Resistência ao desgaste por deslizamento de ligas NiAl processadas por Plasma Arco Transferido (PTA)
Maryelen Hissae Miyoshi[PIBIT/CNPQ] 1, Giuseppe Pintaúde [orientador] 2, Ana S. C. M.
D’Oliveira[Co-orientadora] 3, Cristiano Brunetti [Colaborador] 3
1 Depto. Acadêmico de Mecânica, Programa PIBIT/CNPQ
2 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UTFPR-PPGEM
3Universidade Federal do Paraná, PG-MEC, Centro Politécnico.
Campus Curitiba
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Av. Sete de Setembro, 3165, Rebouças, Curitiba - Pr - Brasil
mhissaem@hotmail.com, pintaude@utfpr.edu.br, sofmat@ufpr.br, cristiano_brunetti@yahoo.com.br
Resumo – As propriedades das ligas do sistema Ni-Al em temperaturas elevadas tornam essas ligas potenciais candidatas a aplicações que demandem resistência ao desgaste ou revestimentos de componentes que operam em ambientes agressivos. Este estudo analisou o comportamento ao desgaste de revestimentos Ni-Al processados in- situ por plasma arco transferido (PTA). Misturas de pós elementares de Ni e Al (65%atNi-35%atAl) foram depositadas sobre substratos de aço AISI 1020 e AISI 304. Três correntes de deposição foram utilizadas (100, 120 and 150 A). O desenvolvimento dos aluminetos de Ni foi confirmado pela difração de raios-X em ambos os substratos. Ensaios de deslizamento a seco foram conduzidos na temperatura ambiente e a 710 ºC, utilizando tribômetro com configuração esfera-sobre-disco com esfera de Al2O3 de 3,0 mm e diferentes forças normais (1, 3 e 5 N). Na temperatura ambiente, para os revestimentos sobre substrato de aço AISI 1020, o comportamento do desgaste seguiu a equação de Archard e abrasão foi o mecanismo identificado. No entanto, a 710 ºC as taxas de desgaste não podem ser associadas à dureza do revestimento e o desgaste foi dominado pela oxidação. Abrasão e deformação plástica foram os mecanismos observados nos revestimentos processados sobre os substratos de aço AISI 304 ensaiados a 710 ºC.
Palavras-chave: Intermetálicos Ni-Al; Plasma arco transferido, revestimentos; desgaste;
Abstract - Ni-Al intermetallic alloys exhibit superior high-temperature properties make them potential candidates as wear-resistance materials or coatings to protect components operating in harsh environments. This study analyzed the wear behavior of Ni-Al coatings processed in-situ by plasma transferred arc (PTA). Mixtures of Ni and Al powders (65%atNi-35%atAl) were deposited onto AISI 1020 and AISI 304 steel disks. Three depositions current were used (100, 120 and 150 A). The development of Ni-aluminides was confirmed by X-ray diffraction for the three deposition current used for both substrates. Dry sliding tests were carried out at room temperature and 710 ºC, using a ball-on-disk tribometer with a 3.0 mm Al2O3 ball under different normal loads (1, 3 and 5 N). At room temperature, for the coatings processed onto AISI 1020 substrates, wear behavior followed that described by the Archard equation, and abrasion was the main observed mechanism. However, at 710 ºC the variations of wear rates cannot be associated with the coating hardness and wear was dominated by oxidation. Abrasion and plastic deformation were the wear mechanisms observed in the coatings processed onto AISI 304 substrate tested at 710 ºC.
Keywords: Ni-Al intermetallics; Plasma transferred arc; coatings; wear.
INTRODUÇÃO
O intermetálico NiAl tem sido estudado extensivamente ao longo das últimas décadas como um candidato para aplicações estruturais em condições severas[1] devido a sua elevada temperatura de fusão, elevado modulo de elasticidade, baixa densidade, alta condutividade térmica e a excelente resistência à oxidação acima de 1000 ºC [2]. Apesar disso, o uso do NiAl em aplicações estruturais tem sido limitado devido a sua baixa ductilidade e tenacidade à temperatura ambiente [2,3].
O processo de plasma por arco transferido é um dos processos de revestimento utilizado para depositar ligas resistentes ao desgaste [4]. O fato deste processo utilizar materiais de adição na forma de pó abre a possibilidade de deposição de um largo espectro de composições químicas, inclusive permitindo o desenvolvimento in-situ de ligas com propriedades específicas para atender às exigências de operação [1].
Ligas intermetálicas são considerados materiais de engenharia e podem ser submetidos a ambientes de severo desgaste [5]. Por isso é muito importante compreender seu comportamento tribológico para que sejam desenvolvidas novas tecnologias que reduzam esse desgaste.
