Projeto de Iniciação Científica. Análise da Porosidade em Camadas Protetoras. Produzidas por Aspersão Térmica

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA (FATEC) JOSÉ CRESPO GONZALEZ Projeto de Iniciação Científica Análise da Porosidade em Camadas Protetoras Produzidas por Aspersão Térmica Orientadora: Profª. Dra. Luciana Sgarbi Rossino Co-orientador: Prof. Msc. Marcos Dorigão Manfrinato Aluno: Josiane Fernandes de Souza Sorocaba 2013

2 Sumario 1. Introdução 4 2. História Definição Características dos revestimentos Porosidade Objetivo Materiais e Métodos Usinagens dos corpos de prova Composição química dos revestimentos Métodos Resultados e discussões Analises Micrográfica Analise de porosidade Ensaios de microdureza Ensaio de rugosidade Conclusão Agradecimentos Referências 41 1

3 Resumo O estudo deste trabalho refere-se a quantificação, análise e a influência da presença de poros na microdureza e rugosidade das camadas produzidas por aspersão térmica. O substrato utilizado para aplicação das camadas aspergidas termicamente foi o material (AISI 1020), o método de aplicação foi o HVOF (High Velocity Oxi-Fuel). Análises do percentual de poros foram realizadas de acordo com a área analisada. O que se observou foi a diferença entre os materiais de revestimentos e como cada um se comportou mediante aos ensaios de microdureza e rugosidade, com isso observou-se quais foram os parâmetros e a caracterização e determinação as influências das condições do processo na formação de poros nas camadas protetoras. Através das analises de porosidade foi possível encontrar resultados dentro da média que o processo HVOF determina, percebeu-se então que a rugosidade variou de acordo com a preparação feita na superfície, e os valores de microdureza teve uma variação significativa de acordo com a composição química. Palavras chave: Aspersão térmica, porosidade, HVOF. 2

4 Abstract The study of this paper refers to quantification analysis and the influence of the presence of pores on the hardness and roughness of the layers produced by thermal spraying. The substrate used for applying layers of the material was thermally sprayed (AISI 1020), method of application is the HVOF (High Velocity Oxy Fuel). Analysis of the percentage of pores was performed according to the analyzed area. 3 random fields were analyzed. what we observe is the difference between the coating materials and how each behaved by the microhardness and roughness, it was observed and what were the parameters characterizing and determining the influence of process conditions on the formation of pores in protective layers. Through this analysis porosity results were found within the average determines the HVOF process, it was noticed that the roughness then varied according to the preparation made on the surface microhardness values and had a significant variation according to the chemical composition. Keywords: Thermal spraying, porosity, HVOF. 3

5 1. Introdução A utilização de revestimentos protetores aplicados através da Aspersão Térmica tem como objetivo a proteção de peças e componentes contra desgaste abrasivo, adesivo, erosivo, fadiga superficial e corrosão. Também é utilizada em peças que necessite de isolamento térmico e isolamento elétrico (MARANHO, 2006). Os tipos de processos utilizados para realização da aspersão térmica são: combustão (flame-spray ou oxi-combustível, detonação e oxicombustivel de alta velocidade e alta pressão, o HVOF) e energia elétrica (Arc-spray ou arco elétrico e plasma spray) (LIMA, 2007). Os revestimentos termicamente aspergidos têm sido usados intensivamente na fabricação de componentes nas indústrias automotivas de petróleo, elétrica, eletrônica, geração de energia e particularmente na aeroespacial. Todos os materiais que passam pelo processo de aspersão térmica apresentam uma porcentagem de poros, podendo ela ser alta, média ou baixa, as quais se concentram entre as partículas que se achatam e aderem-se ás irregularidades da superfície. A porosidade se forma dependendo do processo utilizado e a velocidade com que as partículas são depositadas no substrato, causando grande influencia sobre os materiais aspergidos e degradando as propriedades mecânicas (LIMA, 2007). 4

6 2. História Historicamente em 1910 a aspersão térmica desenvolveu-se a partir de um processo de combustão (oxigênio-combustível) pelo Dr. Max Ulrich Schoop de Zurique na Suíça, foi ele quem patenteou a utilização de calor gerado por combustão para fundir um arame metálico, alimentado por ar comprimido e fusão do metal por meio de chama a gás. Em 1912 veio então a segunda patente, utilizando energia elétrica para produzir fonte de calor (COUTO, 2006). Em meados de 1920 foram utilizados o Zinco como revestimento na proteção contra a corrosão, assim sucessivamente ao longo dos anos foram sendo desenvolvidos novos tipos de pistolas de aplicação em 1940 utilizou-se a pistola em que o calor gerado era através de um arco voltaico, em 1960 desenvolveu-se a aplicação através do arco plasma e mais tarde deposição de pós por detonação. Em 1980 foi possível transferir as partículas aspergidas com elevada velocidade através do sistema a chama com pistola hipersônica. A partir da década de 90 houve grande evolução dos equipamentos e materiais utilizados na aspersão térmica, permitindo assim um aumento significativo na velocidade de deposição das partículas no substrato, deste modo obtém-se um material aspergido com menos contaminação e menor risco de oxidação (LIMA, 2007) Definição Aspersão térmica é um grupo de processos onde materiais metálicos ou não-metálicos, finamente divididos, são depositados em condição fundida ou semifundida sobre um substrato preparado, formando um depósito aspergido (LIMA, 2007). Os depósitos são de sucessivas camadas de 5

