Análise do comportamento de desgaste microabrasivo do aço inoxidável AISI 316L : coeficiente, modo e regime de desgaste

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METALÚRGICA E DE MATERIAIS

JOÃO PAULO CALIXTO DA SILVA

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE DESGASTE MICROABRASIVO DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 316L: COEFICIENTE, MODO E REGIME DE DESGASTE

Vitória 2015

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JOÃO PAULO CALIXTO DA SILVA

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE DESGASTE MICROABRASIVO DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 316L: COEFICIENTE, MODO E REGIME DE

DESGASTE

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Adonias Ribeiro Franco Júnior

Vitória 2015

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(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo)

S586a Silva, João Paulo Calixto da.

Análise do comportamento de desgaste microabrasivo do aço inoxidável AISI 316L: coeficiente, modo e regime de desgaste / João Paulo Calixto da Silva. – 2014.

148 f. : il. ; 30 cm

Orientador: Adonias Ribeiro Franco Júnior.

Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

1. Aço – Tratamento térmico. 2. Aço - Resistência de materiais. 3. Aço austenítico. I. Franco Júnior, Adonias Ribeiro. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.

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Dedico este trabalho à minha família: filha, esposa, mãe e pai. Obrigado por tudo!

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“Não tenha medo de pensar diferente dos outros, tenha medo de pensar igual e descobrir que todos estão errados! ”

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AGRADECIMENTOS

Nos momentos de fraqueza e angústia, agradeço a DEUS por não ter permitido minha queda.

Todos citados, e mesmo alguns que talvez não mencionei, merecem meus agradecimentos, mas, uma pessoa foi fundamental para que esse trabalho fosse possível:

Professor Dr. Adonias Ribeiro Franco Júnior, pessoa ímpar, amigo e sempre disponível em todos os momentos de dúvidas. Certamente, minha trajetória teria sido muito mais difícil sem o seu incondicional apoio.

Diversas pessoas contribuíram de alguma forma para realização deste trabalho, mas, não posso deixar de agradecer em especial aos colegas e amigos:

Me. Josimar Antônio Cusini Grippa, pelos valiosos conselhos durante minha preparação para o processo seletivo;

Ao meu cunhado, Gabriel Pecinatte;

Aos grandes colegas, Me. Leandro Bitti e Me. Flávio Parreiras.

A toda a equipe técnica e administrativa do PROPPEM em especial ao Técnico Ricardo Salvador Boldrini pelas exaustivas horas de análise no MEV.

Ao Professor Dr. Antônio Cesar Bozzi pelo auxílio nos ensaios de microabrasão, participação na banca examinadora e por toda a atenção dispensada durante o período dos ensaios realizados no laboratório - TRICORRMAT da UFES.

Ao técnico de laboratório do TRICORRMAT, Carlos Alberto Rosa Neto.

Ao monitor do laboratório de caracterização de superfícies da UFES, André.

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Ao técnico de laboratório do IFES – Aracruz, Allan Rosalino, pelo apoio na preparação das amostras.

A todos os professores que me acompanharam durante as disciplinas cursadas: Dr. Estéfano Aparecido Vieira, Drª. Viviane Azambuja Favre Nicolin , Dr. André Itman Filho. Em especial ao Professor Dr. Leonardo Cabral Gontijo pelos valiosos conselhos e total apoio durante o curso.

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RESUMO

Neste trabalho, foi estudado o desgaste microabrasivo do aço inoxidável AISI 316L quando submetido em diferentes condições de carga de ensaio e concentração de lama abrasiva. O ensaio de microabrasão foi realizado em um equipamento de esfera rotativa fixa, com cargas de 0,3 N, 0,5 N, 1,0 N e 2,0 N. Para cada carga ensaiada as concentrações de lama abrasiva foram variadas em 0,01 g/cm³, 0,1 g/cm³, 0,3 g /cm³ e 0,75 g /cm³. Para efeito de comparação dos resultados obtidos no ensaio, os testes foram repetidos em amostras nitretadas. O tratamento de nitretação foi realizado usando misturas gasosas de 75 %N2 e 25 %H2, a pressão de

aproximadamente 3 Torr, em uma temperatura de 470 ° C durante um período de 4 horas. As análises de DRX e as observações por microscópia óptica comprovam a formação de uma camada de nitretos nas amostras que passaram pelo tratamento. De modo geral, essa camada de nitretos reduz a resistência ao desgaste do material quando comparado às amostras sem tratamento. Os melhores resultados para o desgaste microabrasivo foram obtidos em cargas de 0,3 N e 0,5 N ambas na concentração de 0,75 g/cm³, tanto para as amostras nitretadas como para as amostras sem tratamento. Observou-se um predomínio de desgaste por riscamento em todas as condições de ensaio para todas as amostras. O regime permanente de desgaste ocorreu, de maneira geral, em distâncias de deslizamento mais curtas e com altas concentrações de lama abrasiva para as amostras sem tratamento. O mesmo comportamento não foi observado para as amostras nitretadas, entretanto, nesse caso, o aumento da carga, para a mesma concentração de lama abrasiva, favorece a entrada do material no regime permanente de desgaste em distâncias mais curtas.

Palavras-chave: Desgaste microabrasivo. Modos de desgaste. Regime permanente

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ABSTRACT

In this work, for AISI 316L stainless steel under different conditions of microabrasive wear test as load and concentration of abrasive slurry was studied. Test was performed in a rotating ball fixed equipment with loads of 0.3 N; 0.5 N; 1.0 N and 2.0 N. For each load the abrasive slurry concentrations were varied from 0.01 g / cm³, 0.1 g / cm³, 0.3 g / cm³ and 0.75 g / cm³. For comparison of the results obtained in the test, the tests were repeated on samples nitrided. The nitriding treatment was carried out using gas mixtures of 75% N2 and 25% H2 pressure of approximately 3 Torr at a temperature of 470 ° C for a period of 4 hours. The XRD analysis and observations by light microscopy proved the formation of a nitride layer on the samples passed through the treatment. In general, the nitride layer reduces the wear resistance of the material when compared to untreated samples. The best results for the microabrasive wear are obtained at loads of 0.3 N and 0.5 N in both concentration of 0.75 g / cm³, both for the nitrided samples as for untreated samples. There was a predominance of wear striping in all test conditions for all samples. The steady state wear has occurred, generally in shorter sliding distances and high abrasive slurry concentrations to the samples without treatment. The same behavior was not observed for the nitrided samples, however, in this case, the load increases to the same abrasive slurry concentration favors its input in the steady state wear over shorter distances.

