Efeito da pressão de contato em ensaios de micro abrasão de wc co p20

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1 VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS maio de 2007, Efeito da pressão de contato em ensaios de micro abrasão de wc co p20 R.R.F. Zeferino, R.C. Cozza, R.M. Souza, D.K. Tanaka Laboratório de Fenômenos de Superfície LFS, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo USP. E mail para contato: raony.zeferino@poli.usp.br Resumo Recentemente, os ensaios de desgaste micro abrasivo por esfera rotativa vêm alcançando uma grande repercussão em universidades e centros de pesquisa, devido a grande capacidade que oferecem em analisar o comportamento ao desgaste micro abrasivo de materiais. Na literatura, são encontradas pesquisas conduzidas com força normal constante, fazendo com que, durante o ensaio, a pressão de contato atuante no sistema corpo de prova/partículas abrasivas/ esfera, diminua gradativamente. Em ensaio sob força constante (pressão de contato não constante), havendo a atuação de desgaste micro abrasivo por riscamento, a gradativa diminuição da pressão de contato faz com que a participação desse modo de desgaste diminua com o tempo. Neste trabalho, os ensaios foram conduzidos sob pressão de contato constante. O objetivo do mesmo é analisar a influência da pressão de contato ( constante e não constante ) sob a atuação dos modos de desgaste abrasivo. Os ensaios foram realizados com esferas de aço AISI e corpos de prova de WC Co P20. A lama abrasiva foi preparada com partículas de carbeto de silício (SiC) preto e água destilada. Os resultados foram analisados com base nos gráficos de A R /A T em função do tempo de ensaio. Para a condição de pressão de contato constante, foi observada uma área A R maior, quando comparado à condição de pressão de contato não constante. Além disso, para a condição de pressão de contato constante, a completa transição de desgaste abrasivo por riscamento para desgaste abrasivo por rolamento ocorreu em um tempo maior de ensaio, em relação a pressão de contato não constante. Palavras chave: Ensaio de desgaste micro abrasivo, pressão de contato, modos de desgaste abrasivo, desgaste abrasivo por riscamento, desgaste abrasivo por rolamento. Resumen Recientemente, el ensayo de desgaste abrasivo en escala micrométrica ha alcanzado una gran aceptación en universidades y centros de investigación, debido a la capacidad que ofrece para analizar el comportamiento abrasivo de un amplio número de materiales. Los trabajos en abrasión bajo escala micrométrica disponibles en la literatura, muestran investigaciones realizadas con fuerza normal constante, esto tiene como consecuencia que durante el ensayo la presión de contacto que actúa en el sistema probeta/abrasivo/esfera disminuya gradualmente. En ensayos con fuerza contaste (presión de contacto variable), donde se produce desgaste por rayadura en escala micrométrica, la disminución gradual de la presión de contacto resulta en una reducción con el tiempo de la participación de ese método de desgaste. En este trabajo, los ensayos fueron realizados utilizando presión de contacto constante. El objetivo de este trabajo es analizar la influencia de la presión de contacto (constante o variable) bajo la acción de los métodos de desgaste abrasivo. Los ensayos fueron realizados con esferas de acero AISI y probetas de WC Co P20. El lodo abrasivo fue preparado con partículas de carburo de silicio (SiC) negro y agua destilada. Los resultados fueron analizados utilizando los gráficos A R /A T en función del tiempo de ensayo. Para la condición de presión de contacto constante, fue observada una área A R mayor que para la condición de presión de contacto variable. Además, para la condición de presión de contacto constante, la transición completa de desgaste abrasivo por rayadura para desgaste abrasivo por rodamiento, ocurrió en un tiempo mayor de

