Curvas teóricas mostrando a influência da temperatura e do tempo na penetração superficial de carbono no processo de cementação (CHIAVERINI, 2008). 52

53 Estudos conduzidos por Baumgarten (2003) mostram que a cementação na temperatura de 930 C foi capaz de gerar camada mais efetiva de cementação do que valores mais baixos, mesmo variando tempos de cementação e potenciais de carbono, como podem ser vistos nas figuras 25 a) e b), onde se têm os valores obtidos para a profundidade de cementação em relação ao potencial de carbono. Verifica-se também diferença entre os valores teóricos e práticos se comparadas as figuras 24 e 25. Figura 25 - Valores para a profundidade de cementação (BAUMGARTEN, 2003). a) b) 53

54 Após o tratamento térmico a microestrutura formada varia da superfície para o interior do núcleo, pois há um gradiente de concentração de carbono e uma taxa de resfriamento decrescente neste sentido, como pode ser mais bem visualizada na figura 26, a seguir: Figura 26 - Comparação entre a microestrutura formada e o diagrama CCT, mostrando a mudança da concentração de C e taxa de resfriamento da superfície ao núcleo da peça cementada (COLPAERT, 2008). O processo de cementação pode ser feito por três métodos: via sólida, por via gasosa e por via líquida (DREHMER, 2013). Nesta dissertação, as peças 1020 foram cementadas pelo método líquido, por isso é dado maior destaque a este método. A cementação sólida ou em caixa é um processo no qual o monóxido de carbono, derivado de um composto sólido, se decompõe na superfície de um metal em monóxido de carbono e dióxido de carbono. No entanto, não é muito utilizado comercialmente sendo substituído pelos processos de cementação a gás e líquida, pois são processos mais controláveis (ASM HANDBOOK, 1991). Na cementação a gás a fonte de carbono é um forno com atmosfera rica em carbono produzido a partir de hidrocarbonetos gasosos, por exemplo, metano (CH 4 ), propano (C 3 H 3 ) e butano (C 4 H 10 ) (ASM HANDBOOK, 1991). Na cementação líquida os banhos são realizados a partir de misturas de sais, contendo principalmente cianeto de sódio, cloreto de bário, cloretos de cálcio, estrôncio, potássio e sódio, além 54

55 de carbonato de sódio e cianeto de sódio. A fonte de carbono é proveniente da mistura destes sais liquefeitos na temperatura de austenitização do aço, e pode ser feita em dois tipos de banhos: alta temperatura, entre 900º e 955ºC, para camadas cementadas de maior profundidade entre 0,5 a 3 mm e baixa temperatura, entre 840º e 900ºC, para camadas cementadas que variam de 0,08 a 0,8 mm (CHIAVERINI, 2005). A seguir as principais vantagens e desvantagens do processo de cementação líquida (CHIAVERINI, 2008). Vantagens: - Rapidez e obtenção de consideráveis profundidades de camada em um tempo relativamente curto. - Não é necessário pré-aquecimento das peças, que entram diretamente em contato com os sais fundidos e logo atingem a temperatura do banho. - Proteção efetiva contra oxidação e descarbonetação. - Maior controle da profundidade de penetração. - Possibilidade menor de empenamento. - Maior facilidade de produzir cementação localizada. Desvantagens: - As peças devem estar limpas e secas para a introdução no banho de sais, para que a sujeira não interfira no processo de difusão e nem contamine a fonte de carbono e no caso da água, quando em contato com os sais fundidos, evapora com uma força explosiva. - Deve ser feito o controle da concentração de carbono do banho, pois este elemento é consumido ao longo do processo, diminuindo a ação carbonetante DIAGRAMA ISOTÉRMICO E RESFRIAMENTO CONTÍNUO Um ponto de importância no processamento dos aços se relaciona a cinética da transformação da fase austenita seja ela isotermicamente ou em resfriamento contínuo. A partir daí foram desenvolvidos os Diagramas de Transformação Isotérmica (TTT) e de Resfriamento Contínuo (CCT). O diagrama CCT para o aço SAE 1020 pode ser visto na figura 27. Esses diagramas indicam que algumas transformações são controladas pela difusão de C e de outros elementos de liga em solução sólida na austenita. Caracterizam-se pelos fenômenos de nucleação e crescimento de novas fases a partir dessa fase. As seguintes transformações ocorrem nessa faixa de temperaturas: austenita para ferrita, austenita para cementita Fe 3 C, austenita para perlita e austenita para bainita. A cinética dessas transformações se caracteriza por apresentar as 55

56 curvas de transformação em uma configuração em C para uma faixa específica de temperaturas. Os tempos de início e final das transformações a partir da austenita são muito curtos ( cotovelo da curva). O aumento do teor de C (e de outros elementos de liga em solução sólida na austenita) desloca este cotovelo para a direita, havendo um aumento de tempo para acontecerem as transformações da austenita controladas por difusão do C (ABBASCHIAN et al. 2010). Figura 27 - Diagrama de resfriamento contínuo CCT para o aço SAE Adaptado de (Costa et al., 2006). O deslocamento do cotovelo (tempos maiores para início e final das transformações) permite que com resfriamento rápido da austenita permaneça em equilíbrio instável até alcançar uma temperatura limite (Ms), a partir da qual tem início a transformação da austenita para a fase martensita (M). A característica principal da martensita é a supersaturação de C em solução sólida intersticial e uma elevada densidade de discordâncias. A transformação austenita para martensita se completa numa temperatura específica (Mf), que poderá ser abaixo da temperatura ambiente (ocasionando a presença de austenita retida), sendo que essas temperaturas Ms e Mf dependem do teor de C (e dos elementos químicos presentes nos aços em solução sólida). 56

57 2.9. TRATAMENTOS TÉRMICOS DE TÊMPERA E REVENIMENTO Os tratamentos térmicos consistem em operações de aquecimento e resfriamento controlados, que visam afetar as características de aços e ligas especiais (SILVA; MEI, 2008). A modificação da estrutura do aço é feita por controle de aquecimento e resfriamento, ou seja, é um ciclo de aquecimento e resfriamento realizado nos metais objetivando alterar suas propriedades físicas e mecânicas. Os tratamentos térmicos também visam à remoção de tensões, o aumento ou diminuição da dureza, o aumento da resistência mecânica, a melhora da ductilidade, da usinabilidade, da resistência ao desgaste, das propriedades de corte, da resistência à corrosão, da resistência ao calor e da modificação das propriedades elétricas e magnéticas (CHIAVERINI, 2005). De maneira geral, se melhora uma ou mais propriedades em detrimento de uma ou mais mediante a aplicação de um tratamento térmico. Um tratamento que aumenta da ductilidade provoca simultaneamente queda nos valores de dureza a e resistência à tração. Portanto, é necessário que o tratamento térmico seja escolhido e aplicado criteriosamente, para que as desvantagens apontadas sejam reduzidas ao mínimo. Há vários meios de aquecer e resfriar o material. Para proteger o aço contra oxidação e descarbonetação utiliza-se geralmente o banho de sal fundido. O arrefecimento do aço aquecido pode ser feito em óleo, água ou mesmo outro banho de sal em temperaturas mais baixas. Todos os tratamentos térmicos dos aços estão estreitamente relacionados com as temperaturas nas quais as transformações ocorrem Têmpera A têmpera consiste no aquecimento do aço até temperatura austenítica com posterior arrefecimento rápido. O processo de têmpera é responsável pelo aumento da dureza, e isto se deve ao fato da obtenção de uma taxa de resfriamento rápida o suficiente que não ultrapasse a linha em C da curva de resfriamento. Este resfriamento rápido restringe o processo difusional dos átomos de carbono e promove a formação da martensita (LANA, 2010). No caso dos cementados o resultado esperado é uma camada externa temperada com dureza mais elevada. A têmpera pode ser por meio direto ou por novo reaquecimento, onde o aço é resfriado e novamente aquecido para a têmpera (GIORDANI, 2012). O teor de austenita é minimizado quando a temperatura do material aproximasse da linha final transformação da martensita (Mf). A precipitação dos carbonetos é um fato que ocorre durante o tratamento e é responsável pelo aumento a dureza e resistência ao desgaste dos componentes processados (TEIXEIRA, 2017). 57

58 Revenimento O processo de têmpera provoca tensões indesejadas nos materiais tratados. Para promover estabilidade estrutural é utilizado o processo de revenimento, que consiste em um tratamento térmico de aquecimento abaixo da temperatura eutetóide, seguido pelo resfriamento a uma taxa apropriada. O objetivo principal é de eliminar as tensões internas em materiais metálicos (ASM HANDBOOK, 2000). Geralmente, em aços carbono o revenimento produz uma microestrutura de martensita fina revenida. Após as operações de cementação e têmpera, as peças são geralmente revenidas a temperaturas entre 140 e 250 C, mais específico numa faixa de 150 a 200 C ou 300 a 390 C, mantendo nestas temperaturas de 2 a 10 horas (ASM HANDBOOK, 1999). No que diz respeito aos aços cementados, uma faixa alta de temperatura acima de 400 ºC só é utilizada em casos específicos onde deseja usinagem intermediária ou como fase preliminar de um novo reaquecimento. É mais usual o uso de temperatura mais baixa justamente por apenas modificar, ao invés de remover as propriedades desejadas no produto acabado. Outro ponto importante que ocorre durante o revenimento é a precipitação de carbonetos. Segundo Serna (2008) os carbonetos presentes nos aços são elementos intersticiais gerados em três faixas de temperaturas que são entre: ºC, com precipitação de carboneto, ºC com decomposição de austenita retida e ºC com nova precipitação de carboneto entres eles a cementita. 58