Keywords: Microabrasive wear. Wear modes. Steady-state wear. AISI 316L

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – Imagem da superfície de um aço ferramenta apresentando desgaste: a) riscamento e b) rolamento...29

FIGURA 2 – Desenho esquemático mostrando a evolução do movimento da

partícula...30 FIGURA 3 – Desenho esquemático de princípio de funcionamento de máquina de

ensaio microabrasivo por esfera rotativa...33 FIGURA 4 – Equipamento de ensaio de desgaste, tipo roda de borracha em areia

seca...35 FIGURA 5 – Desenho de um equipamento do tipo pino sobre disco...35 FIGURA 6 - Detalhe do contato esfera/amostra em equipamento de microabrasão

por esfera rotativa a)fixa; b) livre...36 FIGURA 7 – Desenho esquemático dos equipamentos de ensaio por esfera

rotativa...37 FIGURA 8 – Desenho esquemático de princípio de funcionamento de máquina de

ensaio microabrasivo por esfera rotativa fixa...38 FIGURA 9 – Contato entre a esfera, eixo motriz e amostra em um ensaio de

microabrasão por esfera livre. a) vista lateral; b) vista ao longo da linha da carga normal...38 FIGURA 10 – Máquina de ensaio de desgaste microabrasivo por esfera rotativa

iiiilivre...39 FIGURA 11 – Efeito da carga normal no volume de desgaste por unidade de

distância deslizada em (a) PMMA; (b) Alumínio...40 FIGURA 12 – Variação do volume desgastado por unidade de deslizamento em

função da carga normal para abrasão por rolamento...41 FIGURA 13 – Variação do volume desgastado por unidade de deslizamento em

função da carga normal para abrasão por rolamento...42 FIGURA 14 – Variação da taxa e modo de desgaste em função da carga e

concentração de abrasivo para: a) Aço ferramenta utilizando esfera AISI 52100; b) PMMA utilizando esfera PP...44 FIGURA 15 – Variação da taxa e modo de desgaste em função da carga e

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FIGURA 16 – Variação do volume desgastado após 30m de deslizamento com lama de carbeto de sílicio em uma amostra de aço ferramenta...45 FIGURA 17 – Resultado de reprodutibilidade de ensaio de desgaste em alumínio

utilizando: a) esfera usada, b) esfera nova...46 FIGURA 18 – Ilustração da geometria de uma partícula abrasiva em contato com

duas superfícies...48 FIGURA 19 – Resultados de experimentos de desgaste com quatro abrasivos de

Sílica na mesma concentração de 0,4 g/cm³...50 FIGURA 20 – Desenho esquemático de um equipamento de nitretação a plasma...51 FIGURA 21 – Equipamento para ensaio de desgaste microabrasivo usado neste

estudo...55 FIGURA 22 – Alimentação da lama de abrasivo durante o ensaio de

microabrasão...56 FIGURA 23 - Microscópio eletrônico de varredura – Equipamento utilizado no estudo para imagens superficiais das amostras...58 FIGURA 24 – Analisador topográfico – 3D utilizado no trabalho...59 FIGURA 25 – Difratogramas de raios-x do aço inoxidável AISI 316L sem tratamento

de nitretação e nitretado a plasma...60

FIGURA 26 – Microestrutura do aço inoxidável AISI 316L comprovando a

precipitação de nitretos de cromo...61 FIGURA 27 – Comparação entre o volume de desgaste calculado e o volume

medido em analisador topográfico. Amostras sem tratamento, carga de 0,3N e variação da concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³ a 0,75 g/cm³...62 FIGURA 28 – Comparação entre o volume de desgaste calculado e o volume

medido em analisador topográfico. Amostras sem tratamento, carga de 0,5N e variação da concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³ a 0,75 g/cm³...63 FIGURA 29 – Comparação entre o volume de desgaste calculado e o volume

medido em analisador topográfico. Amostras sem tratamento, carga de 1,0 N e variação da concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³ a 0,75 g/cm³...64

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FIGURA 30 – Comparação entre o volume de desgaste calculado e o volume medido em analisador topográfico. Amostras sem tratamento, carga de 2,0 N e variação da concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³ a 0,75 g/cm³...65 FIGURA 31 – Comparação entre o volume de desgaste calculado e o volume

medido em analisador topográfico. Amostras nitretadas, carga de 0,3 N e variação da concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³ a 0,75 g/cm³...66 FIGURA 32 – Comparação entre o volume de desgaste calculado e o volume

medido em analisador topográfico. Amostras nitretadas, carga de 2,0 N e variação da concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³ a 0,75 g/cm³...68 FIGURA 35 – Comparação do coeficiente de desgaste das amostras nitretadas com

as amostras sem tratamento, em função da variação da concentração de lama abrasiva. Carga de ensaio de 0,3.N...70 FIGURA 36 – Comparação do coeficiente de desgaste das amostras nitretadas com

as amostras sem tratamento, em função da variação da concentração de lama abrasiva. Carga de ensaio de 0,5 N...70 FIGURA 37 – Comparação do coeficiente de desgaste das amostras nitretadas com

as amostras sem tratamento, em função da variação da concentração de lama abrasiva. Carga de ensaio de 1,0 N...71 FIGURA 38 – Comparação do coeficiente de desgaste das amostras nitretadas com

as amostras sem tratamento, em função da variação da concentração de lama abrasiva. Carga de ensaio de 2,0 N...71 FIGURA 39 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L (a) não nitretado e (b)

nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 0,3N e concentração de SiO2 de 0,01 g/100ml. Ampliação

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FIGURA 40 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L (a) não nitretado e (b) nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 0,3N e concentração de SiO2 de 0,1 g/100ml. Ampliação

500X...73

500X...74 FIGURA 42 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L (a) não nitretado e (b)