2 R.R.F. Zeferino et al. / VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS, ensayo en relación a la presión de contacto variable. Palabras clave: Ensayo de desgaste abrasivo en escala micrométrica, presión de contacto, Microabrasión, desgaste abrasivo por rayaduram, desgaste abrasivo por rodamiento 1. INTRODUÇÃO O ensaio de desgaste micro abrasivo por esfera rotativa foi desenvolvido no meio industrial (Cozza et al., 2006), para a medição das espessuras de filmes finos. Devido ao seu potencial científico (Kusano e Hutchings, 2005), o mesmo vem sendo utilizado por universidades e institutos de pesquisa, em estudos sobre o desgaste abrasivo de materiais metálicos (Cozza et al., 2005; Cozza, 2006; Trezona et al., 1999) e não metálicos (Batista et al., 2001; Batista et al., 2002a, b; Bello e Wood, 2005; Bose e Wood, 2005; Kattamis et al., 1994; Mergler e Huis in t Veld, 2003; Rutherford e Hutchings, 1996). Esse tipo de ensaio consiste no desgaste de um corpo de prova gerado por uma esfera em movimento de rotação e por partículas abrasivas (Baptista et al., 2000), inseridas entre o corpo deprova e a esfera, durante o ensaio. São geradas calotas esféricas, também chamadas de crateras de desgaste e, a análise destas, permite a avaliação do comportamento ao desgaste abrasivo do material em estudo. Dois modos de desgaste são observados em ensaios de desgaste micro abrasivo por esfera rotativa: desgaste abrasivo por riscamento e desgaste abrasivo por rolamento. O desgaste abrasivo por riscamento resulta quando as partículas abrasivas deslizam na região de contato entre a esfera e o corpo de prova, e o desgaste abrasivo por rolamento ocorre quando as partículas abrasivas rolam. A pressão de contato desenvolvida durante os ensaios pode ser calculada pela Equação 1: F A N P = (1) T onde A T = πd 2 /4 é a área projetada total da cratera de desgaste; d é o diâmetro da cratera de desgaste. Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência da pressão de contato (constante e nãoconstante) sob a transição entre os modos de desgaste abrasivo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Equipamento de ensaio de desgaste por micro abrasão Para os ensaios de desgaste micro abrasivo, utilizou se a Máquina de Ensaio de Desgaste Micro Abrasivo por Esfera Rotativa Fixa Modelo LFS 2005, utilizada nos trabalhos de Cozza et al. (2005) e Cozza (2006). A Figura 1 mostra o equipamento utilizado. A força normal (F N ) é responsável pelo contato entre a esfera e o corpo de prova. Durante os ensaios, um composto abrasivo é inserido de maneira intermitente entre a esfera e o corpo de prova. A força tangencial, F T, também chamada de força de atrito, é gerada por conseqüência do contato entre a esfera, o corpo de prova e o composto abrasivo.

3 38 R.R.F. Zeferino et al. / VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS, REDUTOR EIXO + ESFERA MOTOR TRIFÁSICO PORTA AMOSTRA Figura 1. Máquina de Ensaio de Desgaste por Micro Abrasão Modelo LFS 2005 (Cozza et al., 2005; Cozza, 2006) Materiais MESA DE TRANSLAÇÃO + SIST. POSIÇÃO HORIZONTAL + SIST. POSIÇÃO VERTICAL Neste trabalho, os corpos de prova foram de metal duro (WC Co) classe ISO P20. Para a análise de sua microestrutura, exibida na Figura 2 a), um corpo de prova foi embutido em baquelita e lixado. Em seguida, o mesmo foi submetido ao processo de polimento. O ataque químico da superfície foi realizado com MURAKAMI, composto por 10 gramas de ferrocianeto de potássio (K 3 Fe(CN) 6 ), 10 gramas de hidróxido de potássio (KOH) e 100 ml de água destilada. Foram utilizadas esferas de diâmetro 25,4 mm (1 ). O material das mesmas foi aço AISI temperado e revenido e, para a análise de sua microestrutura, exposta na Figura 2 b), o material foi lixado, obedecendo a seguinte seqüência de lixas: grão 220, 320, 400 e 600. Em seguida, a superfície foi polida com pastas diamantadas de diferentes granulometrias, na ordem de 6, 3 e 0,25 µm. A última etapa foi o ataque químico da superfície com Nital 3 %. a) b) Figura 2. Microestrutura do (a) WC Co P20 e do (b) aço AISI temperado e revenido. Imagens obtidas por microscopia óptica (Microscópio óptico OLYMPUS BX60M). A pasta abrasiva foi preparada com carbeto de silício preto SiC 1000, comercial de grau técnico, da Alcoa (Izhevskyi et al., 2004) e água destilada. A Figura 3 a) mostra uma micrografia eletrônica de varredura do abrasivo utilizado, e a Figura 3 b), sua distribuição granulométrica. Essa

