ANÁLISE DE DESCONTINUIDADES EM REVESTIMENTOS DE CARBETOS SOBRE AÇO. Haroldo de Araújo Ponte UNIVERSIDADE FEDER AL DO PARANÁ LESC

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1 ANÁLISE DE DESCONTINUIDADES EM REVESTIMENTOS DE CARBETOS SOBRE AÇO Haroldo de Araújo Ponte UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ LESC Lígia Fernanda Kaefer UNIVERSIDADE FEDER AL DO PARANÁ LESC Ana Carolina Tedeschi Gomes UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ LESC 6º COTEQ Conferencia sobre Tecnologia de Equipamentos 22º CONBRASCORR Salvador Bahia 19 a 21 de agosto de 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do (s) autor (es)

2 SINOPSE Uma técnica eletroquímica foi utilizada para avaliar a porosidade e o comportamento eletroquímico de corpos de prova de aço carbono 1020 revestidos com carbeto de tungstênio/cobalto/níquel através do processo de detonação (D-GUN). Foram analisados corpos de prova com diferentes espessuras de revestimento através de voltametrias cíclicas na faixa de potencial de 1300 a 500 mv, em solução de KOH 1M e velocidade de varredura de 20 mv/s. A técnica apresentada mostrou que os revestimentos analisados podem ser considerados livres de poros passantes. Pôde-se perceber, ainda, uma boa sensibilidade da técnica no estudo do comportamento eletroquímico dos diferentes revestimentos indicando o tipo 2020 como apresentando maior resistência a processos corrosivos. Palavras Chaves: Porosidade, Revestimentos, Carbeto de Tungstênio

3 1. INTRODUÇÃO A aplicação de revestimentos protetores através da aspersão térmica ou de outros processos tem o objetivo de diminuir as taxas de desgaste e aumentar a resistência à corrosão dos materiais, peças e componentes estruturais (1). O método de detonação é um dos sistemas mais utilizados para a aplicação de revestimentos. A pistola de detonação assemelha-se a um pequeno canhão. Gás oxiacetileno e material em pó são injetados no tambor e a ignição é feita por uma faísca. A câmara de co mbustão é, então, preenchida com nitrogênio e um novo ciclo começa. A freqüência de operação varia entre 4 e 8 ciclos por segundo, dando uma taxa de pulverização relativamente baixa (0,3 a 0,9 kg/h). A pistola gera ruído na ordem de 150 db (2). O segredo deste método é a velocidade da partícula, estimada em 750 m/s. Estas partículas que emergem da pistola não precisam estar completamente fundidas. A alta velocidade de impacto gera uma grande quantidade de calor (devido à conversão da energia cinética durante o choque em energia térmica) que funde o substrato e fornece um revestimento de alta qualidade e com baixíssima porosidade (menos 2%). As forças residuais são compressivas para revestimentos de carbeto de tungstênio com cobalto, o que aumenta a resistência à fadiga e ao uso. Bernecki observou que a mistura de WC com 9% de cobalto aplicado por D-Gun apresenta a melhor resistência ao uso de todos os revestimentos térmicos pulverizados abaixo de 500ºC (2). As ligas de carbetos complexos são conhecidas como o grupo que, em algumas aplicações, podem substituir ao diamante. Sua dureza varia de 8.5 a 9.5 na escala Mohs (diamante tem dureza 10 Mohs). Este grupo é composto por carbetos de tungstênio, vanádio, titânio, boretos, etc. Estas ligas complexas oferecem elevada resistência à abrasão de baixo esforço. A fase carbeto fica em contato com uma matriz metálica e, por isso, estes revestimentos são conhecidos como carbetos cimentados. O carbeto mais usado é o carbeto de tungstênio. Uma adição de 7 a 20% de cobalto ao pó melhora a resistência ao impacto (2). Estes revestimentos cimentados são usados com sucesso para proteção de vários componentes à corrosão e oxidação em alta temperatura (3). O carbeto de tungstênio, por exemplo, é bastante utilizado nas indústrias para proteção de componentes de bombas. Estes materiais são geralmente usados em temperaturas inferiores a 540ºC, com exceção do carbeto de cromo (2). Nestas aplicações a presença de poros nos revestimentos é extremamente prejudicial ao tempo de vida, especialmente quando usados para proteção contra corrosão em meios líquidos agressivos. Neste caso, mesmo a presença de micro-porosidade pode substancialmente, reduzir as propriedades protetivas dos revestimentos. Desta forma, é muito importante estimar ou medir a porosidade ou descontinuidade dos revestimentos (4). Em geral, uma menor porosidade indica uma menor taxa de corrosão do substrato (5), logo, pode-se afirmar que a resistência à corrosão de revestimentos nobres é definida principalmente pelo grau de descontinuidades dos revestimentos (6).