500X...75 FIGURA 44 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L não nitretado, após ensaio

de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 0,5N e

concentração de SiO2 de 0,01 g/100ml. Ampliação 2500X...76

nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e concentração de SiO2 de 0,0 1g/100ml. Ampliação

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FIGURA 49 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L não nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e

FIGURA 50 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L (a) não nitretado e (b) nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e concentração de SiO2 de 0,1 g/100ml. Ampliação

500X...80 FIGURA 51 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L não nitretado, após ensaio

de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e

FIGURA 52 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e

500X...82 FIGURA 54 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L nitretado, após ensaio de

desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e

500X...83 FIGURA 56 – Superfície de desgaste do aço AISI 316L nitretado, após ensaio de

desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 1,0 N e

concentração de SiO2 de 0,7 5g/100ml. Ampliação 2500X...84

nitretado, após ensaio de desgaste microabrasivo realizado sob carga normal de 2,0 N e concentração de SiO2 de 0,1 g/100ml. Ampliação

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500X...86

500X...86 FIGURA 61 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 0,3 N e concentração de abrasivo de 0,01 g/cm³...87 FIGURA 62 – Imagem de microscópia ótica da calota gerada durante o ensaio de

desgaste microabrasivo no momento em que o desgaste alcançou o regime permanente...88 FIGURA 63 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 0,3 N e concentração de abrasivo de 0,1 g/cm³...89 FIGURA 64 – Imagem de microscópia óptica da calota gerada durante o ensaio de

desgaste microabrasivo no momento em que o desgaste alcançou o regime permanente...89 FIGURA 65 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 0,3 N e concentração de abrasivo de 0,3 g/cm³...90 FIGURA 66 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 0,5 N e concentração de abrasivo de 0,01 g/cm³...92

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FIGURA 68 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 0,5 N e concentração de abrasivo de 0,1 g/cm³...92 FIGURA 69 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 2,0 N e concentração de abrasivo de 0,1 g/cm³...97

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FIGURA 77 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L(não nitretado). Carga de ensaio de 2,0 N e concentração de abrasivo de 0,3 g/cm³...97 FIGURA 78 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L nitretado. Carga de ensaio de 0,3 N e concentração de abrasivo de 0,01

g/cm³...100 FIGURA 80 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L nitretado. Carga de ensaio de 0,3 N e concentração de abrasivo de 0,1 g/cm³...100 FIGURA 81 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L nitretado. Carga de ensaio de 0,5 N e concentração de abrasivo de 0,3 g/cm³...103

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FIGURA 86 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L nitretado. Carga de ensaio de 0,5 N e concentração de abrasivo de 0,75 g/cm³...103 FIGURA 87 – Variação do (a) coeficiente de desgaste em função da distância de

deslizamento e (b) do volume desgastado em função da distância de deslizamento, para o aço 316L nitretado. Carga de ensaio de 2,0 N e concentração de abrasivo de 0,75 g/cm³...108

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FIGURA 95 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de desgaste gerada em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3N e concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³...110 FIGURA 96 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de

desgaste gerada em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 0,3N e concentração de lama abrasiva de 0,1 g/cm³...111 FIGURA 97 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de

desgaste gerada em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 1,0 N e concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³...118 FIGURA 104 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de

desgaste gerada em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 1,0 N e concentração de lama abrasiva de 0,75 g/cm³...121

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FIGURA 107 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de desgaste gerada em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 2,0 N e concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³...122 FIGURA 108 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de

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FIGURA 119 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de desgaste gerada em ensaio de desgaste microabrasivo com carga de 1,0 N e concentração de lama abrasiva de 0,01 g/cm³...134 FIGURA 120 – Imagem topográfica, tridimensional e esboço do perfil da cratera de

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Abrasivos utilizados no estudo, com descrição da forma e tamanho individual de cada abrasivo e o coeficiente de desgaste resultante...49 TABELA 2 - Composição química do aço inoxidável AISI 316L (% em peso)...60 TABELA 3 - Distância de deslizamento até o alcance do regime permanente de

desgaste para carga de 0,3N...91 TABELA 4 - Distância de deslizamento até o alcance do regime permanente de

desgaste para carga de 0,5N...94 TABELA 5 - Distância de deslizamento até o alcance do regime permanente de

desgaste para carga de 1,0 N...96 TABELA 6 - Distância de deslizamento até o alcance do regime permanente de

desgaste para carga de 2,0 N...98 TABELA 7 - Distância de deslizamento até o alcance do regime permanente de

desgaste para carga de 0,3 N. Amostras nitretadas...101 TABELA 8 - Distância de deslizamento até o alcance do regime permanente de

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ………...……… 25 2 OBJETIVOS ………..……….. 26 2.1 OBJETIVO GERAL ………... 27 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ……….……….……...…... 27 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ………..…….. 28 3.1 DESGASTE ABRASIVO ………..………..…… 28 3.2 A EQUAÇÃO DE ARCHARD... 29 3.3 ENSAIOS DE DESGASTE MICROABRASIVO... 34 3.4 ENSAIOS DE DESGASTE MICROABRASIVO POR ESFERA ROTATIVA. 3.5 PARÂMETROS DO ENSAIO DO TIPO ESFERA ROTATIVA FIXA...

3.5.1 Carga Normal... 3.5.2 Distância de deslizamento... 3.5.3 Concentração da lama abrasiva... 3.5.4 Esfera de ensaio... 3.5.5 Influência da partícula abrasiva...

3.6 NITRETAÇÃO A PLASMA... 3.6.1 A Fase “S”... 37 39 39 43 43 46 47 4 MATERIAIS E MÉTODOS ...53 4.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL ... 53 4.2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS ... 54 4.3 NITRETAÇÃO A PLASMA ...54 4.4 ENSAIO DE DESGASTE ...54 4.5 CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE DAS AMOSTRAS ... 58 4.6 ENSAIO DE MICRODUREZA...

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO... ...

59

5.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL ... 60 5.2 INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE ABRASIVO NO COEFICIENTE DE

DESGASTE...

