8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 DESEMPENHO TRIBOLÓGICO DE FERROS FUNDIDOS BRANCOS AO CROMO E MOLIBIDÊNIO EM ENSAIOS DE MICROABRASÃO - COMPARAÇÃO COM RESULTADOS DE ABRASÃO A DOIS CORPOS E ABRASÃO A TRÊS CORPOS Bozzi, A. C. [1], De Mello, J.D.B. [2], Scandian, C. [3] [1,3] UFES Universidade Federal do Espírito Santo, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Fernando Ferrari, 514, Campus Goiabeiras, Vitória ES - Brasil [2] UFU Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Laboratório de Tribologia e Materiais, Av. João Naves de Ávila, 2160, Campus Santa Mônica, Bloco 1M, Uberlândia MG - Brasil [1] acesarbozzi@ct.ufes.br [2] ltm-demello@ufu.br [3] cherlios@npd.ufes.br RESUMO Os ferros fundidos brancos alto cromo são conhecidos por apresentarem uma alta resistência à abrasão. Esta resistência é função não somente do sistema tribológico, como também é fortemente influenciada pelas características do material. Este trabalho objetiva investigar os efeitos da composição química sobre o comportamento tribológico destas ligas, em termos de sua resistência ao desgaste. Foram utilizadas 20 diferentes ligas brutas de fusão com uma razão Cr/C igual a 10. Os teores de cromo empregados foram 16, 20 e 24%, em peso, para as ligas hipoeutéticas, 28% para a eutética e 32% para as hipereutéticas. Os teores de molibdênio, para cada composição de cromo, foram de 0, 3, 6 e 9%. Para a avaliação da resistência ao desgaste abrasivo foram utilizados ensaios de microabrasão, em um equipamento tipo Calowear com lama abrasiva contendo água e SiO 2. Relações preliminares entre composição, microestrutura e coeficiente de desgaste foram efetuadas, correlacionadas e comparadas com resultados anteriores obtidos em ensaios de abrasão convencional a dois e três corpos destas ligas. PALAVRAS-CHAVE: Ferro fundido branco alto cromo; Molibdênio; Abrasão a dois corpos, Abrasão a três corpos, Microabrasão. Código 1278

2 INTRODUÇÃO O desgaste é um dos mais importantes fatores de custo durante o processamento de minérios [1]. Com o objetivo de se reduzir estes custos, normalmente são usados materiais que apresentam uma alta resistência ao desgaste abrasivo. Dentre estes materiais, se destacam os ferros fundidos brancos alto cromo, que são os materiais por excelência usados em aplicações que aonde se necessita de uma altíssima resistência ao desgaste abrasivo, tais como ocorre na indústria de processamento mineral, de cimento, equipamentos para movimentação de terra, entre outras. Ferros fundidos brancos alto cromo são ligas contendo de 11 a 30% em peso de cromo e 1,8 a 3,6% em peso de carbono, com molibdênio, cobre e manganês às vezes utilizados como elementos adicionais de liga [2]. A microestrutura destas ligas consiste tipicamente de carbonetos primários duros e/ou eutéticos em uma matriz de austenita ou uma transformação destes produtos [2,3]. A resistência ao desgaste abrasivo de um material pode ser medida por uma grande quantidade de ensaios de laboratório e o valor obtido depende não somente das propriedades intrínsecas do material com também do método de ensaio empregado [4]. Muitos estudos de laboratório têm sidos realizados com os ferros fundidos brancos em vista de seu grande potencial como material de altíssima resistência ao desgaste abrasivo. Entretanto, uma vez que as condições de desgaste em laboratório diferem muito das aplicações industriais reais, a transferência dos resultados de laboratório para o serviço em campo é uma tarefa difícil. Na prática, poucos resultados de ensaios de laboratório podem ser usados para simular as condições reais. Por outro lado, ensaios de campo são