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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
YORDAN MADUREIRA DE ALMEIDA
ESTUDO DO DESGASTE POR DESLIZAMENTO DOS FERROS FUNDIDOS BRANCOS ALTO CROMO E
MOLIBDÊNIO
VITÓRIA 2008
YORDAN MADUREIRA DE ALMEIDA
ESTUDO DO DESGASTE POR DESLIZAMENTO DOS
FERROS FUNDIDOS BRANCOS ALTO CROMO E
MOLIBDÊNIO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica do Centro
Tecnológico da Universidade Federal do Espírito
Santo, como requisito parcial para a obtenção do
Grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na
área de Materiais e Processos de Fabricação.
Orientador: Prof. Dr. Cherlio Scandian.
Vitória
2008
YORDAN MADUREIRA DE AMEIDA
ESTUDO DO DESGASTE POR DESLIZAMENTO DOS FERROS
FUNDIDOS BRANCOS ALTO CROMO E MOLIBDÊNIO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Espírito Santo como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Aprovada em de de 2008.
COMISSÃO EXAMINADORA
Prof. Dr. Cherlio Scandian - Orientador
UFES – Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Antonio Cezar Bozzi – Membro interno
UFES – Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Christine Boher
Ecole dês Mines d’Albi Carmaux - França
A Deus, pela minha saúde e
a das pessoas que amo.
AGRADECIMENTOS
A minha mãe, Eleuza Madureira de Almeida, por dar suporte a todas as vitórias
alcançadas na minha vida. A pessoa que considero grande responsável por todas elas
pelos incentivos, por priorizar minha educação e por inclusive, em vários momentos,
aprender junto a mim assuntos dos mais diversos.
Ao meu pai, Hailton José Borges de Almeida, pelo incentivo sempre presente na
educação de alto nível e por dar as condições que possibilitaram esta educação.
Agradeço ao meu irmão, Hailton Madureira de Almeida por me dar um exemplo de
sucesso a seguir e ao meu tio Rômulo Madureira de Almeida a quem considero como
irmão.
À parceira Ana Carolina Alves Bernabé pela ajuda na formatação final deste trabalho e
pelo carinho, compreensão, amizade e parceria dedicada nestes tempos de mestrado.
Ao meu orientador, Cherlio Scandian, pessoa essencial na minha formação como
engenheiro e pesquisador. Um grande professor, incentivador e amigo que fiz nesses
anos de universidade. Um verdadeiro mentor da minha vida acadêmica. Obrigado
professor Cherlio.
Ao professor Marcelo Camargo Severo de Macedo, pelas aulas, conselhos e amizade
durante meus estudos.
Aos professores Flávio José da Silva, Temístocles de Souza Luz, Antonio Cezar Bozzi,
que completam o time de materiais e processos de fabricação da UFES e estão sempre
dispostos a contribuir.
Às empresas Usicorte e Alvatec, bem como os colegas Flávio Travezani, Paulo
Giovane, Francisco, Fábio, Pablo e Leonardo pela ajuda na fabricação dos corpos de
prova.
À professora Christine Boher, que me recebeu na Ecole des Mines d’Albi Carmaux–
França, abrindo as portas dos laboratórios para que os ensaios pudessem ser
realizados.
Aos diretores da Ecole dês Mines D’Albi Carmaux, senhores Bruno Verlon, Alain
Bonafer e Jacques Schuartz pela parceria com a UFES e pelo acolhimento na França.
Aos técnicos Sergi e Sabine pela ajuda no manuseio dos equipamentos da Escola de
Minas de Albi.
Aos colegas de mestrado João Paulo Barbosa, Giovane Caser, Ricardo Tottola,
Alexandre Pícoli, Alexandre Avelar, Juliano Frigini e todos os que estiveram juntos
nesses tempos de pós-graduação.
À Ana Flávia Scandian, Sofia e Loïc, família do meu orientador, que me receberam em
sua casa em Albi-França durante os meses de ensaios desta dissertação.
Aos professores do PPGEM da UFES.
À CAPES, pela sessão da bolsa de estudos.
À técnica administrativa, Maria José, do PPGEM.
Aos meus familiares, amigos e todos aqueles que direta ou indiretamente, contribuíram
para este momento único.
A Deus, por proporcionar todo o necessário para as vitórias da vida.
As raízes da educação são amargas,
mas o fruto é doce.
Aristóteles
RESUMO
Os ferros fundidos brancos alto cromo são conhecidos por sua alta resistência ao desgaste. O molibdênio aumenta a temperabilidade da liga. O presente trabalho tem como objetivo avaliar a resistência ao desgaste de quinze 15 diferentes composições de ferros fundidos brancos alto cromo e molibdênio. Foram realizados ensaios pino sobre disco, onde os pinos são ligas de Ferro Fundido Branco Alto Cromo e Molibdênio e os discos são de aço SAE 1020. Nos ensaios foram adquiridos dados de coeficiente de atrito e taxa de desgaste. Antes e após os ensaios, foi realizada a caracterização das superfícies dos pinos por imagens de uma lupa binocular. A caracterização também foi auxiliada por um rogosimetro ótico. Os discos foram caracterizados apenas após os testes. As diferentes taxas de desgaste e coeficientes de atrito medidas foram comparadas com as marcas de desgaste deixadas nos pinos e discos e comparados também a microestrutura das ligas. Observou-se que a taxa de desgaste e o atrito são dependentes da microestrutura da liga.
ABSTRACT
The high white cast iron chromium are know by their high wear resistance. The molybdenum increase the hardenability of the alloy. The present work aim to estimate the wear resistance of fifteen15 different compositions of white cast iron height chromium and molybdenum. There was realized pin on disc tests, when the pin are white cast irons and the disc are steel SAE 1020. In the tests, there was acquired data’s of friction coefficient and wear rate. Before and after the tests, there was realize the characterization of surfaces of pins by photographs with an optical binocular. The characterization was help by a rugosimetre optical to. The discs was characterized only after the tests. The difference of wear rate and friction coefficient was compared with the wear risk let on pins and discs and compared with microstructure of the alloys. There was observed that, the wear and the friction coefficient were dependent on microstructure.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - MECANISMOS DE DESGASTE DURANTE DESLIZAMENTO: ADESÃO DAS JUNÇÕES E
TRANSFERÊNCIA DE MATERIAL (A), FADIGA DE SUPERFÍCIE DEVIDO À DEFORMAÇÃO
PLÁSTICA REPETITIVA EM MATERIAIS DÚCTEIS (B), FADIGA DE SUPERFÍCIE EM MATERIAIS
FRÁGEIS (C) E REAÇÃO TRIBOQUÍMICA E QUEBRA DE FILMES FORMADOS POR REAÇÕES
QUÍMICAS. (D) (ZUM GAHR, 1987). ...........................................................................20
FIGURA 2 - PROPRIEDADES METALÚRGICAS QUE INFLUENCIAM O DESGASTE POR DESLIZAMENTO
(ZUM GAHR, 1987). ...................................................................................................21 FIGURA 3 - FATORES QUE INFLUENCIAM OS MECANISMOS DE DESGASTE DURANTE O DESLIZAMENTO ENTRE
CORPOS (ZUM GAHR, 1987)..............................................................................................21
FIGURA 4- GEOMETRIAS EMPREGADAS EM ENSAIOS POR DESLIZAMENTO. (HUTCHINGS, 1992)................................................................................................................................27
FIGURA 5 - MICROGRAFIAS OBTIDAS POR MEIO DE MICROSCOPIA ÓTICA DE LIGAS COM 16, 20 24
% EM PESO CR, COM TEORES DE 0, 3, 6, 9 % EM PESO DE MO (CARVALHO, 2005). ....33
FIGURA 6 - MICROGRAFIAS OBTIDAS POR MEIO DE MICROSCOPIA ÓTICA DE LIGAS COM 28, 32 %
EM PESO DE CR, COM TEORES DE 0, 3, 6, 9 % EM PESO DE MO (CARVALHO, 2005).....34
FIGURA 7 - GEOMETRIA DO PINO (CORPO), VISTAS FRONTAL E SUPERIOR. .............................38
FIGURA 8 – ELETROEROSÃO DOS BLOCOS DE FERRO FUNDIDO BRAÇO ALTO CROMO E
MOLBDÊNIO PARA RETIRADA DE CILINDROS (A) E SEQÜÊNCIA DAS OPERAÇÕES DE USINAGEM
ATÉ A FORMA FINAL DOS CORPOS DE PROVA (B)............................................................40
FIGURA 9 - DESENHO DO DISCO COM DIMENSÕES INDICADAS. ..............................................43
FIGURA 10 - FABRICAÇÃO DOS DISCOS NO LABTECMEC DA UFES E OS DISCOS USINADOS
RESPECTIVAMENTE. ...................................................................................................43
FIGURA 11 - FOTOGRAFIA DO PINO 60_2 ANTES COM AUMENTO DE 52 X (A) E APÓS O
LIXAMENTO (B)...........................................................................................................45
FIGURA 12 - RUGOSÍMETRO ÓTICO REALIZANDO MEDIÇÕES DA TOPOGRAFIA DA PISTA DE
DESGASTE DE DIVERSOS DISCOS TESTADOS. ................................................................46
FIGURA 13 - FOTOGRAFIA DO TRIBÔMETRO PINO SOBRE DISCO DO CROMEP E DO PORTA PINO
UTILIZADO PARA FIXAÇÃO DO PINO NO TRIBÔMETRO. [A] FOTOGRAFIA GERAL DO
TRIBÔMETRO [B] FOTOGRAFIA DETALHADA. .......................................................... 47 E 48
FIGURA 14 - PERDA DIMENSIONAL DOS PIÕES DE FERROS FUNDIDOS BRANCOS EM FUNÇÃO DO
TEOR EM CROMO E MOLIBDÊNIO. .................................................................................51 FIGURA 15 - TAXA DE DESGASTE DAS DIFERENTES LIGAS ESTUDADAS EM FUNÇÃO DA NATUREZA
DAS FASES PRESENTES NA MATRIZ E DA DUREZA DOS MATERIAIS. [A] 0% MO [B] 3% MO [C] 6% MO [D] 9% MO ............................................................................................ 54 E 55
FIGURA 16 - LIGA 28%CR-0%MO ANTES DO ENSAIO [A] E APÓS ENSAIO [B]. ..........................57
FIGURA 17 –FOTOMICROGRAFIA DA LIGA 28%CR-0%MO REALIZADA POR MEV, ELÉTRONS
RETROESPALHADOS. [A] VISTA GERAL DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CANTO ESQUERDO DO
CORPO DE PROVA INDICANDO O SENTIDO DO DESLIZAMENTO [B] REGIÃO AMPLIADA A
APROXIMADAMENTE 60µM DA ENTRADA E [C] FOTO DA REGIÃO CENTRAL AMPLIADA. .......58
FIGURA 18 - FOTOGRAFIA DA LIGA 32%CR-3%MO REALIZADA EM LUPA BINOCULAR COM
AUMENTO DE 52 X ANTES DO ENSAIO [A] E APÓS O ENSAIO [B]. ......................................59
FIGURA 19 – FOTOMICROGRAFIA DA SEÇÃO TRANSVERSAL DA SUPERFÍCIE DE DESGASTE DA LIGA
32%CR-3%MO REALIZADA POR MEV COM AUMENTO DE 1000 X..................................60
FIGURA 20 - FOTOGRAFIA DA LIGA 28%CR-9%MO REALIZADA EM LUPA BINOCULAR COM
AUMENTO DE 52 X ANTES DO ENSAIO [A] E 40 X APÓS ENSAIO [B]...................................61
FIGURA 21 - FOTOMICROGRAFIA DA LIGA 28%CR-9%MO REALIZADA POR MEV COM AUMENTO
DE 1000 X [A] E 2000 X [B]. ............................................................................... 61 E 62
FIGURA 22- FOTOGRAFIA DA LIGA 16%CR-3%MO REALIZADA EM LUPA BINOCULAR COM
