Revista FATEC Sebrae em debate: gestão, tecnologias e negócios Vol. 2 Nº. 2 Ano 2015 ISSN

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1 Revista FATEC Sebrae em debate: gestão, tecnologias e negócios Vol. 2 Nº. 2 Ano 2015 ISSN Prof. Dr. Ronaldo Câmara Cozza CEETEPS Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza, Faculdade de Tecnologia de Mauá FATEC-Mauá Departamento de Fabricação Mecânica Eng. Lucas Cremonese Rodrigues Centro Universitário da FEI Fundação Educacional Inaciana Padre Sabóia de Medeiros - Departamento de Engenharia Mecânica Prof. Dr. Cláudio Geraldo Schön USP Universidade de São Paulo Escola Politécnica Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais FATEC Sebrae Faculdade de Tecnologia Sebrae - CEETEPS Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza São Paulo. Revista FATEC Sebrae em debate gestão, tecnologias e negócios Editor Geral Prof. Dr. Mário Pereira Roque Filho Organização e Gestão Prof. Ms.Clayton Pedro Capellari Correspondência Alameda Nothmann, nº 598 Campos Elíseos, CEP São Paulo SP, Brasil. +55 (11) ramal: f.sebrae.dir@centropaulasouza.sp.gov.br ADOÇÃO DE MATERIAIS RESISTENTES AO DESGASTE EM PROJETOS INDUSTRIAIS RESUMO O propósito deste trabalho é pesquisar a influência do tempo de ensaio (t) e da concentração de lama abrasiva (C) sob o comportamento ao desgaste micro-abrasivo de uma liga de alumineto de ferro. Ensaios ball-cratering foram conduzidos sob a liga fabricada Fe-30Al-6Cr (at.%), junto a uma esfera de aço AISI e lamas abrasivas preparadas com carbeto de silício (SiC) + água. Seguindo as referências bibliográficas, diferentes condições de ensaio foram estabelecidas para os ensaios de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa, incluindo: força normal (N), tempo de ensaio (ou, distância de deslizamento S) e concentração de lama abrasiva. Após análises, os resultados mostraram que o tempo de ensaio e a concentração da lama abrasiva influenciaram os valores do volume de desgaste (V) e do coeficiente de atrito (µ). Palavras-chave: Desgaste micro-abrasivo, intermetálicos, alumineto de ferro. p.31

2 Adoção de materiais resistentes ao desgaste em projetos industriais ABSTRACT The purpose of this work is to research the influence of the test time (t) and abrasive slurry concentration (C) on the micro-abrasive wear behaviour of an iron aluminide alloy. Ball-cratering wear tests were conducted with an Fe-30Al-6Cr (at.%) alloy, AISI bearing steel sphere and abrasive slurries prepared with silicon carbide (SiC) + water. Following the references, different test conditions were stablished for the micro-abrasive wear tests by rotative ball, including: normal force (N), test time (or sliding distance S) and abrasive slurry concentration. After analysis, the results showed that the test time and abrasive slurry concentration presented influence on wear volume (V) and coefficient of friction (µ). Key-words: Micro-abrasive wear, intermetallics, iron aluminide. FATEC Sebrae - Faculdade de Tecnologia Sebrae p..32