59 3. MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo serão apresentados os materiais utilizados, parâmetros dos tratamentos térmicos, equipamentos, preparação das amostras e metodologia dos ensaios realizados. Foi solicitado um pequeno lote de 15 peças, que foram enviadas à uma empresa especializada em cementação de aço para realização dos tratamentos de cementação líquida, de têmpera e revenimento. Todos os discos foram obtidos de uma mesma corrida de aço com intuito de diminuir a heterogeneidade na microestrutura. Foram aplicados diferentes tempos de cementação, 2, 4 e 8 horas, à cada grupo de 5 peças. Logo após foram realizados usinagem e acabamento final em retífica plana CARACTERÍSTICAS DAS AMOSTRAS Os materiais utilizados foram discos de aço SAE 1020 cementado, temperado e revenido, que neste trabalho foram denominados como amostras 2, 4 e 8, que referencia os tempos de cementação pelos quais os discos passaram, e esferas de aço rolamento AISI identificadas pelo valor de seu diâmetro Ø 5 mm, figura 28. Os tempos e temperatura foram baseados em estudos anteriores, podendo citar, por exemplo, Baumgarten (2003) e Drehmer (2013). Como será exposto adiante, serão avaliados a microestrutura, propriedades mecânicas, rugosidade, perfil da trilha de desgaste, coeficiente de atrito e cálculo de desgaste teórico dos discos. Os discos possuem a dimensão de Ø20x7,85 mm e a esfera utilizada possui Ø de 5 mm. Foram solicitados discos com classe de rugosidade N6 com rugosidade máxima em valores de Ra em 0,8 µm, e as esferas foram obtidas de rolamento e devem apresentar rugosidade típica desses elementos, apresentando acabamento polido. Figura 28 - Macrografia do disco e esfera. 59

60 3.2. PARÂMETROS DOS TRATAMENTOS APLICADOS Os parâmetros utilizados nos tratamentos aplicados aos discos são mostrados na tabela 2. Para as amostras 2, 4 e 8 foram aplicadas temperatura de cementação de 930 ºC, sendo que para amostra 2, o tempo de cementação foi de 2 horas, para amostra 4, o tempo de cementação foi de 4 horas e por fim, para amostra 8, o tempo de cementação foi de 8 horas, com posterior resfriamento realizado ao ar para todas elas. Todas as amostras foram submetidas ao processo de têmpera e revenimento com os seguintes valores: temperatura de têmpera de 880 ºC com posterior resfriamento realizado em salmoura, temperatura de revenimento de 180 ºC aplicado por 2 horas com posterior resfriamento ao ar. Vale ressaltar que as esferas são fornecidas em material SAE 52100, típicas de aço rolamento e que nelas são aplicados tratamentos inerentes à fabricação de rolamentos. Tabela 2 - Parâmetros dos tratamentos aplicados aos discos Amostra Temperatura de cementação C Temperatura de têmpera C Temperatura de revenimento C por 2 h por 2 h por 4 h por 2 h por 8 h por 2 h 3.3. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS As superfícies planas de cada amostra foram lixadas na sequência de lixas de 100, 220, 320, 400, 600, 1000 e 1200 e polidas com suspensão de alumina de 1 μm para padronização da superfície. Foi necessário realizar embutimento somente das esferas devido à dimensão ser bem menor e de difícil manuseio. Para a visualização dos contornos de grão e diferentes fases na microestrutura, as amostras foram submetidas ao ataque químico. A solução utilizada foi nital a 3%, muito utilizado em aços de ferro não ligado e de baixa liga. O contraste obtido será o de micro-ataque para avaliar a estrutura íntima do material em estudo, podendo então ser avaliada por um microscópio metalográfico (Óptico). As amostras de aço SAE 1020 cementada foram seccionadas transversalmente para estudo da camada cementada e realização de perfil de dureza. 60

61 3.4. EQUIPAMENTOS Os equipamentos utilizados para realização dos ensaios foram: politriz da marca Rathenow, modelo Montasupal, para lixamento utilizando água e polimento mecânico com feltro utilizando óxido de alumínio (alumina) de granulação 1 μm, embutidora metalográfica da marca Teclago, modelo 30D, dimensionada para embutir amostras metalográficas em resina fenólica (baquelite) ou acrílica, com diâmetro de 30 mm e altura máxima de 20 mm, cortadora metalográfica da marca Teclago, modelo CM 60VV, com capacidade de corte de até Ø 60 mm de diâmetro e acionamento do corte através de alavanca de ação frontal com morsa incorporada deslocando a amostra contra o disco de corte, morsa de fixação da amostra com mordente, aparelho para limpeza ultrassônica Metasom - 14, modelo Pantec, perfilômetro da marca TaylorHobson, modelo Formtalysurf 50, com alcance vertical de 1mm, deslocamento transversal de 50 mm e coluna manual, capaz de realizar medição em ondulação, rugosímetro portátil da marca Mitutoyo, modelo Surftest- SJ-400, com distância de medição de 50 mm e variação de escala de 800μm, 80μm e 8μm, tribômetro do tipo pino no disco, modelo homemade apparatus (desenvolvido pelo Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra), microscópio óptico da marca Olympus, modelo BX51, com capacidade de ampliações de até 1000X, microscópio eletrônico de varredura da marca Hitachi, modelo TM300, voltagem disponível de 5KV, 15KV ou modo analítico, com EDS acoplado, microdurômetro da marca Mitutoyo, modelo MVK 54-G1, que possui penetrador piramidal de diamante com base quadrangular e ângulo de abertura de 136º. Foram utilizados os softwares de captura de imagens Image Analysis, medição de espessura de camada Atraem Motion, Quantax 70 para mapeamento dos componentes químicos e rotina de programação implementada em LabView para construção da curva de coeficiente de atrito e perfil de desgaste através dos dados gerados no ensaio de desgaste. 61

62 3.5. CARACTERIZAÇÃO DAS AMOTRAS As amostras obtidas foram caracterizadas por macroscopia, microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura associada à técnica de EDS, rugosidade, microdureza e ensaio de desgaste. Para os ensaios de rugosidade e desgaste, a superfície com o acabamento de usinagem foi mantida. Com o propósito de deixar a superfície das amostras isentas de traços abrasivos, solventes, poeiras e outros, foi realizado procedimento de limpeza no equipamento de ultrassom. Nas etapas de limpeza foram utilizados em banho ultrassônico: água com um pouco de detergente, acetona, álcool e por última água destilada. Cada etapa durou 10 minutos Microscopia Óptica A microscopia óptica foi utilizada com o objetivo de analisar a microestrutura das amostras e da camada cementada obtida no aço SAE Microscopia Eletrônica de Varredura/Espectroscopia de Energia Dispersiva (MEV/EDS) As amostras foram analisadas através de microscopia eletrônica de varredura, para caracterizar as superfícies das peças conforme recebido. Somente após este ensaio as amostras foram limpas, lixadas, polidas e atacadas. Os detectores de raios-x acoplados aos microscópios eletrônicos de varredura possibilitaram microanálise a partir dos espectros de energia dispersiva (EDS), possibilitando mapear os componentes químicos nas superfícies das amostras e no perfil de cada disco. Posteriormente foi realizada nova varredura para análise das pistas de desgaste geradas após ensaio de desgaste pino no disco. O objetivo foi de caracterizar as superfícies das trilhas de desgaste, identificação dos principais mecanismos de desgaste e mapeamento químico das partículas de desgaste geradas Microdureza Para medir a resistência mecânica das amostras foram realizadas medições de microdureza. Foram realizadas medições nas superfícies e na seção do aço SAE 1020 cementado, temperado e revenido e também na esfera. Foram realizadas 10 indentações na superfície dos todos os discos e 3 indentações na esfera. Para obtenção do perfil de microdureza foram realizadas 6 indentações ao longo da seção transversal a partir da superfície. A carga utilizada foi 200 g, tempo de indentação de 20 segundos e distância entre indentações foram de 3 diagonais de indentação conforme norma ASTM E384-08a. 62

63 Rugosidade das amostras Para verificar acabamento da superfície foram verificados os valores de rugosidade em Ra e Rz. Foi utilizado o rugosímetro para os discos e perfilômetro para as esferas Ensaio de desgaste Os ensaios de desgaste foram realizados no equipamento tribômetro tipo pino no disco através de procedimento laboratorial para determinar o desempenho de materiais durante o deslizamento a seco. O método permitiu elaborar curvas de coeficiente de atrito em relação ao tempo a partir dos dados gerados pelo próprio ensaio e criação de perfis da trilha de desgaste. A determinação de taxas de desgaste foi realizada através de cálculo do volume teórico utilizando a área de desgaste, juntamente com a equação de Archard. Os parâmetros de teste como força, velocidade foram escolhidos baseados na norma ASTM G99 (2004). Para os ensaios foram utilizados os seguintes parâmetros: - Força normal utilizada de 10N para todos os sistemas; - Velocidade tangencial de 0,1m/s; - Velocidade de rotação de 127,38 rpm; - Distância percorrida total de 1000 m; - Número de voltas 21231,42; - Tempo dos ensaios de segundos; - Raio da trilha de 7,5 mm; - Temperatura ambiente permaneceu entre 18 e 20 C, 63

64 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios de microscopia óptica, MEV/EDS, ensaio de dureza, rugosidade e desgaste. Os valores de durezas e coeficiente de atrito também foram analisados de forma estatística. A equação de Archard foi utilizada para cálculo de taxa de degaste, coeficientes e resistência ao desgaste MACROGRAFIA DO PERFIL DAS AMOSTRAS Após a amostra ser seccionada, lixada e polida foi realizado ataque químico com nital a 3%. Nota-se na figura 29 a), b) e c) a camada cementada e a respectiva profundidade de endurecimento para os três diferentes tempos de cementação (região mais escura da borda). Percebe-se que as camadas de cementação vão aumentando progressivamente a medida que se aumenta o tempo de cementação. As camadas cementadas nas laterais são um pouco maiores do que na superfície. Este fato ocorreu devido ao processo de retífica, responsável por retirar aproximadamente 0,1 mm de material da superfície, e posterior lixamento e polimento durante a preparação das amostras, verificou-se esta condição nas três amostras. Na região lateral e inferior direita da amostra 2, (figura 29 a), a região escura está irregular em relação as outras bordas, pode-se dizer que a cementação alcançou profundidade maior nesta região (retângulo), as demais amostras apresentam-se mais homogêneas. Figura 29 - Macrografia do disco seccionado SAE 1020: (a) cementado por 2 horas, (b) cementado por 4 horas e (c) cementado por 8 horas. Borda cementada Borda cementada a) 3,5 mm Região com cementação irregular Borda cementada b) 3,5 mm c) 3,5 mm 64