4 R.R.F. Zeferino et al. / VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS, distribuição foi obtida a laser, utilizando o equipamento Granulometer 1064 CILAS, de fabricação francesa (Izhevskyi et al., 2004). a) b) Figura 3. (a) Micrografia eletrônica de varredura do pó abrasivo SiC 1000 (Izhevskyi et al., 2004); (b) distribuição granulométrica (Izhevskyi et al., 2004). Para o cálculo da dureza do SiC 1000, uma porção do material foi sinterizada. Dez indentações Vickers foram conduzidas sob uma carga de 50 N e tempo de 15 s (Izhevskyi et al., 2004). Com os mesmos valores de força e tempo adotados por Izhevskyi et al. (2004), foram medidas as durezas Vickers do WC Co P20 e do aço AISI 52100, em um Durômetro Vickers VMT 7, fabricado pela Buehler. De forma aleatória, foram realizadas treze indentações na superfície de cada material. Após os ensaios, descartou se o valor de dureza obtido na primeira indentação. Em seguida, a dureza do material foi determinada pela média aritmética dos dez valores mais próximos entre si. A Tabela 1 reúne os valores das durezas dos materiais utilizados (corpos de prova, esferas de ensaio e material abrasivo). Originalmente, as unidades de todos os valores de dureza estavam em HV. Posteriormente, os valores foram convertidos para GPa Procedimento experimental Tabela 1. Dureza dos materiais utilizados nos ensaios. Material Dureza [GPa] Corpo de prova WC Co P20 11,7 Esfera de ensaio Aço AISI ,4 Partículas abrasivas SiC 18,5 19 As Tabelas 2 e 3 apresentam as condições de ensaios definidas para as situações de pressão de contato constante e não constante, respectivamente. Tabela 2: Parâmetros definidos para os ensaios sob pressão de contato não constante. ENSAIO SOB FORÇA CONSTANTE Força constante (N) 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 Velocidade de rotação da esfera (rpm) 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 Distância de deslizamento (m) Tempo de ensaio 2 min 40 s 5 min 6 min 40 s 8 min 20 s 11 min 40 s 13 min 20 s Gotejamento da lama abrasiva 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s

5 40 R.R.F. Zeferino et al. / VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS, Tabela 3: Parâmetros definidos para os ensaios sob pressão de contato constante. ENSAIO SOB PRESSÃO CONSTANTE Pressão fixada (N/mm²) 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 Velocidade de rotação da esfera (rpm) 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 Distância de deslizamento (m) Tempo de ensaio 2 min 40 s 5 min 6 min 40 s 8 min 20 s 11 min 40 s 13 min 20 s Gotejamento da lama abrasiva 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s O gotejamento da lama abrasiva foi realizado manualmente, por meio de um conta gotas. Foi definida uma concentração de lama abrasiva, conforme a Tabela 4. As duas colunas da esquerda mostram as porcentagens, em volume, de SiC e água destilada para a concentração. Na coluna da direita, está a massa de SiC por unidade de volume de água destilada (g SiC /cm 3 H 2 O Destilada). % SiC (em volume) 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 4. Concentração da lama abrasiva. % Água Destilada g SiC 3 (em volume) cm ,045 H 2O Destilada A Figura 4 apresenta a definição de A R e A T, onde A R é a área de atuação de desgaste abrasivo por riscamento e A T a área projetada total da cratera de desgaste. A R A T Figura 4. Definição de A R e A T. Para a condição de contato constante, a Figura 5 ilustra o comportamento da pressão de contato experimental. No final de cada ensaio, a área da cratera era calculada, e a força normal era reajustada de modo a se obter uma pressão 3% superior à pressão fixada. O valor de 3% foi determinado experimentalmente, recebendo o nome de coeficiente de ajuste, pois a finalidade do mesmo foi ajustar a curva da pressão de contato experimental, de modo que a mesma oscilasse em torno da curva teórica. Na Figura 6, nota se que a relação A R /A T, para um mesmo tempo de ensaio, foi maior para a condição de pressão de contato constante. Esse resultado mostra que, para a condição de pressão constante, houve uma atuação maior de desgaste abrasivo por riscamento.