7 pequenas partículas que se sobrepõe achatando-se e aderindo-se à superfície, resfriam-se e se solidificam formando assim o revestimento. Figura 1 Princípio básico da Aspersão térmica O objetivo pelo qual se aplica a aspersão térmica em um material é a proteção que esse tipo de processo proporciona ao substrato que o recebe, podendo ser proteção contra corrosão, contra o desgaste abrasivo, erosivo, e fadiga superficial (MARANHO, 2006). Os revestimentos podem também ser usados para isolamento térmico e elétrico, um dos aspectos mais relevantes da utilização dessa técnica é a diversidade de aplicação, já que a seleção de materiais é praticamente ilimitada. É um tipo de revestimento feito através de um material na forma de pó ou arame, é fundido através de calor químico ou elétrico, impulsionado com ar comprimido ou outros gases, conforme podemos observar a figura 2 (LIMA, 2007). 6

8 Figura 2 Esquema de deposição das partículas por aspersão térmica (LIMA, 2007) Os substratos sobre os quais os revestimentos termicamente aspergidos podem ser aplicados incluem metais, óxidos, cerâmicos, vidros, a maioria dos plásticos e madeira, sendo que algumas técnicas especiais podem ser necessárias (LIMA, 2007). A tabela 1 mostra quais os processos de aspersão térmica podem ser utilizados, dependendo da fonte de calor usada, são classificados basicamente em dois grupos: Combustão Chama Detonação Elétrico Plasma Arco Tabela 1 Processos de Aspersão Térmica 7

9 Dentro dos dois grupos de aspersão estão subdivididos outros processos que pode ser visualizado no esquema da figura 3. Figura 3 Esquema dos processos de aspersão térmica 2.2. Características dos revestimentos incluem: As características típicas que os revestimentos aspergidos apresentam, Taxa de adesão baixa / média; Porosidade alta / média; Adesão interpartícula baixa / média; Rugosidade superficial média / alta; Porcentagem de óxidos média / alta. A preparação da superfície para receber o revestimento aspergido é um importante fator na aspersão térmica, quanto mais simples a geometria da peça, mais fácil de metalizar-se, quanto mais sofisticada a geometria da peça, 8

10 mais difícil de metalizar-se, não deve possuir cantos vivos, é necessária a existência de raio e chanfro. Outros fatores que influenciam no processo são: as condições do substrato, a limpeza e a temperatura da superfície que será revestida, rugosidade, e material do revestimento (MARQUES, 2003). A temperatura é um dos fatores mais importante, pois precisa ser verificada antes e durante o processo, da mesma depende a sobreposição e velocidade das partículas (LIMA, 2007). É importante lembrar que possíveis trincas no substrato não podem ser reparadas pelo processo de Aspersão Térmica. A adesão está diretamente relacionada à limpeza e rugosidade da superfície. É necessário antes de tudo detectar previamente possíveis falhas no material base, deve-se gerar uma superfície rugosa para adesão do revestimento, fazendo-se assim jateamento abrasivo, rosqueamento e aplicação de material base (LIMA 1999). A ilustração da figura 4 mostra claramente a estrutura típica da seção transversal de uma camada aspergida. Rugosidade superficial Figura 4 Seção transversal de um revestimento aspergido termicamente. [Infosolda] 9

11 Sobre a formação do revestimento são encontrados apenas uma porcentagem relativamente pequena de partículas no spray impactam no substrato, algumas caem prematuramente, algumas queimam ou evaporizamse e algumas tornam-se overspray (normalmente são removidas por um sistema de exautão). Os prováveis níveis de aderência são obtidos através da análise da porosidade de um revestimento, pois porosidade acima de determinados níveis é indicação de que as partículas do revestimento não aderiram suficientemente ao substrato, devido à pequena energia imposta pelo processo de aspersão (MARANHO, 2006). O processo de aspersão térmica utilizado para a realização deste trabalho foi o HVOF. O gás combustível é queimado com oxigênio a alta pressão, gerando um jato de exaustão de alta velocidade. O combustível é, usualmente, o propano, o propileno, o metil-acetileno-propadieno ou hidrogênio (LIMA, 2007). São misturado com oxigênio e queimado em uma câmara de combustão. Os produtos da combustão são liberados e se expandem através de um bocal, onde as velocidades do gás se tornam supersônicas. O pó é introduzido no bocal, em geral axialmente, e é aquecido e acelerado para fora do mesmo. A câmara de combustão e o bocal são resfriados a água (MANFRINATO, 2010). Figura 5 - Esquema de uma tocha de aspersão oxicombustível de alta velocidade e alta pressão (HVOF), (LIMA, 2007) 10