65 4.2. CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE DAS AMOSTRAS Para caracterizar a superfície do material, os resultados são apresentados em sub-tópicos divididos por amostras, logicamente há um maior foco nas amostras cementadas. Para verificar as trilhas na superfície do material resultantes do processo de usinagem foi realizado ensaio MEV, obtendo micrografias ampliadas em 500 X. Nota-se predominância das marcas de usinagem (retífica) bem definidas em sentido vertical em todas amostras cementadas. Há presença de corrosão na superfície de todas as amostras. Conforme Da Silva (1997), normalmente na camada de superfície cementada haverá presença de óxidos, fato discutido e também relatado pela ASM HANDBOOK (1999). Foi utilizada técnica de ensaio EDS para mapear a composição química das amostras. Vale lembrar que os resultados obtidos quanto aos valores dos elementos químicos em % de mássica são de natureza qualitativa, servindo apenas como referência da presença e quantidade dos elementos químicos. Observa-se que as amostras possuem em sua superfície quantidades predominantes de ferro e carbono, oxigênio em menor quantidade devido a pontos de corrosão dispersos e resíduos de manganês, alumínio e silício, estes últimos inerentes ao processo de fabricação de aço. O manganês é adicionado para auxiliar na desoxidação do metal líquido e para neutralizar o efeito nocivo do enxofre. Nesse processo, ele se combina primeiro com o enxofre e forma o sulfeto de manganês (MnS). O silício é acrescentado ao metal líquido, para auxiliar na desoxidação e impedir a formação de bolhas nos lingotes. Em teores de até 0,6%, não tem grande influência sobre suas propriedades. O enxofre, o manganês, o silício e o alumínio também formam, dentro do aço, compostos chamados de inclusões não-metálicas As microscopias ópticas realizadas nos aços tratados revelaram microestruturas com tonalidades preta, marrom claro e escuro, e também branco. De forma geral, nestas superfícies há matriz martensítica de baixo e alto teor de carbono com outros componentes microestruturais como carbonetos (tonalidade preta) e dispersão de austenita retida (tonalidade branca). A presença de carbonetos se dá pela sua precipitação na faixa de temperatura de revenimento entre 150 e 200 º C, ocasionados pela precipitação do carbono supersaturado nas plaquetas de martensita. A presença de austenita retida é típica de camadas cementadas, e se dá principalmente pelo fato de haver alto teor de carbono na superfície da peça. Tal fenômeno pode ser compreendido pelo fato da transformação martensítica inicial e final serem adiadas, favorecendo a não transformação de toda austenita durante a têmpera (SILVA,1997). Já a amostra em estado de fornecimento apresenta regiões perlíticas dispersa em matriz de ferrita características deste tipo de aço. 65

66 SAE 1020 (estado de fornecimento) e SAE 1020 (amostras 2, 4 e 8) Nos tópicos abaixo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios de microscopia para o aço 1020 em estado de fornecimento e os aços tratados dando maior ênfase a estes últimos Ensaios MEV/EDS e M.O do aço SAE 1020 (estado de fornecimento) Na superfície desta amostra sem tratamento percebe-se muitas rebarbas, mas dá uma importância menor para este fato pois não se trata do acabamento final, como pode ser visualizado na figura 30 a). Sendo mais interessante apontar que o carbono na tabela de composição apresenta 2,7%, e que isto servirá como comparação após aplicação do processo de cementação na amostra, tabela 3. Na figura 30 b), com aumento de 200 X, têm-se a micrografia do aço SAE Repara-se microestrutura granular do aço 1020 sem tratamento térmico e seus microconstituintes com grãos de ferrita (α) de contorno de grão (fase clara) e grãos de perlita (fase escura). Figura 30 - Amostra do aço SAE 1020 (estado de fornecimento): a) micrografia da superfície, b) micrografia do aço SAE 1020 (estado de fornecimento). Ampliação de 1000 X e 200 X, respectivamente. a) b) Tabela 3 Composição química da superfície do aço 1020 (estado de fornecimento). Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 30 a) 96,4 2, ,7 0, ,1 66

67 Ensaio MEV/EDS das amostras 2, 4 e 8 Mais abaixo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios de microscopia para o aço 1020 cementado por 2, 4 e 8 horas. Na micrografia visualizada na figura 31 há possíveis poros oriundos de corrosão (círculos), rebarbas, deformação plástica e marcas provenientes dos processos anteriores ao acabamento final da peça (linha tracejada com seta indicativa). Figura 31 Micrografia da superfície da amostra cementada por 2 horas (com acabamento de superfície realizado em retífica plana). Corrosão Rebarbas, marcas transversais e deformação plástica Na micrografia vista através da figura 32 torna-se mais evidentes a presença de cavidades possivelmente associados a mecanismos de corrosão localizada em poros (círculos) e não ocorrem marcas em outro sentido senão da retífica final de acabamento. Apesar de todas as amostras apresentarem pontos de corrosão, nota-se esta reação mais intensa na superfície da amostra 4. Este fato pode ser associado à presença de sal aderido na superfície das amostras cementadas logo após o processo cementação e antes do processo de reaustenitização. Tal condição favorece a presença de óxidos na peça quando o processo de resfriamento ao ar é realizado após a cementação com posterior têmpera (ASM HANDBOOK, 1999; BARRA, 2013). Uma das formas de reduzir tal reação é a aplicação de camada de grafite sobre o banho durante o processo de cementação conforme cita Asm Handbook (1991), e aplicação de têmpera direta. A aplicação dessa última em detrimento do processo com reaustenitização deverá ser avaliado para cada caso específico, conforme Giordani (2012), que o descreve em seus estudos, pois o uso de têmpera direta pode ocasionar maior 67

68 presença de austenita retida. Quanto à corrosão apresentada, foi avaliado no ensaio tribológico se esta influenciou a resistência ao desgaste da amostra 4 de maneira diferenciada das demais. Figura 32 Micrografia da superfície da amostra cementada por 4 horas (com acabamento de superfície realizado em retífica plana). Corrosão Corrosão Na micrografia da superfície retificada da amostra 8 identifica-se presença de poucos poros (círculos), mas com algumas trilhas mais fortes em relação às duas primeiras amostras, percebe-se também irregularidades devido deformação plástica em algumas regiões (ambas sinalizadas em linhas tracejadas com seta indicativa). Possíveis pontos de corrosão são mostrados através de círculos. Esta caracterização é visível na figura 33. Figura 33 Micrografia da superfície da amostra cementada por 8 horas (com acabamento de superfície realizado em retífica plana). Corrosão Corrosão Irregularidades das trilhas devido deformação plástica 68

69 Nas micrografias exibidas na figura de 34 são mostradas as áreas na superfície das amostras onde foram realizadas as varreduras (círculo), a composição química é mostrada na tabela 4. Na figura 34 a), há uma percentagem de carbono superior ao que foi verificado na amostra em estado de fornecimento e também é possível verificar a presença de oxigênio na tabela de composição química. Ao se destacar pontos escuros na superfície, a análise detectou a presença de oxigênio, indicando a formação de óxido, figura 34 b). Após o processo de preparação da amostra para os ensaios de microscopia óptica e microdureza nota-se um decréscimo na percentagem de carbono, justificado pela remoção de parte da camada cementada, figura 34 c). Figura 34 Análise química da superfície cementada da amostra 2: a) região de superfície usinada, b) pontos de óxidos e c) amostra polida. Ampliação de 1000 X. a) b) c) 69

70 Tabela 4 Composição química da superfície do aço 1020, amostra 2, correspondente as micrografias da figura 34. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 34 a) 89,9 8,6 1,0 0,1 0, ,1 Figura 34 b) 86,9 9,2 3, , ,2 0,2 Figura 34 c) 95,7 3, ,5 0, ,1 Nas análises EDS realizadas na superfície da amostra 4 e evidenciadas nas micrografias da figura 35, são mostrados os locais onde foram feitas as varreduras (círculo). Na figura 35 a), há uma percentagem de carbono também superior à amostra em estado de fornecimento, mas em menor concentração do que a análise realizada na amostra 2, também é possível verificar a presença de oxigênio na tabela 5 de composição química. O círculo da figura 35 b) aponta presença de O, dando indícios de formação de óxido. Após lixamento e polimento para os ensaios posteriores, a concentração de carbono cai de forma significativa. Isto ocorreu devido remoção da camada cementada, figura 35 c). Durante a análise de EDS da superfície da amostra 4 foram identificadas manchas escuras aderidas as trilhas de usinagem. Ao serem analisadas estas manchas apresentaram em sua composição, além de ferro e carbono, níveis bastante elevados de oxigênio. Constatou-se a formação de óxido nesta superfície. A presença expressiva desta área oxidada, antes mesmo da realização dos ensaios de desgaste, leva a deduzir que sua formação se deu no processo de usinagem. Isto pode ser confirmado também pela formação de visualização de trincas em sua topografia, possivelmente devido à falta de arrefecimento. A formação de óxido por temperatura elevada é prejudicial ao ensaio de degaste pois estas são aderentes e pode provocar remoção considerável de material durante sua execução. Na figura 35 de a) até e) são mostradas as superfícies onde foi localizada a formação de óxido, círculo de varredura EDS e a tabela 5 de composição química. 70

71 Figura 35 Análise química da superfície cementada da amostra 4: a) região de superfície usinada, b) pontos de óxidos, c) amostra polida d) oxidação e e) análise do óxido. Ampliação de 1000 X. a) b) c) d) e) 71

72 Tabela 5 - Composição química da superfície do aço 1020, amostra 4, correspondente as micrografias da figura 35. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 35 a) 93,2 4,6 1, , Figura 35 b) 92,4 5,6 1, , Figura 35 c) 96,6 2, ,1 0, ,1 Figura 35e) 67,8 9,1 22,5 0,1 0, ,1 0,1 Nas micrografias exibidas através da figura 36 são mostradas as áreas na superfície das amostras onde foram realizadas as varreduras (círculo) com seus respectivos gráficos de composição química, tabela 6. Figura 36 Análise química da superfície cementada da amostra 8: a) região de superfície usinada, b) pontos de óxidos, c) amostra polida. Ampliação de 1000 X. a) a) b) b) c) c) 72

