COMPOSTAMENTO TRIBOLÓGICO DE CERÂMICAS À ... · Web viewA avaliação das características de atrito e desgaste de pares tribológicos compósito cerâmico Si3N4-SiC(w) / ferro

2491Anais do 47º Congresso Brasileiro de CerâmicaProceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil

DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO E DESGASTE EM COMPÓSITOS CERÂMICOS Si3N4-SiC(w)

S. A. Baldacim, C. Santos, O. M. M. Silva e C. R. M. Silva

CTA-IAE- Divisão de Materiais

Pça. Mar. do Ar Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – S. J. dos Campos - SP

Cep: 12228-904 - Tel: (0xx) 12 3947-6432

email: [email protected]

RESUMO

Para compósitos cerâmicos reforçados com fibra, plaquetas e/ou whiskers,

visando sua utilização em aplicações estruturais como, por exemplo, ferramentas de

corte, é necessário caracterizá-los quanto aos coeficientes de atrito e desgaste

quando em deslizamento sobre ligas metálicas. Assim, este trabalho teve como

objetivo caracterizar e analisar os coeficientes de atrito e desgaste de compósitos

cerâmicos Si3N4-SiC(w) em deslizamento sobre ligas de ferro fundido cinzento, por

intermédio de um tribômetro pino(cerâmico) contra disco (metal). Todos os testes

foram realizados com os mesmos parâmetros, permitindo assim uma comparação

entre os diversos corpos-de-prova, adotando uma distância e velocidade de

deslizamento de 3000 m e 2 ms-1, respectivamente, com carga normal aplicada de 5

N. Não foi utilizado lubrificante e a temperatura e umidade do ar foram ambiente. Os

resultados obtidos apresentaram um baixo coeficiente de atrito e desgaste, estando

diretamente relacionado ao nível de densificação dos corpos-de-prova analisados.

Por microscopia eletrônica de varredura (MEV), os mecanismos atuantes foram a

abrasão e processos de tribooxidação nas superfícies de desgaste.



Palavras-chaves: Compósitos cerâmicos, nitreto de silício, whiskers de carbeto de

silício, coeficiente de atrito, coeficiente de desgaste.

I. INTRODUÇÃO

Com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas, principalmente no que

diz respeito a tenacidade à fratura, fator este limitativo para aplicações

estruturais (1,2), utiliza-se como reforço whiskers, plaquetas e/ou fibras de carbeto de

silício, procurando reduzir o problema da fragilidade e diminuir a dispersão dos

valores de resistência mecânica (3-5).

Os materiais cerâmicos à base de Si3N4 possuem um conjunto notável de

propriedades, que incluem uma elevada dureza que se conserva para uma ampla

gama de temperaturas, boa tenacidade à fratura, boa resistência ao choque térmico

e baixa reatividade química, que os tornam bastante atrativos para aplicações

tribológicas, tais como as que ocorrem em certos componentes de motores de

combustão interna ou em pastilhas de corte por arranque de aparas (cavacos) (6,7).

De acordo com estudos publicados, verifica-se que o comportamento ao atrito

e desgaste de materiais cerâmicos de nitreto de silício é complexo e pode ser

controlado por um conjunto de mecanismos bastante distintos, tais como a

deformação plástica, microfratura e reações triboquímicas. Diversos parâmetros de

funcionamento e do material, como a umidade atmosférica, temperatura, dureza,

massa específica, dentre outros, vem afetar fortemente o comportamento tribológico

destes materiais (8-11).

Por outro lado, pouco tem sido o trabalho dedicado aos estudos do

comportamento tribológico de compósitos cerâmicos à base de nitreto de silício

reforçados com whiskers de carbeto de silício, quando em deslizamento sobre ligas

metálicas e, em particular, sobre ligas ferrosas (12), traduzindo em uma apreciável

escassez de resultados de atrito e desgaste relativo aos pares que envolvam o

contato destes compósitos cerâmicos com ligas metálicas.