dispendiosos e demorados. Neste contexto, em que se procuram ensaios de laboratório, cujos resultados possam ser transferidos para situações reais, temos o ensaio de microabrasão. O ensaio de microabrasão tem sido objeto de uma quantidade significativa de pesquisas nos últimos anos, quando o seu potencial para se avaliar o comportamento de recobrimentos finos e materiais volumétricos de um modo sensível se tornou aparente. Ele é predominantemente usado como um ensaio de abrasão em microescala aonde as partículas abrasivas são menores do que cerca de 10 μm. Uma vez que o volume de desgaste ou profundidade gerada pelas partículas finas é muito pequeno, o ensaio de microabrasão é adequado para se medir a resistência ao desgaste de recobrimentos finos ou outras camadas produzidas pela engenharia de superfície [5]. Além disso, este ensaio também tem sido usado para se avaliar a resistência ao desgaste abrasivo de materiais volumétricos como aços ferramenta, aços carbono, vidros, cerâmicas, polímeros, ferros fundidos brancos alto cromo e até mesmo compósitos de restauração dentária [5,6]. O presente trabalho tem objetivo analisar os resultados preliminares de ensaios de microabrasão de 20 diferentes ligas em estado bruto de fusão de ferro fundido branco alto cromo, procurando-se correlacioná-los e compará-los com os resultados de trabalhos anteriores de abrasão convencional na configuração pino sobre disco (abrasão a dois corpos) e na configuração conhecida como ensaio LTM (abrasão a três corpos) destas ligas. MATERIAIS E MÉTODOS Foram avaliadas neste trabalho 20 diferentes ligas, obtidas por processo convencional de fundição em moldes de areia, de ferro fundido branco alto cromo em estado bruto de fusão: 3 ligas hipoeutéticas (16, 20 e 24% de Cr), 1 liga eutética (28% de Cr) e 1 liga hipereutética (32% de Cr), com porcentagens expressas em peso. Para cada liga foram adicionados teores de 0, 3, 6 e 9% em peso de molibdênio, perfazendo assim, 20 ligas diferentes com uma razão constante de Cr/C igual a 10. Para a identificação das ligas foi adotada a seguinte nomenclatura: as ligas foram designadas por X-Y, onde X se refere à porcentagem em peso de cromo (16, 20, 24, 28 e 32) e Y se refere à porcentagem em peso de molibdênio (0, 3, 6 e 9). Deste modo, uma liga designada, por exemplo, por 24-6, possui 24% de cromo e 6% de molibdênio. Estas ligas foram caracterizadas em trabalhos anteriores quanto à sua microestrutura por microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura [7,8] e dureza [7,8]. Antes de se abordar a metodologia empregada nos ensaios de microabrasão, far-se-á uma contextualização inicial dos ensaios de abrasão convencional na configuração pino sobre disco (abrasão a dois corpos) e na configuração conhecida como ensaio LTM (abrasão a três corpos), realizados e apresentados em trabalhos anteriores para ajudar entender com mais clareza o comportamento em abrasão destas ligas. Os ensaios de abrasão na configuração pino sobre disco foram realizados com uma pressão de 0,18 MPa, utilizando-se abrasivos de SiC com granulometria de 150 mesh. Os resultados da taxa de desgaste foram obtidos no regime permanente de desgaste de uma média de 9 ensaios [7-11]. Estes resultados são apresentados na Figura 1. Os ensaios de abrasão na configuração conhecida como LTM (abrasão a três corpos) foram realizados com uma pressão de 0,02 MPa, utilizando-se um contra-corpo de ferro fundido. Foram utilizados abrasivos de SiO 2 com 100 mesh de granulometria. O funcionamento deste ensaio é detalhado por Regattieri et alli [9-11]. Os valores da taxa de