73 A amostra 8, da mesma forma que a amostra 4, possui uma percentagem de carbono superior à amostra em estado de fornecimento, mas em menor percentagem do que amostra 2. Há indicação de formação de óxido, apontado pela presença de oxigênio na varredura realizada no ponto escuro da superfície, figura 36 b). Após o lixamento e polimento a percentagem de carbono é menor do que a superfície sem preparação, explicado pela remoção de parte do cementado, o que pode ser visto na figura 36 c). Este fato ocorreu após polimento nas três amostras cementadas. Tabela 6 - Composição química da superfície do aço 1020, amostra 8, correspondente as micrografias da figura 36. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 36 a) 93,2 5,8 0,3 0,1 0, ,1 0,1 Figura 36 b) 86,2 7,2 4, ,3 0,6 0,5 0,5 Figura 36 c) 96,8 2, , ,1 0, Ensaio de microscopia óptica das amostras 2, 4 e 8 Na micrografia mostrada através da figura 37 assinala-se que os grãos estão em diferentes tamanhos, sendo visível a ocorrência de heterogeneidade nas microestruturas (retângulo). Tal condição na granulometria foi verificada em regiões aleatórias em toda amostra. Há também presença dispersa de austenita retida (círculos). O refinamento parcial dos grãos da amostra 2 se deu justamente pelo curto tempo de cementação. Na literatura é relatado que diferentes tempos de cementação pode ocasionar diferença no tamanho de grãos da camada cementada, observado em cementação realizada em tempos de 1 e 10 horas em temperatura de 925 ºC para o mesmo material. O aço cementado em menor tempo apresentou refinamento de grãos em sua microestrutura (ASM HANDBOOK, 1999). Recomenda-se então, para aços onde o tempo de permanência à temperatura de cementação é menor o ciclo de têmpera direta, o que previne esta heterogeneidade na granulometria. Embora, segundo Silva (1997) a têmpera realizada após reaustenitização entre temperaturas de 800 a 880 ºC traga vantagens como melhor controle na distribuição de carbonetos, por exemplo. 73

74 Heterogeneidade dos grãos Figura 37 Micrografia do aço SAE 1020 cementado por 2 horas. Ampliação de 200 X. Austenita retida Mas esta condição não foi possível para este trabalho, pois os tratamentos de têmpera e revenimento foram realizados de uma única fez nas três amostras, com intuito de mitigar possíveis erros, falta de controle e interferência nos tratamentos realizados, já que o processo de tratamento termoquímico e térmico foram fornecidos por empresas externas. Chama a atenção a presença acentuada de austenita retida, embora saturada com carbono, tem baixa dureza. Sua coexistência com martensita reduz a dureza geral, se comparada a de uma estrutura contendo apenas martensita (ASM HANDBOOK, 1999). Outro problema é que na presença de algum tipo de desgaste, estas áreas alternadas de austenita e martensita irão se comportar de forma diferente. Na micrografia da superfície da amostra 4, figura 38, nota-se várias regiões com carbonetos (regiões escuras) e regiões setorizadas com presença de estrutura martensítica. Esta maior região com carbonetos pode ser explicada pelos seguintes fatores: precipitação dessa microestrutura durante a têmpera e revenimento e sua presença na micrografia se dá pela remoção de camada durante o processo de retífica e preparação das amostras conforme já explicado no tópico 4.1, e que possivelmente mais acima desta estrutura foi gerada região com maior concentração de estrutura martensítica, ou seja, esta micrografia identifica uma região mais abaixo da camada. Não se percebe presença de austenita retida. 74

75 Figura 38 Micrografia do aço SAE 1020 cementado por 4 horas. Ampliação de 200 X. Carbonetos Estrutura martensítica Na figura 39 observa-se na micrografia da superfície uma distribuição mais uniforme das microestruturas, sendo que há regiões com carbonetos dispersos em uma matriz martensítica. A presença de carbonetos pode ser explicada pelos fatos a seguir: sua ocorrência é menos pronunciada se comparada à amostra 4, justificada pela maior presença de carbono que deslocam a curva de nucleação de novas fases para direita, favorecendo a formação martensítica. Outro ponto, é que sua precipitação ocorreu durante os ciclos térmicos de têmpera e revenimento, e assim como na amostra 4, sua presença na micrografia se dá pela remoção de camada durante processo de retífica conforme já explicado no tópico 4.1. Há também presença de austenita retida. 75

76 Figura 39 - Micrografia do aço SAE 1020 cementado por 8 horas. Ampliação de 200 X. Região Martensítica Carbonetos Austenita retida Esfera Foi realizado ensaio de microscopia eletrônica de varredura associada à técnica de espectroscopia de energia dispersiva (EDS) para a caracterização da esfera Ensaio MEV/EDS da esfera Foi feito caracterização da superfície da esfera para avaliar se sua superfície e se os elementos químicos condizem com o tipo de aço rolamento. Na figura 40 a) e b) têm-se respectivamente a micrografia da superfície da esfera em ampliações de 30X e 3KX. Os elementos químicos encontrados são típicos de esferas de rolamento SAE 52100, tabela 7. 76

77 Figura 40 - Micrografia e análise EDS da esfera: (a) e (b) superfície da esfera em ampliações de 30X e 3 KX. a) a) b) Tabela 7 - Composição química da superfície da esfera. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 40 a) 93,7 4, ,5 0, ,1 0, CARACTERIZAÇÃO DO PERFIL DAS AMOSTRAS Os ensaios de MEV/EDS e microscopia óptica foram realizados na região seccionada das amostras cementadas. A finalidade foi de verificar o gradiente de concentração de carbono proveniente do processo de cementação realizado No ensaio EDS são mostradas as áreas onde foram realizadas as varreduras (círculo) com os gráficos de elementos químicos (à direita), contudo são realizadas varreduras em diferentes pontos das amostras, devido ao gradiente de concentração de carbono, inclusões e carbonetos detectados. As microscopias dos perfis foram em ampliadas em 50 X, para melhor visualização da seção transversal e microestruturas geradas. Como se nota, nas amostras cementadas o teor de carbono não é homogêneo ao longo da seção transversal, o que acarreta numa combinação microestrutural ao longo da seção, onde cada região com teor de carbono diferente irá sofrer diferentes transformações. Na superfície haverá maior presença de martensita, e no núcleo haverá maior presença de ferrita e perlita. Na superfície há presença de carbonetos, martensita revenida de alto e baixo carbono e austenita retida (identificada anteriormente na micrografia de superfície da amostra 2 e 8). No sentido do núcleo, as transformações microestruturais tenderam-se para formação de perlita e ferrita, confirmadas com o decréscimo de dureza concordante com tais estruturas. As camadas aumentam de profundidade, onde a amostra sujeita a 2 horas tem camada muito fina e há um aumento de camada à 77

78 medida que se analisa as amostras que foram cementadas por 4 e 8 horas. As amostras 4 e 8 possuem zonas de transição microestrutural mais distintas e homogêneas do que na amostra 2, onde nesta última nota-se também presença de inclusões setorizadas. Foram medidas as camadas das regiões de transformação microestrutural constatando maior profundidade a medida que o tempo de cementação aumenta. Tal como na caracterização da superfície, os resultados são apresentados em sub-tópicos divididos por amostras Ensaio MEV/EDS das amostras 2, 4 e 8 Logo abaixo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios de microscopia dos perfis do aço 1020 cementado por 2, 4 e 8 horas, nesta ordem. A composição química é consolidada em tabelas para cada amostra. Nas micrografias da seção transversal da amostra são visualizados dois pontos mais escuros. A área de varredura referente a micrografia da figura 41 apresenta o elemento químico carbono em concentração de 3,4%, o que pode ser confirmado na tabela 3 de composição química. Os pontos mais escuros na figura 41 serão analisados posteriormente nas outras micrografias de perfil. Figura 41 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 2 horas. Ampliação de 1000 X. Nas figuras 42 a) e b) são avaliadas possíveis inclusões não-metálicas, onde uma apresentou valores mais elevados de alumínio e oxigênio, este combina-se com o oxigênio e forma um composto chamado alumina (Al 2 O 3 ). Quando em quantidades reduzidas, a alumina, que se apresenta sob a forma de partículas muito pequenas, afeta minimamente as propriedades do aço. A outra inclusão, por apresentar quantidade maior de silício, trata-se de silicato, que em demasia favorece o aparecimento de microtrincas. 78

79 Figura 42 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 2 horas, (inclusões). Ampliação de 1000 X. a) b) Nas figuras 43 a) e b), foram realizadas varreduras em menor área, no sentido da borda para o núcleo da amostra. Os valores de carbono possuem pequeno decréscimo em direção ao núcleo. Figura 43 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 2 horas: a) borda e b) direção ao núcleo. Ampliação de 1000 X. a) b) Os valores baixos de carbono na borda sugerem que no processo de corte da amostra houve descarbonetação. Se houver decréscimo do teor de carbono, a martensita tende a tornasse uma estrutura bifásica de martensita de baixo carbono e carbonetos (OLIVEIRA, 1994). 79

80 Tabela 8 - Composição química do perfil do aço 1020, amostra 2, correspondente as micrografias das figuras 41, 42 e 43. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 41 95,7 3, ,1 0, ,4 0,2 Figura 42 a) 90 2,4 3,2 0,6 0, ,6 0,1 Figura 42 b) 92,4 3, , ,4 2,9 Figura 43 a) 96,5 2,9 0, Figura 43 b) 96,6 2,1 0, , ,6 0,2 Na figura 44 a) e b) nota-se maior concentração de carbono na área analisada e presença de carboneto de ferro, com maior concentração de carbono. Segundo Serna (2008) a precipitação de carbonetos ocorre durante decomposição eutetóide da austenita e nos aços com alto teor de carbono ocorre a precipitação do carboneto em temperaturas de revenimento de ºC. Nesta faixa a martensita perde parcialmente sua tetragonalidade e se transforma em um precipitado de transição cuja composição varia de Fe 2 C a Fe 3 C. Para temperaturas de revenido realizadas entre 100 e 200 ºC, os solutos precipitam-se formando aglomerados Figura 44 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 4 horas: a) varredura geral e b) aglomeração de carbonetos. Ampliação de 1000 X. a) b) Nas figuras 45 a) e b) é notável um gradiente de concentração de carbono no sentido da borda para o núcleo. A redução em % de carbono pode ser explicada pelo processo de cementação, onde há maior concentração na borda do que no interior da peça por este motivo. A composição química das varreduras das micrografias dos perfis da amostra 4 podem ser vistos na tabela 9. 80

81 Figura 45 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 4 horas: a) borda e b) direção ao núcleo. Ampliação de 1000 X. a) b) Tabela 9 - Composição química do perfil do aço 1020, amostra 4, correspondente as micrografias das figuras 44 e 45. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 44 a) 92, ,1 0, ,2 0,1 Figura 44 b) 85,8 13,4 0, , ,1 Figura 45 a) 93,5 5, , ,6 0,1 Figura 45 b) 96, ,3 0,1 0,1 --- Nas figuras 46 a) e b) constata-se maior concentração de carbono na área analisada s, percebe-se também presença de carbonetos de ferro. Figura 46 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 8 horas: a) varredura geral e b) presença de carbonetos. Ampliação de 1000 X. a) b) 81