O coeficiente de atrito depende da combinação entre as naturezas químicas

dos materiais envolvidos, da geometria dos componentes, rugosidade superficial e



das condições operatórias. A própria duração de contato, modificações topográficas

e triboquímicas da superfície em movimento relativo fazem variar no tempo a força

de atrito.

Por outro lado, o desgaste ocorre por conseqüência do movimento relativo

entre duas superfícies em contato, ou pela ação de agentes de superfície, de

natureza mecânica e/ou química e tem como resultado a perda de sucessivas

camadas externas de material (13).

O interesse em conhecer os mecanismos de desgaste, quantificar as

respectivas taxas e o estudo de condições ótimas de domínio de mecanismos, deve-

se ao fato de ser um fenômeno que pode ser controlado e minimizado, aumentando

assim a vida útil dos componentes.

Estimando-se o valor do coeficiente de desgaste por meio de ensaios

laboratoriais adequados, é possível dimensionar os componentes de desgaste de

um sistema tribológico. Por exemplo, no caso do sistema material a ser

usinado/ferramenta de corte, torna-se possível dimensionar a ferramenta para um

determinado tempo de vida útil.

Na tabela 1, é apresentada uma classificação usual para distinção das

situações de desgaste moderado e severo.

Tabela 1. Parâmetros de desgaste moderado e severo (14).

Desgaste

Parâmetros Moderado Severo

Hv Abrasivo/Hv Superfície <1,0 >1,0

Rugosidade Superficial (Ra)

(m)

0,05 – 0,5,0 >10,0

Coeficiente de Desgaste (K)

[m3N-1m-1]

10-15 10-15

Procuram-se desenvolver sistemas tribológicos nos quais a diminuição ou a

ausência de lubrificação não conduza a redução das performances tribológicas,

idealmente com coeficiente de desgaste Kd 10-15 (m3N-1m-1), independentemente da

velocidade de deslizamento, da carga e da temperatura ambiente. Estudos



demonstraram que o coeficiente de atrito de um pino de nitreto de silício sobre aço,

para temperatura de 22oC, velocidade de 0,5 ms-1 e carga de 0,5 N situa-se na

ordem de 0,8 (15).

Com a complexidade e diversidade que reveste o comportamento ao atrito e

desgaste dos cerâmicos, o estudo do seu comportamento tribológico torna-se

imprescindível sempre que é desenvolvido um novo material cerâmico com real

potencial para aplicações tribológicas, bem como quando este possa vir a integrar

um par tribológico ainda não caracterizado. Este fato traduz-se necessariamente

numa escassez de resultados de atrito e de desgaste relativos a pares que

envolvam o contato de compósitos cerâmicos com materiais adequados para este

tipo de ensaio, como, por exemplo, ferro fundido e super ligas de níquel.

II. MATERIAIS E MÉTODOS

As composições estudadas apresentadas na tabela 2 foram confeccionados a

partir de uma matriz à base de nitreto de silício (H.C. Starck), aditivada com nitreto

de alumínio (H.C. Starck) e óxido de ítria (H.C. Starck). Como reforço, utilizou-se

whiskers de carbeto de silício (ICD Group. Inc.), com fração volumétrica de 10, 20 e

30% em volume.

Tabela 2. Composições avaliadas neste trabalho.

Composicão

Matriz

(% em peso)

Whiskers

(% em volume)

Si3N4 AlN Y2O3 SiC

A 90 5 5 -

B 90 5 5 10

C 90 5 5 20

D 90 5 5 30

Após as etapas de moagem/homogeneização, em moinho de bolas por um

período de 24 horas, compactação por prensagem uniaxial seguida por prensagem



isostática, ambas à frio, realizou-se a etapa de sinterização sob prensagem uniaxial

a quente (20,0 MPa) (HP). Utilizou-se uma temperatura em torno de 1750ºC, com

taxa de aquecimento de 20ºC/min e patamar de sinterização de 30 minutos.

Os corpos-de-prova (pinos), com dimensões entre 5,0 e 6,0 mm de diâmetro e

15,0 mm de comprimento, foram obtidos a partir do processo de sinterização

mencionado anteriormente, sendo a confecção dos mesmos, de geometria tronco-

cônica e extremidade plana, realizada pelo seu embutimento à quente em suporte

de aço inoxidável, com subseqüente retificação de sua ponta.