12 O pó é geralmente injetado na direção axial e, em algumas tochas, radialmente, utilizando nitrogênio como gás de arraste. A distância de aspersão é de 120 a 300 mm, essas são algumas características do método HVOF (LIMA, 2007). Embora este processo tenha sido desenvolvido como alternativa ao de aspersão por detonação, ele aparece hoje como opção ao de aspersão a plasma em algumas aplicações (MANFRINATO, VARAVALO, ROSSINO; 2010). Este processo é aplicável e apresenta bons resultados principalmente para revestimentos metal-cerâmicos (LIMA, 2007). Na figura 6 é possível visualizar a aplicação pelo método HVOF. Figura 6 Aplicação da camada pelo método HVOF (Ogramac) 2.3. Porosidade Os poros são defeitos com expansão predominante, em que os mesmos não são preenchidos com sólidos. Os revestimentos feitos por 11

13 aspersão térmica são formados por superposição de partículas apresentando um grau de porosidade alta ou baixa, dependendo das variáveis do processo. Esta porosidade pode consistir tanto em cavidades isoladas quanto em cavidades interconectadas, podendo dar acesso à penetração de líquido e gases existentes nos interstícios entre lamela/lamela e / ou lamela substrato (MENEZES, 2007). A porosidade ocorre devido à incompleta cobertura da superfície pelas partículas subsequentes que são aspergidas. O motivo pelo qual isso ocorre é pela incapacidade do material em comprimir os gases existentes. Os poros existentes permitem que gases e líquidos penetrem até o substrato causando a diminuição da vida útil do material (MARANHO, 2006). A formação desses poros está relacionada com a temperatura, densidade, a tensão superficial, a viscosidade das partículas fundidas, a velocidade de impacto e a distribuição granulométrica. A porosidade que expõe o substrato é conhecida como permeabilidade (MARANHO, 2006). Baixas temperaturas e/ou baixas velocidades de impacto, assim como partículas grandes, tendem a aumentar a porosidade. Maiores distâncias de aplicação de partículas aspergidas termicamente, assim como uma menor granulometria do pó, resultam em maiores valores de porosidades obtidas nos revestimentos (MARANHO, 2006). Em alguns casos essa porosidade pode ser benéfica dependendo de sua aplicação. No caso de aplicação em indústria a porosidade deve ser controlada, pois assim não prejudicam a resistência ao desgaste e a corrosão, já em implantes biomédicos essa porosidade pode ser benéfica, pois quando um material poroso é introduzido ao corpo humano pode haver uma maior aceitação do organismo. A porosidade acelera e uniformiza a fixação biológica, 12

14 pois facilita o crescimento ósseo e a formação de fortes pontes que garantem a osteointegração e a esperada fixação secundaria dos implantes (MACEDO, 2007). A influencia na propriedade das camadas aspergidas está diretamente associada aos processos de combate à corrosão, medidas de rugosidade, resistência à adesão e microdureza. Dentro deste contexto percebe-se a finalidade deste processo de analise. O objetivo de um ensaio é obter parâmetros que possibilitam prever o tempo de vida útil de um componente ou o comportamento de determinado material durante o tempo de vida útil do mesmo (MAUL, 2001). A determinação de Área de Porosidade Percentual é importante a fim de monitorar o efeito das variáveis de parâmetros de pulverização e a adequação de um revestimento para a sua finalidade pretendida. Dependendo da aplicação, alguma ou nenhuma porosidade pode ser tolerável (ASTM E- 2109, 2007). Dependendo do tipo de aplicação, é necessário adequar os revestimentos aplicados a superfícies com o tipo de solicitação para a qual será projetada. Porém, existe a preocupação de se obter revestimentos com aderência suficiente para suportar as solicitações em serviço, sem que ocorra destacamento. Os prováveis níveis de aderência são obtidos através da análise da porosidade de um revestimento, pois porosidade acima de determinados níveis é indicação de que as partículas de revestimento não aderiram suficientemente ao substrato. Além disso, a dureza é um parâmetro adequado para se determinar a resistência ao desgaste abrasivo e fadiga de um revestimento. 13

15 A importância pela qual se determina a quantidade de poros nas camadas produzidas por aspersão térmica é a aceleração do processo de degradação do revestimento. Segundo Menezes (2007), existem sete tipos de porosidades de revestimentos produzidos por aspersão térmica, como nos mostra a figura 7. Figura 7 - Possíveis porosidades existentes nas camadas aspergidas Tipo 1: porosidade formada entre lamelas e causada pelo empilhamento de partículas separadas. Este tipo de porosidade pode estar relacionada ao tamanho da partícula aspergida e a características do material de alimentação. Tipo 2: porosidade formada por bolsas de gás preso causadas pela turbulência do fluxo de gás durante o processo de aspersão. 14

16 Tipo 3: porosidade manifestada na forma de bolhas de gás causada pela dissolução do gás no metal fundido que se desenvolveram com o resfriamento do metal. Tipo 4: porosidade causada pela desintegração de partículas sólidas após o impacto, durante o processo de deposição. Tipo 5: porosidade ocasionada pela condensação de partículas parcialmente evaporadas e que foram identificadas como partículas contendo resíduos de pó. Tipo 6: porosidade resultante de contratação de solidificação. Tipo 7: porosidade que resulta em micro-trincas, independente de sua origem de formação. Percebe-se então a grande importância de se controlar e quantificar os poros, é importante ressaltar que poros finos entre lamelas são característicos da estrutura dos revestimentos aspergidos e não são completamente eliminados (LIMA, 2007). A quantificação da porosidade nas camadas produzidas por aspersão térmica é determinada através de ensaio metalografico com microscópio ótico com a amostra previamente preparada, com é possível a visualização das partículas aspergidas. 15