AUMENTO DE 52 X ANTES DO ENSAIO [A] E 40 X APÓS ENSAIO [B]...................................63
FIGURA 23 - FOTOMICROGRAFIA DA LIGA 16%CR-3%MO REALIZADA POR MEV COM AUMENTO
DE 1000 X [A] E 2000 X [B]. ............................................................................... 64 E 65
FIGURA 24 – CURVAS DE ATRITO PARA LIGAS FERRÍTICAS QUE OBTIVERAM ALTO DESGASTE. ..65
FIGURA 25 – CURVAS DE ATRITO PARA LIGAS QUE OBTIVERAM MÉDIO DESGASTE. ..................67
FIGURA 26 – EVOLUÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO DA LIGA EM FUNÇÃO DO TEMPO PARA UMA
LIGA COM 24%CR-9%MO COM UMA MATRIZ FERRÍTICA [A] E EVOLUÇÃO DO COEFICIENTE DE
ATRITO EM FUNÇÃO DO TEMPO PARA A LIGA 32% CR E 9% MO (MATRIZ FERRÍTICA) [B] E A
EVOLUÇÃO DO DESGASTE EM FUNÇÃO DO TEMPO PARA A LIGA 24%CR-9%MO COM MATRIZ
FERRÍTICA [C]. ................................................................................................... 68 E 69
FIGURA 27 - EVOLUÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO EM FUNÇÃO DO TEMPO PARA A LIGA 24%
CR E 3% MO (MATRIZ POLIFÁSICA : FEα + FEα’ + FEγ).................................................70
FIGURA 28 – GRÁFICO DO DESVIO MÉDIO DA SUPERFÍCIE X DESGASTE ..................................71
FIGURA 29 – IMAGEM TOPOGRÁFICA DO PINO 28 % CR-0% MO ANTES DO ENSAIO [A] , APÓS O
ENSAIO [B] E DO CONTRA-CORPO DESGASTADO [C]. ......................................................73
FIGURA 30 - ANÁLISE TOPOGRÁFICA DA LIGA 16 %CR-3% MO ANTES DO ENSAIO [A], APÓS O
ENSAIO [B] E DO DISCO DESGASTADO [C]............................................................................................. 74
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - LIGAS ESTUDADAS COM RESPECTIVAS QUANTIDADES DE CROMO E MOLIBDÊNIO ....36
TABELA 2 – CODIFICAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ..............................................................41
TABELA 3 – TABELA COM OS DADOS USADOS PARA O CÁLCULO DO DESGASTE – APRESENTA AS
MEDIÇÕES UTILIZADAS PARA CÁLCULO DAS TAXAS DE DESGASTE E O RESULTADO DA
PRÓPRIA TAXAS DE DESGASTE. ...................................................................................78
LISTA DE SIGLAS
µm – micrometro
ASTM G99 – American Society for Testing and Materials
BSE – Elétrons retro-espalhados
C – Carbono
CBN – Nitreto cúbico de boro
Cr – Cromo
CROMeP/EMAC – Centro de Pesquisa em Ferramentas e Materiais e Processos /
Ecole dês mines d Albi Carmaux.
HV25 – Dureza Vikers
IBG – Indústria de Máquinas e Equipamentos Ltda
LABTECMET – Laboratório de tecnologia mecânica
LABVIEW – Laboratório
MEV – Microscópio eletrônico de varredura
mm – milímetro
Mo – Molibidênio
SAE – Sociedade dos Engenheiros automotivos e Aeroespaciais
UFES – Universidade Federal do Espírito Santo
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO..................................................................15
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................17
2.1 TRIBOLOGIA ...................................................................................17
2.1.1 Desgaste Por Deslizamento ........................................................................19
2.1.2 Ensaios Tribológicos em Desgaste por Deslizamento .............................26
2.2 FERROS FUNDIDOS BRANCOS ALTO CROMO............................29
2.2.1 Ferros fundidos Brancos Alto Cromo e Molibdênio .................................31
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS ................................................38
3.1 MATERIAIS E DESIGNAÇÃO DAS AMOSTRAS .............................38
3.1.1 Pino (Corpo) .................................................................................................38
3.1.2 Disco (Contra-Corpo)...................................................................................41
3.2 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS ...........................................44
3.2.2. Quanto ao Disco .............................................................................. 44
3.3 TRIBÔMETRO PINO-DISCO............................................................46
3.4 METODOLOGIA...............................................................................49
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES......................................51
4.1 TAXAS DE DESGASTE ...................................................................51
4.2 – ANÁLISE DOS MICROMECANISMOS DE DESGASTE................56
4.3 CURVA DE EVOLUÇÃO DO ATRITO..............................................65
4.4 ANÁLISE TOPOGRÁFICA DAS LIGAS............................................71
CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES.................................................................75
CAPÍTULO 6 - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS................76
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................77
ANEXO A..................................................................................................79
15
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
O desgaste por deslizamento dos materiais parece ser de impossível previsão. Ele é,
claramente, uma função do substrato do material, porém, os eventos que ocorrem nas
superfícies em movimento relativo são também muito influentes (O. BARRAU ET AL.
2006).
São muitas as variáveis, tanto na superfície quanto no substrato, que exercem
influência no comportamento dos materiais em deslizamento. Alguns desses são: a
rugosidade da superfície, textura (dependente do método de fabricação), vibração,
dimensões dos corpos, propriedades triboquímicas, entre outros muitos fatores (ZUM
GAHR, 1987).
Essas variáveis podem ser simuladas em ensaios tribológicos que procuram, então,
verificar o comportamento de sistemas que geram desgaste. Isso é feito com ensaios
que procuram repetir mecanismos de desgaste em um material ou simular um
tribossistema que ocorre na prática. Esses ensaios são usados, por exemplo, para
prever a vida útil de materiais, para desenvolver lubrificantes, desenvolvimento de
novos materiais, entre outras muitas funções. Deve-se, para tal, controlar o máximo de
variáveis possíveis que podem exercer influência no comportamento e nos mecanismos
de desgaste (ZUM GAHR, 1987).
A seleção dos materiais dos componentes de um sistema é controlada por fatores que
podem ou não envolver tribologia. O custo, por exemplo, é um fator vital para escolha
de materiais. Às vezes, o peso ou a resistência à corrosão é preponderante. Em alguns
sistemas, a resistência ao desgaste é o elemento mais importante. No caso da seleção
de materiais resistentes ao desgaste por deslizamento, deve-se levar em consideração
as precisas condições que regulam o deslizamento (HUTCHINGS, 1992).
Ferros fundidos brancos são materiais muitas vezes selecionados em situações em que
se requer resistência ao desgaste.
16
Este trabalho pretende estudar a resistência de diversas ligas de ferros fundidos
brancos alto cromo e molibdênio quanto à resistência ao desgaste por deslizamento em
uma condição de ensaio. Os testes foram realizados em tribômetro pino sobre disco
onde os pinos são ligas de ferro fundido branco alto cromo e molibdênio e os disco são
de aço SAE 1020. A carga aplicada nos ensaios foi de 20N, a rotação no disco foi de
200 rpm e o tempo total de cada ensaio foi de 30 minutos.
Esses materiais são conhecidos por sua alta resistência à abrasão. Essa resistência
está relacionada à presença de carbonetos primários e/ou eutéticos.
O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica da dissertação. Os conceitos de
tribologia, as formas como o desgaste se apresenta com uma ênfase especial para o
desgaste por deslizamento, são apresentados nessa seção. São revisados também os
conceitos, aplicações, características microestruturais dos ferros fundidos brancos alto
cromo e dos ferros fundidos brancos alto cromo e molibdênio, materiais estudados
nesse trabalho.
No capítulo 3 são apresentados os materiais estudados – Pino (corpo) e Disco (contra-
corpo), os equipamentos usados nos ensaios (tribômetro, politriz, ultra-som...) e os de
análise (MEV, lupa binocular, rugosímetro ótico), bem como os materiais que auxiliam
as tarefas experimentais. A metodologia de trabalho também é apresentada nessa
parte do trabalho.
O capítulo 4 apresenta os resultados e as discussões geradas a partir dos ensaios pino
sobre disco e das análises de MEV, binocular, análises de superfície de desgaste e
comparações com a microestrutura dos materiais.
No capítulo 5 têm-se as conclusões e no capítulo 6 as sugestões para trabalhos futuros.
As referências bibliográficas citadas e consultadas nesta dissertação são apresentadas
no capítulo 7.
17
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 TRIBOLOGIA
Segundo hutchings (1992), tribologia é o estudo do atrito, desgaste e lubrificação. Esta
recente ciência teve início oficial em 1966 no Reino Unido por meio de um estudo que
quantificou as perdas econômicas provenientes do desgaste e o quanto poderia ser
economizado anualmente, se os princípios da tribologia fossem corretamente aplicados
(JOST, 1997).
Desde então, de acordo com Blau (1997), diversos estudos tribológicos foram
realizados seguindo geralmente as seguintes motivações para os trabalhos:
* entender o comportamento do desgaste em uma família particular de materiais;
* otimizar a seleção de materiais para uma determinada aplicação;
* entender os efeitos de certas variáveis num modo particular de desgaste;
* desenvolver modelos para prever ou descrever o desgaste em tribosistemas
específicos.
Os mecanismos como o desgaste se desenvolve, podem ser classificados de diversas
maneiras, dependendo do ponto de vista de cada pesquisador. Zum Gahr (1987)
mostra que, apesar das várias classificações, pode-se distinguir quatro mecanismos
básicos de desgaste. Abrasão, que é a remoção do material devido ao riscamento
produzido por uma partícula dura; adesão é a formação e a quebra de ligações entre os
contatos; fadiga de superfície é a fadiga e formação de trincas na superfície devido a
ciclos de fadiga tribológica e a conseqüente separação do material e, por fim, o
desgaste por reação triboquímica, que é a formação de produtos de reação química
resultantes de interações entre os elementos do tribosistema.