3 desgaste foram avaliados após se atingir o regime permanente de desgaste de uma média de 18 ensaios. Estes resultados são mostrados na Figura 2. Figura 1 Taxa de desgaste das ligas no ensaio de abrasão a dois corpos (pino sobre disco). Figura 2 Taxa de desgaste das ligas no ensaio de abrasão a três corpos (abrasômetro LTM). Os ensaios de microabrasão foram realizados em um equipamento do tipo esfera livre, onde a mesma é movida por um eixo motor e desliza sobre o corpo de prova fixo num suporte inclinado que, através de uma célula de carga, mede continuamente a força normal sobre o contato durante todo o teste. Uma esfera de mancal de aço inoxidável martensítico é utilizada e o seu contato com o corpo de prova (amostra) é feito em um meio abrasivo com fluxo contínuo. O equipamento também possui um misturador magnético para agitar continuamente a lama abrasiva e assim evitar a sedimentação das partículas abrasivas e uma luneta de observação. O aspecto geral do equipamento é apresentado na Figura 3. No ensaio de microabrasão supõe-se que a calota de desgaste gerada na amostra pela esfera tenha o mesmo perfil geométrico do corpo responsável por sua impressão, ou seja, da esfera utilizada no ensaio. Assim, é possível determinar o volume de material desgastado a partir do diâmetro da esfera e do diâmetro da calota de desgaste gerada na amostra através da Eq. (1) [12,13]. 4 π.b V, para b << Ø e (1) 32.Ø e

4 Célula de Carga Luneta Gotejador Misturador Magnético Corpo de prova Esfera Livre Visores de n.º rotações e Carga Normal Suporte da Amostra Eixo Motor Controladores de velocidade e tempo Bomba Peristáltica Fonte de iluminação da luneta Figura 3 - Ilustração do equipamento de microabrasão (Calowear, LTM/UFU). Na Figura 4, é mostrado o esquema do dispositivo de teste empregado (a), uma imagem gerada por interferometria a laser da calota de desgaste gerada na amostra e o diâmetro esquemático da mesma (c). Ø e b (a) (b) (c) Figura 4 Esquema do dispositivo de teste (a), imagem calota de desgaste na amostra (b) e seu respectivo diâmetro (c). O volume de desgaste obtido pela Eq. (1) pode ser relacionado com a distância de deslizamento, S, e com a carga normal, N, por um modelo simples para o desgaste abrasivo [14], que é equivalente à equação de Archard para desgaste por deslizamento: Deste modo, o coeficiente de desgaste dimensional, k, pode ser calculado de: V K.N Q = = = kn. (2) S H V k = (3) S.N Reunindo-se as equações 1 e 3, tem-se a expressão para o coeficiente de desgaste em função do diâmetro da calota de desgaste, do diâmetro da esfera livre e das variáveis de ensaio (distância deslizada e força normal no contato), dada por: 4 π.b k, para b << Ø e (4) 32.Ø.S.N Os parâmetros usados para a realização dos ensaios de microabrasão são descritos na Tabela 1. e

5 Tabela 1 - Parâmetros dos ensaios de microabrasão Rotação do eixo motor (rpm) Velocidade de deslizamento (m / s) 0,11-0,13 Ângulo de inclinação do suporte ( ) 70 Força normal estática (N) 0,22 ± 0,02 Abrasivo SiO 2 com tamanho médio < 5 μm Concentração de abrasivo na lama (mg/cm³) 0,1 Taxa de gotejamento do abrasivo 1 gota a cada 3 segundos Diâmetro da esfera (mm) 30 Com o objetivo de se obter uma superfície espelhada e assim facilitar a avaliação do diâmetro da calota de desgaste na amostra por meio da microscopia ótica, todas as amostras utilizadas nos ensaios foram lixadas e polidas. Em todas as ligas ensaiadas, o valor do coeficiente de desgaste foi obtido a partir dos valores dos três últimos pontos de cada ensaio e o valor do coeficiente de desgaste médio para cada liga é dado pela média de 9 dados. RESULTADOS E DISCUSSÕES A evolução típica do coeficiente de desgaste com a distância de deslizamento