3 Ronaldo Câmara Cozza / Lucas Cremonese Rodrigues / Cláudio Geraldo Schön INTRODUÇÃO A perda de energia nos automóveis ocasiona, anualmente, nos EUA, um prejuízo da ordem de US$500 bilhões, decorrente do atrito entre peças em movimento relativo; no Brasil, este desperdício está na ordem de 5% do PIB Produto Interno Bruto (Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2009). Em termos gerais, o impacto do desgaste na economia de um país fica compreendido entre 1 10% PIB. Em setores industriais, em que o desgaste causa a parada, a diminuição da produção ou envolve elevados custos de manutenção, não é suficiente adquirir conhecimentos apenas em materiais e processos metalúrgicos e/ou mecânicos de fabricação. Tão importante quanto isso é pesquisar, estudar e entender não só os processos de desgaste que atuam em condições específicas, mas também, os conceitos envolvidos. Dentre os vários tipos de desgaste, classificados pela norma ASTM G40 96 (ASTM), está o desgaste abrasivo que, em termos gerais, é responsável por, aproximadamente, 50% dos problemas industriais, envolvendo desgaste. Entretanto, por outro lado, o mesmo faz parte do princípio de diversos processos industriais como, por exemplo, corte por jato d água, retificação e polimento de moldes para injeção de termoplásticos. Em relação às questões sociais, a AACD Associação de Assistência a Criança Deficiente realiza contínuos trabalhos relacionados à fabricação de aparelhos ortopédicos, os quais são repassados, gratuitamente, às pessoas. Entretanto, ainda um ponto importante a ser destacado refere-se às próteses humanas, das quais o Brasil realiza a importação no equivalente a US$800 milhões. As Engenharias Mecânica e Metalúrgica e de Materiais, por meio da Tribologia, podem concentrar esforços no âmbito de tais mecanismos serem desenvolvidos dentro da nação, uma vez que 109 articulações são suscetíveis ao atrito e, consequentemente, ao desgaste (Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2009). Em vista do panorama exposto, pesquisas científicas sobre desgaste abrasivo tornam-se importantes, não só em termos científicos, mas também em termos econômicos e sociais. Revista Fatec Sebrae em Debate: gestão, tecnologias e negócios Vol.2 Nº. 2 Ano 2015 p. 33

4 Adoção de materiais resistentes ao desgaste em projetos industriais Nas últimas décadas, aluminetos de níquel, ferro, titânio, nióbio e cobalto vêm sendo minuciosamente estudados, devido, principalmente, a possibilidade de adoção como materiais estruturais sujeitos a elevadas temperaturas (Deevi e Sikka, 1996). Tais aluminetos apresentam uma elevada concentração de alumínio (Deevi e Sikka, 1996), capaz de formar uma contínua e aderente camada de alumina (Al2O3) sobre uma superfície exposta ao ar ou a atmosferas contendo oxigênio. Além da vantagem desta camada de alumina proteger o material contra elevadas temperaturas de oxidação e corrosão (Deevi e Sikka, 1996; Morris, 1998; Scheneibel, George e Anderson, 1997), devido esta apresentar maior estabilidade termodinâmica que o óxido de cromo (Cr2O3), os aluminetos possuem menores densidades, elevados pontos de fusão e exibem consideráveis propriedades mecânicas sob temperaturas elevadas (Morris, 1998; Dobeš e Milička, 2010; Stein, Schneider e Frommeyer, 2003), em razão da sua estrutura cristalina. Em particular, as propriedades mecânicas de aluminetos de ferro podem ser trabalhadas pela variação da porcentagem de alumínio, tipo de tratamento térmico e tamanho de grão (Bystrzycki et al., 2010; Morris e Morris-Muñoz, 1999), fazendo com que, em função destes parâmetros, determinados materiais sejam direcionados para aplicações mecânicas-metalúrgicas específicas. Além dos comportamentos diferenciados, a inclusão de Fe3Al diminui a densidade do aço a um valor de 6 kg/dm 3, frente a 7,8 kg/dm 3, observado em açoscarbono convencionais. Esta redução equivale a, aproximadamente, 20%. O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento ao desgaste microabrasivo de uma liga de alumineto de ferro. EQUIPAMENTO, MATERIAIS E MÉTODOS Equipamento Um equipamento ball-cratering de configuração esfera-livre (Figura 1) foi projetado e construído para os ensaios (Cozza, Rodrigues e Schön, 2015; Cozza, Suzuki e Schön, 2014). Tal equipamento consta de duas células de carga, destinadas ao controle da força normal (N) e medição da força tangencial (T). FATEC Sebrae - Faculdade de Tecnologia Sebrae p..34