4 Seguindo o conceito de FRANT (7), pode-se dizer que o termo porosidade refere-se a poros passantes que se estendem desde o substrato até a superfície do revestimento, deixando parte do substrato exposto (descoberto). Técnicas para definir a porosidade de revestimentos são baseadas principalmente na capacidade do substrato de se dissolver sob condições específicas. Em alguns casos, isto leva à formação de compostos coloridos com reagentes específicos. Como resultado, o número de pontos coloridos é analisado microscopicamente. A porosidade é estimada como a densidade destes pontos por unidade de área de revestimentos (4). Os principais fatores que causam porosidade são: um processo de pré-tratamento mal realizado, a rugosidade da superfície do substrato, o formato da peça sendo depositada, os defeitos superficiais presentes no substrato antes de ser depositada, a condição metalúrgica da superfície (inclusões metálicas e não-metálicas), a presença de partículas sólid as e o aprisionamento de bolhas de hidrogênio (9). O objetivo do trabalho é analisar a presença de porosidade com relação às condições de aplicação do revestimento (diferentes materiais). Também será considerado o comportamento eletroquímico de diferentes revestimentos frente à resistência a corrosão. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E MÉTODO DE ANÁLISE A primeira parte deste trabalho consistiu na definição das condições de análise. Para tanto, foram utilizados eletrodos de trabalho que consistiam de corpos de prova de 100x100x100 mm de aço carbono 1020, com pequenas diferenças na concentração de carbono, ligados a um fio de cobre e isolados de tal maneira que apenas uma face (1cm 2 ) ficava exposta ao eletrólito. Para o estudo do grau de porosidade, os eletrodos eram iguais ao anterior, sendo que a face exposta era revestida com carbeto de tungstênio/cobalto/níquel através do processo de detonação (SDG 2040 e 2020) com espessura do revestimento entre 254 e 330 microns. Nos dois casos, o contra eletrodo utilizado foi um fio de platina e o eletrodo de referência o Ag/AgCl (KCl saturado). Todos os experimentos foram realizados em uma célula eletroquímica convencional de três eletrodos. Utilizou-se o potenciostato Voltalab 40 (modelo PGZ 301), controlado pelo software VoltaMater4. Após um estudo inicial para seleção da solução eletrolítica a ser utilizada no processo, optou-se pela solução de KOH 1M preparada com água destilada e reagente grau analítico. Todos os experimentos foram realizados à temperatura ambiente. A técnica utilizada neste estudo, Dissolução Anódica Voltamétrica (DAV), está baseada na análise da reação de dissolução e passivação do substrato revestido e do substrato sem revestimento.

5 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para investigar a aplicabilidade da técnica de DAV para o sistema aço carbono / carbeto de tungstênio/níquel/cobalto, foi realizado, inicialmente, uma série de voltamogramas do aço 1020 em diferentes velocidades de varredura: 5; 10; 20; 30; 50; 100 e 200 mv s -1. Neste trabalho foi utilizada uma velocidade de 20 mv s -1. Os limites anódico e catódico de potencial para cada voltamograma foram 1300/-500 mv versus referência. A figura 1 mostra o comportamento eletroquímico de dois corpos de aço carbono 1020, em KOH 1M, na velocidade de 20 mv s -1. As curvas apresentadas correspondem ao décimo ciclo. Pode-se perceber a existência de dois picos anódicos e dois picos catódicos. O primeiro pico anódico corresponde à reação Fe Fe (II) e o segundo à reação Fe (II) Fe (III). Os picos catódicos correspondem às respectivas reduções Fe (III) Fe (II) e Fe (II) para ferro metálico. Sabe-se, também, que os picos aumentam com o número de ciclos. Analisando-se a figura 1, pode-se perceber que as duas curvas apresentam o mesmo comportamento eletroquímico, mas apresentam um deslocamento de potencial de cerca de 100 mv. Este deslocamento mostra que há diferenças na composição dos aços utilizados, muito provavelmente na concentração de carbono. Em seguida, foi realizado o estudo eletroquímico dos corpos de prova, revestidos com carbeto, nas mesmas condições de análise descritas anteriormente. Neste caso, foi utilizado um tempo de espera de três minutos em um potencial de redução de 1300 mv antes do início de cada voltametria. A figura 2 apresenta o déc imo ciclo da voltametria de um corpo de prova de aço revestido com 310 mícrons de carbeto de tungstênio/níquel/cobalto (SDG 2020) sobreposto ao décimo ciclo da voltametria do substrato puro (aço carbono). A ausência dos picos referentes ao ferro na curva do carbeto determina que não há indícios de descontinuidades neste revestimento. A figura 3 apresenta a voltametria de um corpo de prova de aço revestido com 310 mícrons de carbeto de tungstênio/níquel/cobalto (SDG 2040) sobreposto à voltametria do substrato puro (aço carbono). Neste caso, observa-se uma concordância entre o segundo pico de dissolução do aço e o referente ao revestimento de carbeto. Entretanto, devido a alta espessura do revestimento (cerca de 310 mícrons) pode-se considerar que a reação observada para o revestimento esteja relacionada ao tipo de material que o compõe. Será necessária uma análise mais profunda sobre o comportamento eletroquímico do material puro do revestimento para se obter uma posição mais clara acerca deste resultado. A figura 4 apresenta uma comparação entre o comportamento eletroquímico do carbeto de tungstênio/níquel/cobalto SDG 2040 (curva azul) e o SDG 2020 (curva vermelha). Pode-se notar que apesar de os dois revestimentos apresentarem o mesmo potencial de início de reação (cerca de 1050 mv), o comportamento eletroquímico deles demonstra diferenças na concentração de alguns constituintes. O revestimento SDG 2040 apresenta uma taxa de dissolução maior sendo menos resistente à corrosão.