82 Nas figuras 47 a) e b) há um gradiente de concentração de carbono da borda para a direção do núcleo. Na borda há concentração de 9,2% de carbono, e notavelmente avalia-se valor menor em % de carbono a medida que foi-se realizando a varredura até chegar na região da figura 47 b), havendo decréscimo desse elemento inerente ao processo de cementação. O maior tempo de cementação também é o principal fator da superfície ou a borda desta amostra apresentar o maior valor em % de carbono das três amostras analisadas, tabela 10. O mecanismo de formação dos carbonetos já foi explicado no tópico anterior. A precipitação de carbonetos ocasiona um aumento de dureza cabido pelo mecanismo de endurecimento por precipitação. Figura 47 - Análise EDS para amostra seccionada e cementada por 8 horas: a) borda e b) direção ao núcleo. Ampliação de 1000 X. a) b) Tabela 10 - Composição química do perfil do aço 1020, amostra 8, correspondente as micrografias das figuras 46 e 47. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 46 a) 94,2 4, ,1 0, ,4 0,2 Figura 46 b) 94,4 4, , ,2 0,1 Figura 47 a) 89 9,2 0, ,7 0,2 Figura 47 b) 94,4 4,4 0, ,1 0,3 82

83 Descarbonetação Ensaio de microscopia óptica das amostras 2, 4 e 8 A amostra 2 apresenta muitas inclusões e martensita de baixo teor de carbono com presença mais discreta de carbonetos, este último segundo Serna (2008) ocorre devido revenimento da martensita com baixo teor de carbono não formar carbonetos devido a segregação do carbono para as discordâncias que são locais mais estáveis. Possivelmente houve oxidação interna, onde pela Asm Handbook (1999) se trata de um fenômeno que ocorre na presença e oxidação de certos elementos no aço (principalmente Mn, Cr e Si) durante a cementação, figura 48. Figura 48 - Micrografia do aço SAE 1020 seccionado cementado por 2 horas. Ampliação de 50 X. Mancha escura Nota-se regiões mais claras na borda, indicando que houve descarbonetação durante o processo de corte, conforme dito anteriormente. Na borda vê-se uma camada mais cinza (mancha escura), ocorrido devido segregação significativa, onde a martensita temperada normalmente grava escuro através de um ataque de nital (ASM HANDBOOK, 1999). A segregação do carbono para os defeitos da rede é um dos fenômenos associados à etapa de revenimento bem como outros, como precipitação de carbonetos e demais compostos (TEIXEIRA, 2017). Nota-se que a camada foi muito fina em alguns pontos. Deduz-se que, o refinamento parcial dos grãos gerou uma barreira difusional para o carbono. Sendo assim, uma grande quantidade de carbono ficou retida em 83

84 uma fina camada da superfície na presença de refino dos grãos, conforme análise EDS da figura 34, dificultando o processo de corte e favorecendo a descarbonetação. Logicamente, onde a estrutura não está refinada a difusão do carbono foi facilitada. A amostra 4 apresenta camada cementada maior e duas zonas de transição microestruturais mais bem definidas, constatadas pela medição das profundidades das camadas, figura 49. Há presença pronunciada de martensita na camada, logo após existe uma faixa com presença de carbonetos e mais em direção ao núcleo nota-se a formação de ferrita de contorno de grão em matriz de carboneto, regiões perlíticas, evidenciando a característica de hipo-eutetóide nesta região. Figura 49 - Micrografia do aço SAE 1020 seccionado cementado por 4 horas. Ampliação de 50 X. A amostra 8 apresenta a maior camada cementada entre as três amostras, o que vai de encontro com o maior tempo de cementação aplicado. O gradiente de concentração de carbono gerou ao longo do perfil da amostra diferente microestruturas e suas zonas de transição são mostradas na micrografia da figura 50. Na camada há martensita, havendo presença de forma mais discreta de austenita retida e carbonetos. Há presença de carbonetos na região mais escura podendo concluir que após esta faixa o núcleo tenderá para a formação de ferrita de contorno de grão e regiões perlíticas, tal como ocorrido na amostra 4. 84

85 Figura 50 - Micrografia do aço SAE 1020 seccionado cementado por 8 horas. Ampliação de 50 X ENSAIO DE MICRODUREZA Foram realizados ensaios de microdureza nas amostras cementadas e também realizados na amostra de material SAE 1020 em estado de fornecimento, aqui identificada como (F), para evidenciar o efeito dos tratamentos nesta propriedade Valores de dureza dos discos A medição de dureza dos discos seguiu parâmetros da norma já citados no capítulo 3.5.3, e os resultados comparativos para os aços SAE 1020 (estado de fornecimento) e cementados são apresentados na tabela 11 e gráfico da figura 51. A dureza encontrada obviamente é bem superior no aço SAE 1020 tratado em relação a amostra em estado de fornecimento. Nas amostras 4 e 8, os valores encontrados na superfície são bem similares. A amostra 2, possui flutuação significativa nos valores, heterogeneidade microestrutural combinada com a presença de austenita retida influenciaram de maneira considerável. Foi realizado perfil de dureza dos aços SAE 1020 cementados devido ao gradiente de concentração de carbono da superfície para o núcleo da amostra. Há variação de dureza causada por diferentes microestruturas, a qual implica em diferentes valores a direção mencionada anteriormente. Conforme descrito na Asm Handbook (1999) a microestrutura de cementados 85

86 Microdureza (HV) apresenta mistura de diferentes fases, apresentando variabilidade de valores da camada para o núcleo. Quando há presença de ferrita têm-se valores mais baixos de dureza, já a martensita ocasionará valores mais altos. Os resultados são mostrados na tabela 12 e gráfico da figura 52. Tabela 11 - Valores de dureza em HV para os aços SAE 1020 no estado de fornecimento (F) e nos tratados em diferentes tempos de cementação. Microdureza (HV) Média Desvio Medidas Amostras F ,3 5, ,3 71, ,5 83, ,20 Figura 51 - Gráfico comparativo de dureza entre os aços SAE 1020 em estado de fornecimento (F) e os tratados em diferentes tempos de cementação Horas 4 Horas 2 Horas F Indentações Tabela 12 - Valores de dureza em HV no perfil da amostra - da borda para o núcleo. Microdureza (HV) Medidas Amostras

87 Microdureza (HV) Figura 52 - Gráfico com valores de dureza em HV no perfil da amostra - da borda para o núcleo ,25 0,5 0,75 1 1,25 Distância da borda em direção ao núcleo (mm) 2 Horas 4 Horas 8 Horas Valores de dureza das esferas Devido às esferas possuírem pequena dimensão, estas foram preparadas e embutidas em baquelite, lixadas e polidas até mais próximo de seu diâmetro máximo, daí foi possível realizar três medições de dureza. A média de valor de dureza obtida está dentro da faixa de 60 a 67 HRC, conforme é descrito no catálogo do fabricante. Os resultados são apresentados na tabela 13. Tabela 13 - Dureza das esferas ema HV. Microdureza (HV) Média Medidas Desvio Esfera Ø 5 mm ,33 23, ENSAIO DE RUGOSIDADE Foram realizados ensaios de rugosidade nos discos e esfera para verificar o acabamento de superfície. Para avaliação de rugosidade foi utilizado cut-off de 0,8 mm para o disco e 0,25 mm para esfera. As três medições foram feitas em regiões aleatórias do disco e da esfera Valores de rugosidade dos discos e esferas Nos discos, as medições foram realizadas utilizando rugosímetro e os resultados são mostrados na tabela 14. No aço SAE 1020 tratado, utilizando cut-off de 0,8 mm, percebe-se valores 87

88 abaixo de 0,8 μm em Ra, o que é imprescindível para o ensaio tribológico de pino no disco. Estes valores comprovam que os discos receberam usinagem comum típica de retífica. Nas esferas, as medições foram realizadas utilizando perfilômetro e os resultados são mostrados na tabela 15. Os parâmetros de rugosidade utilizados foram o de Ra e Rz, utilizando cutoff de 0,25 mm. Os valores de média de 0,01 μm em Ra caracterizam superfície polida típica de esferas de rolamento. Os valores de rugosidade encontrados na superfície dos discos e esferas atendem aos requisitos de rugosidade solicitados na norma ASTM G-99. Tabela 14 - Valores de rugosidade dos discos. Valores de Ra e Rz (μm) Média Medidas Amostras Ra 0,34 0,41 0,36 0,37 2 Rz 2,37 2,38 2,30 2, Ra 0,34 0,55 0,57 0,48 Rz 2,06 3,98 4,02 3,35 Ra 0,25 0,53 0,6 0,46 Rz 1,82 3,22 3,35 2,79 Tabela 15 - Valores de rugosidade das esferas. Valores de Ra e Rz (μm) Média Medidas Amostra Ra 0,01 0,01 0,01 0,01 Esfera Ø 5 mm Rz 0,29 0,11 0,14 0, ENSAIO DE DESGASTE As amostras foram sujeitas a carregamentos normais com a força de 10N com o objetivo de destacar o comportamento da curva do coeficiente de atrito e possíveis estágios de desgaste em função das diferentes espessuras de camada cementadas. Porém para o cálculo de desgaste foi mais coerente aplicar um cálculo de volume teórico da pista, realizado pela aproximação da área dos perfis de desgaste. Este fato ocorreu devido a dois pontos importantes citados na norma ASTM G99 (2004). O primeiro, é que para calcular a perda de volume têm que assumir desgaste 88