18
Esses mecanismos de desgaste descrevem as formas como os contatos em movimento
relativo provocam a perda de massa. Dentre essas formas, tem-se como principais o
desgaste abrasivo, o desgaste erosivo, o desgaste por fretting, desgaste por
deslizamento entre outras. (GAHR, 1987).
O desgaste abrasivo pode ser definido como a perda de massa devido à penetração de
partículas duras, ou de uma superfície com asperidades endurecidas em deslizamento
contra uma outra mais macia. O processo em que ocorre este tipo de desgaste divide-
se em desgaste a dois ou a três corpos. A resistência à abrasão não é uma propriedade
do material e depende do sistema tribológico (GAHR, 1987).
O desgaste erosivo ocorre quando uma partícula dotada de movimento atinge uma
superfície (HUTHINGS, 1992). Em 1958 e 1960 foram publicados os primeiros trabalhos
sobre erosão (BLAU, 1997). As variáveis importantes que governam este fenômeno são
a velocidade da partícula, ângulo de incidência e fluxo. Nos metais dúcteis observa-se
um máximo de erosão nos ângulos de incidência entre 15-30º. O controle deste tipo de
desgaste é importante para o funcionamento e para a aparência de muitas máquinas e
produtos de consumo (BLAU, 1997).
Fretting ocorre em juntas mecânicas parafusadas, tubos de materiais em transporte e
conectores elétricos de máquinas que sofrem com vibração e envolvem oscilações de
baixa amplitude. Esse tipo de desgaste pode envolver corrosão gerando debris
oxidados (BLAU, 1997).
O desgaste por deslizamento pode ser caracterizado como o ocorrido pelo movimento
relativo entre duas superfícies em contato sobre uma carga aplicada (GAHR, 1987).
Esse tipo de fenômeno de desgaste será explicado com melhores detalhes na seção
seguinte.
Uma publicação de 1976 mostrou estimativas que 50% do desgaste existente na
indústria era abrasivo, 15% adesivo, 8% erosão e 5% químico. Porém, a grande maioria
19
dos estudos tribológicos realizados entre os anos de 1977 e 1995 foram sobre
deslizamento. Esse interesse pelo desgaste por deslizamento pode ser explicado por
este ser mais mecanicamente complexo do que as outras formas porque envolve não
somente corte e sulcamento como na abrasão, mas também adesão das asperidades,
iniciação e crescimento de trincas sub-superficiais, transferência de material, formação
de filme triboquímico, entre outros fenômenos (BLAU, 1997).
2.1.1 Desgaste Por Deslizamento
O desgaste por deslizamento ocorre quando duas superfícies sólidas deslizam uma
sobre a outra (HUTHINGS, 1992). Na maioria das vezes, esse fenômeno ocorre com
atuação de lubrificação de alguma maneira. Quando duas superfícies deslizam uma
sobre a outra sem lubrificação, apenas com a presença do ar, chama-se esse
fenômeno de desgaste por deslizamento a seco. O termo desgaste adesivo é usado
para descrever o desgaste por deslizamento, mas este é um tanto incompleto, pois
adesão é apenas um fenômeno dentre vários fenômenos físicos e químicos que podem
envolver o processo (HUTHINGS, 1992). Alguns mecanismos são mostrados na Figura
1 a seguir.
20
Figura 1 - Mecanismos de desgaste durante deslizamento: adesão das junções e transferência de material (a), fadiga de superfície devido à deformação plástica repetitiva em materiais dúcteis (b), fadiga de superfície em materiais frágeis (c) e reação triboquímica e quebra de filmes formados por reações químicas. (d) (ZUM GAHR, 1987).
Algumas das principais variáveis que envolvem o desgaste por deslizamento são: as
velocidades de deslizamento, cargas aplicadas, dimensões dos corpos, orientações,
dureza, condições ambientais. (HUTHINGS, 1992).
A Figura 2 mostra vários fatores metalúrgicos influentes no desgaste por deslizamento e
a Figura 3 os fatores gerais que influenciam os mecanismos de desgaste por
deslizamento.
21
Figura 2 - Propriedades metalúrgicas que influenciam o desgaste por deslizamento (Zum Gahr, 1987).
Desgaste
por Deslizamento
Dureza Capacidade de Deformação
Endurecimento
Estrutura Cristalina Reatividade Química
Reatividade Física Distribuição de Deslizamento
Resistência à nucleação de trincas
Resistência a Propagação de Trincas
Módulo de Young
Carga Coeficiente de Atrito
Ambiente Temperatura de Contato
Propriedade do Material
Tração Tangencial
Área de Contato
Condição de Carregamento
Elemento Interfacial
Deformação Elástica e Plástica
Contra-Corpo
Propriedade do Material
Adesão Fadiga de superfície
Reação Tribiquímica
Abrasão
Desgaste Por Deslizamento
Figura 3 – Fatores que influenciam os mecanismos de desgaste durante o deslizamento
entre corpos (Zum Gahr, 1987).
22
A equação de ARCHARD mostra que a taxa de desgaste medida em volume perdido
por distância deslizada é diretamente proporcional à carga aplicada e inversamente
proporcional à dureza do material e depende também das propriedades de cada
material e das variáveis do sistema na forma do coeficiente de desgaste (HUTCHINGS,
1992).
O desgaste por deslizamento sem lubrificação nos metais depende de vários fatores. A
velocidade e a carga de deslizamento, por exemplo, influenciam na geração e
destruição de óxidos respectivamente. Esse fenômeno determina, por exemplo, se o
deslizamento será metal com metal ou óxido com metal (HUTCHINGS, 1992).
Os mecanismos propostos para o desgaste severo nos metais envolvem deformações
plásticas, diferindo-se as maneiras de como o material é removido (HUTCHINGS,
1992). Esses mecanismos de remoção são muito difíceis de se diferenciar e só podem
ser feitos com uma boa análise das superfícies desgastadas e dos debris gerados. As
superfícies após desgaste contêm debris em todos os estágios de seu ciclo de vida,
porém, de difíceis identificações.
Teorias mais recentes sobre os mecanismos de desgaste por deslizamento sugerem
que o material é removido em fragmentos das asperidades por adesão, deformação
plástica e ruptura. Outro modelo sugere que o fragmento gerado se adere
imediatamente no contra-corpo gerando uma nova asperidade, que por sua vez, pode
aderir mais fragmentos até se desprender novamente, formando uma grande partícula
entre os corpos (HUTCHINGS, 1992).
A história da pesquisa do desgaste por deslizamento está envolvida com os estudos
clássicos sobre atrito, pois ambos estudos envolvem o mecanismo do contato. Estudos
fundamentais sobre esse tipo de desgaste e sobre o atrito dos metais foram realizados
em Cambridge, Inglaterra, há mais de 60 anos. Esses estudos foram iniciados por P. F.
Bowden e D. Tabor antes da segunda guerra mundial e pode-se citar uma conclusão
desses trabalhos escrita por eles em 1950 e comentada por Blau (1997) sendo:
23
“O atrito das superfícies dos metais em contato tanto em laboratório como na prática é muito complexo e consiste em: (a) superfícies irregulares são muito grandes quando comparadas as dimensões moleculares, (b) filme óxido e (c) a presença de uma camada debris dentro do contato”.
Rigney (1997) revisou resultados de experimentos que contribuíram ao longo dos anos
com o entendimento do desgaste por deslizamento. Foi revisada por ele, a importância
das mudanças químicas e estruturais que ocorrem na superfície dos metais durante
deslizamento, bem como a importância da deformação plástica, fratura, transferência,
transformação de fase e oxidação.
Quanto aos fenômenos que ocorrem nas superfícies em contato, Rigney (1997)
observou que muitos resultados experimentais mostram claramente deformação
plástica. Transferência de material por adesão e instabilidade das tensões, que podem
ocorrer assim que o deslizamento inicia, ajudam os debris gerados a formar uma
cobertura nanométrica no contato entre superfícies, que é influenciada por diversos
fatores. O que torna complexo e impraticável desenvolver uma única equação que
cubra todos os casos.
Alguns modelos de sucesso tratam da origem das trincas que envolvem a geração dos
debris. Na maioria dos casos, esses debris são formados pelas trincas que se iniciam
abaixo das superfícies em contato e “morrem” na superfície gerando o(s) detrito(s) de
desgaste. No entanto, esses modelos não são convincentes, pois as trincas poderiam
iniciar na superfície e depois evoluir lateralmente, o que é difícil de determinar por
seções transversais (RIGNEY, 1997).
Quanto aos efeitos do ambiente, Rigney (1997) observa que, a ênfase na adesão no
desgaste por deslizamento leva a expectativa de que o atrito e o desgaste sejam
maiores no vácuo. Porém, numa grande combinação de materiais o contrário é
verdadeiro. Isso mostra a importância da estabilidade microestrutural, além do indício
do gradiente de dureza ou endurecimento produzido no deslizamento.
24
É sabido que o atrito e a taxa de desgaste podem mudar repentinamente no progresso
do deslizamento. Existem muitas razões para essas mudanças. Uma das razões é o
encruamento da superfície, outro motivo é a transformação de fases, por exemplo. Em
compósitos de matriz metálica como ligas de alumínio adicionadas por SiC, as
partículas de SiC ajudam a suportar a carga em baixas tensões e apresentam
resistência ao desgaste superior ao alumínio sem essas partículas. Porém, a medida
que a carga aumenta, o SiC fratura e o desgaste fica similar ao alumínio sem esta
adição (RIGNEY, 1997).
O efeito da dureza é complexo e variável. A transferência pode alterar a dureza relativa
das superfícies em contato, podendo esta ser maior ou menor que originalmente
(RIGNEY, 1997).
Em alguns casos, existe um período transitório com taxas de desgaste maiores ou
menores do que a taxa de desgaste no estado permanente (HUTCHINGS, 1992).
Nos primeiros estágios dos ensaios de desgaste por delizamento ocorre o estado
transiente. Este é um período onde, tanto o atrito quanto a taxa de desgaste, produzem
resultados difíceis de prever e reproduzir entre um ensaio e outro. Ele é sensível a
pequenas mudanças na geometria e na preparação da superfície. Após um tempo de
ensaio, o período transiente passa, e todas as variáveis como atrito, taxa de desgaste,
magnitude das flutuações do atrito, rugosidade, entre outros fatores do sistema, tendem
a se tornar constantes (RIGNEY, 1997).
Barrau et al. (2007) comentam que o atrito e o desgaste são geralmente tratados
envolvendo a composição do deslizamento a dois corpos. Porém, os modelos que
tratam estes parâmetros dentro da mecânica do contínuo não consideram que existem
substâncias na superfície dos materiais em deslizamento que ainda não estão bem
entendidas nos modelos existentes.
25
Os mais simples modelos assumem que as partículas separadas no deslizamento de
dois corpos são debris gerados pelo desgaste. Porém, enquanto partículas
desprendidas no deslizamento permanecem entre os corpos e contra-corpos, estas não
podem ser consideradas debris, e estes podem agir como lubrificantes sólidos
(BARRAU ET AL, 2007).