5.2.1 Amostras sem tratamento... 5.2.2 Amostras nitretadas... ... 50 ... 52 62 62 65 60

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5.4 ANÁLISE DA RESISTÊNCIA AO DESGASTE... 5.4 MODOS DE DESGASTE... 5.5 EVOLUÇÃO DO COEFICIENTE DE DESGASTE E A RELAÇÃO COM O

REGIME PERMANENTE ... 69 71

5.5.1 Amostras sem tratamento... 5.5.2 Amostras nitretadas...

5.6 ASPECTO VISUAL DAS CALOTAS E A INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE ENSAIO...

86

5.6.1 Amostras sem tratamento... 5.6.2 Amostras nitretadas... 6 CONCLUSÃO ... 7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... REFERÊNCIAS ... 86 110 110 126 143 145 146 100

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1 INTRODUÇÃO

O desgaste de componentes mecânicos e equipamentos é uma das causas mais comuns de falhas encontradas na indústria. Apesar de, geralmente, não causar falhas catastróficas, o desgaste pode reduzir consideravelmente a eficiência de um equipamento, ou mesmo levar a uma intervenção não programada, causando perdas de produção.

O desgaste não constitui uma propriedade mecânica intrínseca ao material. O comportamento do material com relação ao desgaste irá variar em função de diversos parâmetros que constituem o tribossistema1 (ZUM GAHR, 1987; SHIPWAY, 1999).

Eyre (1976) atribuiu, que dentre os tipos de desgaste mais comuns encontrados na área industrial, 50% correspondem ao desgaste abrasivo. Zmitrowicz (2006) afirma que em elementos de máquinas o desgaste abrasivo predomina em até 90% dos casos, sendo que 8% estão relacionados ao desgaste por fadiga e a contribuição de outros tipos de desgaste é muito pequena se comparada aos dois citados.

O termo desgaste microabrasivo será utilizado neste trabalho, por ser tratar de uma variação do desgaste abrasivo, quando a taxa ou o coeficiente de desgaste é consideravelmente menor. Cozza (2006) afirma que essa diferença pode ser de até 100 mil vezes para o coeficiente de desgaste.

O estudo da compreensão dos mecanismos que levam ao desgaste dos materiais, assim como a influência das condições às quais o material está submetido, é de extrema importância para o desenvolvimento de lubrificantes e de novos materiais com alto desempenho em trabalhos que exijam boa resistência ao desgaste.

1

Entende-se por tribossistema ou sistema tribológico a combinação de: corpo, contra-corpo, meio interfacial e meio ambiente que, combinados ou mesmo na ausência de um dos elementos, pode ocasionar em desgaste do material.

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O aço inoxidável AISI 316L não apresenta uma boa resistência ao desgaste abrasivo, entretanto, possui boa resistência à corrosão em diversos meios. Ele é muito utilizado em diversos segmentos da indústria, podendo-se destacar: química, papel e celulose, petróleo e gás, farmacêutica, biomédica e nuclear. Em função de sua vasta aplicação, pesquisadores (YETIM, 2014; BORTOLI, 2013; GOBBI, 2009) têm estudado maneiras de aumentar a resistência ao desgaste desse material.

Uma das formas mais eficientes de se elevar a resistência ao desgaste do aço AISI 316L, sem reduzir a sua resistência à corrosão é por meio da nitretação a plasma. Trabalhos recentes (BORTOLI, 2013; GOBBI, 2009) apontam um aumento significativo na resistência ao desgaste do aço AISI 316L, quando submetido ao tratamento de nitretação a plasma. Diversos trabalhos analisam a influência dos parâmetros de nitretação a plasma sob a resistência ao desgaste do aço AISI 316L, entretanto, ainda é pouco explorado o modo de desgaste e o comportamento do coeficiente de desgaste desse aço em diferentes condições de ensaio, seja ele nitretado a plasma ou sem o tratamento de nitretação.

Utilizando um equipamento de ensaio microabrasivo por esfera rotativa fixa, este trabalho investiga a influência das variáveis do tribossistema sobre a superfície do aço AISI 316L, no coeficiente e modos de desgaste e no comportamento do regime permanente de desgaste do material para as diversas condições do ensaio. Para efeito de comparação dos resultados obtidos, o aço também será analisado após ser submetido a um tratamento de nitretação a plasma.

Alguns autores afirmam que a formação de nitretos aumenta a dureza do material assim como a resistência ao desgaste, porém, reduz a resistência à corrosão em função do empobrecimento de cromo da matriz. No entanto, não foi encontrado, na literatura, trabalho que investigasse essa afirmação. Assim, a temperatura de nitretação foi adotada de forma a promover a precipitação de nitretos e possibilitar uma investigação dos modos e coeficiente de desgaste do material quando da ocorrência dessa fase, comparando os resultados com as amostras sem tratamento.

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2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Estudar a influência dos parâmetros do tribosistema no desgaste microabrasivo do aço inoxidável 316L utilizando, como equipamento de ensaio, uma máquina de microabrasão por esfera rotativa fixa.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Calcular o coeficiente de desgaste com base na equação de Archard, bem como sua evolução em função da distância de deslizamento, para as diferentes condições de ensaio;

• Verificar o comportamento do regime permanente de desgaste em função das variações do tribosistema;

• Analisar os modos de desgaste e as possíveis transições que possam acontecer em decorrência da variação dos parâmetros do ensaio.

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3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 DESGASTE ABRASIVO

A definição de desgaste abrasivo segundo a norma ASTM G40-96 é o desgaste devido a partículas ou protuberâncias duras forçadas contra uma superfície sólida e que se movem ao longo dessa superfície. Zum Gahr (1987), afirma que:

O desgaste abrasivo é o desprendimento de material causado pela presença de partículas duras, de partículas duras entre ou embutidas em uma ou ambas superfícies em movimento relativo, ou pela presença de protuberâncias duras em uma ou ambas superfícies[...]

Várias definições e tipos de desgaste são encontrados na literatura, entretanto, o desgaste microabrasivo será explorado ao longo de todo o trabalho sem dar qualquer ênfase aos demais tipos.

O termo desgaste microabrasivo citado na literatura (RUTHERFORD e HUTCHINGS, 1997; KUSANO e HUTCHINGS, 2005; GEE et al., 2005; COZZA, 2006) caracteriza-se também por desgaste abrasivo, porém em uma escala consideravelmente menor, conforme já explorado na introdução deste trabalho.

Cozza (2006) afirma que essa classificação pode variar, também, em função do tamanho das partículas abrasivas, onde partículas com tamanho médio entre 3 e 6 µm são comumente utilizadas em ensaios de desgaste microabrasivo e partículas com tamanho médio entre 50 e 250 µm caracterizam o desgaste como abrasivo.

Gates (1998) sugere que o desgaste seja classificado em função da severidade, e dividido em três regimes: leve, severo e extremo. Em estudos mais recentes, Adachi e Hutchings (2003) investigaram a transição dos modos de desgaste, classificando-os em: desgaste a dois corpclassificando-os e desgaste a três corpclassificando-os. Hutchings (1992) classifica os modos de desgaste abrasivo em: desgaste abrasivo por rolamento ou desgaste abrasivo por riscamento. Neste trabalho serão utilizados os termos “desgaste a dois corpos” e “três corpos” ou ainda “riscamento” e “rolamento”, sem entrar em detalhes sobre as opiniões dos pesquisadores quanto à classificação em relação à severidade, aspecto visual ou outras definições.

(31)

FIGURA 1 – Imagem da superfície de um aço ferramenta apresentando desgaste: a) riscamento e b) rolamento.

Fonte: Trezona et al, 1999.

A Figura 1(a) apresenta uma superfície com diversas ranhuras paralelas caracterizando o desgaste por riscamento. Misra e Finnie (1981) atribuem essa característica ao fato das partículas abrasivas fixarem ao contra-corpo enquanto removem material da superfície em questão, atuando como se fossem uma lixa. O desgaste por rolamento como definido por Hutchings (1992) pode ser observado na Figura 1(b). Nesse caso, sugere-se que as partículas de abrasivo rolam livremente entre o corpo e o contra-corpo causando indentações aleatórias no metal (VERSPUI et al.,1995).

3.2 A EQUAÇÃO DE ARCHARD

A teoria desenvolvida por Holm e Archard, inicialmente para desgaste por deslizamento, define que quando duas superfícies em contato deslizando uma sobre a outra, uma ou as duas superfícies irão se desgastar em consequência desse contato. O modelo, originalmente desenvolvido para metais, mas, que se aplica também a outros materiais, assume que o contato real entre as duas superfícies irá ocorrer onde as asperidades se tocarem (HUTCHINGS, 1992).

A Figura 2 apresenta um diagrama esquemático da evolução do contato entre as asperidades, de forma a esclarecer a teoria proposta.

(32)

FIGURA 2 – Desenho esquemático mostrando a evolução do movimento da partícula.

Fonte: Adaptado de Hutchings,1992.

Assumindo um plano circular de raio a, pode-se entender que o máximo contato entre as superfícies acontecerá na Figura 2 (c) , sendo assim, a carga normal suportada é dada por:

δ

W

=

P a

π

2 (1) Onde:

δ

W

é a carga normal suportada no contato;

P

é a pressão necessária para promover a deformação plástica da asperidade; e

a

é o raio de uma asperidade.

As Figuras 2(d) e (e) demonstram que o deslizamento provoca um deslocamento das asperidades, dessa forma, o desgaste irá ocorrer em função da formação e destruição contínua das asperidades em contato, ou seja, o desprendimento dos fragmentos de material das asperidades e o volume de cada fragmento dependerão da origem do fragmento (HUTCHINGS, 1992).

No modelo proposto supõe-se que o volume de material,

δ

V

, removido por desgaste é proporcional ao cubo da dimensão de contato,

a

, o que sugere que a forma da partícula não depende do tamanho.

(33)

3

2

3 a

V

π

δ

=

(2) Assumindo que nem todas as asperidades em contato dão origem às partículas de desgaste, estima-se uma porção K, assim , o volume médio de material,

δ

Q

, desgastado por unidade de distância deslizada a uma distância 2ª, é dado por (equação 3): 2

2

3 k V

k a

Q

a

δ

π

δ

=

(3) Dessa forma, a somatória de todos os contatos através das asperezas corresponde a taxa de desgaste global, podendo ser representada pela equação 4:

2

3 k

Q

=

∑

δ

Q

=

∑

π

a

(4)

Uma vez que a carga normal pode ser representada como (equação 5):

W

=

∑

δ

W

=

P

∑

π

a

2 (5) O Volume de material desgastado pode ser resumido conforme equação 6:

3 kW

Q

P

=

(6) Combinando o fator de proporcionalidade de 1/3 , colocado

K

=k/3, e assumindo que a pressão,

P

, para a deformação plástica é aproximadamente igual a dureza do material, a equação de Archard , pode ser reescrita (equação 7):

Q

KW

H

(34)

A equação relaciona o volume desgastado por unidade de distância deslizada, Q, a carga normal aplicada, W, e a dureza do material de superfície mais macia, H. A constante

K

, usualmente chamada de coeficiente de desgaste, é adimensional e deve sempre ser menor do que a unidade.

No campo da engenharia a relação K

H vem sendo mais usada e pode ser substituída pelo coeficiente

k

, que corresponde ao volume de material removido por unidade de distância de deslizamento, por unidade da carga normal de contato.

Para aplicação em ensaios microabrasivos por esfera rotativa, Figura 3, (GEE et al., 2003) a equação de Archard pode ser adaptada da seguinte forma (equação 8):

.

V

k

L Fn

=

(8)

Onde: V é o volume de desgastado de material; L é a distância de deslizamento; Fn é a força normal aplicada durante o ensaio; e

k

é o coeficiente de desgaste.

No método, após uma esfera ser rotacionada contra a amostra na presença de uma lama de abrasivo, obtém-se uma calota na superfície da amostra. A geometria da calota, assim como a profundidade e o volume de massa removido dependem da combinação dos parâmetros carga, concentração de abrasivo e distância deslizada, os quais são controlados durante o ensaio.

(35)

FIGURA 3 – Desenho esquemático de princípio de funcionamento de máquina de ensaio microabrasivo por esfera rotativa livre.

Fonte: Lozzer, 2008.