6 4. CONCLUSÃO A condição ótima de análise foi obtida visando uma melhor definição dos picos de passivação do ferro. Com isso, selecionou-se como eletrólito ideal uma solução de KOH 1M e foi utilizada uma velocidade de varredura de 20 mv s -1 como descrito no item 2. A técnica voltamétrica utilizada apresenta uma boa sensibilidade na detecção de diferenças na concentração dos materiais a serem analisados, através de variações no potencial de início das reações conforme visto nas figuras 1 e 4. Pode-se concluir que dentre os revestimentos analisados o tipo SDG 2020 apresenta baixa porosidade ou, até mesmo, ausência total de poros passantes, conforme figura 4. Para o caso do tipo SDG 2040 há necessidade de estudo complementar para se obter uma conclusão sobre o sistema. Também foi possível se avaliar o comportamento eletroquímico dos revestimentos obtendo-se informações acerca de sua resistência a corrosão. O revestimento tipo SDG 2020 apresentou maior resistência à corrosão que o do tipo SDG 2040.

7 Figura 1 Voltametria do Aço Carbono em KOH 1M com velocidade de varredura de 20 mv s -1 Figura 2 Voltametria do Aço Carbono puro e revestido com WC (SDG 2020) em KOH 1M, velocidade de varredura de 20 mv s -1 e tempo de espera de 3 minutos.

8 Figura 3 Voltametria do Aço Carbono puro e revestido com WC (SDG 2040) em KOH 1M, velocidade de varredura de 20 mv s -1 e tempo de espera de 3 minutos. Figura 4 Voltametria do WC (SDG 2040 e 2020) em KOH 1M, velocidade de varredura de 20 mv s -1 e tempo de espera de 3 minutos.

9 REFERÊNCIAS 1) Maul, A. M., Análise por técnica eletroquímica da porosidade de revestimentos sobre superfícies metálicas, Dissertação de Mestrado, Curitiba PR, ) Richard P. Krepski, Thermal Spray Coating Applications in the Chemical Process Industries, MTI Publication No. 42, Georgetown, 1993, págs e ) Erfurk, E., Heuvel, H. J. e Dederichs, H.G., Ind. Anz., , ) Konyashin, I.Y. e Chukalovskaya, T. V., A technique for measurement of porosity in protective coatings, Surface and Coatings Technology, , (Jan) ) Weng, D., Jokiel, P., Uebleis, A. e Bohemi, H., Corrosion and protection characteristics of zinc and manganese coatings, Surface & Coatings Technology, , ) Vasantha, V. S., Pushpavanam, M. e Muralidharan, V. S., Corrosion resistant of tin electrodeposit, Bulletin of Electrochemistry, 15 (5-6) , ) Frant, M. S., Porosity measurements on gold platted copper, Journal Electrochemical Soc., 108 (8) , ) Ernst, P., Earshaw, A., Wadsworth, I. P e Marshall, G. W., Cementation as a method of observing defects in PVD coatings, Corrosion Science, 39 (7) , ) Sarasola, C., Fernandez, T. e Jimenez,Y., Potentiodynamic passivation of iron in KOH solution.application of the layer-pore resistance model, Electrochimica Acta, 33 (10) , (Out) ) Cerný, J. e Micka, K., Voltammetric study of an iron electrode in alkaline electrolytes, Journal of Power Source, , (Fev)1989.

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