17 3. Objetivo O objetivo deste trabalho é analisar a porcentagem de porosidade nas camadas aspergidas através de analises metalograficas, e determinar qual a influência desses poros na microdureza e rugosidade dos revestimentos. O substrato utilizado para aplicação das camadas aspergidas termicamente será o material AISI 1020, é um aço ao carbono de uso geral, sem elementos de liga. 16

18 4. Materiais e Métodos 4.1 Usinagens dos corpos de prova Para realização deste trabalho foram preparados os corpos de prova conforme o desenho ilustrado na figura 8, utilizando o material AISI Cortaram-se a barra de aço 1020 em varias partes utilizando-se de um torno convencional, serra e esmerilhador, ferramentas de corte e instrumentos de medição como o paquímetro, na oficina mecânica que pertence à FATEC - Sorocaba. Em seguida enviaram-se os corpos de prova para a empresa Ogramac Engenharia de Superfície, localizada em Santo Antônio da Posse/SP, onde foi realizada a aspersão térmica. a) b) Figura 8 a) Esquema do desenho especificado segundo a norma ASTM C633 em mm, b) corpo de prova aspergido 17

19 É possível visualizar o desenvolvimento do trabalho através do fluxograma na figura 9. Ensaio de rugosidade Usinagem dos corpos de prova Limpeza dos corpos de provas Ensaio de microdureza Aplicação da camada de revestimento através de aspersão térmica Analise de porosidade Analises Micrográficas Figura 9 Fluxograma de desenvolvimento do trabalho 4.2. Composição química dos revestimentos As composições químicas das camadas aspergidas estão ilustradas na Tabela 1, a qual foi definida pela empresa responsável pela aplicação dos revestimentos. A realização da aspersão térmica foi feita utilizando e método de aplicação HVOF. O revestimento 1310 VM é um Carbeto de tungstênio e níquel, possui características como uma ótima resistência à corrosão, e é excelente na resistência ao desgaste, assim como o Colmonoy 88HV, que difere apenas por ter o níquel como base. O revestimento Woka 3102 é um compósito, ou cermet, por possuir em sua composição química, um percentual de material 18

20 cerâmico WC (Carbeto de tungstênio) sobre uma matriz metálica de Co (Cobalto), possui alta dureza [GEREMIA, 2006]. A classificação do Woka 3102 é baseada em carbeto de tungstênio, quimicamente 88WC-12Co, possui uma morfologia esferoidal, com uma densidade aparente de g/cm³, o propósito de aplicar um material com essa composição química é a resistência ao desgaste, e a sua temperatura de trabalho é 500 C (930 F). A liga Diamalloy 1005 (Inconel 625) possui uma porcentagem alta de níquel, tem ótima resistência ao desgaste, tem excelente resistência à corrosão, à alta temperatura, e à carbonização. O CU é uma liga de bronze, possui quase 90 % de Cu e quase 10% de aluminio, possui uma dureza mais baixa e um corte mais fino do pó, em contrapartida tem excelente resistência mecânica à alta temperatura. Segundo a Ogramac os pós ficam armazenados em estufa, para evitar a umidade. A tabela 2 mostra a composição química dos materiais de revestimentos. Tabela 2- Nomes comerciais dos revestimentos e composição química 19

21 4.3. Métodos As superfícies tem que ser adequadamente preparada, isso é de fundamental importância para as superfícies a serem aspergidas. Em alguns casos a rugosidade do substrato pode influenciar na rugosidade do revestimento. A preparação do substrato consiste em limpeza, texturização, camada de ligação e preaquecimento (LIMA, 2007). A superfície deve ser protegida contra contaminações até a aspersão ou texturização. O processo de limpeza é dividido em duas categorias: química e mecânica. A limpeza química é subdivida em: divergência; desengraxamento; e decapagem ácida. A divergência ou limpeza alcalina é um dos meios mais efetivos para remoção de graxa, óleo, pó e partículas de metal soltas na superfície. As composições dos compostos para a limpeza variam de acordo com o material (LIMA, 2007). O desengraxamento é a remoção de impurezas através de solventes a quente, sendo eficiente quando são óleos ou graxas com grau de contaminação leve. A decapagem acida deve ser realizada após o desengraxe, consiste na remoção da camada de óxido, hidróxidos e sulfetos, sendo responsável pela espessura final destas camadas (LIMA, 2007). A limpeza mecânica se baseia no principio de abrasão, onde é possível a remoção de camadas orgânicas ou inorgânicas da superfície, podendo ser manuais (escovação, martelamento, etc.), ou mecanizados (usinagem, jateamento abrasivo, raspagem, polimentos, etc.) (LIMA, 2007). Para ser realizada a metalização, houve um procedimento com as seguintes etapas de preparação: limpeza química utilizando decapagem acida e desengraxante, limpeza mecânica (jateamento abrasivo) utilizando oxido de 20