89 insignificante da esfera, o que não ocorreu neste ensaio. E a outra questão, é que na equação dessa mesma norma utiliza-se a largura de pista de desgaste. Para o ensaio da amostra 2 será mostrada que a largura foi menor do que a das demais amostras, porém mais acentuada e profunda. Ao se realizar os cálculos, os valores tenderiam para um desgaste menor do que o real devido a este fator, causando interpretação incorreta quanto ao desgaste gerado. Outro fato relevante é que não realizamos o ensaio de desgaste em amostra do aço em estado fornecimento, devido a já ser sabido que seu desgaste será maior do que nas amostras tratadas. O respaldo para esta afirmação encontra-se em literatura, onde nos experimentos de Selçuk et al., (2003) percebe-se nos resultados, que a perda de massa do aço SAE 1020 sem tratamento é a maior se comparado ao aço SAE 1020 cementado. Franco (2014) concluiu através de sua pesquisa que os aços com tratamento termoquímico, entre eles o aço SAE 1020 apresentaram melhora na resistência ao desgaste se comparados ao aço em estado de fornecimento. Ambos estudos realizados com máquina do tipo pino no disco e deslizamento a seco. Foram realizados ensaios na superfície de cada amostra. Para cada ensaio, foi traçado um perfil individual de desgaste no sentido transversal às marcas de usinagem e um no mesmo sentido, identificados como perfil a e b. Foi utilizada técnica de ensaio EDS para investigar as partículas de desgaste dentro da trilha com o objetivo de verificar a presença ou não de óxido gerados durante o ensaio de desgaste. Para todas as trilhas analisadas é possível verificar a existência de riscos, provocados pelos debris resultantes do processo de desgaste. Na maioria das trilhas há presença de debris deformados plasticamente, que se associam ao desgaste adesivo, já que seu tamanho grande e sua cor metálica são típicos deste tipo de desgaste (HIRST et al.,1956; EYRE et al., 1971, apud DUARTE, 2014). Os perfis das curvas de atrito para os ensaios das amostras 2, 4 e 8 apresentaram a princípio a mesma tendência, claro que existem nuances que serão investigadas nos tópicos individuais de cada amostra, entretanto já demonstram coerência e reprodutilidade na realização dos ensaios. Ainda sobre o comportamento da curva de atrito, todas mantêm um perfil semelhante nos primeiros regimes, com acréscimo de valores durante o período de running-in entre 0,7 e 0,9, com posterior queda relativa e alguma estabilidade nos valores dos regimes permanentes. O aumento abrupto no começo de cada ensaio se dá pela variação da área de contato e acomodação entre as superfícies, causando instabilidade inicial. Posteriormente a superfície ficará mais polida atenuando os valores de atrito até o início do regime estacionário. Destaca-se que nas amostras 2 e 4 ocorrem oscilações no último regime permanente. Estas oscilações são próprias de desgaste adesivo. Isso ocorre, porque parte do material é removido da trilha de desgaste durante o assentamento da esfera sob o metal duro. Esse mesmo material, por deslizamentos subsequentes, pode voltar a aderir à superfície original ou formar partículas de desgaste (VALERIANO, 2017). Salienta-se que o último regime nas três amostras é parcial, devido ao ensaio de desgaste ter chegado ao fim. Nos gráficos de coeficiente de atrito, foram 89

90 plotados linhas verticais para identificar o "regime de desgaste por cementação". Verifica-se que este regime ocorre após período running-in, onde este comportamento foi descrito por Duarte (2014), como sendo relacionado a ocorrência de um mecanismo de desgaste intrínseco à região rica em carbono. Outro fato descrito em seus experimentos é que a alta concentração de carbono inibiu o início do processo oxidativo em um aço cementado. O que explica também o ataque oxidativo preferencial na superfície do aço da amostra 4, já que é a amostra com menor índice desse elemento Análise do comportamento de atrito e desgaste das amostras 2, 4 e 8 Serão apresentados os estudos da trilha e perfil de desgaste, análise dos detritos gerados e curva do coeficiente de atrito das amostras 2, 4 e 8, seguindo esta ordem, depois da realização do ensaio de desgaste Análise da trilha e perfil de desgaste Na figura 53 a), b) e c) têm se as macrografias das regiões onde foram realizados os ensaios (em uma das superfícies), aqui identificada como superfície 1 das amostras 2, 4 e 8, respectivamente A região mais escura nas laterais da trilha de desgaste indica aumento de temperatura e formação de óxidos, figura 53 a). Na figura 53 b) é visto a região mais escura ao lado da trilha indica aumento de temperatura e formação de óxidos. É visto presença de corrosão na parte inferior da superfície da amostra (seta tracejada indicativa). Figura 53 - Macrografia da trilha da superfície 1 das amostras cementadas por: a) 2 horas, b) 4 horas e c) 8 horas. perfil a a) perfil b perfil b 8,5 mm b) c) perfil b perfil a perfil a Corrosão 8,5 mm Corrosão 8,5 mm 90

91 Região de oxidação e deformação plástica Na figura 53 c) é exposta a macrografia da região onde foi realizado o ensaio em uma das superfícies, superfície 1. A região mais escura ao lado da trilha indica aumento de temperatura e formação de óxidos, mais evidenciado no semicírculo à direita. Há formação setorizada de corrosão na superfície da amostra em algumas regiões (linha tracejada com seta indicativa). Nas figuras 54 e 55 são mostrados a micrografia e o perfil da trilha de desgaste para o ensaio no perfil a. Já as figuras 56 e 57 representam a micrografia e o perfil da trilha de desgaste para o ensaio no perfil b, todas referentes à superfície 1. Na trilha de desgaste da figura 54, identifica-se a existência de riscos no mesmo sentido da direção de deslizamento, causado possivelmente pelos debris resultantes do processo de desgaste, indicando a presença de mecanismo abrasivo. Na região da trilha, percebe-se que as marcas da usinagem inicial da amostra foram totalmente suprimidas devido ao desgaste ocorrido, sugerindo que a área real de contato foi relativamente alta. É possível notar dois riscos transversais mais escuros, que são evidências de aumento de temperatura nesta região com possível início de novo ciclo de formação de óxidos. Na trilha de desgaste pode-se verificar pequenos pontos mais escuros (círculos), que indicam também a presença de óxido nestes locais. Na região à esquerda da trilha há setores com acúmulo de material (retângulos), que foram deformados plasticamente durante o ensaio, há indícios de oxidação nestas regiões bem como à direita da trilha (regiões escuras). Possivelmente houve formação e quebra do filme de óxido, visto lateralmente à trilha, e debris deformados plasticamente. Figura 54 - Trilha de desgaste no sentido transversal as marcas de usinagem, perfil a. Região de oxidação 91

92 O perfil de desgaste a tem um sulcamento bem evidenciado, que apesar de estreito possui valor máximo em -5,04 μm, onde os debris deformados plasticamente foram deslocados para região lateral (círculo), gerando valores mais elevados no perfil, em torno de 2,42 μm, figura 55. Figura 55 - Perfil da trilha de desgaste, perfil a. Acúmulo de material Na trilha de desgaste da figura 56, observa-se alguns pontos e riscos mais escuros (círculos), sendo possíveis oxidações geradas durante o ensaio. As marcas de usinagem foram eliminadas na região central da trilha, porém sua presença é vista nas extremidades da trilha, sugerindo um desgaste mais acentuado na região central, sendo que nesta região a área real de contato foi relativamente alta. Constata-se um sulcamento central bem evidenciado, que ao contrário da direção de deslizamento do perfil a não projetou debris lateralmente na amostra, isto sugere que houve a transferência de material do disco para a esfera, o que é factível no mecanismo de desgaste adesivo. Se algum filme de óxido se formou, pode ter sido removido e arrastado pela esfera, já que a trilha apresenta pouca formação de debris. O perfil de desgaste b, figura 57, tem um sulcamento bem evidenciado atingindo seu ponto máximo em -7,41 μm, possivelmente o material transferido para esfera atuou como uma espécie de ferramenta provocando este sulcamento mais profundo (seta indicativa tracejada). O mecanismo abrasivo é detectado aqui por este desgaste. Na periferia da trilha não se identifica deformações a plástica a princípio, mas esta pode ter sido arrastada pela esfera durante ensaio (conforme já dito) ou estar depositado fora da região da micrografia. 92

93 Figura 56 - Trilha de desgaste no mesmo sentido das marcas de usinagem, perfil b. Desgaste acentuado Figura 57 - Perfil da trilha de desgaste, perfil b. Na trilha de desgaste da figura 58, percebe-se que as marcas da usinagem inicial da amostra foram apagadas devido ao desgaste ocorrido, indicando que a área real de contato foi intensa a ponto de extinguir as marcas de usinagem. É possível visualizar pontos escuros e regiões setorizadas 93

94 em tons mais escuros dispersos na região da trilha, evidenciando a formação de óxidos (circulo). Percebe-se riscos proveniente de desgaste abrasivo (setas contínuas) e acúmulo de material em ambos os lados das trilhas, proveniente de deformação plástica ocorrida durante o ensaio, tal acúmulo pode ser visto no perfil de desgaste. Há indícios de oxidação nas laterais das trilhas (regiões escuras), e deformação plástica (retângulos). Figura 58 - Trilha de desgaste no sentido transversal as marcas de usinagem, perfil a. Região de oxidação e deformação plástica O perfil de desgaste a possui sulcamento principal, atingindo valores máximos de -5,58 μm, onde os debris foram deslocados para as laterais com alguma chance de terem aderido também na esfera, figura 59. Na trilha de desgaste da figura 60, também se observa alguns pontos mais escuros (círculos) distribuídos ao longo da pista, sendo possíveis oxidações geradas durante o ensaio. As marcas de usinagem foram eliminadas na região central da trilha, o que condiz com área de contato alta nesta região. Têm-se um sulcamento central e alguns debris na lateral direita da trilha, provenientes de deformação plástica com presença de óxido (retângulos), possivelmente houve a transferência de material do disco para a esfera durante desgaste adesivo. Há existência de riscos na direção de deslizamento da trilha, produto de partículas que acabam gerando desgaste abrasivo. 94

95 Figura 59 - Perfil da trilha de desgaste, perfil a. Acúmulo de material Figura 60 - Trilha de desgaste no mesmo sentido das marcas de usinagem, perfil b. Região de oxidação e deformação plástica 95