Um ponto de vista da tribologia de interfaces em atrito a seco trata diferentemente atrito
e desgaste (teoria do escorregamento). Os mecanismos de desgaste (aderência,
abrasão, fadiga,...) são substituídos pela complexa seqüência comentada por (BARRAU
ET AL, 2007).
* desprendimento da partícula.
* aprisionamento da partícula e formação de uma camada dessa partícula.
* ativação do estado estacionário do desprendimento das partículas e sua eliminação.
Esta seqüência diferencia o desprendimento de partícula e o desgaste. Em adição a
isto, o conceito de escorregamento é apresentado. A grande dificuldade está em
encontrar o comportamento do terceiro corpo que é muito importante no entendimento
da vida dos corpos em contato (O. BARRAU ET ALLI, 2007).
Em qualquer contato entre superfícies, o circuito tribológico reúne diferentes
escorregamentos de partículas que podem ser identificados dentro e fora do contato
como mostra O. Barrau et al. (2007) a seguir:
* a origem do escorregamento interno: é obtido pelo desprendimento de partículas, pelo dano acumulado nos primeiros corpos, pela inserção de qualquer terceiro corpo artificial como, por exemplo, lubrificantes sólidos; * o escorregamento interno: circulação do terceiro corpo nos contatos; * o escorregamento externo: ejeção do terceiro corpo do contato. Este é subdividido em duas partes; a recirculação (partículas ejetadas que voltam ao contato) e o desgaste por escorregamento (partículas que não retornam ao contato);
O estado estacionário, em termos de escorregamento, é obtido quando a geração de
debris e sua eliminação são balanceadas (BARRAU ET AL., 2007).
26
2.1.2 Ensaios Tribológicos em Desgaste por Deslizamento
O equipamento usado para medir desgaste por deslizamento e atrito chama-se
tribômetro. Os experimentos laboratoriais são usados para pesquisar os mecanismos
pelos quais ocorrem o desgaste, ou uma simulação de um processo na prática, obtendo
taxas de desgaste e coeficientes de atrito. É de extrema importância que se controle o
máximo de variáveis possíveis, pois a simples variação de uma delas, pode levar a
mudanças radicais do mecanismo de desgaste dominante e na taxa de desgaste
associada a esse mecanismo (HUTHINGS, 1992).
A Figura 4 mostra diferentes geometrias de ensaios de desgaste por deslizamento. Os
métodos mais comuns de ensaios são o anel sobre anel (A), disco sobre disco (B), pino
sobre disco (C), pino sobre anel (D), bloco sobre anel (E), pino sobre placa (F)
(HUTCHINGS, 1992).
27
Figura 4- Geometrias empregadas em ensaios por deslizamento. (HUTCHINGS, 1992)
A medição do coeficiente de atrito durante um teste de desgaste é geralmente feita
medindo-se a força tangencial no corpo de prova, ou o torque no contra-corpo rotativo.
Essa medição em teste gera coeficientes de atrito no ato do ensaio, o que pode
demonstrar mudanças no comportamento do deslizamento e o motivo dessas
mudanças (mecanismo de desgaste) (HUTHINGS, 1992).
Muitos ensaios por deslizamento já são normalizados. O ensaio pino-disco, por
exemplo, pode ser encontrado na norma ASTM G99 (HUTHINGS, 1992).
O desgaste em condições de deslizamento depende da distância deslizada e também
da velocidade de deslizamento. Esta afeta a taxa de dissipação de energia e a
temperatura na interface. É claro, então, que não se pode assumir um mesmo resultado
28
num teste de desgaste se fosse diminuída a distância deslizada pela metade,
aumentando-se a velocidade em duas vezes (HUTHINGS, 1992).
Vergne (2001) mostrou que coeficiente médio de atrito do par aço 1018 e ferro fundido
branco é 0,6 em temperatura ambiente, resultado encontrado em ensaio pino sobre
disco. A literatura (Bowden e Tabor) fornece o coeficiente de atrito do ferro fundido
contra ferro fundido de 0,3. A presença de carbonetos pode explicar essa grande
diferença entre os coeficientes.
O. Barrau et alli (2006) estudou a influência de duas geometrias de pino em ensaio pino
sobre disco em altas temperaturas na circulação dos debris. Uma das geometrias é o
pino com o topo esférico e a outra com o topo reto formando um cone. Esses desenhos
representam um contato conforme e outro não conforme (contato concentrado segundo
Huthings (1992)). Nos materiais testados, foi encontrado que o coeficiente de atrito
médio para o pino esférico e cônico de 0,49 e 0,47 respectivamente na temperatura de
700ºC. Porém, foram encontrados comportamentos diferentes no modo de desgaste
dos dois. Nos ensaios realizados, o pino cônico com topo reto apresentou menos
variações do coeficiente de atrito do que a geometria com topo esférico. Isso porque
todos os debris formados são ejetados e não recirculam dentro do contato. Desse
modo, o estado estacionário é obtido poucos segundos após o início do atrito.
29
2.2 FERROS FUNDIDOS BRANCOS ALTO CROMO
Ferros fundidos brancos são ligas que contêm basicamente ferro, carbono e cromo que
se caracterizam por apresentarem reação eutética durante a solidificação (SANTOS,
1989).
Esses materiais são utilizados em aplicações industriais tais como mineração (bombas,
britadores, moinhos de bola, etc...), equipamentos para movimentação de terra
(agricultura), plantas siderúrgicas, cimento, cerâmica, papel entre outras.
A microestrutura dessas ligas consiste tipicamente de carbonetos primários duros e/ou
eutéticos em uma matriz de austenita ou uma transformação desses produtos. A
natureza da matriz é função da velocidade de transformação no resfriamento e da
composição química (TABRETT, 1996).
Os ferros fundidos brancos alto cromo são conhecidos por sua alta resistência ao
desgaste do tipo abrasivo. Essa resistência é relacionada à presença de carbonetos
primários e/ou eutéticos do tipo M7C3. Estes carbonetos possuem alta dureza
gravitando em torno de 1500 a 1800 HV25. Podem–se variar as propriedades dessas
ligas, adicionando-se elementos de liga e variando-se as características do tratamento
térmico pelas quais podem ser submetidas. A natureza da matriz é função da
velocidade de transformação no resfriamento e da composição química (TABRETT,
1996).
A matriz dos ferros fundidos brancos alto cromo pode variar de totalmente austenítica
até totalmente perlítica. Ela também pode ser composta por uma mistura de perlita,
martensita, bainita e austenita (PATTYN, 1996).
Altos teores de cromo e molibdênio aumentam a temperabilidade da liga, diminuindo a
transformação em perlita ou bainita. Altos teores diminuem também a temperatura de
início de transformação da martensita, aproximando-a da temperatura ambiente. Porém,
30
apesar de a liga poder ter altos teores de cromo, a maioria está combinada com o
carbono na forma de carbonetos o que induz a necessidade de elementos de liga
adicionais para temperabilidade suficiente (PATTYN, 1996).
O molibdênio age como estabilizador da ferrita (y) diminuindo a temperatura de reação
peritética e aumentando o campo de estabilidade dela (BOCCALINI, 2001).
A taxa de resfriamento possui grande influência na dureza das ligas. Como mostrado
por Ikeda (1992), ligas com resfriamento rápido possuíam dureza aumentada quando
se aumentava a quantidade de molibdênio. Já no resfriamento lento o contrário foi
observado.
Quanto aos carbonetos eutéticos e primários, a quantidade de fase (y), formada durante
a solidificação influencia na morfologia do eutético. O carboneto M7C3 tem a tendência
de se formar na região interdentrítica como uma rede de carbonetos eutéticos bem finos
quando o volume residual, após a solidificação da fase (y), é pequeno (MARATRAY,
1970). Esses carbonetos interdendríticos não apresentam uma distribuição contínua
nos contornos de grão e desaparecem quando a taxa de carbonetos ultrapassa 20 %
em média. Quando a fração de carbonetos atinge valores entre 35 e 40 %, esses
carbonetos primários aparecem sob a forma de grandes cristais hexagonais e são
envolvidos por uma rede eutética, sendo esses carbonetos bem maiores que os
eutéticos devido a sua maior temperatura de formação. A porcentagem total de
carbonetos aumenta com os teores de C e Cr (MARATRAY, 1970).
Quanto à resistência ao desgaste, O. Joos et al. (2007) compararam um moderno aço
rápido de microestrutura com matriz martensítica temperada e uma alta fração de
carbonetos primários (MC, M2C e M7C3) e carbonetos secundários precipitados, muito
usados em detrimento dos ferros fundidos brancos alto cromo, e um próprio ferro
fundido alto cromo também de estrutura martensítica e carbonetos M7C3 ricos em
cromo e M2C ricos em molibdênio. Apesar de os resultados em alta temperatura
31
favorecerem o aço rápido, na temperatura ambiente de 20º, o ferro fundido resultou em
um menor coeficiente de atrito e uma menor potência dissipada por atrito.
2.2.1 Ferros fundidos Brancos Alto Cromo e Molibdênio
Atualmente os Compósitos de Matriz Metálicos tem sido mais utilizados e indicados em
detrimento dos ferros fundidos brancos alto cromo (BERNES). No entanto, Ikeda (1992)
estudou que a adição de molibdênio aumenta a resistência ao desgaste dos ferros
fundidos alto cromo.
O molibdênio possui a função de suprimir a formação da perlita, aumentando a
temperabilidade pela efetiva inibição de carbonetos secundários durante o resfriamento.
Ele estimula a formação de carbonetos ricos em Mo. A morfologia, tamanho, fração
volumétrica e distribuição dos carbonetos influenciam a resistência ao desgaste
(TABRETT, 1996).
Ikeda (1992) realizou ensaios com adições de molibdênio de 1, 5, 7 e 10% em massa e
teores de cromo de 20% em ferros fundidos comparando a influência da microestrutura,
solidificação e transformações de fase, propriedades mecânicas e características do
desgaste dos materiais. A resistência ao desgaste em altas temperaturas aumenta com
o aumento da quantidade de molibdênio devido ao aumento da quantidade de
carbonetos Mo2C. Esses carbonetos evitam a propagação das trincas que surgem na
superfície de desgaste. As conclusões de Ikeda (1992) são:
a - a resistência a tração e a tenacidade diminuíram com o aumento da porcentagem de molibdênio; b - a resistência ao desgaste a quente aumentou com o aumento da porcentagem de molibdênio; c - os Mo2C preveniram a propagação de trincas de desgaste; d - os carbonetos eutéticos devem estar em torno de 35%, para contrabalancear propriedades mecânicas e resistência ao desgaste.
32
O molibdênio também atua nos outros elementos de liga como o cobre e o níquel os
quais são mais efetivos na formação da perlita se adicionados em conjunto com o
molibdênio (TABRETT, 1996).
Carvalho (2005) realizou o estudo da microestrutura de 20 ligas de ferros fundidos
brancos alto cromo e alto cromo e molibdênio. Ele obteve as amostras pelo processo de
fundição, realizou metalografia nessas ligas e também análises de difração por raios-X,
dureza, microdureza e tratamento térmico.
