UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Jurandir Marcos Sá de Sousa
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES TRIBOLÓGICAS DE REVESTIMENTOS DE Ni-Cr-B-Si DEPOSITADOS VIA LASER
CLADDING A PÓ
Florianópolis 2019
Jurandir Marcos Sá de Sousa
ANÁLISE DAS PROPRIEDADES TRIBOLÓGICAS DE REVESTIMENTOS DE Ni-Cr-B-Si DEPOSITADOS VIA LASER
CLADDING A PÓ
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecâ-nica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Milton Pereira, Dr. Eng.
Coorientador: Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner
Florianópolis 2019
Sousa, Jurandir Marcos Sá de
Análise das propriedades tribológicas de revestimentos de Ni-Cr-B-Si depositados via laser cladding a pó / Jurandir Marcos Sá de Sousa ; orientador, Milton Pereira, coorientador, Walter Lindolfo Weingaertner, 2019.
138 p.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019. Inclui referências.
1. Engenharia Mecânica. 2. LASER Cladding. 3. Tribologia. 4. Caracterização Mecânica. I. Pereira, Milton. II. Weingaertner, Walter Lindolfo . III. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. IV. Título.
A Deus, por tudo. Aos meus amados pais e irmãos. Aos meus queridos avós Antônia Jesus e Josias Sousa. Aos meus eternos amigos de jornada. Ao Rosa de Saron (Rock, Fé e Poesia).
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus, pela vida, saúde, paz, força e sabedoria que me concedeu para iniciar e completar esta jornada. Obri-gado senhor por sempre cuidar de mim, da minha família e dos meus eternos amigos.
Aos meus velhos e melhores amigos:
A toda a minha família. De forma especial, aos meus amados pais José Tomé de Sousa e Vanusa Francisca de Sá. Vocês são simplesmente tudo, tudo para mim, e sem vocês, com certeza, eu não teria chegado até aqui. Aos meus queridos irmãos Jeremias Luan Sá de Sousa e Vladimir Sá de Sousa, pela torcida e companheirismo supremo nesta jornada. Vocês são o maior presente que Deus poderia me conceder. Amo vocês.
Aos meus Orientadores, Banca Examinadora e CAPES:
Ao meu orientador Professor Milton Pereira, por aceitar me con-duzir nesta caminhada, indicando o caminho das pedras, aconselhando e corrigindo a trajetória sempre que preciso (e não foram poucas vezes). Obrigado pelo tempo, paciência e incentivo despendidos a esta batalha. Não foi fácil, mas chegamos.
Ao meu coorientador Professor Walter Lindolfo Weingaertner, por aceitar guiar boa parte da minha turma na época do PDM. A sua dedicação a esta universidade e a ciência como um todo ao longo de muitos anos, é digna de enorme admiração. Obrigado pelas aulas e por suas inúmeras histórias fascinantes.
Agradeço aos membros da banca, Professores Mateus Barancelli Schwedersky, Elvys Isaías Mercado Curi e Paulo Cordeiro Machado. Obrigado por dedicarem um tempo de sua agenda a esta tarefa e, desde já, adianto que vossas considerações serão devidamente acatadas. Me estendo um pouco mais em gratidão ao Professor Elvys por se locomo-ver de Criciúma até aqui. O parágrafo será um pouco mais extenso, porém, não tão quanto a viagem feita pelo Professor Paulo Machado. Muito obrigado pela consideração de percorrer mais de 3.500 km para participar da defesa pessoalmente. Agradeço não só como discente, mas também como amigo.
A CAPES pela ajuda financeira através da bolsa.
Aos companheiros do LMP-LASER:
Agradecimento especial ao amigo Adriano de S. P. Pereira. Na verdade, não da para detalhar em poucas palavras a magnitude do apoio que este cara forneceu a esta dissertação, desde os primórdios do PDM até as fases finais. Valeu mesmo cara. Conte comigo para o que precisar.
São muitos nomes para citar. No risco eminente de esquecer al-guns, me detenho em agradecer ao grupo LMP-LASER como um todo. Boa parte dos membros trabalhou diretamente na realização desta dis-sertação. A vocês, o meu mais sincero muito obrigado.
Agradeço o apoio do corpo técnico do LMP-LASER e também aos membros dos nossos laboratórios vizinhos, que auxiliaram esta pes-quisa: LABCONF, LABMAT e CERMAT.
Aos Companheiros da SATC:
Agradecimento especial ao meu coorientador não oficial Profes-sor Richard de Medeiros Castro. Muito obrigado profesProfes-sor por ter me recebido tão bem na SATC, por ter acompanhado de forma ativa todos os ensaios tribológicos e o desenvolvimento do trabalho escrito, além das valiosas dicas fornecidas.
Agradeço ao Professor Luiz Carlos de Cesaro Cavaler por me re-ceber e fornecer estrutura, equipamentos e insumos para os ensaios. Também agradeço aos professores coordenadores de todos os laborató-rios que utilizei: LASPHI, LAVITRI, LAMAM e LAMEF.