Os discos de ferro fundido nodular, foram obtidos por usinagem de tarugos,

seguida de retificação, lixamento e polimento das suas superfícies destinadas ao

contato tribológico, apresentando dimensões finais de 80 mm de diâmetro e

espessura de 8 mm, com um furo central de aproximadamente 8 mm.

Para os testes de atrito e desgaste, utilizou-se um tribômetro do tipo pino-disco,

marca Plint & Partners Ltd, modelo TE67 HT, localizado no Laboratório de Órgãos

de Máquinas e Tribologia – Universidade do Minho (16). Todos os testes foram

realizados com os mesmos parâmetros, permitindo assim uma comparação entre os

diversos corpos-de-prova. Adotou-se uma distância e velocidade de deslizamento de

3000 m e 2 ms-1, respectivamente, com carga normal aplicada de 5 N. Não foi

utilizado lubrificante e a temperatura e umidade do ar foram ambiente.

O coeficiente de atrito, f, foi quantificado pelo quociente entre a força tangencial

de atrito, Fa, desenvolvida no contato e o valor da carga normal aplicada (W) (16):

f = Fa / W (A)

Para a quantificação do desgaste nos pinos e discos, foi adotado o coeficiente

de desgaste, K, definido como o volume de desgaste (V) por unidade de carga (W) e

por unidade de distância de deslizamento (x) (17,18). Trata-se assim de uma taxa de

desgaste normalizada em relação à carga, dada por:

K = V / x W (B)



onde as unidades usuais para K são (m3N-1m-1), volume de desgaste (V) em (m3),

carga normal (W) em (N) e distância de deslizamento (x) em (m).

Com relação às propriedades físicas, a massa específica aparente foi

determinada utilizando-se a norma ASTM C20-87, tomando-se em média três

medidas de cada corpo-de-prova. Determinou-se também a massa específica

relativa (relação entre a massa específica aparente e a calculada pela regra da

mistura). As análises das superfícies de desgaste dos pinos foram realizadas por

intermédio de um microscópio eletrônico de varredura, onde se procurou observar os

possíveis mecanismos de desgaste atuantes no contato cerâmico/metal.

III. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Na tabela 3 estão apresentados para os diversos corpos-de-prova os valores

experimentais obtidos para a massa específica aparente (), massa específica

relativa (r), coeficiente de atrito (f) e de desgaste dos pinos (Kp).

Tabela 3. Resultados obtidos de densificação e nos ensaios tribológicos.

Composição

Massa específica

aparente (g/cm3)

Massa específica

relativa (%) f

Kp

(mm3N-1m-1)

A 3,23 99,00 0,60 1,8710-15

B 3,20 98,40 0,75 2,1710-15

C 3,16 97,20 0,63 7,0010-15

D 3,10 95,70 0,39 1,5010-14

As composições A, B e C apresentaram valores de coeficiente de atrito entre

0,60 e 0,75, estando dentro da faixa de valores usualmente referidos na literatura

para contatos tribológicos não lubrificados envolvendo superfícies cerâmicas. Estes

materiais evidenciaram os melhores resultados obtidos em termos de resistência ao

desgaste, caracterizando-se por valores de Kp próximos de 10-15 m3N-1m-1, e

exerceram uma ação tribológica agressiva sobre a superfície metálica oponente

onde se registraram valores de desgaste no disco, Kd, superiores a 10-14 m3N-1m-1,

representativos de desgaste severo.



A composição D apresentou valor relativamente baixo de coeficiente de atrito

(0,39), o que leva a admitir que se formou uma tribocamada de resíduos de

desgaste aderentes à superfície dos pinos logo após o contato pino-disco, onde esta

pode ter agido como um lubrificante. O coeficiente de desgaste em torno de

10-14 m3N-1m-1 foi representativo de desgaste severo, estando relacionado

possivelmente ao decréscimo da massa específica aparente.