22 alumínio novo, álcool e secador. Após isso os corpos de prova foram secos e encaminhados para a realização do processo de aspersão. O substrato deve apresentar alta rugosidade, pois a adesão da camada é mecânica, dependendo então do acabamento do substrato e não do tipo de substrato. A aplicação da camada foi feita através da tocha e com um operador experiente, o processo HVOF descreve que o tamanho das partículas de pó usado no processo é usualmente de 5 a 45 µm. A taxa de alimentação de pós varia de 20 a 80 g/min. Os corpos de provas aspergidos foram enviados para analise. De posse dos corpos de prova com revestimentos depositados por aspersão térmica, determinou-se o aspecto, espessura e medidas da porcentagem de porosidade das camadas produzidas. Para tanto, a preparação metalográfica das amostras foi realizada de acordo com as seguintes etapas: lixamento na seção longitudinal dos corpos de prova utilizando lixa 80, embutimento em baquelite, preparação micrografica convencional com lixamento em lixa d água 120, 220, 320, 400 e 600, seguido de polimento final (poletriz modelo PL 02 ETD) com pasta de diamante 3 µm, e ataque químico com nital 2%. As análises metalográficas foram realizadas no Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), obtidas na Central de Análises Químicas Instrumentais do Instituto de Química de São Carlos (CAQI/IQSC/USP) em um equipamento ZEISS LEO 440 (Cambridge, England). Para o cálculo da porosidade, foram obtidas imagens de 3 regiões diferentes com 200x e 1000x de aumento. O procedimento segue a norma ASTM E , a qual descreve dois métodos de analise: método de teste A que é por comparação direta, e método 21

23 de teste B que é por analise de imagem. O método utilizado foi o B, que determina que a análise deva ser realizada utilizando microscópio metalúrgico de reflexão de luz, em pé ou invertido, equipado com objetivas adequadas e interconectado com um sistema de captura e analise de imagens vídeo digitais. A amostra é colocada adequadamente preparada (embutida, lixada e polida com acabamento espelhado, sem riscos) no microscópio e direcionada a imagem para a tela de visualização. Deve ser selecionada uma ampliação que permita a resolução de vazios e melhor preencha a tela com a total espessura do revestimento. Se alguma parte do substrato ou da montagem ficar visível na tela deve ser eliminada de maneira que somente a camada fique visível para analise, sendo assim possível calcular a área percentual de porosidade. É importante considerar todos os espaços vazios que contribuam de forma significativa para a área de porosidade percentual total. Uma vez que a melhor ampliação tenha sido determinada, ajustar os diafragmas de abertura e de campo do microscópio para uma melhor resolução e contraste, deve-se saturar a luz de acordo com o fabricante do sistema, se necessário incorporar o corretor de sombreamento adequado. Em seguida é preciso fazer a segmentação da porosidade no campo de visão, que consiste em selecionar a gama apropriada de escalas cinza usadas para criar uma imagem binária, como ilustra a figura 8. Deve-se tomar cuidado para não detectar quaisquer óxidos e nem alterar significativamente à área percentual de porosidade quando empregado quaisquer funções de processamento de imagem binária. Após realizar a rotina de processamento de imagem e a limitação de campo tenha sido apropriadamente desenvolvida, deve-se verificar os vários 22

24 campos de visão para assegurar que a detecção da porosidade está correta. Deve-se tomar cuidado para não se sobrepor a um campo medido anteriormente, não incorporar qualquer técnica que elimine as características do revestimento que estiverem tocando a borda de uma imagem. Na figura 10 é possível visualizar que os poros apresentam-se em tons mais escuros. a) b) c) d) Figura 10 (a) Amostra antes da conversão de cores ( Diamalloy 1005), (b) Amostra após a conversão de cores (Diamalloy 1005), (c) Amostra antes da conversão de cores (Cu-104-2), (d) Amostra após conversão de cores (Cu-104-2) 23

25 Foram realizados ensaios de dureza do material base e nos revestimentos depositados por aspersão térmica utilizando um microdurômetro MITUTOYO modelo HM 220 com escala HV, com carga de 100g, ensaio realizado no laboratório da FATEC Sorocaba. As medidas de rugosidade Ra foram realizadas em um rugosímetro portátil Mitutoyo, modelo A, pertencente ao Laboratório de Materiais da Fatec-Sorocaba. 24

26 5. Resultados e discussões 5.1 Analises Micrográfica As análises metalograficas consistem na inspeção de seções transversais dos revestimentos utilizando, em geral, microscopia óptica ou eletrônica de varredura. Estas análises permitem detectar e medir espessura do revestimento, porosidade, óxidos, partículas não fundidas, contaminações, delaminação do revestimento e da interface / substrato (LIMA, 2007). As Figuras 11 a 15 ilustram a micrografia e a determinação da espessura das camadas produzidas por aspersão térmica estudadas neste trabalho. Pode-se observar que a variação da espessura depende do material de revestimento depositado. Houve uma variação na espessura depositada no substrato, as quais se apresentaram entre 110 µm e 368 µm de variação. O revestimento Woka 3102 apresenta uma em espessura entre 283,15µm e 229,27 µm, com dois pontos de medição. A foto foi tirada com 300x de aumento. Na amostra 1310 VM, o revestimento apresenta uma espessura menor com o 1º ponto de 110,54 µm e o 2º ponto com 134,31 µm, com um aumento de 800x. O revestimento de Cu possui uma espessura de 154,68 µm no 1º ponto e 162,92 µm no 2º ponto, com aumento de 500x. A espessura do revestimento Diamalloy 1005 apresenta 256,74 µm e 255,68 µm 1º e 2º ponto respectivamente, em um aumento de 300x. Já o revestimento Colmonoy 88 HV, possui uma espessura bem maior do que as outras, com 367,68 µm no 1º ponto e 357,11 µm no 2º ponto, com um aumento de 300x. 25