5 Ronaldo Câmara Cozza / Lucas Cremonese Rodrigues / Cláudio Geraldo Schön Figura 1 Equipamento ball-cratering projetado e construído para os ensaios (Cozza, Rodrigues e Schön, 2015; Cozza, Suzuki e Schön, 2014). Materiais Corpo-de-prova. Foram preparadas ligas de Fe-30Al-6Cr (at.%) em um forno de indução sem proteção atmosférica, compostas por materiais recicláveis: sucata de aço inoxidável ferrítico AISI 444 como fonte de ferro, cromo, molibdênio e latas de alumínio, como fonte de alumínio; aço SAE 1020 foi inserido para balancear os teores de carbono e ferro das ligas (Borges, 2010; Borges, Espinosa e Schön, 2014). Para a análise de sua microestrutura, a superfície da amostra foi lixada obedecendo a seguinte sequência de lixas: grão 220, 320, 400, 600 e Em seguida, a superfície foi polida com pastas diamantadas de diferentes granulometrias, na sequência de 6, 3 e 1 m. A última etapa foi o ataque químico com Villela (95% álcool etílico, 5% HCl e 1 g de ácido pícrico) (Borges, 2010; Borges, Espinosa e Schön, 2014). A Figura 2 apresenta a microestrutura e a composição química do corpo-deprova (alumineto de ferro) utilizado (Borges, 2010; Borges, Espinosa e Schön, 2014). Revista Fatec Sebrae em Debate: gestão, tecnologias e negócios Vol.2 Nº. 2 Ano 2015 p. 35

6 Adoção de materiais resistentes ao desgaste em projetos industriais Elemento químico % (em peso) Al 14,14 Cr 4,95 Mo 0,75 C 0,66 Fe 78,57 Figura 2 Microestrutura e composição química do corpo-de-prova utilizado (Borges, 2010; Borges, Espinosa e Schön, 2014). Esferas. Foram utilizadas esferas de aço AISI (temperado e revenido), de diâmetro D = 25,4 mm (1 ). Lamas abrasivas. As lamas abrasivas utilizadas foram compostas por carbeto de silício (SiC) preto, com tamanho médio de partícula de 3 µm e formato angular, e água. Parâmetros de ensaio A Tabela 1 exibe as condições de ensaio estabelecidas para os experimentos deste trabalho. FATEC Sebrae - Faculdade de Tecnologia Sebrae p..36

7 Ronaldo Câmara Cozza / Lucas Cremonese Rodrigues / Cláudio Geraldo Schön Tabela 1 Condições de ensaio definidas para os experimentos deste trabalho. Condição de ensaio Força normal N [N] 0,4 0,4 0,4 Distância de deslizamento S [m] 5,6 11,2 22,4 Concentração da lama abrasiva C1 (em volume) 25% SiC + 75% H2O 25% SiC + 75% H2O 25% SiC + 75% H2O Concentração da lama abrasiva C2 (em volume) 50% SiC + 50% H2O 50% SiC + 50% H2O 50% SiC + 50% H2O Rotação (esfera) n [rpm] Velocidade tangencial (esfera) v [m/s] 0,09 0,09 0,09 Tempo de ensaio t [min] A força normal atuante foi de N = 0,4 N, enquanto que os valores da rotação e do diâmetro da esfera de ensaio ficaram definidos em n = 70 rpm e D = 25,4 mm, respectivamente, resultando em v = 0,09 m/s. Concentrações de lamas abrasivas de C1 = 25% SiC + 75% H2O e C2 = 50% SiC + 50% H2O (em volume) foram adotadas. Fixou-se três tempos de ensaio, t1 = 1 min (t1 = 60 s), t2 = 2 min (t2 = 120 s) e t3 = 4 min (t3 = 240 s), cujas distâncias de deslizamento correspondentes são, respectivamente, S1 = 5,6 m, S2 = 11,2 m e S3 = 22,4 m. Os ensaios foram realizados sem paradas intermediárias e, com auxílio de um conta-gotas, a lama abrasiva foi inserida a cada t = 10 s entre a esfera de ensaio e o corpo-de-prova. Análise de resultados O volume de desgaste (V) e o coeficiente de atrito (µ) foram calculados pelas Equações (1) e (2), respectivamente. 4. d V para b << R (1) 64. R Revista Fatec Sebrae em Debate: gestão, tecnologias e negócios Vol.2 Nº. 2 Ano 2015 p. 37