96 O perfil de desgaste tem um sulcamento menos profundo, porém mais largo -3,28 μm. Existem alguns picos na lateral direita da trilha que são identificados como os debris gerados na deformação plástica, figura Figura 61 - Perfil da trilha de desgaste, perfil b. Acúmulo de material 1 Altura (μm) ,0 0,5 1,0 Largura (mm) 1,5 2,0 2,5 Nas figuras 62 e 63 são visualizadas a micrografia e o perfil da trilha de desgaste para o ensaio no perfil a. Nas figuras 64 e 65 têm-se a micrografia e o perfil da trilha de desgaste para o ensaio no perfil b. Ambos referentes à superfície 1. Na trilha do perfil a os riscos provenientes das marcas de usinagem foram quase todos removidos pela ação da esfera durante o ensaio, no entanto, constata-se que em alguns pontos estão ainda presentes (círculo). Percebe-se que nesta trilha os debris de desgaste ficaram também na pista e não somente na periferia da trilha, o que se entende é que parte destes debris protegeram e preservaram a marca final de usinagem na direção transversal em relação as marcas de usinagem e que também a transferência dos debris não foi somente para esfera, sendo que parte deste desgaste ficou depositado na área da pista. Na literatura este comportamento é explicado da forma como as partículas ficam imóveis (fixas) em uma ou ambas superfícies, isso gera camadas de partículas que acabam protegendo a superfície contra novos danos de desgaste (BONNY et al., 2010). Há acúmulo de material nas laterais da trilha, proveniente de deformação plástica e indício de ter havido uma forte interação entre as asperezas ocorrida durante uma parte do ensaio, percebe-se que também ocorreu oxidação nestes locais (retângulos). Este debris associam-se ao desgaste adesivo. 96

97 Preservação das marcas de usinagem Figura 62 - Trilha de desgaste no sentido transversal às marcas de usinagem, perfil a. Região de oxidação Região de oxidação e deformação plástica Figura 63 - Perfil da trilha de desgaste, perfil a. 97

98 O perfil a da trilha de desgaste, figura 63, apresenta-se bem irregular devido aos debris terem aderido a própria trilha. O valor mais profundo do sulcamento na trilha chega à -5,33 μm. Na trilha de desgaste da figura 64, aparecem regiões setorizadas mais escuras à esquerda da trilha, representando debris proveniente de deformação plástica e óxidos gerados durante deslizamento da esfera, associados ao desgaste adesivo. Já há direita da trilha, nota-se existência de riscos no mesmo sentido da direção de deslizamento possivelmente resultantes do mecanismo de desgaste abrasivo (seta contínua). O perfil de desgaste b é irregular e possui vários microssulcamentos, apesar de evidenciar um desgaste mais ao centro, observa-se que este foi bem inferior se comparado às demais amostras. O ponto mais profundo foi de aproximadamente -2,05 μm. Na esquerda e a direita do desgaste central há aumento no valor dos picos, podendo se dizer que os debris de desgaste foram deslocados para esquerda, sendo que mais para direita pode ter havido acúmulo do material possivelmente transferido da esfera. Ambos representados por círculos na figura 65. Figura 64 - Trilha de desgaste no mesmo sentido das marcas de usinagem, perfil b. Região de oxidação e deformação plástica Desgaste abrasivo 98

99 Figura 65 - Perfil da trilha de desgaste, perfil b Partículas de desgaste da trilha e área de desgaste da esfera das amostras 2, 4 e 8 Dentro da trilha de desgaste da amostra 2 constata-se presença de óxidos, deformação plástica e inclusão de silicato. Na figura 66 a), o círculo de varredura da micrografia destaca a formação de óxido com várias trincas indicando que esta camada tendeu a fragmentar-se e gerar detritos de desgaste. Conforme resultados da análise EDS do tópico 4.3.1, esta amostra apresentou inclusões, verificado aqui com a presença de oxidação gerada na inclusão de alumina, figura 66 b). Material oxidado e deformado plasticamente pode ser visto na figura 66 c). Os elementos detectados na análise EDS das partículas de desgaste podem ser vistos na tabela 16. De maneira geral há pouca presença de óxido na pista, corroborado através dos elementos químicos das microscopias, o que sugere que este foi removido durante ensaio e parte foi projetado para a periferia, conforme análise anterior. Com a remoção do óxido a superfície do disco fica exposta, o que provoca aumento de atrito e desgaste. 99

100 Figura 66 - Análise EDS das partículas de desgaste: a) óxido aderido à trilha, b) inclusão de aluminato e c) deformação plástica. Ampliação de 1000 X. a) b) c) Tabela 16 - Composição química das partículas de desgaste, amostra 2, correspondente as micrografias da figura 66. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 66 a) 69,7 10,1 19,8 0,1 0,2 0,1 0,1 --- Figura 66 b) 52,7 27,8 16, , ,6 0,1 Figura 66 c) 67,5 9 23,1 0,1 0,1 0,

101 O desgaste na superfície da esfera representa distância linear de 1,43 mm, figura 67 a). Na região de desgaste e em seu entorno há presença de óxidos. Há um risco transversal (seta tracejada indicativa), identificada como possível protuberância causadora do desgaste concentrado e acentuado na trilha central de desgaste, figura 67 b) e partícula de óxido aderida na superfície da esfera, também na figura 67 b), constatada na tabela 17. Figura 67 Análise EDS da esfera: a) área de contato da esfera, b) presença de óxido. Ampliação de 1000 X. a) b) 1,43 mm Protuberância Tabela 17 - Composição química do círculo de varredura, correspondente a micrografia da figura 67 b).. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 67 b) 57,5 36,8 4,4 1,1 0, Basicamente na trilha de desgaste da amostra 4 há presença de óxidos e deformação plástica. Na micrografia da figura 68 a) certifica-se a formação de camada de óxido com trincas (seta tracejada indicativa) e área considerável de deformação plástica. Nesta última apura-se oxidação na região deformada e transferência do material da esfera para este local, conforme mapeamento dos elementos químicos, tabela 18. Nas figuras 68 b) e c) são visualizadas regiões com alta concentração de oxigênio, apontando formação de camadas de oxidação durante o ensaio. Destaca-se na figura 68 c), detritos aderidos na trilha, presumindo-se que é material remanescente, retratando a prévia existência de camada de óxido (área sombreada), que ao se fragmentar foi projetada para periferia das trilhas, atuando como partículas de desgaste, ou foi transferida para superfície da esfera. 101

102 Figura 68 - Análise EDS das partículas de desgaste: a) óxido e deformação plástica aderida à trilha, b) oxidação aderida à trilha c) detritos de desgastes remanescentes. Ampliação de 1000 X. a) b) c) Tabela 18 - Análise de variância para dureza dos discos. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 68 a) 63,8 9,3 25, Figura 68 b) 82,1 6,2 11, , ,1 0,1 Figura 68 c) 45,6 43,8 10, , O desgaste na superfície da esfera mede 1,48 mm, figura 69 a). Fica evidente uma concentração maior de óxido na esfera, tanto na região de contato como nas adjacências. Na figura 69 b) visualiza-se uma camada considerável de óxido. A oxidação bem pronunciada é constatada no mapeamento dos elementos químicos da tabela 19, onde há evidência de elemento químico característico da esfera na superfície de contato. Constata-se que neste ensaio houve uma 102

103 transferência significativa de material do disco, o que vem de encontro ao lembrar que a amostra 4 teve uma trilha de desgaste bem pronunciada. Esta camada de óxido pode ter protegido a superfície do disco em algum momento do ensaio, até mesmo atenuando os valores de atrito, mas a ação de remoção pode ter influenciado características da curva de atrito bem como ter acentuado a perda de massa de maneira determinante. É bom destacar que na superfície desta amostra já havia presença de corrosão generalizada e oxidação pontual antes mesmo do ensaio de desgaste, e que isto pode ter influenciado também nos resultados obtidos neste ensaio tribológico. Figura 69 - Análise EDS da esfera: a) área de contato da esfera, b) presença de camada de óxido. Ampliação de 1000 X. a) b) 1,48 mm Tabela 19 - Análise de variância para dureza dos discos. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 69 a) 55,1 34,2 9,4 0,9 0, ,2 Na micrografia referente à amostra 8 atenta-se maior existência de óxidos e deformação plástica. Na micrografia da figura 70 a) há uma deformação plástica e oxidação bem evidentes. De acordo com o mapa de elementos químicos, tabela 20 há presença do material da esfera nesta região. Vê-se também que as marcas de usinagem foram preservadas e protegidas pela camada deformada. Nas micrografias referente às figuras 70 b) e c) percebe-se grande quantidade de óxido e material deformado plasticamente. Mais uma vez os elementos químicos característicos da esfera são identificados na tabela

104 Figura 70 - Análise EDS das partículas de desgaste: a) deformação plástica e óxido aderida à trilha, b) e c) oxidação e material deformado plasticamente. Ampliação de 1000 X. a) b) c) Tabela 20 - Análise de variância para dureza dos discos. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 70 a) 59,9 13,7 25,5 0,4 0, ,1 Figura 70 b) 73,2 9,6 16,2 0,3 0, ,2 0,2 Figura 70 c) 60, ,5 0,5 0, ,1 0,1 Diferentemente das outras amostras, a grande presença de camadas, produtos de oxidação e deformação na pista demostraram a transferência de material da esfera para o disco. A preservação das marcas de usinagem aponta uma proteção estabelecida pela presença dessas camadas. Como consequência disso, a taxa de desgaste e valores de atrito podem ter sido menores no ensaio de desgaste. Conforme dito anteriormente, há grande chance de as camadas de óxido terem servido como proteção da superfície do disco. A transferência de material foi afetada pela similaridade de dureza 104

105 entre amostras, pois ao contrário do que aconteceu na amostra 2 e 4, aqui o material da esfera tendeu-se a se aderir na região de superfície do disco, mais precisamente na trilha. Figura 71 - a) Análise EDS da esfera: a) área de contato da esfera, b) presença de óxidos dispersos. Ampliação de 1000 X. a) b) 1,50 mm O desgaste na superfície da esfera representa 1,50 mm em medida linear, figura 71 a). Há presença de óxido setorizados em algumas regiões da esfera, figura 71 b), mas de certa forma em menor quantidade, confirmando adesão preferencial de material na superfície do disco. O mapeamento químico mostrado na tabela 21, evidencia além da oxidação, material característico da esfera representando pela % de cromo sinalizada na tabela de composição química. Tabela 21 - Análise de variância para dureza dos discos. Fe C O Cr Mn Ni Al Si Figura 71 a) 82,5 14,2 1,5 1,2 0, , Análise da curva do coeficiente de atrito das amostras 2, 4 e 8 A curva do coeficiente de atrito está representada na figura 72. Nos primeiros segundos de ensaios o coeficiente de atrito atinge o valor máximo de 0,7, provocado pela remoção da camada superficial e um aumento da adesão provocado pela interação entre as asperezas e as partículas desgastadas, neste período está relacionado a máxima adesão, deformação das asperezas gerando um grande número de partículas residuais que eleva a taxa de desgaste posteriormente. Logo após a superfície fica mais lisa, diminuindo o atrito até que seu valor atinja estabilidade através da permanência em regimes estacionários ou permanentes. 105