é mostrada na Figura 5, para a liga Como se observa, o coeficiente de desgaste diminui com a distância de deslizamento até cerca de 80 m. Depois desta distância, a sua dispersão diminui e o seu valor torna-se quase que constante. O regime permanente, ou seja, a estabilização do coeficiente de desgaste foi definida como a distância de deslizamento a partir do qual, para todas as amostras, o seu coeficiente de variação do foi inferior a 7%. Neste trabalho, todas as análises foram efetuadas no regime permanente. Figura 5 Evolução do coeficiente de desgaste com a distância de deslizamento. A Figura 6 mostra os resultados dos ensaios de microabrasão de todas as ligas. Como se observa, para um mesmo teor de molibdênio, o coeficiente de desgaste diminui com o aumento do teor de cromo na liga, em uma relação quase que linear, exceto para as ligas com 3% de molibdênio. Para se elucidar este comportamento, procurou-se relacioná-lo à dureza apresentada pelas ligas, mostrado na Figura 7. Como se observa não há nenhuma correlação clara entre a dureza da liga e o seu coeficiente de desgaste. Isto era de se esperar e se deve ao fato de que estamos comparando ligas polifásicas com microestruturas diferentes em termos da matriz e também da fase dura (carbonetos). Neste caso, a microestrutura é uma característica crítica no desempenho do material em desgaste abrasivo [4]. Uma melhor correlação entre a dureza e coeficiente de desgaste pode ser obtida se agruparmos as ligas em função do teor de cromo, o que, de certo modo, equivale a agrupar as ligas com microestruturas aproximadamente similares, como mostrado na, Figura 8. Nesta figura fica mais evidente que, para um mesmo teor de cromo, aumentando-se a porcentagem de molibdênio temos um relativamente grande aumento da dureza e uma ligeira queda do coeficiente de desgaste. A exceção fica com a liga 24-3.

6 Figura 6 Coeficiente de desgaste em função da liga. Figura 7 Coeficiente de desgaste em função da dureza das ligas estudadas. Figura 8 Coeficiente de desgaste em função da dureza das ligas estudadas.

7 Este comportamento de diminuição do coeficiente de desgaste com o aumento do teor de cromo nas ligas se deve ao fato de que ao aumentarmos o teor de cromo aumentamos a fração volumétrica de carbonetos que atuam como barreiras que impedem a ação de microcorte/microssulcamento das partículas abrasivas e assim diminuem o desgaste das ligas. Já, o comportamento anômalo apresentado pelas ligas com 3% de cromo, principalmente da liga 24-3, pode ser explicado pela presença da martensita na sua matriz, que devido à sua menor tenacidade à fratura causaria uma maior fragilidade e, nas condições utilizadas nos ensaios, levaria a um maior desgaste destas ligas. A correlação entre os resultados dos ensaios de abrasão a três corpos (LTM) e ensaios de abrasão a dois corpos com os resultados dos ensaios de microabrasão são mostrados nas Figuras 9 e 10, respectivamente. Como pode-se notar, não se observa nenhuma correlação entre forte entre os resultados dos ensaios convencionais de abrasão a três corpos e de abrasão a dois corpos com os resultados dos ensaios de microabrasão. Isto pode ser debitado aos diferentes tamanhos de abrasivos utilizados nos ensaios (menos de 5 μm no ensaio de microabrasão contra mais de 150 μm nos ensaios de abrasão convencional a dois e três corpos) como o também ao próprio teste em si. Figura 9 Correlação entre os resultados dos ensaios de abrasão a três corpos (LTM) e de microabrasão. Figura 10 Correlação entre os resultados dos ensaios de abrasão a dois corpos e de microabrasão. CONCLUSÕES