8 Adoção de materiais resistentes ao desgaste em projetos industriais Sendo b o diâmetro da calota e R o raio da esfera de ensaio. T μ = (2) N RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise das ações dos modos de desgaste micro-abrasivo A Figura 3 mostra imagens de crateras de desgaste geradas nos ensaios. Figura 3 Exemplo de cratera de desgaste obtida nos ensaios. Para as duas concentrações de lama abrasiva ( C1 = 25% SiC + 75% H2O e C2 = 50% SiC + 50% H2O ) as crateras de desgaste apresentaram o modo de desgaste micro-abrasivo rolamento, independente do tempo de ensaio e distância de deslizamento. Tais resultados configuram-se devido à baixa força normal e elevadas concentrações de lama abrasiva, encontrando-se em concordância qualitativa com a literatura, principalmente com os trabalhos de Adachi e Hutchings (2003; 2005) e Trezona, Allsopp e Hutchings (1999) que, além de uma análise envolvendo força normal e concentração de lama abrasiva, vinculam as ações dos modos de desgaste micro-abrasivo com o tamanho médio das partículas abrasivas, formato das partículas abrasivas e propriedades dos materiais envolvidos (H dureza, E Módulo de Elasticidade Longitudinal e Coeficiente de Poisson). FATEC Sebrae - Faculdade de Tecnologia Sebrae p..38

9 Ronaldo Câmara Cozza / Lucas Cremonese Rodrigues / Cláudio Geraldo Schön Análise do comportamento do volume de desgaste Os gráficos de V = ( f t, C ) apresentados na Figura 4 mostram que o volume de desgaste (V) foi proporcional ao tempo de ensaio (t) e à concentração da lama abrasiva (C), concordando, qualitativamente, com a literatura (Cozza, 2013; Mergler e Huis in t Veld, 2003; Trezona, Allsopp e Hutchings, 1999) Volume de desgaste V [mm 3 ] C 2 = 50% SiC + 50% H 2 O C 1 = 25% SiC + 75% H 2 O Distância de deslizamento S [m] Figura 4 Comportamento do volume de desgaste (V) em função do tempo de ensaio (t) e da concentração de lama abrasiva (C) V = f(t,c). Observa-se que, mantendo-se a concentração da lama abrasiva (C) constante, o volume de desgaste (V) acompanhou o aumento do tempo de ensaio (t) (ou, a distância de deslizamento S). De fato, o aumento do volume de desgaste com a distância de deslizamento seguiu a Lei de Archard (Equação 3), que mostra que V é proporcional a S. Além disso, o aumento de V com a concentração da lama abrasiva foi relatado, entre outros pesquisadores, por Mergler e Huis in t Veld (2003) e Trezona, Allsopp e Hutchings (1999). Revista Fatec Sebrae em Debate: gestão, tecnologias e negócios Vol.2 Nº. 2 Ano 2015 p. 39

10 Adoção de materiais resistentes ao desgaste em projetos industriais V = k. S. N (3) Sendo k o coeficiente de desgaste. Os maiores volumes de desgaste, gerados com a concentração de lama abrasiva C2 = 50% SiC + 50% H2O, é justificado pela maior quantidade de partículas abrasivas agindo no processo de desgaste da cratera. Análise do comportamento do coeficiente de atrito Os gráficos de μ = ( f t, C ) apresentados na Figura 5 mostram que o coeficiente de atrito manteve-se, aproximadamente, constante com o tempo de ensaio e aumento com a ascensão da concentração da lama abrasiva. 2.5 Coeficiente de atrito C 2 = 50% SiC + 50% H 2 O C 1 = 25% SiC + 75% H 2 O Tempo de ensaio t [s] Figura 5 Comportamento do coeficiente de atrito (µ) em função do tempo de ensaio (t) e da concentração de lama abrasiva (C) µ = f(t,c). Para a concentração de pasta abrasiva C1 = 25% SiC + 75% H2O foi reportado os menores valores de coeficiente de atrito. Tal comportamento está relacionado à maior quantidade de água presente na concentração C1, que pôde ter agido como um lubrificante, diminuindo, consequentemente, a força tangencial. FATEC Sebrae - Faculdade de Tecnologia Sebrae p..40