As Figura 5 e Figura 6 mostram as micrografias das 20 diferentes ligas com diferentes
teores de cromo e molibdênio estudadas por Carvalho (2005).
33
16% Cr 20% Cr 24% Cr
0% Mo
3% Mo
6% Mo
9% Mo
Figura 5 - Micrografias obtidas por meio de microscopia ótica de ligas com 16, 20 24 % em peso Cr, com
teores de 0, 3, 6, 9 % em peso de Mo (CARVALHO, 2005).
Nas ligas isentas de Mo a microestrutura dominante é constituída basicamente de M7C3
e ferrita. A liga com 24% de Cr possui alguma martensita (CARVALHO, 2005).
34
28% Cr 32% Cr
0% Mo
3% Mo
6% Mo
9% Mo
Figura 6 - Micrografias obtidas por meio de microscopia ótica de ligas com 28, 32 % em peso de Cr, com
teores de 0, 3, 6, 9 % em peso de Mo (CARVALHO, 2005).
35
As ligas com Mo possuem microestrutura composta por carbonetos do tipo M6C e M7C3
em uma matriz de austenita, martensita e ferrita para as ligas hipoeutéticas e ferrita nas
ligas eutéticas, hipereutéticas e na liga com 24%Cr-9%Mo (CARVALHO, 2005).
Nas ligas com mesma quantidade de cromo, a adição de molibdênio resulta no
aumento de dureza salvo nas ligas com 24%Cr-9%Mo, pois estas possuem matriz
ferrítica (CARVALHO. 2005).
Nos ensaios metalográficos, Carvalho (2005) encontrou a composição química real das
ligas e comparou com a quantidade pretendida e concluiu que os valores são muito
próximos.
Com auxílio da difração de raios-X, Carvalho (2005) determinou as fases presentes em
cada uma das ligas.
Carvalho (2005) verificou o aspecto da microestrutura por microscopia óptica e
eletrônica de varredura. As frações volumétricas das fases presentes, forma e tamanho
do carboneto M7C3 foram realizadas por metalografia quantitativa.
A Tabela 1 mostra os resultados encontrados de dureza, fases presentes e respectivas
quantidades nas ligas com 16, 20, 24, 28 e 32 % em cromo com 0, 3, 6, 9 % de
molibdênio (CARVALHO, 2005).
Carvalho (2005) apresentou em sua dissertação de mestrado, um detalhado estudo em
ligas de ferro fundido branco alto cromo e molibdênio. Em continuidade ao seu trabalho,
esta dissertação propõe estudar a resistência dessas ligas ao desgaste por
deslizamento.
36
Tabela 1 - Ligas Estudadas com respectivas quantidades de cromo e molibdênio
Cr Mo Dureza
HV10 MATRIZ CARBONETOS M7C3 MATRIZ
M6C
+
MATRIZ
MATRIZ/
M7C3
16 0 395 Ferrita M7C3 9,9 90,1 0 9,10
16 3 469
austenita+
martensita+
ferrita
M7C3+
M6C 13,3 85,7 1 6,44
16 6 557
austenita+
martensita+
ferrita
M7C3+
M6C 14,5 75,9 9,6 5,23
16 9 732
austenita+
martensita+
ferrita
M7C3+
M6C - - - -
24 0 531 martensita+
ferrita M7C3 26,2 73,8 0 2,82
24 3 583
austenita+
martensita+
ferrita
M7C3+
M6C 27,1 67,8 5,3 2,50
24 6 701
austenita+
martensita+
ferrita
M7C3+
M6C 26,8 58,8 14,5 2,19
24 9 511 Ferrita M7C3+
M6C 15,9 38,3 45,8 2,41
28 0 389 Ferrita M7C3 33,3 66,7 0 2,00
28 3 411 Ferrita M7C3+
M6C 34,4 - - 0,00
28 6 452 Ferrita M7C3+
M6C 35,8 53 11,2 1,48
28 9 568 Ferrita M7C3+
M6C 22,1 33,1 44,8 1,50
32 0 396 Ferrita M7C3+
M7C3 38,4 61,6 0 1,60
32 3 412 Ferrita M7C3+
M6C 43,5 - - 0,00
Este presente trabalho estudou diferentes ligas com composições de cromo e
molibdênio a fim de identificar a resistência ao desgaste por deslizamento de cada uma
delas. Foram analisadas 15 ligas no total, sendo essas ligas divididas em famílias.
Foram divididas em duas famílias de ligas hipo-eutéticas (16 e 24 % em massa de
cromo), uma família eutética (28 % de massa em cromo) e uma liga hiper-eutética (32
37
% em cromo). O objetivo foi relacionar a microestrutura de cada liga com sua
resistência ao desgaste por deslizamento.
38
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 MATERIAIS E DESIGNAÇÃO DAS AMOSTRAS
3.1.1 Pino (Corpo)
Os pinos foram projetados com diferentes composições de cromo e molibdênio nos
ferros fundidos brancos. Foram estudadas 4 famílias de ferros fundidos brancos alto
cromo e molibdênio. Duas famílias de ligas hipo-eutéticas (16 e 24% em massa de
cromo), uma família eutética (28% de massa em cromo), uma família hiper-eutética
(32% em cromo) como já mencionado na seção anterior.
As ligas utilizadas para fabricação dos corpos de prova foram obtidas por Carvalho
(2005) por meio de processo convencional de fundição em areia, no Instituto de
Pesquisas Tecnológicas – SP, gerando blocos de dimensão 40X40X70 mm.
A Figura 7 mostra a geometria do pino usado como corpo de prova para ensaio.
Figura 7 - Geometria do Pino (corpo), vistas frontal e superior.
39
As ligas de ferro fundido branco alto cromo e molibdênio são materiais de difícil
fabricação por usinagem convencional por possuírem em sua composição elementos
como cromo e cobalto que possuem péssima usinabilidade, durezas elevadas, além de
carbonetos duros que promovem desgaste rápido nas ferramentas de corte. As
velocidades de corte, avanço e profundidade de corte na usinagem dessas ligas
costumam ser baixas e a produtividade também.
A fabricação dos pinos seguiu a seqüência de eletroerosão de cilindros nos blocos já
existentes (fabricados por Carvalho) e posterior usinagem deles. Para a eletroerosão
foi utilizada uma máquina por penetração do fabricante IBH – Indústria de Máquinas e
Equipamentos LTDA pertencente à empresa Usicorte.
A usinagem dos pinos realizada após a eletroerosão dos cilindros de aproximadamente
60 mm de comprimento por 15 mm de diâmetro foi feita no Laboratório de Tecnologia
Mecânica da Universidade Federal do Espírito Santo – LABTECMEC. Os cilindros
foram cortados com pastilha de bedame do fabricante SANDVIK Coromant código
N151.2-300 5E 1005 e suporte desse fabricante código RF151.23-2020-30. Foram
utilizados dois tipos de materiais de bedame e a classe 1005 usada em Super-Ligas se
mostrou a mais eficiente. Nos cortes foram obtidos três cilindros com 18 mm de
comprimento por 15 mm em diâmetro. Após o corte dos cilindros, foram realizados
operações de faceamento, desbaste e torneamento cônico com diferentes classes de
pastilhas para avaliar quais as mais indicadas para fabricação dos corpos de prova.
Foram usados insertos de cerâmica de código TNGA 160404 650, insertos de metal
duro código TNMG 160408-23 1105, Pastilha de CBN código TNGA 160408 7025 todas
do fabricante SANDVIK Coromant. Essas pastilhas foram montadas no suporte MTJNR
2020K16 da SANDVIK Coromant.
O inserto de CBN foi o que ofereceu melhor produtividade na usinagem de ligas de
ferro fundido branco alto cromo e molibdênio, mas o metal duro da classe 1105 obtém
alguma produtividade com menor custo de fabricação.
40
O torno usado foi o modelo MASCOTE do fabricante Nardini do LABTECMEC. Todos
os cortes dos corpos de prova foram assistidos por refrigeração com fluido de corte
BIO-100-E para evitar alterações superficiais nos materiais como, por exemplo, a ZAC
(zona termicamente afetada).
A Figura 8a, mostra a eletroerosão dos cilindros e a Figura 8b mostra a seqüência de
operações de usinagem até a obtenção da forma final dos corpos de prova.
[a] [b]
Figura 8 – Eletroerosão dos blocos de ferro fundido braço alto cromo e molbdênio para retirada de cilindros (a) e seqüência das operações de usinagem até a forma final dos corpos de prova (b).
As ligas estudadas foram codificadas para facilitar os trabalhos.
A tabela 2 mostra o código fornecido para cada liga e as respectivas concentrações de
cromo e molibdênio em cada uma delas. Foram fabricados dois corpos de prova por liga
para ensaio a frio. Cada um deles seguiu a marcação do código da liga com o índice 1
ou 2. Por exemplo, a liga com 16% de cromo e 3% de molibdênio recebeu o número
código 61, sendo que o primeiro corpo de prova dessa liga é o 61_1 e o segundo é o
61_2.
É comum no CROMEP realizar os ensaios com dois corpos de prova.
41
Tabela 2 – Codificação dos corpos de prova
CÓDIDO
DA LIGA
% EM
MASSA DE
CROMO
% EM MASSA DE
MOLIBIDÊNIO
56 16 0
58 24 6
58 28 9
60 32 0
61 16 3
63 24 9
64 28 0
65 32 3
66 16 6
68 24 0
69 28 3
70 32 6
71 16 9
73 24 3
74 28 6
75 32 9
3.1.2 Disco (Contra-Corpo)
Os discos usados como contra-corpo no ensaio pino sobre disco foram projetados com
diâmetro de 35 mm e altura de 40 mm. Em sua base foram feitos três furos com 5 mm
de diâmetro e tolerância H7 (5 até 5,012mm) com distância entre o centro dos discos e
o centro dos furos de 15 mm posicionados 120º entre um furo e outro. Esses furos são
usados para fixação do disco no tribômetro.
42
O material do qual foram construídos foi o aço SAE 1020. A
Figura 9 mostra o desenho do disco e a Figura 10 indica uma fotografia da fabricação
desse contra-corpo e desses discos ao final da sua usinagem.
A construção dos discos foi realizada no laboratório de tecnologia mecânica da
Universidade Federal do Espírito Santo.
43
Figura 9 - Desenho do Disco com dimensões indicadas.
Figura 10 - Fabricação dos discos no LABTECMEC da UFES e os discos usinados respectivamente.
44
3.2 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
3.2.1 Quanto ao Pino
A caracterização dos pinos antes dos ensaios seguiu as etapas de fotografia com
aumento 52 X, lixamento, fotografia após lixamento com o mesmo aumento e realização
de topografia superficial.
Após ensaio, os pinos foram fotografados em lupa binocular com aumento de 40X.
As fotografias dos pinos foram realizadas antes e após lixamento em uma binocular da
marca Leica e o aumento usado foi de 52 X.