27 Figura 11 - Woka 3102 Figura VM Figura 13 Cu

28 Figura 14 Diamalloy 1005 Figura 15 Colmonoy 88 HV A Tabela 3 ilustra a espessura dos cinco tipos de revestimentos estudados neste trabalho. Materiais Espessura ( µm) min. max. Woka ,27 283, VM 110,54 134,31 Cu ,68 162,92 Diamalloy ,68 256,74 Colmonoy 88 HV 357,11 367,68 Tabela 3- Espessura em µm de cada revestimento. 27

29 Observou-se, no trabalho realizado por O. Maranho (2006), que a espessura do revestimento é função da vazão dos gases definidos no processo de aspersão térmica, distância de aspersão e granulometria do pó. O pó possui texturas, cores e o tamanho das partículas podem ser diferentes, variando de acordo com a composição química dos materiais, pode-se visualizar alguns grãos através de analises de imagens feita em microscópio óptico, como mostram as figuras 16 a 20. Figura 16 Colmonoy 88HV Figura VM 28

30 Figura 18 Cu Figura 19 Woka

31 Figura 20 Diamalloy 1005 O tamanho das partículas não influenciou nos resultados obtidos de porosidade, percebe-se que os grãos possuem certa igualdade, porém a uma pequena variação no tamanho de um grão para outro, os grãos 1310 VM e o Woka 3102, são muito parecidos isso pode ser devido sua composição química, pois os dois possuem um valor acima de 80% de tungstênio em sua composição. Através da analise de espessura e das partículas foi possível observar que o tamanho da espessura variou de acordo com o processo de operação e quantidade de passes dado pelo operador da tocha. Para a revelação da microestrutura do substrato foi realizado o ataque químico com nital 2%, onde encontrou-se uma matriz de ferrita com grãos de perlita, a microestrutura ficou visível na figura

32 Figura 21 Amostra atacada para revelação da microestrutura do substrato 5.2. Analise de porosidade As análises dos poros foram feitas de acordo com a norma ASTM E método B. Foram escolhidos 3 campos aleatórios para analise de cada material. Observou-se que em 4 amostras a porcentagem excedeu 2%. Na tabela 4 é possível observar a porcentagem dos poros por amostra, e a média. Materiais % de porosidade por nº de campos medidos Boletim técnico 1º campo 2º campo 3º campo Média % Tamanho de partícula 1310 VM 2,741 1,516 2,877 2, µm Colmonoy 88 HV 0,618 3,992 1,625 2, µm Cu ,652 3,197 4,508 3, µm Diamalloy ,888 1,397 1,831 1, µm Woka ,488 1,508 1,452 2, µm Tabela 4 - Analise da porcentagem de porosidade 31

33 Pesquisadores têm verificado que os processos e parâmetros de aplicação de camadas influenciam de forma significativa na porosidade dos revestimentos produzidos por aspersão térmica, em que os revestimentos depositados pelo método HVOF apresentaram menores porosidades dentre os métodos de Arc Spray, Flame-spray e LVOF estudados (Guerrero, 2006; Macedo, 2006; Casteletti, 2010; Varavallo, 2012). Alguns poros ficaram visíveis nas imagens da figura 22, feitas no MEV com 2000x à 3500 x de aumento. 32

34 a) b) c) d) e) Figura 22 Imagens dos revestimentos realizadas no MEV, (a) Woka 3102 (2000x), (b) 1310 VM (3500x), (c) Cu (3000x), (d) Diamalloy 1005 (2000x), (e) Colmonoy 88 HV (2000x) 33

35 O processo HVOF produz revestimentos com menor porosidade devido aos materiais serem utilizados na forma de pó, os quais se fundem durante o processo de HVOF e formam pequenas gotículas liquidas que aderem na camada e vão se contrapondo, caracterizando uma união mais consistente entre as partículas aspergidas. Resultados experimentais (LIMA, 2007) sugerem que existem dois tipos de poros: os poros grosseiros que se apresentam devido ao incompleto preenchimento dos interstícios entre partículas previamente depositadas; e os finos que tem sido interpretado como incompleto contato entre lamelas durante o processo de formação do revestimento. Observa-se que a porosidade das camadas estudadas obtiveram valores muito próximos, devido ao processo de aspersão utilizado ter sido o mesmo para todos os materiais estudados. Porém, apesar de pequena, observa-se uma diferença entre os valores da porosidade encontrada. De acordo com a porosidade descrita no boletim técnico do fabricante dos pós, as variações nos resultados de porosidade encontradas neste trabalho, ficaram dentro dos padrões, tanto do boletim quanto dos padrões do método de aplicação HVOF. O boletim descreve uma porosidade de < 2% para o Colmonoy 88 HV, de 1 à 4% para o 1310 VM, de < 1% para o Woka 3102, e de < 1% para o Diamalloy 1005, e para o revestimento do material de Cu não há informações sobre a porosidade. Devem-se levar em conta os parâmetros de aplicação que influenciaram nos resultados encontrados neste trabalho, por isso houve uma pequena variação no percentual encontrado, em relação ao que descreve o boletim. É considerável que cada pó possui sua característica, mesmo sendo utilizado o mesmo método para todas as 34