Ao amigo Jorge Andrade por me receber em sua casa e me apre-sentar a SATC e a galera do projeto AeroSATC. Ao amigo Luiz Feltrin, pela ajuda e atencioso auxílio nos ensaios tribológicos. Obrigado tam-bém a vocês Victor Cancelier, Lucas Januário e Vitor Brunelli pela força nas etapas de preparação e execução dos ensaios tribológicos.
Aos meus novos amigos:
Agradeço aos meus colegas de turma pela parceria nas disciplinas e trabalhos em geral. Agradeço também a Ana Carolina Correia.
Agradecimento especial aos meus amigos de jornada Francisco Ratusznei, Gabriel Barbosa, Ricardo Delgado e Ricardo Knoblauch pela parceria, companheirismo e ajuda em todos os momentos em que preci-sei. Obrigado pelos cafés, “churras”, risos e memes. Vocês são demais.
Agradeço também aos amigos Cledenir Oliveira e Rafael Nunes (Mineiro), membros da sala mais legal do Laboratório, que também conta com o João Osório (O Barba), o nosso bolsista e amigo.
Claro, não podia esquecer vocês. Aos amigos de longa data:
Aos amigos mais antigos: Druscilla Zaghetti, Danielly Martins, Vanêssa Leal, Misley Teixeira, Joanyson Pereira, Edinaldo Marinho, Karina Lima, Vinicius Chaves, Marcos Lacerda, Romário Souza, Pablo Marques, Taciola Fernandes, Amanda Araújo, Danilo Santos, Douglas Garcia, Wassim El-Banna, Pedro Paulo. Aos amigos do EJC.
Por fim, agradeço a todas as pessoas que direta ou indiretamente, contribuíram no desenvolvimento desta dissertação. Nós conseguimos.
“Todos nós temos escolha. Eu escolhi morrer lutando. Salvar pessoas, caçar coisas, o negócio da família.”
(Dean Winchester - Supernatural)
“Ouça um pouco de Rock and Roll no rádio e vá em direção a toda a vida que existe, com toda a coragem que você consegue reunir e toda a crença que possui.”
(IT, A Coisa - Stephen King)
“Sonhar custa caro demais, e desistir custa um sonho que depressa se despede, como senão voltasse mais,
se a vida retirou-se, Eu Quero Voltar.”
RESUMO
A indústria enfrenta sérios problemas relacionados ao desgaste de com-ponentes e equipamentos, resultando em perdas econômicas em larga escala. O desenvolvimento de materiais resistentes aos mais variados mecanismos de desgaste é uma busca constante de centros de pesquisa. Ligas do sistema Ni-Cr-B-Si são reconhecidas por suas propriedades de resistência à abrasão, adesão e corrosão, inclusive em altas temperaturas. O processo LASER cladding vem mostrando-se uma alternativa interes-sante em relação a outros métodos de deposição, por oferecer caracterís-ticas como: baixa diluição, zona afetada pelo calor estreita, baixa inser-ção de distorções e resistente adesão metalúrgica entre substrato e reves-timento. Neste sentido, o presente trabalho analisa o comportamento tribológico de revestimentos de Ni-Cr-B-Si depositados via LASER
cladding a pó. O Aço AISI 1020 foi empregado como substrato.
Utili-zou-se uma fonte LASER de fibra (Yb-Itérbio) e um cabeçote coaxial de deposição de pó para, a partir da variação de três níveis de potência do feixe LASER (1,05; 1,40 e 1,75 kW) e de velocidade de varredura (5,0; 21,7 e 30,0 mm/s), mantendo os demais parâmetros fixos, analisar a diluição, microestrutura, microdureza, composição química, presença de macro defeitos e comportamento tribológico através dos ensaios pino sobre disco (ASTM G99) e roda de borracha (ASTM G65) dos revesti-mentos produzidos. A partir dos resultados obtidos, observou-se que os revestimentos apresentaram adesão metalúrgica resistente e boa unifor-midade de superfície. As trincas de solidificação observadas não chega-ram a comprometer o desempenho dos mesmos. O perfil de microdureza seguiu a variação de microestrutura das regiões distintas encontradas (planar, hipoeutética e eutética), apresentando três patamares. No ensaio pino sobre disco, os revestimentos de microestrutura com maior concen-tração de carbonetos de cromo apresentaram menor perda volumétrica e coeficiente de desgaste. Porém, a média e variação do coeficiente de atrito foi maior quando comparado aos revestimentos de maior diluição em virtude do efeito lubrificante das tribocamadas formadas nestes. No ensaio roda de borracha, os revestimentos de maior microdureza apre-sentaram menor perda volumétrica e coeficiente de desgaste. Conforme esperado, este último apresentou correlação com o tempo de ensaio. De forma geral, os parâmetros de deposição de menor gradiente térmico geraram revestimentos de melhor desempenho tribológico.