Uma vez que o diâmetro da esfera é conhecido e as velocidades angulares selecionadas e controladas, pode-se por meio da equação de Archard adaptada (equação 8) calcular o coeficiente de desgaste,

k

, com unidades em mm³ (N m)-1, assim, a equaçãorelaciona o volume de desgaste, V, a distância de deslizamento, L, e a força normal aplicada, Fn (MARQUES et al., 2011).

O volume desgastado pode ser calculado em função do diâmetro da esfera e da impressão do diâmetro externo da calota, como apresentado na equação 9:

4

.

32. b

V

π

φ

=

(9)

(36)

E a distância de deslizamento varia de acordo com a configuração da máquina de ensaio em questão.

3.3 ENSAIOS DE DESGASTE MICROABRASIVO

São diversos os métodos utilizados para a medição da resistência ao desgaste dos materiais. Nesta seção serão citados alguns exemplos sem pormenorizar os resultados alcançados e aplicações dos diversos modelos e equipamentos utilizados. Neste trabalho, um foco maior será dado aos equipamentos do tipo esfera rotativa.

A falta de padronização dos ensaios de desgaste por microabrasão, associada a outros fatores, permite uma imensa diversificação desses tipos de ensaio (MELLO, 2006; COZZA, 2007; STACHOWIAK, 2004; CONCI et al., 2014). Gee et al. (2003) aponta os ensaios do tipo pino-disco e roda de borracha em areia seca, como ensaios que vem sem usados com sucesso entre pesquisadores da área, porém destaca que esses métodos possuem certas limitações para aplicações em testes envolvendo filmes finos.

Gore e Gates (1997) verificaram o efeito da dureza em formas diferentes de desgaste para um aço carbono. Dentre os equipamentos utilizados, os autores trabalharam com uma máquina de roda de borracha em areia seca. A Figura 4 apresenta uma foto de um equipamento desse modelo, pertencente ao laboratório TRICORRMAT da UFES.

(37)

FIGURA 4 – Equipamento de ensaio de desgaste, tipo roda de borracha em areia seca.

Fonte: Autor, 2014

Goto e Amamoto (2003) verificaram o efeito da variação da carga sobre a resistência ao desgaste do aço carbono, utilizando um equipamento pino sobre disco, sobre condições sem lubrificação. Os autores verificaram que em cargas mais altas a severidade do desgaste é maior, enquanto, em cargas mais baixas o desgaste era relativamente menor. Na configuração do equipamento utilizado, tanto o corpo (disco) quanto o contra-corpo sofrem desgaste e precisam ser analisados para a determinação da taxa de desgaste. A Figura 5 apresenta um desenho da configuração desse equipamento.

Figura 5 – Desenho de um equipamento do tipo pino sobre disco.

(38)

Rutherford e Hutchings (1997) apresentaram uma comparação entre os métodos pino-disco e o método de ensaio por esfera rotativa livre, onde o segundo método alcançou uma repetibilidade das medições 7% maior em alguns substratos cerâmicos e 10 % maior para substratos cerâmicos revestidos por filmes finos.

Cozza et al. (2007) obtiveram bons resultados ao estudarem a relação entre a severidade do teste e os modos de desgaste microabrasivo produzidos através de dois equipamentos do tipo esfera rotativa fixa, porém, com diferentes configurações, conforme ilustra a Figura 6.

Figura 6 - Detalhe do contato esfera/amostra em equipamento de microabrasão por esfera rotativa a)fixa; b) livre.

Fonte: Adaptado de Cozza et al,2007.

Diante dos resultados apresentados pela configuração por esfera rotativa ao longo dos anos, Gee et al. (2005) realizaram diversos testes em equipamentos do tipo, com o objetivo de validar o método como um padrão em ensaios de desgaste. Um exercício interlaboratorial financiado em partes pela União Europeia e contando com 10 parceiros em toda a Europa investigou a técnica por esfera rotativa por 3 anos. Os autores chegaram a conclusão que a técnica de abrasão em microescala possui uma reprodutibilidade e repetibilidade razoáveis para revestimentos TiN e que a técnica pode ser aplicada para avaliar a resistência ao desgaste de uma vasta gama de superfícies. eixo esfera amostra Porca de fixação eixo amostra esfera

(39)

3.4 ENSAIOS DE DESGASTE MICROABRASIVO POR ESFERA ROTATIVA

Os ensaios por esfera rotativa podem ser divididos em duas categorias: por esfera fixa e por esfera livre. No tipo de ensaio por esfera rotativa fixa, a carga de ensaio é fixada pelo operador do equipamento, ao ajustar as configurações para o teste. Permite-se ao operador controlar, também, a rotação da esfera e consequentemente a distância de deslizamento, além da concentração e vazão de lama abrasiva introduzida no ensaio (TREZONA et al., 1999).

A Figura 7 apresenta dois modelos de equipamentos do tipo esfera rotativa fixa, usados no trabalho de Trezona et al. (1999) para verificação da influência das condições do teste na transição entre o mecanismo de dois-corpos para três-corpos em aço ferramenta temperado, e em condições diversas dos parâmetros de ensaio.

FIGURA 7 – Desenho esquemático dos equipamentos de ensaio por esfera rotativa.

Fonte: Trezona et al., 1999.

Adachi e Hutchings (2003) também utilizaram um equipamento por esfera rotativa fixa para determinação de mapas dos diferentes modos de desgaste alcançados por meio do ensaio. (Figura 8)

(40)

FIGURA 8 – Desenho esquemático de princípio de funcionamento de máquina de ensaio microabrasivo por esfera rotativa fixa.

Fonte: Adaptado deAdachi e Hutchings, 2003.

O ensaio por esfera rotativa livre difere-se do ensaio por esfera rotativa fixa, fundamentalmente em função da aplicação e variação da carga de ensaio. Nessa configuração, inicialmente desenvolvida por Rutherford e Hutchings (1997), a carga de ensaio é determinada pelo peso da esfera, inclinação da mesa porta-amostra e pela posição do conjunto em relação ao eixo motor. A Figura 9 apresenta de maneira detalhada essa relação.

FIGURA 9 – Contato entre a esfera, eixo motriz e amostra em um ensaio de microabrasão por esfera livre. a) vista lateral; b) vista ao longo da linha da carga normal.