Para se determinar o desgaste sofrido pode-se usar o coeficiente de desgaste dimensional (k) que pode ser obtido pela equação de Archard para desgaste por deslizamento [6]:
[mm3/m] (1)
Considerando a relação igual a k, é obtido o coeficiente de desgaste dimensional:
[mm3/Nm] (2)
Onde V representa o volume de material desgastado, S a distância total do ensaio de desgaste e N a carga utilizada no ensaio de desgaste.
Este estudo tem como objetivo estudar a resistência ao desgaste por deslizamento, esfera-disco, de ligas NiAl processadas por PTA.
METODOLOGIA
Para deposição dos cordões foram utilizados pós-elementares de Ni e Al, ambos com pureza 99,95% e com granulometria entre 75 – 150 µm.
A mistura de pós de Ni e Al (80%Ni e 20 % Al em peso) formam homogeneizadas em misturador em Y por 1 hora a 80 rpm. Antes de ser depositada a mistura era levada à estufa a 120ºC por, pelo menos, 2 horas e lá permanecia até o momento da deposição. Foram utilizados substratos de aço AISI 1020 e aço AISI 304 medindo Ø55x20 mm.
O equipamento utilizado para deposição dos revestimentos foi o Modelo Starweld 300 PTA Welding System. Os parâmetros de processo, mantidos constantes para todas as deposições, são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Parâmetros de deposição dos revestimentos Fluxo do gás de plasma
(l.min-1)
2.0 Taxa de alimentação do pó
(g.min-1) (mm)
6.0
Fluxo do gás de proteção 15.0 Distância tocha-substrato 10
Fluxo gás de arraste do pó 1.0
Todas as deposições foram efetuadas com pré-aquecimento de 200 ºC e realizadas no diâmetro de 38 ± 1 mm. Foram utilizadas correntes de deposição de 100, 120 e 150 A.
Depois de efetuadas as deposições, os cordões foram caracterizados com auxílio de microscopia óptica (MO), microscopia laser confocal (MLC),microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), difração de raios-X (DRX) e microdureza instrumentada. Após as deposições, as amostras foram retificadas e posteriormente as superfícies foram lixadas e polidas em diamante de 3 µm e polimento final com diamante de 1 µm.
Para todas as ligas processadas foram realizados perfis de composição química ao longo de todo o revestimento. O perfil de composição foi efetuado considerando uma área de análise de 200x200µm2 e os resultados apresentados correspondem à média das determinações.
Os ensaios de microdureza instrumentada foram conduzidos em microdurômetro CSM Micro Combi-Tester seguindo as recomendações da norma [9], utilizando penetrador Vickers e força normal de 0,3 kgf. Os valores médios de microdureza correspondem média aritmética de todas as determinações.
A Difração de Raios-X foi empregada para a determinação das fases presentes nos revestimentos. As amostras foram retiradas dos cordões e preparadas através de técnicas metalográficas convencionais. Utilizou-se alvo de Cu (kα -λ = 0.15406 nm) e tensão de 40 Kv. A faixa de varredura nas amostras foi θ-2θ variando de 30-120 graus com velocidade de 1.0 grau.min-1. Os difratogramas foram analisados no software Crystallographica Search-Match 3.1.0.
Os ensaios de desgaste por deslizamento foram realizados em um tribômetro CSM High temperature tribometer com configuração esfera-sobre-disco. Na Tabela 2 são sumarizadas as condições dos ensaios tribológicos realizados nesse trabalho. As orientações gerais da norma [11] ASTM G-99 foram seguidas na condução dos ensaios de desgaste.
Tabela 2. Especificações para realização dos ensaios de desgaste por deslizamento Corpo
material
Revestimento NiAl Substratos de aço AISI
1020 e 304
diâmetro da trilha (mm) Ø 38 ± 1
dimensão externa (mm) Ø 55 rugosidade (µm) Polida
Contra Corpo
material Esfera Al2O3 rugosidade (µm) Polida
dimensão externa (mm) Ø 3
Características do Ensaio
força aplicada (N) 1.0, 3.0 e 5.0 N atmosfera ambiente
velocidade (m.s-1) 0.25 umidade relativa (%) 58-62%
duração 750 m variável de resposta Volume de
desgaste temperatura (ºC) 27°C e 710°C
A microscopia confocal foi utilizada para caracterização das trilhas de desgaste obtidas nos ensaios tribológicos dos revestimentos. As imagens das superfícies de desgaste foram tomadas nos quatro quadrantes. A partir dessas imagens e utilizando-se as ferramentas do software do equipamento a área desgastada foi determinada. Uma quantidade de, no mínimo, 12 determinações por amostra foi utilizada para cômputo dos valores médios, que foram posteriormente utilizados para a determinação do volume de desgaste.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Fig.1 são apresentadas as micrografias dos revestimentos depositados sobre os substrato de aços AISI 1020 e AISI 304, respectivamente, com 100 A. Pode ser visualizado o desenvolvimento da microestrutura em cada quadrante dos corpos de prova. Essas figuras são representativas das condições de solidificação dos revestimentos processados com todas as intensidades de corrente, uma vez que as microestruturas dos revestimentos, para ambos os substratos, foi dendrítica [12].
a) b)
Figura 1. Seção transversal dos revestimentos depositado com 100A a) em substratos de aço AISI 1020 e b) em aço AISI 304.