8 1 O coeficiente de desgaste, para um mesmo teor de molibdênio, diminui com o aumento do teor de cromo na liga, em uma relação quase que linear, exceto para as ligas com 3% de molibdênio. 2 - Para um mesmo teor de cromo, aumentando-se a porcentagem de molibdênio causa um relativamente grande aumento na dureza e uma ligeira queda no coeficiente de desgaste. 3 - O coeficiente de desgaste diminui com o aumento do teor de cromo nas ligas devido ao aumento da fração volumétrica de carbonetos que atuam como barreiras que impedem a ação de microcorte/microssulcamento das partículas abrasivas. 4 O comportamento anômalo apresentado pelas ligas com 3% de cromo, principalmente da liga 24-3, pode ser explicado pela presença da martensita na sua matriz. 5 Não há uma correlação entre forte entre os resultados dos ensaios convencionais de abrasão a três corpos e de abrasão a dois corpos com os resultados dos ensaios de microabrasão. REFERÊNCIAS 1. E. Albertin and A. Sinatora, Effect of carbide fraction and matrix microstructure on the wear of cast iron balls tested in a laboratory ball mill, Wear, 250, pp , C.P. Tabrett, I.R. Sare and M.R. Ghomashchi, Microstructure-property relationships in high chromium white iron alloys, International Materials Reviews, vol. 41, no 2, pp , F. Maratray and N.R. Usseglio, Factors affecting the structure of chromium and chromium molybdenum white irons, Paris, Climax Molybdenum, K.H. Zum-Gahr, Microstructure and Wear of Materials, Tribology Series, vol. 10, Elsevier Science Publishers B.V., G.B. Stachowiak, G.W. Stachowiak and O. Celliers, Ball-cratering abrasion tests of high-cr white cast irons, Tribology International, 38, pp , G.B. Stachowiak and G.W. Stachowiak, Wear mechanisms in ball-cratering tests with large abrasive particles, Wear, 256, pp , S.M. Carvalho, E. Albertin, M.C.S. de Macêdo, J.D.B de Mello e C. Scandian, Efeito do molibdênio na microestrutura de dureza dos ferros fundidos brancos alto cromo tratados termicamente em diferentes tempos a 700 o C, Anais do 60º Congresso Anual da ABM, Belo Horizonte, MG, pp , S.M. Carvalho, Estudo microestrutural dos ferros fundidos brancos alto cromo e molibdênio, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, C.N.B. Regattieri, J.D.B. de Mello e C. Scandian, Influência do molibdênio no desempenho ao desgaste abrasivo dos ferros fundidos brancos alto cromo, Anais do 60º Congresso Anual da ABM, Belo Horizonte, MG, pp , C.N.B. Regattieri, Estudo da resistência ao desgaste abrasivo de ferros fundidos brancos alto cromo e molibdênio, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, ES, C.N.B. Regattieri, J.D.B. de Mello e C. Scandian, Influência do molibdênio no desempenho ao desgaste abrasivo dos ferros fundidos brancos alto cromo: Análise dos micromecanismos, Anais do IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Recife, PE, pp.???, K.L. Rutherford and I.M. Hutchings, Theory and application of a micro-scale abrasive wear test, Journal of Testing and Evaluation, 25(2), pp , R.I. Trezona, D.N. Allsopp and I.M. Hutchings, Transitions between two-body and three-body abrasive wear: influence of test conditions in the microscale abrasive wear test, Wear, , pp , E. Rabinowicz, Friction and Wear of Materials, Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc, UNIDADES E NOMENCLATURA W tungstênio Cr cromo V volume de material desgastado (m 3 ) Ø e diâmetro da esfera (m) b diâmetro da calota de desgaste (m) k coeficiente de desgaste dimensional (m 2 N -1 ) S distância deslizada (m) N força normal sobre o contato (N) K coeficiente de desgaste adimensional LTM Laboratório de Tribologia e Materiais AGRADECIMENTOS

9 Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro.