INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CARBONETOS NO COMPORTAMENTO AO DESGASTE DO PEEK

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1 INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CARBONETOS NO COMPORTAMENTO AO DESGASTE DO PEEK L.C.Casteletti 1 ; R.G.Pereira 1 ; F.A.P.Fernandes 1 ; S.C.Heck 1 ; J.Gallego 2 Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística Av. Trabalhador São carlense, 400, CEP: , São Carlos. castelet@sc.usp.br 1 Escola de Engenharia de São Carlos EESC-USP, São Carlos SP; 2 UNESP Campus Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecânica RESUMO O PEEK (Poli-Éter-Éter-Cetona) é um dos polímeros de engenharia de alto desempenho cada vez mais usado como material para mancal e deslizamento em aplicações industriais, devido à sua excelente estabilidade térmica e química, baixo atrito e boa resistência ao desgaste. Visando atender a demanda da engenharia e projetos direcionados por razões econômicas e ambientais, o uso de revestimentos de PEEK sobre metais leves tornou-se uma opção altamente atraente. A incorporação de agentes reforçadores constitui-se num procedimento adotado para o aumento da resistência mecânica e ao desgaste de materiais poliméricos. Neste trabalho, visando-se melhorar o desempenho ao desgaste de revestimentos de PEEK em chapas de alumínio, foram efetuadas adições variáveis de carbonetos de silício a esse polímero. O ensaio de desgaste usado foi do tipo micro-desgaste, sem o uso de abrasivo. A adição de 3% de SiC foi efetiva para a melhora da resistência ao desgaste, enquanto teores acima de 5% a prejudicaram. Palavras-chave: PEEK, Carbonetos, desgaste, microabrasivo. INTRODUÇÃO Redução do atrito e do desgaste constituem-se em crescentes desafios nas modernas aplicações industriais. A fim de se melhorar o desempenho tribológico de superfície, têm sido aplicados revestimentos de PEEK (poli-éter-éter-cetona), que podem ser depositados a partir de uma variedade de técnicas [1], tais como aspersão, aspersão com chama e High Velocity Oxigen Fuel (HVOF) [1,2,5]. PEEK é 8311

2 um polímero termoplástico de engenharia avançado com excelentes propriedades mecânicas, estabilidade térmica, química e propriedades elétricas, resistência ao impacto e baixa taxa de desgaste e coeficiente de atrito, e está se tornando um dos materiais poliméricos mais atraentes, sendo cada vez mais utilizado como revestimento para aplicações industriais. O uso do PEEK em peças maciças tem sido limitada devido ao seu custo elevado [3]. No entanto, estudos recentes indicaram que PEEK constitui-se de uma alternativa promissora, quando utilizado como revestimento fino para as ligas metálicas [3]. Em muitas situações industriais, quando o contato ocorre por deslizamento entre as superfícies metálicas, a lubrificação é necessária. A carga aplicada e a velocidade de deslizamento são de grande importância para o comportamento tribológico e mecanismo de desgaste [4]. Este pode não ser o caso do contato deslizante metal-polímero, devido às características auto-lubrificantes de alguns polímeros. Um baixo coeficiente de atrito, juntamente com alta resistência ao desgaste, pode ser obtido em sistemas polímero-metal sem o uso de um lubrificante externo [6]. O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades de desgaste de revestimentos de PEEK sobre um substrato de alumínio, onde as camadas de PEEK continham adições de Carboneto de Silício para avaliar a eficiência desta adição nas propriedades de desgaste, quando comparado ao PEEK puro. MATERIAIS E METODOS Preparação das amostras Amostras de alumínio foram revestidas com uma solução de PEEK, a qual foi misturada diferentes quantidades de Carboneto de Silício (SiC) por aspersão, até obtenção de uma camada uniforme. As partículas de SiC utilizadas tinham granulometria média de 13 micrometros. Foram produzidas amostras recobertas com PEEK puro e com adições de 3, 5 e 7% de SiC. Após a aplicação das camadas de PEEK ao substrato de alumínio, as mesmas foram aquecidas em estufa a uma temperatura de 120ºC, durante 10 minutos para evaporação do solvente e depois polimerizadas a uma temperatura de 398ºC, durante15 minutos, para promover o endurecimento da camada polimérica. 8312

3 Teste de micro-desgaste O teste de micro-desgaste foi realizado em equipamento de esfera fixa tipo calotest, onde uma esfera gira em contato com a amostra, exercendo uma pressão de contato capaz de produzir sulcos na forma de calotas esféricas na superfície do material. As esferas usadas possuem 25,4mm de diâmetro e são de aço AISI (100Cr6), com dureza de 63±3HRc. A velocidade de rotação da esfera utilizada foi de 24m/min. A carga aplicada foi de 18,26N para todas as amostras, produzindo-se sulcos para os tempos de 10, 15, 20 e 30 minutos de ensaio. O volume de material removido (V) de cada calota foi calculado de acordo com a Eq. (A) [7,8] V 4 π b 64 R, for b << R (A) Onde b é o diâmetro da calota e R é o raio da esfera. A Fig. 1 mostra o esquema do equipamento para ensaio de micro desgaste (Fig. 1a), e o procedimento para medir o diâmetro da calota (Fig. 1b) o volume de material removido da calota foi obtido de acordo com a Eq. (A). Fig. 1: Esquema do equipamento usado para teste de micro desgaste. A superfície dos sulcos gerados durante o ensaio de micro desgaste foi analisada por um perfilometro ótico Veeco WYKO NT RESULTADOS E DISCUSSÃO 8313