A figura 1 apresenta os perfis de coeficiente de atrito em função da distância de

deslizamento para as composições avaliadas neste trabalho. Para a caracterização

tribológica, geralmente utiliza-se o valor médio do coeficiente de atrito

correspondente ao regime estacionário, que se manifesta após uma certa distância

de deslizamento, variável de teste para teste, mas sempre superior a 100 m no

presente estudo.

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Composição A: Si3N4 monolítico

Coe

ficie

nte

de a

trito

Distância de deslizamento (m)0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Composição B: Si3N4- 10% vol. SiCw

Coef

icie

nte

de a

trito

Distância de deslizamento (m)

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Composição C: Si3N4- 20% vol. SiC(w)

Coef

icie

nte

de a

trito

Distância de deslizamento (m)0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Composição D: Si3N4 - SiC(w)

Coe

ficie

nte

de a

trito

Distância de deslizamento (m)



Figura 1. Perfis de coeficiente de atrito em função da distância de deslizamento.

Observou-se que o desgaste dos pinos foi fortemente influenciado pela massa

específica, sendo maior o desgaste em pinos com menor massa específica e vice-

versa, onde a porosidade dos materiais cerâmicos conduz, em geral, a um aumento

drástico de desgaste por via da menor resistência mecânica. Os poros constituem

locais importantes de concentração de tensão e de iniciação de fissuras (16) .

As figuras 2 e 3 mostram as micrografias das superfícies de desgaste das

diferentes composições após o deslizamento sobre ferro fundido, onde se

evidenciou desgaste por microabrasão e a presença de tribocamadas de material

aderente.

O aspecto morfológico das superfícies de desgaste das composições A, B e C

apresentaram-se praticamente limpas e polidas, sendo visíveis apenas alguns

vestígios de material aderente. Esta observação evidencia a fraca adesão dos

resíduos de desgaste aos materiais cerâmicos com maior densidade teórica e,

conseqüentemente, o coeficiente de atrito resultou mais elevado, tendo-se lhe

associado, apesar disso, os valores mais baixos para o coeficiente de desgaste.

(A) composição A: superfície de desgaste sem aderência de material metálico.



(B) composição B: Vestígios de material metálico na superfície de desgaste.

(C) composição C: Pequenas partículas de material metálico aderente à

superfície cerâmica

Figura 2. Aspectos das superfícies de desgaste em pinos cerâmicos.

Para a composição D, figuras 3A e 3B, a superfície de desgaste revelou a

existência de camadas de resíduos de desgaste aderentes ricas em ferro,

apresentando um aspecto escamoso associado ao desenvolvimento de

microfissuras praticamente perpendiculares à direção de deslizamento.

Observou-se que com o acréscimo de reforço em 30% vol. SiC (w), a massa

específica diminuiu, ocasionando o surgimento de porosidades e o enriquecimento

de camada aderente rica em ferro proveniente da superfície desgastada do disco.



(A)

(B)

Figura 3. Superfície de desgaste da composição D, onde se observa uma visão

geral do pino cerâmico (A) e a aderência extensa de camada metálica na superfície

cerâmica (B).

IV. CONCLUSÕES

Nas condições de contato adotadas, as propriedades tribológicas degradaram-

se acentuadamente com o aumento do teor de reforço para 30% em vol. de SiC (w),

devido ao decréscimo da massa específica aparente, mostrando claramente a



dependência do nível de densificação sobre o coeficiente de atrito e na resistência

ao desgaste do pino e do disco de ferro fundido.

O desgaste dos cerâmicos foi fortemente influenciado pela sua massa

específica, aumentando com a porosidade devido a menor resistência mecânica.

Neste caso está a composição D, onde se observou um desgaste mais elevado, se

bem que controlado por uma efetiva ação protetora de camada de terceiro corpo

aderente rica em ferro, que se traduziu nos valores mais baixos do coeficiente de

atrito.