106 Figura 72 - Curva do coeficiente de atrito. Observa-se que este período de running-in foi relativamente curto, aproximadamente 109,27 segundos, figura 73, que é uma expansão da figura 72. A partir daí se tem o início do 1º regime, permanente, conhecido como regime de desgaste por cementação (linhas verticais), onde o valor flutua entre 0,4 e 0,54. Sua ocorrência se dá até o intervalo próximo a 279,34 segundos e pode ser melhor visualizado na figura 74. Figura 73 - Período de running-in. 106

107 Figura 74 - Período de desgaste por cementação. Logo após há uma queda, percebe-se atenuação, estabilidade e aumento gradativo da curva, separados por uma pequena região de aumento e decréscimo no coeficiente de atrito sugerindo que houve transição no regime de desgaste naquele ponto, possivelmente devido a formação e ruptura de camada de óxidos e decréscimo no processo de sulcamento e deformação das asperezas, figura 75, caracterizando o 2º regime permanente com intervalo até 3315,78 segundos. Figura 75-2º regime permanente. 107

108 Logo após o coeficiente de atrito gira em entorno de 0,5 e 0,7, último regime permanente (retângulo da figura 72), entretanto numa faixa de oscilação maior, provavelmente devido a nova interação entre metal/metal e remoção gradativa da camada de óxido, e também pelos detritos de desgaste gerados podendo agir como indentadores, causando danos a superfície. Percebe-se aqui também o fenômeno stick-slip no começo desta região e um comportamento irregular e espaçamento maior no fim do ensaio, o crescimento e remoção significativa da camada de óxido influencia também nesta variação (DUARTE, 2014). Na figura 76 visualiza-se a curva de coeficiente de atrito para amostra 4. Constata-se que nos primeiros segundos de ensaios o coeficiente de atrito atinge o valor máximo de 0,9, sendo o único ensaio a atingir o desgaste severo, possivelmente houve um emperramento neste período que combinado com a remoção da camada superficial e um aumento da adesão provocado pela interação entre as asperezas e as partículas desgastadas, acarretou em um maior de valor do coeficiente de atrito neste período. O fato de haver transferência de material para esfera faz se valer pelo valor alcançado neste período. A ocorrência de máxima adesão e deformação das asperezas explicam este comportamento, o aumento posterior na taxa de desgaste se dá em decorrência das partículas residuais geradas. Um aumento abrupto do coeficiente de atrito corresponde a um alto nível inicial da taxa de desgaste volumétrica. Esta condição está associada ao rápido crescimento da área de contato entre a esfera e a amostra (BONNY, et al., 2010). Observa-se que o período de running-in foi de 126,50 segundos, ligeiramente maior do que a amostra 2, figura 77. Logo após cai para 0,4 onde se têm o início ao 1º regime permanente, nomeado como regime de desgaste por cementação, figura 78, com aumento no coeficiente até o tempo de aproximadamente 508,08 segundos (linhas verticais), figura 76. Figura 76 - Curva do coeficiente de atrito. 108

109 Figura 77 - Período de running-in. Figura 78 - Período de desgaste por cementação. Adiante o coeficiente de atrito estabiliza-se entre 0,4 e 0,5 com ligeira flutuação e aumento gradativo até aproximadamente 3795,14 segundos, figura 79, caracterizando o 2º regime permanente. Possivelmente a flutuação inicial neste intervalo se deu pela formação e ruptura de camada de óxidos e decréscimo no processo de sulcamento e deformação das asperezas. 109

110 Figura 79-2º Regime permanente. No último regime permanente, onde o coeficiente de atrito se mantém entre 0,45 e 0,6, é notório o aumento gradativo. É provável que houve contato entre as superfícies após crescimento e remoção gradual do filme de óxido, o que acarreta nas oscilações na parte final do ensaio. O fenômeno stick-slip inicia-se mais ao fim do ensaio, retângulo da figura 76. Partículas de desgaste provenientes da deformação e ruptura dos óxidos atuaram como fragmentos ou indentadores gerando desgaste abrasivo, uma vez que este podem ter aderido novamente a superfície do disco ou esfera. Outro fator importante é que neste ensaio houve atrito elevado logo no começo e posterior estabilidade da curva. Este comportamento sugere que houve retirada considerável de massa do disco no início do ensaio, mas que ao ficar aderida na superfície da esfera abrandou o desgaste, já que atuou como uma de camada de óxido protetora. Logicamente ao ir se deteriorando, esta camada contribui por formar partículas de desgaste e a área da superfície da esfera começou a interagir novamente com o disco, comportamento caracterizado mais ao fim da curva de coeficiente de atrito. Na figura 80 repara-se que nos primeiros segundos de ensaios, o coeficiente atrito atinge o valor máximo de 0,7, similar ao comportamento da amostra 2. Valores mais altos assim como nos ensaios anteriores se dão pela a remoção da camada superficial e um aumento da adesão provocado pela interação entre as asperezas e as partículas desgastadas. Logo após este período haverá um aumento na taxa desgaste devido a partículas de desgaste produzidas. 110

111 Figura 80 - Curva do coeficiente de atrito. Observa-se que o período de running-in visto na figura 81 foi de 211,78 segundos. Há uma queda da curva para valores de 0,37 onde se inicia o 1º regime permanente, aqui chamado de regime de desgaste por cementação (linhas verticais) da figura 80, com aumento no coeficiente próximo de 0,5, até o tempo de 592,35 segundos, figura 82. Adiante ocorre o 2º regime permanente, há ligeira flutuação em torno de 0,45 e aumento gradativo até 0,5 no tempo aproximado de 4640,14 segundos, figura 83. A flutuação inicial neste intervalo se deu pela formação e ruptura de camada de óxidos e decréscimo no processo de sulcamento e deformação das asperezas, mas de forma mais atenuada em relação aos demais ensaios. Figura 81 - Período de running-in. 111

112 Figura 82 - Período de desgaste por cementação. A partir daí o valor de coeficiente de atrito estabiliza-se até praticamente o fim do ensaio, último regime permanente. Esta constância pode ter sido gerada pela camada de óxido presente na pista de desgaste. Contudo o valor de atrito tem um acréscimo no final do ensaio, o que pode ser entendido como começo gradual da remoção dos óxidos e que se o ensaio continuasse, após esta região da curva ocorreria uma transição no regime de desgaste, retângulo da figura 80. Figura 83-2º regime permanente. 112

113 4.7. CÁLCULO DE DESGASTE Para o cálculo da área foi utilizado os dados gerados nos perfis de desgaste das superfícies de cada amostra, nos dois sentidos de usinagem. No caso desta dissertação, cada ensaio de desgaste gerou perfis específicos, onde a aproximação da área pôde ser feita através da soma de Riemann (equação 6). Nesse método a área total, abaixo ou acima da curva é obtida por retângulos e pelo limite das áreas desses retângulos. À medida que você aumenta o número de retângulos, mais preciso será o valor da área. Para garantir exatidão, cada área de perfil foi dividida entre 1800 a 2500 retângulos, onde a base de cada retângulo representou 1 μm. Então, a área total foi validada pela área média gerada pelos dois perfis. Para maior precisão foi aplicado filtro estreitando a faixa para valores que estão abaixo e acima da rugosidade média de cada amostra, pois a faixa de rugosidade com os valores médios não pode ser considerada como desgaste e sim como natural de cada superfície (resultado do processo de usinagem). Com a aproximação dos valores de área foi então realizado o cálculo de volume perdido para cada amostra, equação (7). b f(x)dx a lim n n i=1 f( xi )Δx Equação (6) V = A 2πr Equação (7) Área de desgaste das amostras 2, 4 e 8 As áreas das trilhas de desgaste da superfície da amostra sãos mostradas nas figuras 84 a) e b). A área de desgaste representa 0,0014 mm² e após a utilização do filtro este valor cai para 0,00137 mm². Nota-se que visualmente a área de desgaste foi pouco alterada. Na figura 85 a) e b), a área de desgaste representa 0,00173 mm² e após a utilização do filtro este valor cai para 0,0016 mm². Nesta área os picos e vales a esquerda e direita do desgaste central sofreram alterações sutis após aplicação do filtro (setas tracejadas indicativas). 113

114 Figura 84 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil a, amostra 2. a) b) 114

115 Figura 85 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil b, amostra 2. a) b) Na figura 86 a) e b). Evidencia-se as áreas referentes a amostra 4 que foram utilizadas para o cálculo de taxa de desgaste. A área de desgaste representa 0,00289 mm² e após a utilização do filtro este valor cai para 0,00279 mm². Nota-se que houve alteração em alguns picos ao lado do desgaste central (setas tracejadas indicativas). 115

116 Figura 86 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil a, amostra 4. a) b) Na figura 87 a) e b) são apresentadas áreas relativas a amostra 4 utilizadas para o calcular a perda volumétrica e taxa de desgaste. A área de desgaste representa 0,0017 mm² e após a utilização do filtro este valor cai para 0,00143 mm². Os picos mais extremos foram corrigidos (setas tracejadas indicativas). 116

117 Figura 87 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil b, amostra 4. a) b) Na figura 88 a) e b) são exibidas as áreas referentes a amostra 8 usadas para cálculo da taxa de desgaste. A área de desgaste representa 0,00108 mm² e após a utilização do filtro este valor cai para 0,00097 mm². Os picos à esquerda e à direita do desgaste principal foram corrigidos (setas tracejadas indicativas). 117

118 Figura 88 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil a, amostra 8. a) b) Na figura 89 a) e b) são vistas as áreas com e sem aplicação do filtro relacionada a amostra 8. A área de desgaste representa 0,00117 mm² e após a utilização do filtro este valor cai para 0,0009 mm². Os picos das extremidades do perfil também foram refinados. 118

119 Figura 89 - Área de desgaste com e sem filtro, perfil b, amostra 8. a) b) Na tabela 22 são verificados os valores de taxas de desgaste, coeficiente adimensional e dimensional desgaste e resistência ao desgaste de cada amostra. Os ensaios são identificados como perfil a, b e resultado final, devido aos valores obtidos em relação às marcas de usinagem e o resultado final se trata do valor médio dos perfis gerados. A amostra 8 possuem valores de taxa 119