36 aplicações, os parâmetros de aplicação modificam-se de uma camada para outra. Este trabalho terá continuidade em pesquisas futuras através do desenvolvimento de mestrado, no qual poderá ser possível definir de forma mais clara e completa, como os parâmetros de aplicação dos revestimentos influenciaram nos valores de porosidade analisadas Ensaios de microdureza Testes de microdureza Vickers são de praticas constantes usados para avaliar a dureza de todos os tipos de revestimentos, o método Vickers resulta de uma divisão da carga aplicada pela área de endentação (LIMA, 2007). O indentador é uma pirâmide de diamante cujas dimensões variam dependendo da carga aplicada, esse procedimento segue a norma ASTM E para medidas de microdurezas (LIMA, 2007). Foram realizados os ensaios de microdureza Vickers de cada material. O substrato AISI 1020 apresentou uma microdureza de aproximadamente 200 HV. Os revestimentos 1310 VM, Woka 3102 e Colmonoy 88 HV, apresentam respectivamente uma dureza elevada, já o revestimento Diamalloy 1005 apresentou dureza média, e o Cu teve uma dureza média próxima ao do substrato. Os valores da microdureza dos revestimentos podem ser observados na tabela 5. 35

37 Materiais Microdureza Vickers (100 Kgf) 1º medida 2º medida Média 1310 VM 1343 HV 1226 HV 1284 HV Colmonoy 88 HV 901 HV 669 HV 785 HV Cu HV 268 HV 223 HV Diamalloy HV 403 HV 401 HV Woka HV 743 HV 841 HV Tabela 5 Microdureza Vickers O. Maranho (2006) determinou, em um estudo da influência dos parâmetros do processo de aspersão térmica por HVOF na aplicação de revestimentos em ferro fundido branco multicomponentes, a elevação da porcentagem da porosidade levou a diminuição da dureza dos revestimentos. Resultados semelhantes foram obtidos por R. Varavallo et al. (2012), determinaram que revestimentos produzidos por materiais em nano-pó apresentaram menores porcentagens de porosidade e maiores durezas com relação a revestimentos produzidos por materiais em forma de vareta. Segundo LIMA (2007), os valores de microdureza variam consideravelmente em um mesmo revestimento. Entretanto, neste trabalho observa-se que a microdureza dos revestimentos está diretamente relacionada com a coposição química destes. Materiais que apresentam tungstênio em sua composição apresentaram as maiores durezas. O 1310 VM, que apresenta 84,14% de tungstênio e 10,1% de níquel, apresentou a maior dureza dentre todos os revestimentos analisados, seguido do Woka 3102 com 81,97% de tungstênio e 12,38% de cobalto, e Colmonoy 88HV com 16,5% de tungstênio e 57,2% de niquel. O Diamalloy 1005, com alta quantidade de níquel (65,6% de níquel e 21,4% de cromo) 36

38 apresentou uma dureza menor que o Colmonoy 88HV, e o material de menor dureza foi o Cu-104-2, material a Base de cobre (89,4%) e alumínio (9,62%) Ensaio de rugosidade As superfícies assim produzidas se apresentam como um conjunto de irregularidades, com espaçamento regular ou irregular que tendem a formar um padrão ou textura característicos em sua extensão, a rugosidade média (RA) é o parâmetro mais utilizado em todo o mundo (MAUL, 2001). A tabela 6 mostra os valores da rugosidade em Ra (µm), para comparação com a porosidade e microdureza. Materiais Valor da Rugosidade Ra (µm) 1310 VM 2,68 Colmonoy 88HV 3,77 Cu ,96 Diamalloy ,14 Woka ,01 Tabela 6 Valores da rugosidade dos revestimentos, medida pelo parâmetro Ra Verifica-se que a rugosidade não está relacionada com a porosidade, para as camadas estudadas neste trabalho, como ilustra a Figura 23. Observam-se as maiores rugosidades para os materiais com menor (Diamalloy 1005) e maior (Cu-104-2) porosidade. 37

39 Rugosidade [ m] 5,1 4,8 4,5 4,2 3,9 3,6 3,3 3,0 2,7 2,4 2,1 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0,0 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 Porosidade [%] 1310 VM Cu Colmonoy 88HV Diamalloy 1005 Woka 3102 Figura 23 Relação da porosidade com a rugosidade dos revestimentos estudados neste trabalho É visível no gráfico que os valores de rugosidade não possui relação com a porosidade, a rugosidade está diretamente ligada a maneira de preparação da superfície, pois as lamelas que achatam-se seguem a forma da superfície, vão se sobrepondo uma camada à outra até completarem o processo de deposição, as irregularidades da superfície do substrato se mantém até a superfície da camada. 38