6 R.R.F. Zeferino et al. / VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS, Figura 5. Pressão de contato constante. Curvas teórica e experimental. Na Figura 6, tem se o gráfico da relação A R /A T em função do tempo de ensaio. Figura 6. Gráfico de A R /A T em função do tempo de ensaio. Conforme o ensaio é conduzido, a área da calota aumenta gradativamente, fazendo com que haja também, um maior quantidade de partículas entre a esfera e o corpo de prova. Na condição de pressão de contato não constante (força normal constante), com o aumento da quantidade de partículas abrasivas, a força normal atuando em cada uma delas é menor. Por outro lado, na condição de pressão de contato constante, mesmo com o aumento da quantidade de partículas abrasivas, há o aumento da força normal, necessária para manter a pressão constante. Isso faz com que não haja a diminuição da força normal atuando em cada partícula abrasiva. Futuras pesquisas ainda são necessárias, mas a diferença de valores da relação A R /A T para as condições de pressão constante e não constante, pode estar relacionada a força normal atuante nas partículas abrasivas. A força normal, constante para pressão não constante e gradativamente maior para se manter a pressão constante, também influenciou a transição entre os modos de desgaste abrasivo. Na condição de pressão de contato não constante, a transição ocorreu para um tempo menor (aproximadamente 500 s).

7 42 R.R.F. Zeferino et al. / VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS, CONCLUSÕES Os resultados obtidos neste trabalho indicam que: O fato da pressão de contato ser fixa ou variável influência a atuação do desgaste abrasivo por riscamento. Na condição de pressão de contato constante, A R foi maior do que na condição de condição de pressão de contato não constante. O fato da pressão de contato ser fixa ou variável influência a transição entre os modos de desgaste abrasivo. Na condição de pressão de contato não constante, a transição entre os modos de desgaste ocorreu primeiro, aproximadamente para 500 s de ensaio. O fato da força normal atuante em cada partícula abrasiva ser maior na condição de pressão de contato constante, pôde ter influenciado a atuação do desgaste abrasivo por riscamento e a transição entre os modos de desgaste. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Kusano, Y., Hutchings, I.M. Sources of variability in the free ball micro scale abrasion test. Wear, 258, , Baptista, A.M., Ferreira, J., Pinto, N. Ensaios de micro abrasão por esfera rotativa. 7 a. Jornada Portuguesa de Tribologia, Porto, Portugal, 29 e 30 de Junho, Cozza, R.C. (2006) Estudo do comportamento do coeficiente de desgaste e dos modos de desgaste abrasivo em ensaios de desgaste micro abrasivo. Cozza, R.C., Souza, R. M., Tanaka, D. K., 2006, Influência do desgaste da esfera na formação das calotas em ensaios de desgaste micro abrasivo por esfera rotativa fixa. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica CONEM 2006, Recife, PE Brazil. Cozza, R. C., Souza, R. M. and Tanaka, D. K., 2005, Wear mode transition during the micro scale abrasion of WC Co P20 and M2 tool Steel, In: XVIII International Congress of Mechanical Engineering, Proceedings of COBEM 2005, Ouro Preto, MG, ABCM. Cozza, R. C., 2006, Estudo do comportamento do coeficiente de desgaste e dos modos de desgaste abrasivo em ensaios de desgaste micro abrasivo, Dissertação de Mestrado Escola Politécnica da USP, São Paulo. Trezona, R. I., Allsopp, D. N. and Hutchings, I. M., 1999, Transitions between two body and three body abrasive wear: influence of test conditions in the microscale abrasive wear test, Wear, , Batista, J. C. A., Matthews, A. and Godoy, C., 2001, Micro abrasive wear of PVD duplex and single layered coatings, Surface and Coatings Technology, , Batista, J. C. A., Godoy, C. and Matthews, A., 2002a, Micro scale abrasive wear testing of duplex and non duplex (single layered) PVD (Ti,Al)N, TiN and Cr N coatings, Tribology International, 35, Batista, J. C. A., M. C. Joseph, Godoy, C. and Matthews, A., 2002b, Micro abrasion wear testing of PVD TiN coatings on untreated and plasma nitrided AISI H13 steel, Wear, 249, Bello, J. O. and Wood, R. J. K., 2005, Micro abrasion of filled and unfilled polyamide 11 coatings, Wear, 258, Bose, K. and Wood, R. J. K., 2005, Optimun tests conditions for attaining uniform rolling abrasion in ball cratering tests on hard coatings, Wear, 258, Kattamis, T. Z., Chen, M., Skolianos, S. and Chambers, B. V., 1994, Effect of residual stresses on the strengh, adhesion and wear resistance of SiC coatings obtained by plasma enhanced chemical vapor deposition on low alloy steel, Surface and Coatings Technology, 79, Mergler, Y. J. and Huis in t Veld, H., 2003, Micro abrasive wear of semi crystalline polymers, Tribological Research and Design for Engineering Systems,

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