4 Na Fig. 2 são apresentados os gráficos referentes ao desgaste das amostras analisadas por meio dos ensaios de micro desgaste. 0,05 Volume Removido (mm 3 ) 0,04 0,03 0,02 0,01 PEEK puro PEEK+7iC PEEK+5iC PEEK+3iC 0, Distância percorrida (m) Figura 2: Gráfico de desgaste das amostras Verificou-se que a adição de 3% de SiC foi efetivo no aumento da resistência ao desgaste da camada. Adições em maiores teores prejudicaram o desempenho da camada de PEEK, devido ao colapso da junção entre o polímero e o carboneto de silício. Tal evento promoveu o aparecimento de partículas com elevado poder abrasivo, cujo efeito foi bastante proeminente nas amostras ensaiadas durante 30 minutos. Com o auxílio do perfilometro verificou-se que nas amostras com adição de SiC o mecanismo predominante de desgaste foi o abrasivo, caracterizado pelos riscos presentes na superfície desgastada, como mostram as imagens mostradas na Fig. 3. Este comportamento corrobora os resultados obtidos por Wang et al [9], em um ensaio de bloco-sobre-disco de uma amostra maciça, no qual se verificou que a adição de 2,5% de SiC ao PEEK diminuiu o coeficiente de desgaste, para várias cargas de ensaio. CONCLUSÕES A adição de carboneto de silício SiC ao PEEK, visando o melhoramento da resistência ao desgaste, foi mais eficiente na proporção de 3%. Acima desses 8314

5 valores ocorreu mais intensamente o descolamento das partículas em relação ao filme polimérico, o que provocou um nível de desgaste muito superior ao verificado na camada sem adição de carboneto. A deposição de camadas de PEEK, aditivadas com quantidades adequadas de SiC, pode se tornar interessantes revestimentos metal-polímero onde se requerem tanto alta resistência à corrosão quanto boa resistência ao desgaste, aliadas à resistência mecânica de um substrato metálico leve e resistente. Fig. 3: Aspecto do sulco provocado pelo ensaio de micro desgaste com esfera de aço durante 30 minutos. a) PEEK puro, b) PEEK com 3% SiC, c) PEEK com 5% SiC, d) PEEK com 7% de SiC. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as bolsas concedidas pela CAPES (R.G.P., F.A.P.F. e S.C.H.) e pelo CNPq (L.C.C. e J.G.) durante o desenvolvimento deste trabalho. REFERÊNCIAS 8315

6 1 ZANG, G., LI, W.-Y., CHERIGUI, M., ZANG, C., LIAO, H., BORDES, J.-M., CODDET, C. Structures and tribological performances of PEEK (poly-ether-etherketone)-based coating designed for tribological application. Progress in Organic Coating, v.60, p , DAVIM, J.P., CARDOSO, R. Effect of the reinforcement (carbon or glass fibres) on firction and wear behavior of the PEEK against steel surface at long dry sliding. Wear, v. 266, p , CANSADO, I.P.P., GONÇALVES, F.A.M.M., NABAIS, J.M.V., RIBEIRO CARROTT, M.M.L., CARROTT, P.J.M. PEEK: An excellent precursor for activated carbon production for temperature application, Fuel processing Technology, v. 90, p , ZANG, G., ZANG, C., NARDIN, P., LI, W.-Y., LIAO, H., CODDET, C. Effect of sliding velocity and applied load on the tribological mechanism of amorphous poly-ether-ether-ketone (PEEK), Tribology International, v.41, p , ZANG, G., LIAO, H., CODDET, C. Friction and wear behavior of PEEK and its composite coating, Tribology and Interface Engeneering Series, v.55. Chapter 19, p , BAHADUR, S., SCHAWARTZ, C.J. The influence of nanoparticle fillers in polymer matrices on the formation and stability of transfer film during wear, Tribology and Inteface Engeneering Series, v.55, Chapter 2, p , RUTHERFORD, K.L; HUTCHINGS, I.M. Theory and application of a micro-scale abrasive wear test. Journal of Testing and Evaluation, v.25, n.2, p.250, RUTHERFORD, K.L; HUTCHINGS, I.M. A micro-abrasive wear test, with particular application to coated systems. Surface and Coatings Technology, v. 79, p , QI-H.W.; JINFEN X.; WEICHANG S.; QUNJI X. The effect of nanometer SiC filler on the tribological behavior of PEEK. Wear, v. 209, p ,

7 INFLUENCE OF ADDITION OF CARBIDE IN THE WEAR BEHAVIOR OF PEEK ABSTRACT PEEK is a polymer of high performance engineering increasingly used as materials for sliding bearings and industrial applications due to its excellent thermal and chemical stability, low friction and good wear resistance. Aiming to meet the demands of engineering and projects focused on economic and environmental reasons, the use of PEEK coatings on light metals has become a highly attractive option. The incorporation of reinforcing agents but it is a procedure used to increase the mechanical strength and wear resistance of polymeric materials. In this paper, aiming at improving the wear performance of PEEK coatings on aluminum sheets, were made varying additions of silicon carbide in this polymer. The wear test used was the type micro-wear, without the use of abrasive. The addition of 3% SiC was effective to improve the wear resistance and levels above 5% damaged. Key-words: PEEK, carbides, wear, micro wear 8317