Fonte: Adaptado de Kusano e Hutchings, 2005.

Peso Morto

Contrapeso

Amostra

Esfera

(41)

Na Figura 10 pode-se observar um equipamento do tipo esfera livre em vista lateral.

FIGURA 10 – Máquina de ensaio de desgaste microabrasivo por esfera rotativa livre.

Fonte: Silva Jr., 2003 apud Cozza, 2006.

3.5 PARÂMETROS DO ENSAIO DO TIPO ESFERA ROTATIVA FIXA

3.5.1 Carga normal

Trezona e Hutchings (1999) estudaram os efeitos da variação da carga normal em um ensaio de esfera rotativa fixa.

Os pesquisadores utilizaram esferas (contracorpo) de 25,4 mm de diâmetro, fabricadas de aço martensítico para rolamento (990 ± 40 HV), bronze-fósforo (195 ± 8 HV) e polipropileno (PP, 6.2 ± 0,8 HV), sendo a maioria dos testes conduzidos com a esfera de aço martensítico AISI 52100.

Como amostras (corpo), foram utilizados os seguintes materiais: aço ferramenta ( 1,0 wt% C, 1,2 wt.% Mn, 0,2 wt.% Si, 0,5 wt.% Cr, 0,15 wt.% V, 0,5 wt% W) temperado para dureza de 775 ± 10 HV, Liga de alumínio S1C H4 (0,5 wt.% Si, 0,1 wt.% Cu, 0,7 wt.% Fe, 0,1 wt.% Mn, 0,1 wt.% Zn) com dureza de 41 ± 1 HV, alumina em vidro-ligado (86 wt.% Al2O3, 14 wt.% SiO2 + CaO + MgO) com dureza de 1370 ±

100 HV e PMMA (polimetilmetacrilato) comercial com dureza aproximada de 21,6 ± 0,1 HV.

(42)

O material abrasivo utilizado nos testes foi o SiC F1200 em concentração de 0,75 g de abrasivo por cm³ de água destilada.

Todos os ensaios foram realizados com uma velocidade de deslizamento de 0,05 m/s e distância de deslizamento de 4 a 28 m.

A Figura 11 (a) e (b) mostra a variação do volume desgastado por unidade de deslizamento em função da carga para um PMMA e para o Alumínio. Percebe-se que, conforme a equação de Archard, o volume desgastado é proporcional ao aumento da carga para ambos os casos. A aproximação linear da reta, R, apresenta um valor próximo a 1, o que sugere uma ótima aproximação.

FIGURA 11 – Efeito da carga normal no volume de desgaste por unidade de distância deslizada em (a) PMMA; (b) Alumínio.

Fonte: Adaptado de Trezona e Hutchings, 1999.

Os autores verificaram que para materiais macios o volume desgastado é proporcional à carga aplicada somente em baixas cargas. Porém, apesar de apresentarem uma proporcionalidade, para cargas entre 0,75 – 1,0 N, o formato das crateras apresentou um aspecto não esférico e tamanho menor do que o esperado.

A Figura 12 apresenta outro exemplo de variação do volume desgastado por unidade de distância de deslizamento em função da carga normal aplicada.

V ol u m e d e d e sg a st e p or u n id a d e d e d is tâ n ci a d e sl iz a d a Carga [N] V ol u m e d e d e sg a st e p or u n id a d e d e d is tâ n ci a d e sl iz a d a Carga [N] a) b) _Alumínio

(43)

FIGURA 12 – Variação do volume desgastado por unidade de deslizamento em função da carga normal para abrasão por rolamento.

Fonte: Adaptado de Trezona et al., 1999.

Neste trabalho os autores apresentaram um estudo sobre a influência dos parâmetros do teste no modo de desgaste de dois-corpos para três-corpos. Foram utilizados dois equipamentos de ensaio de desgaste do modelo esfera fixa para a realização dos testes. Como contra-corpo foi utilizada uma esfera de 25,4 mm de diâmetro, fabricada de aço martensítico para rolamento (990 ± 40 HV). As esferas foram tratadas antes do uso para evitar a presença de óxidos em sua superfície.

As amostras utilizadas nos testes foram de aço ferramenta (1,0 wt% C, 1,2 wt.% Mn, 0,2 wt.% Si, 0,5 wt.% Cr, 0,15 wt.% V, 0,5 wt% W) temperado com uma dureza de 775 ± 10 HV, todas lixadas e polidas por métodos convencionais de metalografia.

Os pesquisadores investigaram além da carga normal de ensaio, a influência dos diferentes abrasivos e concentrações. Para tanto, utilizaram os seguintes materiais: SiC, Al2O3 e partículas de diamante. As concentrações de abrasivo diluídas em água

destilada variaram entre 0,0001 e 1,0 g de abrasivo por centímetro cúbico de água. Para o SiC e Al2O3 os abrasivos usados eram grau F1200, com tamanho médio das

partículas entre 4,25 e 4,97 µm, respectivamente e as partículas de diamante possuíam tamanho de 3,05 µm. A alimentação da lama abrasiva no sistema se manteve em uma taxa aproximada de 0,25 cm³/ min.

V ol u m e d e d e sg a st e p or u n id a d e d e d is tâ n ci a d e sl iz a d a Carga [N]

(44)

Todos os testes foram realizados com uma velocidade de deslizamento de 0,05m/s e distância de 15 a 75 m. As cargas utilizadas nos ensaios variaram de 0,1 a 5,0 N.

Os autores afirmam que, para os testes realizados, o volume desgastado é proporcional a carga aplicada para desgaste por rolamento (três-corpos), mas para o caso de desgaste por riscamento (dois-corpos) o volume desgastado é proporcional, apenas, a uma potência de carga inferior a um. A Figura 13 apresenta a variação do volume em função do aumento da carga para um aço ferramenta, ensaiado com uma concentração de 0,75 g/cm³ de lama de SiC F1200.

FIGURA 13 – Variação do volume desgastado por unidade de deslizamento em função da carga normal para abrasão por rolamento.

Fonte: Adaptado de Trezona et al., 1999.