40 6. Conclusão Um AISI 1020 é um aço de baixo carbono com apenas 0,2% C, tem características como fácil usinagem, alta tenacidade e baixa dureza, isso faz com que sejam necessários a deposição de novos revestimentos para se ter maior resistência ao desgaste e a corrosão. Materiais que recebem esses revestimentos elevam suas propriedades mecânicas, possuem baixos níveis de óxidos e baixa porosidade, como por exemplo, a aspersão térmica pelo processo Hipersônico (HVOF) que é um processo moderno no mercado, utiliza materiais de revestimentos com uma combinação de cerâmicas e metais, e ligas de materiais com elevado resistência. De acordo com os resultados obtidos nesta pesquisa os materiais de revestimentos 1310 VM, Woka 3102 e colmonoy 88 HV, possuem dureza elevada devido a sua composição química que inclui ligas de carbeto de tungstênio a base de níquel. Analisou-se que os revestimentos apresentaram uma porosidade em média de 2%, devido ao processo de aspersão térmica utilizado para aplicação das camadas - HVOF. Esta porosidade não está relacionada à espessura da camada e dureza dos revestimentos. A espessura da camada está ligada diretamente a quantidade de passes dado pelo operador. Observou-se que a rugosidade não está associada com a porosidade das camadas estudadas neste trabalho, mas está associada ao processo de preparação da superfície. 39

41 7. Agradecimentos A autora agradece primeiramente a Deus pela vida, aos seus familiares, à orientadora pela dedicação, à empresa Ogramac Indústria e Comércio Ltda, pela produção das camadas, à FATEC Sorocaba pela disponibilização de seus laboratórios e oficina, à CAQI/IQSC/USP. 40

42 8. Referências AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E 2109: Test method for determining area percentage porosity in thermal sprayed coating. West Conshohocken, ASTM International Handbook. CASTELETTI, L. C.; FERNANDES, F. A. P.; TAKEYA, G. S.; PICON, C. A.; TREMILIOSI-FILHO, G; AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À CORROSÃO DO AÇO AISI 420 DEPOSITADO POR PROCESSOS VARIADOS DE ASPERSÃO TÉRMICA, Rem: Revista Escola de Minas, Vol. 63, No 1 (2010). COUTO. L.C.O.; ASPERSÃO TÉRMICA NA CONSTRUÇÃO METÁLICA- CIÊNCIA E ARTE CONTRIBUIÇÃO TÉCNICA A SER APRESENTADA NO CONSTRUMETAL 2006 Congresso Latino- Americano da Construção Metálica Setembro 2006 São Paulo SP Brasil GEREMIA, L. Analise do desgaste erosivo em revestimentos aspergidos termicamente. UFRGS, São Leopoldo, Disponivel em: < Acesso em: 15 de Abril de GUERRERO, G. E.; PAREDES, R. S.; VLASSOV, D.; PUKASIEWICZ, A.; Influência da geometria do bocal da pistola de aspersão térmica por arco elétrico na microestrutura de revestimentos do aço AWS 309L, 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu/ PR, LIMA,C.R.C E TREVISAN,R.E. Aspersão Térmica Fundamentos e Aplicações. São Paulo, Artliber. 2ª ed., p , LIMA,C.R.C & TREVISAN,R.E. Ensaios de adesão em revestimentos obtidos por aspersão térmica a plasma. Unicamp, Unimep. Campinas, Piracicaba. 41

43 1999. Disponivel em: < Acesso em: 12 de Março de MACEDO, C. A. S. Desenvolvimento de Haste Femorial Não Cimentada Nacional, Validada Por Normas Internacionais Tese (Doutorado em Ciencias Médicas: Cirurgia) Faculdade de Medicina, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre/RS, MACEDO, D. T.; GOUVÊA, C. A. R.; CRUVINEL, L. B.; NUCCI, R.; CASTELETTI L. C.; AVALIAÇÃO DE REVESTIMENTOS PRODUZIDOS POR ASPERSÃO TÉRMICA EM SUBSTRATO DA LIGA DE ALUMINIO 7075 T3, 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. MANFRINATO, M. D.; VARAVALLO, R.; ROSSINO, L. S.; CAMARGO, F.; MALUF, O. Metallic Coating Adhesion Obtained Through Spraying Testing. In: 18 Internation Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2010, Rio de Janeiro/RJ, MARANHO, O. Aspersão Térmica de Ferro Fundido Branco Multicomponente p. Tese (doutorado em Engenharia Mecânica) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Universidade de São Paulo, São Paulo/SP, MARQUES, P. V. Aspersão Térmica. Revista Soldagem & Inspeção, v. 6, n. 10, p , MAUL, M. A. Analise por técnica eletroquímica da porosidade de revestimentos sobre superfícies metálicas Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal do Paraná, Curitiba/PR,

44 MENEZES, D. D. Avaliação da resistência à corrosão de revestimentos de alumínio aplicados pelas técnicas de arco elétrico e chama convencional, em meio cloreto Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Metalurgica e de Materiais) Faculdade UFRJ. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro/RJ, VARAVALLO, R.; MANFRINATO, M. D.; ROSSINO, L. S.; MALUF, O.; Camargo, F. Adhesion of Thermally Sprayed Metallic Coating. Journal of ASTM International, v. 9, n. 2, p. 1.11,