Para o lixamento dos pinos foram utilizadas lixas de SiC com granulometria de 1200
mesh. Este procedimento foi adotado a fim de se retirar as marcas de usinagem
deixadas na fabricação dos corpos de prova.
A topografia superficial dos pinos foi realizada pelo equipamento Altisurf 520 antes e
depois dos ensaios. Esse equipamento mede a profundidade dos picos e vales e seus
respectivos ângulos de inclinação. A sonda usada para a medição possui precisão de
350 µm e mede dados de 1,8 em 1,8 µm.
Para o tratamento das imagens geradas no Altisurf 520, utilizou-se o software AltiMap
Universal 4.0.
.
3.2.2. Quanto ao Disco
Os discos foram lixados em granulometrias variando entre 320 e 1200 mesh.
45
A topografia dos discos foi realizada no rugosímetro ótico Altisurf 520 após os ensaios
apenas. Para o tratamento das imagens geradas no Altisurf 520, utilizou-se o software
AltiMap Universal 4.0.
A Figura 11 mostra um pino fotografado com aumento de 52X antes e após o lixamento
e a Figura 12 mostra o rugosímetro utilizado para a avaliação topográfica.
[a] [b]
Figura 11 - Fotografia do pino 60_2 antes com Aumento de 52 X (a) e após o lixamento (b).
46
Figura 12 - Rugosímetro Ótico realizando medições da topografia da pista de desgaste de diversos
discos testados.
3.3 TRIBÔMETRO PINO-DISCO
Para a realização dos ensaios tribológicos pino sobre disco, foi utilizado o tribômetro
projetado e construído na Ecole Des Mines d’Albi-Carmaux descrito por Vergne (2005).
O disco é dotado de movimento rotativo que pode variar de 30 a 3000 rotações por
minuto. A rotação é ajustada por um variador de frequência. A velocidade linear
depende do diâmetro da pista de desgaste e pode variar de 0,05 a 50 m/s.
Os ensaios podem ser realizados em temperatura ambiente ou podem ser a quente.
Nos testes a quente, o aquecimento do disco é feito por indução e as temperaturas
podem ser superiores a 1000 graus. A homogeneidade da temperatura na superfície do
disco é verificada por um par de termopares. O controle da temperatura do disco é
realizado por um pirômetro. Para o carregamento sobre o corpo de prova, utilizam-se
47
pesos mortos num total de, no máximo, 100 N. A força tangencial é obtida com um
sensor medidor de tensão preso paralelo ao plano de atrito. O coeficiente de atrito é
então obtido com auxílio de um software desenvolvido no LABVIEW – Ecole dês mines
d’Albi.
Após o teste, as superfícies de desgaste foram observadas em um microscópio óptico e
eletrônico de varredura.
A fixação do pino em teste no tribômetro é feita com auxílio de um porta-pino.
A [b]
Figura 13 mostra o tribômetro do CROMEP - Ecole des Mines d’Albi e o porta-pino
usado para fixação.
[a]
48
[b]
Figura 13 - Fotografia do tribômetro pino sobre disco do CROMEP e do porta pino utilizado para fixação
do pino no tribômetro. [a] Fotografia geral do tribômetro [b] Fotografia detalhada.
A utilização do tribômetro segue o seguinte procedimento. Primeiramente, o eixo X é
referenciado. Em seguida os corpos de prova, tanto pino quanto disco são limpos no
ultrasom dentro de acetona por 15 minutos e, posteriormente, em álcool por mais 15
minutos, para posterior secagem. Os discos são instalados no tribômetro pelos furos de
fixação localizados na base deles. A planicidade é conferida com um relógio
comparador fazendo o apalpador do relógio percorrer o diâmetro externo do disco e
essa planicidade possui tolerância de 10 µm. Os pinos são instalados primeiramente
em um porta-pinos para depois serem fixados na máquina. Os pinos são posicionados
em relação ao disco de forma que o braço que os fixa fique perfeitamente na horizontal
com o disco. Instalados os corpos de prova, não se entra mais em contato com eles, e o
tribômetro pode ser acionado.
A aquisição dos sinais é realizada por um aparelho da National Instruments, o NISCXI-
1000.
49
3.4 METODOLOGIA
Foram realizados ensaios em um tribômetro pino-disco da Ecole des Mines D’Albi-
Carmaux (França) onde os pinos (corpo) eram ligas de ferro fundido branco alto cromo
e molibdênio e o disco (contra-corpo) composto por um aço 1020. Foram realizados 30
ensaios em 15 diferentes ligas com 2 corpos de prova cada liga. A partir destes, foram
obtidos o coeficiente de atrito e a taxa de desgaste. Antes dos testes, os pinos e discos
foram lixados em lixa 1200, fotografados com aumento de 52 X, limpos em ultra-som
com álcool e acetona por 5 minutos cada um. Após a preparação, os corpos de prova
foram fixados no tribômetro. A rotação do disco foi de 200 rpm e a carga foi de 20 N. As
medições de coeficiente de atrito e taxa de desgaste foi feita durante 30 minutos. Tanto
disco e pino foram fotografados e caracterizados no rugosímetro ótico – Altisurf 520
após os ensaios.
A observação dos micro-mecanismos de desgaste foi realizada por microscopia
eletrônica de varredura e comparações com a microestrutura. As fotografias em MEV
foram realizadas na seção transversal dos pinos. Para tal, os pinos foram embutidos em
resina e depois lixados no sentido do eixo, até o seu centro. Sabendo-se que neste
ponto, iria se encontrar o topo do pino desgastado.
Na superfície de desgaste foi feita a topografia com equipamento Altisurf 520 e análise
com lupa binocular.
A técnica utilizada para MEV na seção transversal dos pinos foi de realizar fotos por
elétrons retro-espalhados e elétrons secundários.
Para o cálculo da taxa de desgaste, utilizou-se como método a medição dos diâmetros
dos pinos antes e após ensaio. A diferença entre as duas medições é usada como
parâmetro que define o desgaste dos pinos e serve para comparar a resistência ao
deslizamento das diferentes ligas. Esta metodologia foi utilizada por Barrau et al. (2006)
sendo a equação para o cálculo descrita abaixo:
50
h = Rf – Ri
onde h é a altura desgastada, Rf é o raio do contato final do pino em mm e Ri o raio do contato inicial do pino em mm medidos na binocular Leica.
A condição dos ensaios utilizados neste trabalho foram as seguintes. Carga aplicada de
20N, a rotação do disco foi de 300 rotações por minuto e o tempo de ensaio foi de 1800
segundos.
O raio da trilha de desgaste é de 12,5 mm e a velocidade de deslizamento é
aproximadamente 3 m/s.
51
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capitulo, são apresentados os resultados relativos aos ensaios de desgaste por
deslizamento, na temperatura ambiente, de 15 diferentes composições de ferros
fundidos brancos ao cromo e molibdênio.
4.1 TAXAS DE DESGASTE
O resultado geral do desgaste por deslizamento, em nível dimensiona (mm), das 15
ligas aqui estudadas pode ser sintetizado na Figura 14, abaixo.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
16% 24% 28% 32%
percentagem em peso de cromo
Desgaste dos Pinos (mm):
perda dimensional
0% Mo 3% Mo 6% Mo 9% Mo
Figura 14 - Perda dimensional dos piões de ferros fundidos brancos em função do teor em cromo e molibdênio.
Visando, agora, correlacionar os resultados obtidos na Figura 14 com a microestrutura,
mais especificamente a matriz, e dureza macroscópica de tais ligas, construíram-se os
gráficos apresentados na Figura 15.
52
Para as ligas isentas em molibdênio (figura 15-a), não importando a composição em
peso de cromo, cuja matriz é essencialmente ferrítica, a taxa de desgaste é alta. A partir
do momento em que se começa a ter a presença de uma outra fase (martensita), a taxa
de desgaste cai significativamente.
A natureza da matriz parece controlar, então, o desgaste, Os parâmetros como o
tamanho e a fração volumétrica de carbonetos não são tão significantes quanto à
resistência ao desgaste. Por exemplo, as ligas 16%Cr-0%Mo e 32%Cr-0%Mo
apresentam valores próximos para as taxas de desgaste, no entanto, a primeira contém
uma fração volumétrica de 10% M7C3 e, a segunda, quatro vezes esse valor.
Ainda para as ligas com 0% Mo, observa-se que a morfologia da microestrutura de uma
determinada liga tem um efeito sobre a resistência ao desgaste. Quando esta é
formada por dendritas de solidificação e carbonetos eutéticos do tipo M7C3 (16%Cr-
0%Mo), a resistência aos esforços cisalhantes é maior se comparada à morfologia de
uma liga constituída de carbonetos primários (M7C3) e o eutético ferrita + M7C3 (32%Cr-
0%Mo e, no limite, a 28%Cr-0%Mo), embora sejam idênticas as durezas de tais ligas.
Quando o teor em molibdênio é aumentado para 3%, em peso, as ligas hipoeutéticas
apresentam uma matriz polifásica e um novo tipo de carboneto aparece, qual seja, o
M6C e a dureza aumenta com o teor de cromo. A figura 15b mostra que a resistência ao
desgaste dessas ligas é apreciável, pois a taxa de desgaste tende a zero.
Para as outras ligas desse grupo, a matriz é ferrítica e os níveis de dureza são próximos
aos das ligas sem Mo. Entretanto, as taxas de desgaste apresentam níveis inferiores
àquelas mostradas na figura 15a. A presença dos carbonetos M6C poderia explicar,
então, esse aumento na resistência ao desgaste. Cabe ressaltar, ainda, que matrizes
contendo outras fases além da ferrita, como já fora observado para as ligas isentas de
molibdênio, possuem baixíssimos valores de desgaste.
53
Quanto às ligas contendo 6 e 9%, em peso, de molibdênio, pode-se notar o
comportamento particular da liga 24%Cr - 9%Mo. É uma liga hipoeutética, porém,
devido à sua composição em cromo e molibdênio, aproxima-se, em nível de fase, de
uma eutética ou hipereutética com 9%Mo. Sua microestrutura é composta de uma
matriz ferrítica ligada com grandes carbonetos interdendríticos do tipo M7C3 e
carbonetos M6C. Possui uma dureza bem inferior quando comparada à liga (24%Cr-
6%Mo) e sua taxa de desgaste não foi nula (Figuras 15c e d). Essa diminuição de
dureza pode ser atribuída à diferença das naturezas das fases das matrizes dentro de
cada liga.
Quanto à resistência ao desgaste e à dureza, a liga 24%Cr - 9%Mo tem o mesmo
comportamento da liga 32%Cr-6%Mo. Isso pode ser explicado pelas similitudes
metalúrgicas entre elas, pois ambas têm uma microestrutura constituída de grandes
carbonetos de M7C3 (tamanho≥ 10 µm) e de aglomerados de carbonetos M6C dentro de
uma matriz de ferrita ligada (Figuras 15c e d).