Os dados apresentados nas Tabelas 3 e 4 revelam que para ambos os substratos e correntes utilizadas a composição química foi uniforme em todo o revestimento. Verifica-se também que à medida que a corrente aumentou houve um aumento nos teores de Fe no revestimento do substrato de aço AISI 1020 e de Fe e Cr no revestimento do substrato de aço AISI 304. Esse efeito ocorre porque com o aumento da corrente o aporte de energia no substrato é maior resultando em diluições mais elevadas e consequentemente em maior mistura do revestimento com os elementos do substrato [12].
Tabela 3. Composição químicas dos revestimentos no substrato de aço AISI 1020.
Elemento Corrente
100 A 120 A 150 A
Al 21,50±1,25 15,50±0,50 16,75±0,30 Composição
média %at Fe 33,40±1,60 49,80±0,85 49,60±1,10 Ni 45,20±,60 34,75±1,20 33,70±0,90
Tabela 4. Composição químicas dos revestimentos no substrato de aço AISI 304.
Elemento Corrente
100 A 120 A 150 A
Al 21,50±1,20 19,90±1,05 13,00±2,35 Composição
média %at Fe 27,40±1,00 31,80±2,40 42,30±4,55 Ni 42,90±0,60 38,70±2,24 31,95±3,65 Cr 8,15±0,20 9,65±0,75 12,77±1,40
Na Fig. 2 são apresentados os resultados de DRX. Verifica-se que para ambos os substratos as ligas formadas são bifásicas constituídas do intermetálico NiAl e um fração de austenita. Esses resultados estão de acordo com a literatura [13,14] evidenciando a formação de ligas intermetálicas através do processo PTA.
a) b) 30 60 90 120
(Fe, Ni)
2
Counts, cps
150 A
120 A 100 A Ni1.10Al0.90
Figura 2. Difratograma dos revestimentos sobre substrato na temperatura ambiente de aço a) AISI 1020; b) AISI 304.
A Fig.3 apresenta os resultados de dureza dos revestimentos. Os resultados apresentados na Fig.3a mostram que houve um aumento da dureza, conforme se elevou a corrente. Verifica-se que a dureza teve um acréscimo de aproximadamente 34% quando a corrente variou de 100 para 150 A [13]. Além disso, foi mostrado que a dureza em ligas intermetálicas depositadas por PTA não segue a mesma tendência observada em ligas que formam soluções sólidas, isto é, a dureza deveria diminuir com maiores valores de diluição [15]. Isto se deve ao fato das complexas interações existentes entre as ligações químicas e da estrutura de defeitos presentes em ligas intermetálicas [16].
Nos revestimentos depositados no substrato de aço AISI 304, Fig.3b, verifica-se que a dureza aumentou levemente (7%) com o aumento da corrente de 100 para 120 A. Para a amostra processada com 150 A nota-se uma queda abrupta nos valores de dureza, 34%, quando se compara com os valores apresentados para as outras duas correntes, provavelmente devido a maior quantidade de austenita presente na liga processada com 150 A.
Os resultados dos ensaios de desgastes estão representados pelas curvas obtidas a partir do cálculo do coeficiente de desgaste dimensional (k) e podem ser observadas na Fig.4 para os revestimentos depositados no substrato de aço AISI 1020.
a)
0 1000 2000 3000 4000
1 2 3 4 5 6 7 8
0 1000 2000 3000 4000
1 2 3 4 5 6 7 8
Dureza, GPa
Distância da superficie, m 100 A 120 A 150 A
b)
0 1000 2000 3000 4000
1 2 3 4 5 6 7 8
0 1000 2000 3000 4000
1 2 3 4 5 6 7 8
Dureza, GPa
Distância da superficie, m
100 A 120 A 150 A
Figura 3. a) Perfis de microdureza dos revestimentos sobre substrato de aço AISI 1020; b) Perfis de microdureza dos revestimentos sobre substrato de aço AISI 304.
a)
0 1 2 3 4 5 6
1,0x10-4 2,0x10-4 3,0x10-4 4,0x10-4 5,0x10-4 6,0x10-4 7,0x10-4
k, (mm3 .(N.m)-1 )
Força (N)
100A_RT 120A_RT 150A_RT
b)
0 1 2 3 4 5 6
0,0 2,0x10-5 4,0x10-5 6,0x10-5 8,0x10-5 1,0x10-4
k, (mm3 .(N.m)-1 )
Força (N)
100A_HT 120A_HT 150A_HT
Figura 4. Coeficiente de desgaste versus carga para os revestimentos depositados em substrato de aço AISI 1020 a) a temperatura ambiente; b) a 710o C.