11 Ronaldo Câmara Cozza / Lucas Cremonese Rodrigues / Cláudio Geraldo Schön CONCLUSÕES Três pontos podem ser destacados neste trabalho: i) Com o aumento do tempo de ensaio (t) e da concentração da pasta abrasiva (C) foi reportado um aumento do volume de desgaste (V); ii) O coeficiente de atrito manteve-se, aproximadamente, constante com o tempo de ensaio e aumentou com o acréscimo no valor da concentração de lama abrasiva; iii) A liga projetada em estudos anteriores (Borges, 2010; Borges, Espinosa e Schön, 2014) em conjunto com os resultados apresentados nesta pesquisa podem ser úteis a tecnólogos e engenheiros que estudam o comportamento de materiais sujeitos a desgaste micro-abrasivo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABM Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração. página acessada em Julho-Novembro/2009. ADACHI, K.; HUTCHINGS, I.M.. Wear-mode mapping for the micro-scale abrasion test. Wear, vol. 255, p , ADACHI, K.; HUTCHINGS, I.M.. Sensitivity of wear rates in the micro-scale abrasion test to test conditions and material hardness. Wear, vol. 258, p , ASTM G Standard Terminology Relating to Wear and Erosion. Revista Fatec Sebrae em Debate: gestão, tecnologias e negócios Vol.2 Nº. 2 Ano 2015 p. 41

12 Adoção de materiais resistentes ao desgaste em projetos industriais BORGES, D.F.L.. Processamento e caracterização de aluminetos de ferro obtidos a partir de matéria-prima reciclada. Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Paulo SP, Brasil, 2010, 80 p.. Disponível on-line: BORGES, D.F.L.; ESPINOSA, D.C.R.; SCHÖN, C.G.. Making iron aluminides out of scrap. Journal of Materials Research and Technology, vol. 3 (2), , BYSTRZYCKI, J.; FRACZKIEWICZ, A.; ŁYSZKOWSKI, R.; MONDON, M.; PAKIELA, Z.. Microstructure and tensile behavior of Fe-16Al-based alloy after severe plastic deformation. Intermetallics, vol. 18, p , COZZA, R.C.. Effect of pressure on abrasive wear mode transitions in microabrasive wear tests of WC-Co P20. Tribology International, vol. 57, p , COZZA, R.C.; RODRIGUES, L.C.; SCHÖN, C.G.. Analysis of the micro-abrasive wear behavior of an iron aluminide alloy under ambient and high-temperature conditions. Wear, Accepted for publication. DOI: /j.wear COZZA, R.C.; SUZUKI, R.S.; SCHÖN, C.G.. Projeto, construção e validação de um equipamento de ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa livre para a medição do coeficiente de atrito. Tecnologia em Metalurgia, Materiais e Mineração, vol. 11, p , DEEVI, S.C.; SIKKA, V.K.. Nickel and iron aluminides: an overview on properties, processing, and applications. Intermetallics, vol. 4, p , DOBEŠ, F.; MILIČKA, K.. Estimation of ductility of Fe-Al alloys by means of small punch test. Intermetallics, vol. 18, p , MERGLER, Y.J.; HUIS IN T VELD, A.J.. Micro-abrasive wear of semi-crystalline polymers. Tribology and Interface Engineering Series 41, p , Tribological Research and Design for Engineering Systems Proceedings of the 29 th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Bodington Hall, University of Leeds, UK. FATEC Sebrae - Faculdade de Tecnologia Sebrae p..42

13 Ronaldo Câmara Cozza / Lucas Cremonese Rodrigues / Cláudio Geraldo Schön MORRIS, D.G.. Possibilities for high-temperature strengthening in iron aluminides. Intermetallics, vol. 6, p , MORRIS, D.G.; MORRIS-MUÑOZ, M.A.. The influence of microstructure on the ductility of iron aluminides. Intermetallics, vol. 7, p , SCHNEIBEL, J.H.; GEORGE, E.P.; ANDERSON, I.M.. Tensile ductility, slow crack growth, and fracture mode of ternary B2 iron aluminides at room temperature. Intermetallics, vol. 5, p , STEIN, F.; SCHNEIDER, A.; FROMMEYER, G.. Flow stress anomaly and orderdisorder transitions in Fe3Al-based Fe-Al-Ti-X alloys with X = V, Cr, Nb, or Mo. Intermetallics, vol. 11, p , TREZONA, R.I.; ALLSOPP, D.N.; HUTCHINGS, I.M.. Transitions between two-body and three-body abrasive wear: influence of test conditions in the microscale abrasive wear test. Wear, vol , p , Revista Fatec Sebrae em Debate: gestão, tecnologias e negócios Vol.2 Nº. 2 Ano 2015 p. 43