54
[a]
[b]
0% em massa de MOLIBDÊNIO
0,00E+00
5,00E-05
1,00E-04
1,50E-04
2,00E-04
2,50E-04
3,00E-04
3,50E-04
4,00E-04
4,50E-04
5,00E-04
Ferrita
martensita + ferrita ferrita ferrita
FASES DA MATRIZ
0
100
200
300
400
500
600
700
800 16% 24% 28% 32%
% EM MASSA DE CROMO
TAXA DE DESGASTE (mm3/N.m)
DUREZA HV10
3% em massa de MOLIBDÊNIO
0,00E+00
5,00E-05
1,00E-04
1,50E-04
2,00E-04
2,50E-04
3,00E-04
3,50E-04
4,00E-04
4,50E-04
5,00E-04
Ferrita+austenita+martensita Ferrita+austenita+mertensita ferrita ferrita
FASES DA MATRIZ
0
100
200
300
400
500
600
700
800 16% 24% 28% 32%
% EM MASSA DE CROMO
DUREZA HV10 TAXA DE DESGASTE (mm3/N.m)
55
[c]
[d]
Figura 15 - Taxa de desgaste das diferentes ligas estudadas em função da natureza das fases presentes na matriz e da dureza dos materiais. [a] 0% Mo [b] 3% Mo [c] 6% Mo [d] 9% Mo
9% em massa de MOLIBDÊNIO
0,00E+00
5,00E-05
1,00E-04
1,50E-04
2,00E-04
2,50E-04
3,00E-04
3,50E-04
4,00E-04
4,50E-04
5,00E-04
FERRITA+AUSTENITA+MARTENSITA ferrita ferrita ferrita FASES DA MATRIZ
0
100
200
300
400
500
600
700
800 16% 24% 28% 32%
% EM MASSA DE CROMO
DUREZA HV10 TAXA DE DESGASTE (mm3/N.m)
6% em massa de MOLIBDÊNIO
0,00E+00
5,00E-05
1,00E-04
1,50E-04
2,00E-04
2,50E-04
3,00E-04
3,50E-04
4,00E-04
4,50E-04
5,00E-04
Ferrita+austenita+martensita Ferrita+austenita+martensita ferrita
FASES DA MATRIZ
TAXA DE DESGASTE (mm3/N.m)
0
100
200
300
400
500
600
700
800 16% 24% 32%
% EM MASSA DE CROMO
DUREZA HV10
56
4.2 – ANÁLISE DOS MICROMECANISMOS DE DESGASTE
Nessa seção, serão apresentadas as fotomicrografias obtidas por microscopia
eletrônica de varredura (MEV). Porém, objetivando uma observação macroscópica da
superfície dos pinos antes e após os ensaios, serão mostradas, também, imagens
geradas em lupa binocular.
Foram selecionadas 4 ligas para esta análise: a liga que apresentou maior desgaste,
uma liga com desgaste considerado “mediano”, outra com “pouco” desgaste e,
finalmente, uma com desgaste “nulo”. Nesta ordem, são as ligas 28%Cr-0%Mo, 32%Cr-
3%Mo, 28%Cr-9%Mo e 16%Cr-3%Mo.
Dentre as ligas ensaiadas, a 28%Cr-0%Mo foi a que apresentou a maior taxa de
desgaste, conforme salientado na seção anterior. As Figura 16a e b mostram como a
superfície do pino ficou deteriorada após o ensaio comparando a superfície do pino
antes e após ele.
As figuras 16a, b e c mostram, para essa liga, uma grande deformação plástica na
superfície e sub-superfície do pino de matriz ferrítica e, também, a quebra dos
carbonetos do tipo M7C3 até uma distância de, aproximadamente, 16µm da superfície.
Observa-se, também, que a direção da deformação plástica e de início das trincas nos
carbonetos é a direção de deslizamento contra o contra-corpo. Verifica-se a presença
de um estrato de fluxo plástico de 6 a 10 µm (figura 16-c), onde os carbonetos
quebrados estão embebidos, e devem ser ejetados do corpo de prova.
57
[a] [b]
Figura 16 - liga 28%Cr-0%Mo antes do ensaio [a] e após ensaio [b].
[a]
Sentido do Deslizamento
58
[b]
[c]
Figura 17 – Fotomicrografia da liga 28%Cr-0%Mo realizada por MEV, elétrons retroespalhados. [a] Vista Geral da seção transversal do canto esquerdo do corpo de prova indicando o sentido do deslizamento [b] Região ampliada a aproximadamente 60µm da entrada e [c] Foto da região central ampliada.
Quebra e eliminação dos carbonetos/matriz
Fluxo Plástico
Quebra de carbonetos M7C3
59
Será apresentada, neste momento, a liga (32%Cr-3%Mo) que apresentou desgaste
mediano. A Figura 18a e b mostra a superfície do pino antes e após o ensaio,
respectivamente. A degradação ocorrida nessa superfície já aparenta, mesmo com
auxílio da lupa binocular, ser menor do que a da liga analisada anteriormente.
Essa liga, como já dito, possui matriz constituída por ferrita e carbonetos primários do
tipo M7C3, além dos M6C. Ocorre pequena deformação plástica na superfície
desgastada e quebra de carbonetos primários. Porém, os carbonetos do tipo M6C
permanecem quase intactos. Pode-se ressaltar, ainda, que a dureza dessa liga é bem
próxima àquela da liga anterior, todavia a deformação plástica da superfície e sub-
superfície foi menor do que a da liga 28%Cr-0%Mo, como pode ser verificado na Figura
19.
[a] [b]
Figura 18 - Fotografia da liga 32%Cr-3%Mo realizada em lupa binocular com aumento de 52 X antes do ensaio [a] e após o ensaio [b].
60
Figura 19 – Fotomicrografia da seção transversal da superfície de desgaste da liga 32%Cr-3%Mo
realizada por MEV com aumento de 1000 X.
A liga eutética 28%Cr-9%Mo apresentou pequena taxa de desgaste. Pode-se notar
baixo deterioramento e perda dimensional da superfície em relação às duas ligas
analisadas anteriormente, Figura 20a e b.
Essa liga de matriz ferrítica é rica em carbonetos M6C, além de possuir também
carbonetos M7C3 em sua constituição. A Figura 21b mostra carbonetos do tipo M7C3
trincados. O tricamento e, posterior arrancamento destes, deve constituir o principal
mecanismo de perda de material dessa liga. A figura 21a mostra a liga com aumento de
1000 X. Nessa figura, pode-se observar os carbonetos M6C na superfície da liga.
Carbonetos M6C quase intactos
Quebra e eliminação
de M7C3
61
[a] [b]
Figura 20 - Fotografia da liga 28%Cr-9%Mo realizada em lupa binocular com aumento de 52 X antes do ensaio [a] e 40 X após ensaio [b].
[a]
62
[b]
Figura 21 - Fotomicrografia da liga 28%Cr-9%Mo realizada por MEV com aumento de 1000 X [a] e 2000
X [b].
A liga 16%Cr-3%Mo apresentou desgaste praticamente igual a zero. Isso pode ser visto
de topo na Figura 22a e b.
Essa liga possui uma matriz polifásica constituídas de ferrita, austenita e martensita,
além de carbonetos eutéticos M7C3 e M6C. A Figura 23a e b mostram que a matriz pouco
ou nada sofreu no que tange à deformação plástica; somente pequeníssima ruptura de
carbonetos M7C3 foi verificada.
Quebra de
carboneto M7C3
63
[a] [b]
Figura 22- Fotografia da liga 16%Cr-3%Mo realizada em lupa binocular com aumento de 52 X antes do ensaio [a] e 40 X após ensaio [b].
[a]
64
[b]
Figura 23 - Fotomicrografia da liga 16%Cr-3%Mo realizada por MEV com aumento de 1000 X [a] e 2000 X [b].
Pequena deformação plástica sub-superficial
65
4.3 – Curva de evolução do ATRITO
Quando as ligas isentas de Mo têm uma grande fração volumétrica de matriz
ferrítica (>60%), o coeficiente médio de atrito « µ » é elevado e superior a 0,7. A
evolução (comportamento) da curva de atrito é constante durante todo o ensaio e
as flutuações do atrito são significantes (0,6 < µ < 1,1) como se observa na figura
24a, b e c.
O valor elevado do coeficiente de atrito confirma a presença de uma matriz dita
dúctil.
E530- pino 56-2 (20°C)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
temperatura (s)
Coeficie
nte
de A
trito
[a]: Evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 16% Cr e 0% Mo (matriz
ferrítica).
66
E551 - PINO 59-1 - 20°C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
tempo (s)
coeficie
nte
de a
trito
[b ]: Evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 28% Cr e 0% Mo (matriz ferrítica).
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
temps (s)
[c] : Evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 32% Cr e 0% Mo (matriz ferrítica)
Figura 24 – Curvas de atrito para ligas ferríticas que obtiveram alto desgaste.
E540 – PINO 60-2 – 20°C
tempo (s)
Coeficie
nte
de a
trito
67
Tem-se um comportamento, quanto ao atrito, sensivelmente idêntico para as ligas
quase-eutéticas e hipereutéticas com 3% e 6%, em peso, de Mo. Isto se deve à
presença, em ambas, de uma matriz ferrítica de ductilidade equivalente às ligas
precedentes (dureza de 411 HV10 ao invés de 395 HV10) figura 25 a e b.
E553 – PINO 64-1 20°C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
tempo (s)
[a] Evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 28% Cr e 3% Mo (matriz ferrítica).
E557 – PINO 65-1 – 20°C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
tempo (s)
[b] Evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 32% Cr e 6% Mo (matriz ferrítica).
Figura 25 – Curvas de atrito para ligas que obtiveram médio desgaste.
Coeficiente de atrito
Coeficiente de atrito
68
Para as ligas de matriz ferrítica com alto teor em Mo (24%Cr-9%Mo, 32%Cr-
9%Mo), todas as suas respectivas curvas de atrito apresentam mudanças de
regime (figura 26). Inicialmente, as curvas têm a mesma evolução quando
comparada as de matriz ferrítica. Depois de algum tempo de ensaio, devido às
acomodações na interface de contato, as variações do atrito diminuem
significativamente em amplitude traduzindo, provavelmente, uma interface mais
cerâmica que ferrítica.
Tais variações de regime poderiam ser explicadas pela microestrutura dessas
ligas. Para essas três composições, a fração volumétrica de matriz é da ordem de
50% e a de carbonetos presentes (M7C3 + M6C), também, é da mesma magnitude.
Quanto maior o tamanho dos carbonetos, mais a mudança de regime se verifica
num tempo de ensaio menor.
É durante o período de atrito sobre a matriz, composta por ferrita, que o desgaste
(dimensional) do pino é importante, pois mostra-se, facilmente, que a cinética de
desgaste é quase nula após a mudança de regime : existe, também, uma
mudança abrupta de inclinação quando a interface se torna mais « cerâmica » que
ferrítica (figura 26-a e b).
a
E546 – PINO 73-2 – 20°C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
CHANGEMENT DE RÉGIME DE FROTTEMENT
tempo (s)
MUDANÇA DO REGIME DE ATRITO
Coeficiente de atrito
69
b
E531 – PINO 75-1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
temps (s)
tempo (s)
Figura 26 – Evolução do coeficiente de atrito da liga em função do tempo para uma liga com 24%Cr-9%Mo com uma matriz ferrítica [a] e evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 32% Cr e 9% Mo (matriz ferrítica) [b] e a evolução do desgaste em função do tempo para a liga 24%Cr-9%Mo com matriz ferrítica [c].