Para o substrato de aço AISI 1020 com o aumento da carga houve um aumento do coeficiente de desgaste à temperatura ambiente, para todas as corrente utilizadas, Fig.4a. Este aumento ocorre devido à maior carga de ensaio utilizada e os dados são descritos pela Eq. 2, ou seja, quanto maior a dureza, menor a taxa de desgaste observada. A Fig.5 representa o mecanismo de abrasão para o revestimento depositado com 100 A que foi identificado em todos os casos. Os revestimentos depositados com 100 A apresentaram maior coeficiente de desgaste em temperatura ambiente, o que pode ser justificado devido a menor dureza, Fig.3a.
Figura 5. Superfície desgastada por abrasão do revestimento depositado com corrente de 100 A e utilizando carga de 5N.
Nos ensaios em alta temperatura para substrato de aço AISI 1020, devido ao aquecimento das amostras antes do início do desgaste propriamente dito, ocorreu a formação de uma camada de óxido na superfície, Fig.6. O óxido formado foi hematita, identificada por DRX. A presença da camada de óxido altera o mecanismo de desgaste e os resultados apresentados na Fig.4b, não apresentam a linearidade observada no caso dos ensaios em temperatura ambiente. Ao comparar os coeficientes de desgastes obtidos à temperatura ambiente com os obtidos a alta temperatura, observa-se que em alta temperatura os coeficientes de desgaste são menores. Este resultado pode ser explicado devido ao fato de óxidos atuarem como lubrificantes sólidos.
Figura 6 – Seção transversal dos revestimentos expostos a 710ºC por1 hora a) 100 A e b) 120 A; Microscopia laser confocal, sem ataque químico; c) 150 A, MEV após ataque
químico e EDS da camada de óxidos.
Para o substrato de aço AISI 304 em alta temperatura os coeficientes de desgaste obtidos foram bem superiores (Fig.7a) se comparados com os resultados do substrato de aço AISI 1020 para a mesma temperatura. No substrato de aço AISI 304 não foi observada a formação da camada de óxido, o que pode ser um fator que justifica os elevados valores do coeficiente de desgaste. Além disso, a dureza dos revestimentos é menor provavelmente em função da maior quantidade de austenita formada, sendo que para esse conjunto de resultados o revestimento depositado com a corrente de 150 A apresentou maior coeficiente de desgaste devido a sua menor dureza, como pode ser observado na Fig.3b. O mecanismo observado nesses casos foi abrasão e deformação plástica, como apresenta a Fig.7b para o caso do revestimento depositado com corrente de 100 A, que se manteve para todas as outras correntes e cargas utilizadas nos ensaios.
a)
0 1 2 3 4 5 6
0,0 2,0x10-4 4,0x10-4 6,0x10-4 8,0x10-4 1,0x10-3 1,2x10-3 1,4x10-3 1,6x10-3 1,8x10-3 2,0x10-3 2,2x10-3
k, (mm3.(N.m)-1)
Força (N)
100A_HT 120A_HT 150A_HT
b)
Figura 12. a) Coeficiente de desgaste versus carga para os revestimentos depositados em substrato de aço AISI 304 a 710oC; b) Superfície desgastada por abrasão e deformação plástica do revestimento depositado com corrente de 100 A e utilizando carga de 5N.
CONCLUSÕES
1) Verificou que a deposição da mistura de pós-elementares utilizando o processo PTA resultou na formação do intermetálico NiAl in-situ sobre substratos de aço AISI 1020 e aço AISI 304.
2) A taxa de desgaste dos revestimentos processados sobre substrato de aço AISI 1020 ensaiados em temperatura ambiente é função da dureza, sendo que quanto maior a
dureza menor foi a taxa observada. O mecanismo observado em todos os casos foi abrasão.
3) A exposição dos revestimentos processados sobre substrato de aço AISI 1020 à temperatura de 710 C, resulta na formação de uma camada de óxidos (hematita) a qual contribuiu para a redução da taxa de desgaste nessa temperatura.
4) As elevadas taxas de desgaste observadas para os revestimentos processados sobre substratos de aço AISI304 são devidas a menor dureza apresentada por esses revestimentos. Além disso, não foi identificada, pelas técnicas utilizadas, a formação de camada de óxidos. O mecanismo observado em todos os casos foi abrasão e deformação plástica.
AGRADECIMENTOS
M.H. Miyoshi agradece ao CNPq pela bolsa PIBIT.
REFERÊNCIAS
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