Os melhores resultados em termos de resistência ao desgaste foram obtidos

para as composições A, B e C, com valores do coeficiente de desgaste muito

próximos de 10-15 m3N-1m-1, associados a superfícies de desgaste praticamente

limpas e polidas, evidenciando fraca adesão de resíduos de desgaste e conferindo a

estas composições os valores de coeficiente de atrito mais elevado.

A avaliação das características de atrito e desgaste de pares tribológicos

compósito cerâmico Si3N4-SiC(w) / ferro fundido nodular, mostrou que os mecanismos

de desgaste predominantes foram a microabrasão e a formação de tribocamadas

aderentes, associadas a reações triboquímicas nas superfícies de desgaste.

AGRADECIMENTOS

FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

CTA/IAE/AMR – Divisão de Materiais

IPEN/USP – Departamento de Materiais Cerâmicos

UNIVERSIDADE DO MINHO, Departamento de Engenharia Mecânica, Guimarães,

Portugal

REFERÊNCIAS

[1] G.C. Wei; P.F. Becher, Amer. Ceram. Soc. Bull., 64 (2), p. 298, 1985.

[2] Y.K. Baek; C.H. Kim, J. Mater. Sci., 24, p. 1589, 1989.

[3] S.L. Hwang; H.T. Lin; F.P. Becher, J. Mater. Sci., 30, p. 6023, 1995.



[4] P. Sajgalik; J. Dusza; M.J. Hoffmann, J. Amer. Ceram. Soc., 78 (10), p. 2619,

1995.

[5] D.R. Askeland, Ed. Springer Verlag, New York, 1990.

[6] J. Vleugels; P. Jacobs; P. Vanherck, Wear, 189, p. 32, 1995.

[7] L. Fang, Y. Gao; L. Zhou; P. Li, Wear, 171, p. 129, 1994

[8] X. Dong ; S. Jahanmir, Wear, 165, p. 169, 1993.

[9] G. Khurshudov; Y.N. Drozdov; K. Kato, Wear, 189, p. 179, 1995.

[10] A. Skopp; M. Woydt; K.H. Habig, Wear, 181, p. 571, 1995.

[11] Y. Wang; S.M. Hsu, Wear, 195, p. 35, 1996.

[12] S.A. Baldacim; M.M. Silva; C.R.M. Silva; J.R. Gomes, Anais do XV Congresso

Brasileiro de Engenharia Mecânica, p. 256, 1999.

[13] P.J. Blau, Glossary of Terms Friction, Lubrication and Wear Thecnology. ASM

International, Vol. 18, 1992.

[14] B. Bhushan. B. Gupta, Handbook of Tribology. Ed.McGraw Hill. 1981.

[15] J. M. M. Carrapichano, Tese de Mestrado, Universidade de Aveiro, Portugal,

1997.

[16] J.R. Gomes, Tese de Doutorado, Universidade do Minho, Portugal, 1997.

[17] C.E. Devore; C.S. Yust, Tribol. Trans., 33 (4), p. 573, 1990.

[18] P.J. Blau, Lubric. Eng., 45, (10), p. 609, 1989.

FRICTION AND WEAR COEFFICIENT EVALUATE IN CERAMICS COMPOSITES Si3N4-SiC(w)

ABSTRACT

For ceramics composites reinforced by whiskers platelets and/or fibers, aiming

their utilization in structural applications such as cutting tools is necessary evaluate

the friction and wear coefficient when sliding against metallic alloys. This work has as

objectives characterize and analyze the friction and wear coefficient of the ceramics

composites Si3N4-SiC(w) in sliding against gray cast iron utilizing the pin-on-disc

tribometer. All tests were performed with the same parameters, without lubrication at



a distance and sliding speed of the 3000 m and 2 m/s, respectively, with a constant

normal force of 5 N in room temperature and humidity. The results obtained showed

a low friction and wear coefficient related to densification degree of the sample

analyzed. By scanning electron microscope (SEM), the dominant wear mechanisms

observed for the pins ceramics Si3N4-SiC(w) on the metallic surface are abrasive

polishing and tribooxidation process.

Key-words: Compressive creep, ceramics composites, silicon nitride, silicon carbide

whiskers.

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