E546 PION 73-2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
temps (s)
CHANGEMENT DE RÉGIME DE FROTTEMENT
tempo (s)
Mudança no regime de atrito
c
Coeficiente de atrito
Coeficiente de atrito
E546 PINO 73-2
70
Para as ligas com uma matriz polifásica, geralmente, a curva de atrito não é mais
constante, ao contrário, mostra grandes flutuações durante o ensaio. O valor
médio, nesse caso, do coeficiente de atrito é inferior a 0,7 (figura 27).
PINO 63-2 – 20°C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
tempo (s)
Figura 27 - Evolução do coeficiente de atrito em função do tempo para a liga 24% Cr e 3% Mo
(matriz polifásica : Feα+ Feα’ + Fey).
Coeficiente de atrito
71
4.4 ANÁLISE TOPOGRÁFICA DAS LIGAS
A análise topográfica foi realizada nas superfícies de contato de 13 ligas/pinos (corpos),
antes e após os ensaios de desgaste, e nos discos (contra-corpos), apenas após os
ensaios.
O parâmetro aqui discutido é o do desvio médio aritmético da superfície (SA), µm, que,
aqui, foi plotado em relação ao desgaste dimensional, em mm (figura 28). Este índice é
uma combinação entre a rugosidade da superfície e as ondulações geradas após os
ensaios. O gráfico plotado fornece a idéia de severidade para o sistema tribológico
estudado. As ligas que possuem baixo índice Sa, isto é, aquelas situadas à esquerda
do gráfico, possuem também, um baixo desgaste dimensional; sendo essa região,
esquerda, denominada de desgaste suave. Já à direita do gráfico, tem-se a região de
desgaste severo, com altos índices de rugosidade e muitas ondulações, ou seja, alto
Sa.
Tomando-se a média dos valores de (Sa) das ligas na região suave e a media dos
valores na região severa tem-se um índice aqui chamado de grau de severidade. Esse
valor é de 4,5.
Figura 28 – Gráfico do desvio médio da superfície x desgaste
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
0 10 20 30 40 50 60
Desvio médio aritimético da superfícieRugosidade, Sa (μm)
61
66
71
63
68
73
59
64
74
60
70
65
75
Desgaste dimensional (mm)
Desvio Médio da Superfície x Desgaste
72
A título de ilustração, pode-se observar nas figuras 29 e 30 dois perfis de desgaste
geradas no rugosímetro ótico Altisurf 520 e tratadas as imagens no software Altimap
4.0. O primeiro perfil é de uma liga com alto desgaste; e o segundo, o de uma liga com
desgaste zero.
Na análise da liga com desgaste elevado, figura 29, observa-se que a evolução da
perda de massa no corpo de prova foi maior nas bordas do que no centro do pino
(figura 29b). O motivo para tal, pode ser ao fato de que nas bordas do pino existe maior
energia, ou concentração de tensões. Nesse caso, tanto disco e pino se desgastaram
muito como se observa na figura 29c. A figura 29a mostra a superfície do pino antes do
ensaio.
A liga com um baixo desgaste, ou desgaste zero, possui um comportamento diferente.
Nesse caso, apenas o contra-corpo sofreu deterioramento (figura 30c). O pino sofre
algum abalo nas bordas, esse abalo é pequeníssimo (figura 30b). A figura 30a mostra o
pino antes do ensaio.
É de se salientar também, a diferença entre a massa perdida pelo contra-corpo nas
figuras 29c e 30c. Na liga de maior desgaste, o disco também sofreu uma grande perda
de massa com altura da cratera de aproximadamente 0,552mm. Já, o disco usado
como contra-corpo da liga com menos desgaste, este sofreu, também, perda de massa,
porém, a altura da cratera foi menor, de aproximadamente 0,156mm.
Nos pinos, o comportamento comparativo entre alturas perdidas foi parecido. A altura
medida no pico do pino com maior desgaste é de aproximadamente 0,331mm e na liga
com menor desgaste foi de 0,87mm.
A figura 29a, b e c mostra a liga 28%Cr-0%Mo na forma do pino antes do ensaio, após
o ensaio e do disco após ensaios. Já a figura 30a, b e c mostra a liga 16 %Cr-3%Mo na
forma do pino antes do ensaio, após o ensaio e do disco após ensaios.
73
[a]
[b]
[c]
Figura 29 – Imagem topográfica do pino 28 % Cr-0% Mo antes do ensaio [a] , após o ensaio [b] e do contra-corpo desgastado [c].
74
[a]
[b]
[c]
Figura 30 - Análise topográfica da liga 16 %Cr-3% Mo antes do ensaio [a], após o ensaio [b] e do disco desgastado [c].
75
CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES
- A natureza (fásica) da matriz tem uma influência determinante quanto ao
desgaste por deslizamento dos ferros fundidos brancos ao cromo e molibdênio. A
taxa de desgaste é apreciável toda vez que a matriz é composta por ferrita. O
valor médio do coeficiente de atrito é superior a 0,7 e a evolução da curva é
globalmente constante.
- Quando a matriz é polifásica (Feγ + Feα’+ Feα), a taxa de desgaste tende a zero.
O coeficiente de atrito é inferior a 0,7 e a evolução da curva de atrito apresenta
grandes flutuações.
- Os resultados tribológicos apontam que o tamanho e a fração volumétrica de
carbonetos contribuem para a mudança de regime na curva de atrito.
- O tribômetro pino-sobre-disco do CROMeP/EMAC mostrou-se extremamente
sensível e performante para o estudo tribológico dessas ligas complexas.
- Existe uma relação entre taxa desgaste e topografia gerada na superfície
desgastada.
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CAPÍTULO 6 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Fica de sugestão para futuros trabalhos, a realização de ensaios pino sobre disco nas
ligas estudadas nesta dissertação em trabalho sobre altas temperaturas.
77
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BARRAU, O. et al. Analysis of the friction and wear behaviour of hot work tool steel for forging. Wear, 2003. BARRAU, O. et al., Wear mecahnismis and wear rate in a high temperature dry friction of AISI H11 tool steel: Influence of debris circulation, Wear (2007), dói: 10.1016/j.wear.2006.12.032 Blau, J. Peter. Fifty years of research on the wear of metals. Tribology International vol. 30 Nº 5 BOCCALINI, M.; GOLDENSTEIN H., International materials reviews, V. 46 (2001) 92-115 BOWDEN, F. P. ; TABOR D., The Friction and Lubrication of Solids, Oxford Science Publications, Oxford, 1986. CARVALHO, Sandro Mauro de. Estudo Microestrutural dos Ferros Fundidos Brancos Alto Cromo e Molibdênio. 2005. 70 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2005. HUTCHINGS, I. M.;Tribology – Friction and Wear of Engineering Materials, 1992. IKEDA, M.; T. UMEDA, C. P. TONG, T. SUZUKI, N. NIWA E O. KATO, Effect of molybdenum addition on solidification structure, mechanical propeties and wear Resistivity of High Chromium Cast Irons, ISIJ INTERNATIONAL, VOL 32 (1992). JOOS, O. et al., Assessment of oxide scales influence on wear damage of HSM work rolls. Wear (2007), doi:10.1016/j.wear.2007.02.005 Jost H P. Tribology – origin and future, Wear 136, 1-18, 1989. MARATRAY, F.; Usseglio-Nanot, R. Facteurs affectant la struture des fonts blanches au chrome et au molybdène, 1º ed. Paris, France: Climax Molyddenum, 1970, p. 5-32. PATTYN, R. L., Fundição e serviços, Fevereiro (1996) p. 47-57. PERES, Leonardo Cardoso; MERLO, Pablo Igleser Penha. Usinagem de Ferro Fundido Branco, com Altos Teores de Cromo e Molibdênio. 2007. 60 f. Projeto de Graduação. Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2007.
78
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ANEXO A Tabela 3- Tabela com os dados usados para o cálculo do desgaste – apresenta as medições utilizadas para cálculo das taxas de desgaste e o resultado da própria taxas de desgaste.
Pino
Diâmetro
inicial
Diâmetro
Final
Dureza
Vikers
Desgaste
(mm)
Composição
Química % Cr
%
Mo
56-2 2,341 3,578 395 0,6185 16-0 16 0 hypo
56-1 1,924 - 395 16-0 16 0 hypo
61-2 2,1 2,017 469 0 16-3 16 3 hypo
61-1 2,034 2,036 469 0 16-3 16 3 hypo
66-1 1,846 1,821 557 0 16-6 16 6 hypo
66-2 2,238 2,161 557 0 16-6 16 6 hypo
71-1 2,191 2,056 732 0 16-9 16 9 hypo
71-2 2,281 2,202 732 0 16-9 16 9 hypo
58-1 2,206 2,325 531 0,0595 24-0 24 0 hypo
58-2 2,082 2,228 531 0,073 24-0 24 0 hypo
63-2 1,907 1,927 583 0,01 24-3 24 3 hypo
63-1 1,959 1,991 583 0,016 24-3 24 3 hypo
68-1 2,188 2,171 701 0 24-6 24 6 hypo
68-2 1,871 1,882 701 0,0055 24-6 24 6 hypo
73-1 2,231 2,336 511 0,0525 24-9 24 9 hypo
73-2 2,175 2,429 511 0,127 24-9 24 9 hypo
59-1 2,12 3,753 389 0,8165 28-0 28 0 eutec
59-2 2,012 3,658 389 0,823 28-0 28 0 eutec
64-2 1,864 2,97 411 0,553 28-3 28 3 eutec
64-1 2,331 3,565 411 0,617 28-3 28 3 eutec
74-1 2,04 2,061 568 0,0105 28-9 28 9 eutec
74-2 1,962 2,023 568 0,0305 28-9 28 9 eutec
60-2 2,009 3,462 396 0,7265 32-0 32 0 hyper
60-1 2,238 3,805 396 0,7835 32-0 32 0 hyper
65-1 2,22 3,2 412 0,49 32-3 32 3 hyper
70-2 2,286 2,532 523 0,123 32-6 32 6 hyper
70-1 2,344 2,615 523 0,1355 32-6 32 6 hyper
80
75-2 2,216 2,467 595 0,1255 32-9 32 9 hyper
75-1 2,424 2,455 595 0,0155 32-9 32 9 hyper
![Dissertacao Completa Lcp [Final]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/55cf8d075503462b1391709f/dissertacao-completa-lcp-final.jpg)
![Fotos yordan[1]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/55c0ab33bb61eb21078b461c/fotos-yordan1.jpg)
![Microsoft Word - Dissertacao VERSAO FINAL[1]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5571f9aa4979599169902213/microsoft-word-dissertacao-versao-final1.jpg)