A transição dos mecanismos de desgaste de dois-corpos para três-corpos, em função da variação da carga, ocorre em uma relação aproximadamente constante de carga normal para frações de lamas abrasivas de SiC e Al2O3, enquanto para as

partículas de diamante ocorreu uma alta variação na relação, mas com um valor significativamente similar.( TREZONA et al., 1999.)

V ol u m e d e d e sg a st e p or u n id a d e d e d is tâ n ci a d e sl iz a d a Carga [N]

(45)

Para o mecanismo de desgaste por três-corpos, o volume de desgaste foi proporcional à carga aplicada de acordo com a equação de Archard (Eq. 1). No caso do mecanismo de dois corpos, conclui-se que o volume é proporcional para algumas potências de carga inferiores a um.

Trezona et al. (1999) investigaram uma gama de cargas, entretanto, cargas superiores a 0,5 N promoveram crateras de aspectos não esféricos, impossibilitando a análise nessas condições.

3.5.2 Distância de deslizamento

Para o cálculo do coeficiente de desgaste, k, a distância percorrida em função das rotações da esfera é uma variável fundamental para perfeita compreensão dos mecanismos e evolução da taxa de desgaste no material.

Cozza et al. (2005) afirmam que distâncias de deslizamento inferiores a 6 metros podem acarretar em uma calota com borda difusa, o que pode indicar que o regime permanente de desgaste não foi alcançado.

3.5.3 Concentração de lama abrasiva

Hutchings e Adachi (2005) estudaram a sensibilidade do ensaio de micro-abrasão por esfera rotativa, em função das condições do teste e dureza dos materiais. No estudo foram utilizados dois materiais diferentes para amostras, PMMA ( polimetilmetracrilato preto) e aço ferramenta (1,0 wt. % C, 1,2 wt.% Mn, 0,2 wt.% Si, 0,5 wt.% Cr, 0,15 wt.% V, 0,5 wt.% W.), como contra-corpo duas esferas de diferentes materiais, PP (polipropileno) e aço AISI 52100. Os pesquisadores variaram ainda a carga de ensaio entre 0,01-1 N e a concentração de lama abrasiva composta por carbeto de silício, grau F1200 com tamanho de partícula médio de 4,3 µm. A concentração de lama abrasiva variou entre 0,00003 a 0,2. Para cada ensaio a distância total de deslizamento foi de 16m, equivalente a 200 rotações da esfera. Testes adicionais foram realizados com diversas combinações de esferas e amostras de diferentes ligas.

(46)

A Figura 14 mostra a variação do coeficiente de desgaste, K, assim como o modo de desgaste, em função da carga e concentração de lama abrasiva. Tanto para o aço ferramenta, como para o PMMA, nota-se que a redução da concentração da lama de abrasivo, associada ao aumento na carga, provoca uma redução na taxa de desgaste.

FIGURA 14 – Variação da taxa e modo de desgaste em função da carga e concentração de abrasivo para: a) Aço ferramenta utilizando esfera AISI 52100; b) PMMA utilizando esfera PP.

Fonte: Hutchings e Adachi, 2005.

Conforme apresentado na Figura 15, no ensaio, utilizando a amostra de PMMA com uma esfera de AISI 52100, nota-se que a carga não influencia de forma significativa a taxa de desgaste, entretanto, o aumento da concentração de lama abrasiva promove uma maior taxa de desgaste.

(b) T a x a d e d e sg a st e e sp e cí fi ca , Ks T a x a d e d e sg a st e e sp e cí fi ca , Ks Carga _Carga Concentração de volume de

abrasivo Concentração de volume de

(47)

FIGURA 15 – Variação da taxa e modo de desgaste em função da carga e concentração de abrasivo para PMMA utilizando esfera AISI 52100.

Fonte: Hutchings e Adachi, 2005.

No trabalho apresentado por Trezona; Allsopp e Hutchings, 1999, os autores verificaram que em algumas condições de ensaio a variação do volume de desgaste em função da concentração da lama de abrasivo não era linear, apresentando um maior volume entre 0,1 e 0,2 g/cm³, conforme apresentado na Figura 16.

FIGURA 16 – Variação do volume desgastado após 30m de deslizamento com lama de carbeto de sílicio em uma amostra de aço ferramenta.

Fonte: Trezona; Alsopp e Hutchings, 1999.

T a x a d e d e sg a st e e sp e cí fi ca , Ks Carga V o lu m e d e sg a st a d o [ m m ³]

Fração volumétrica de abrasivo

Concentração de volume de abrasivo

(48)

Nota-se que a partir de determinada concentração de lama abrasiva, o volume desgastado tende a diminuir. Um aumento da carga de ensaio faz com que as partículas de abrasivo se incorporem mais profundamente, e uma vez assumindo que as partículas não irão se fraturar, ocorrerá em determinado ponto em que cada partícula seja totalmente incorporada. Dessa forma, qualquer carga adicional será suportada por um filme hidrodinâmico ou asperezas na superfície. Trezona et al. (1999) sugerem então que um aumento da carga não irá aumentar a taxa de remoção de material por abrasão. O volume desgastado apenas será aumentado em função do aumento do número de partículas em contato.

3.5.4 Esfera de ensaio

Diversos trabalhos comprovam a influência da esfera de ensaio nos resultados dos testes em equipamentos de esfera rotativa (HUTCHINGS e ADACHI, 2005; TREZONA et al., 1999; ADACHI e HUTCHINGS, 2003; TREZONA e HUTCHINGS, 1999).

A influência das condições da superfície da esfera de ensaio foi investigada por Allsopp et al. (1998). No trabalho, os autores comprovaram que a condição superficial da esfera influencia na magnitude e reprodutibilidade do coeficiente de desgaste medido. A Figura 17 apresenta a reprodutibilidade do ensaio utilizando uma esfera usada (a) e uma esfera nova (b).

FIGURA 17 – Resultado de reprodutibilidade de ensaio de desgaste em alumínio utilizando: a) esfera usada, b) esfera nova.

Fonte: Allsopp et al., 1998.

a) _b) D e sl o ca m e n to ( µ m ) D e sl o ca m e n to ( µ m ) Revoluções da esfera Revoluções da esfera