Palavras-chave: Mecanismos de desgaste; Comportamento tribológico; Trincas de solidificação; Carbonetos de cromo; Tribocamadas;
ABSTRACT
The industry faces serious problems related to wear of components and equipment, resulting in large-scale economic losses. The development of materials resistant to the most diverse wear mechanisms is a constant persuit of research center. Ni-Cr-B-Si system alloys are recognized by their abrasion, adhesion and corrosion resistance properties, even at high temperatures, while the LASER cladding process has been shown to be an interesting alternative in relation to the other deposition methods, since it offers characteristics such as: small dilution, narrow heat affect-ed zone (HAZ), low distortions insertion and resistant metallurgical adhesion between substrate and coating. In this sense, the present work analyzes the Ni-Cr-B-Si coatings tribological behavior deposited via LASER cladding. AISI 1020 steel was used as substrate. A LASER fiber source (Yb-Ytterbium) and a coaxial LASER head were used for three LASER beam power levels variation (1.05, 1.40 and 1.75 kW) and (5.0, 21.7 and 30.0 mm / s), maintaining the other parameters fixed, analyzing the dilution, microstructure, microhardness, chemical compo-sition, macro defects presence and tribological behavior by the pin-on-disc (ASTM G99) and rubber wheel (ASTM G65) tests of the coatings produced. From the results obtained, it was observed that the coatings showed resistant metallurgical adhesion and good surface uniformity. Solidification cracks occurred, however they did not compromise their performance. The microhardness profile followed the distinct micro-structure variation regions (planar, hypoeutetic and eutectic), presenting three levels. In the pin-on-disc test analyzes, microstructure coatings with higher chromium carbide concentration presented lower volumetric loss and wear coefficient. However, the friction coefficient average and variation were larger when compared to the higher dilution coatings due to the tribolayers lubricating effect formed in these. The rubber wheel test revealed that coatings with higher microhardness exhibited lower volumetric loss and wear coefficient. As expected, the latter showed correlation with test time. In general, lower thermal gradient deposition parameters generated better tribological performance coatings.
Keywords: Wear mechanisms; Tribological behavior; Solidification cracks; Chromium carbides; Tribolayers;
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AISI American Iron and Steel Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
AVP Ajuste de Volume Perdido
CERMAT Núcleo de Pesquisas em Materiais Cerâmicos e Compósitos
EDX Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X
HSA Shore Hardness A
HV Vickers Hardness
ILT Instituto de Tecnologias LASER
LABCONF Laboratório de Conformação Mecânica
LABMAT Laboratório de Materiais
LASER Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation
LASPHI Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Pneumáticos e Hidráulicos LAVITRI Laboratório de Vibrações e Tribologia LMP-LASER Laboratório de Mecânica de Precisão
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura
MMC Metal Matrix Composites
MO Microscópio Óptico
PIB Produto Interno Bruto
SATC Associação Beneficente da Indústria Car-bonífera de Santa Catarina
SI Sistema Internacional de Unidades
TCA Tamanho Crítico do Abrasivo
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
LISTA DE SÍMBOLOS Alfabeto latino: A [mm] Altura CrC [-] Carboneto de cromo FN [N] Força normal Ft [N] Força tangencial G [ºC/cm] Gradiente de temperatura H [N/mm2] Dureza do material h [mm] Profundidade do sulco Ha [N/mm2] Dureza do abrasivo
K [-] Coeficiente adimensional de desgaste k [mm3/(Nm)] Coeficiente dimensional de desgaste
L [mm] Comprimento
𝑚 [g] Massa
𝑚̇ [g/min] Taxa mássica de alimentação de pó
mf [g] Massa final
mi [g] Massa inicial
p [mm] Penetração
𝑃𝐹𝐿 [kW] Potência do feixe LASER
Pm [g] Perda de massa
Q [mm3] Perda volumétrica
R [cm/s] Taxa de solidificação
Ra [µm] Rugosidade média
𝑉𝑉𝑎𝑟 [mm/min] Velocidade de varredura
W [mm] Largura
Alfabeto grego:
α [°] Ângulo de ataque
αc [°] Ângulo de ataque crítico
β [°] Ângulo de contato δ [mm] Espessura € [-] Euro λ [nm] Comprimento de onda λc [mm] Filtro cut-off µ [-] Coeficiente de atrito ρ [g/cm3] Densidade ϴ [°] Ângulo de deslizamento Ø [mm] Diâmetro
Ø𝑓𝑅𝐵 [mm] Diâmetro final da roda de borracha Ø𝑓𝑓 [mm] Diâmetro de feixe no foco
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 29 1.1 Contextualização ... 29 1.2 Descrição do problema ... 31 1.3 Proposta da pesquisa... 31 1.4 Justificativa ... 31 1.5 Objetivos ... 32 1.5.1 Objetivo geral ... 32 1.5.2 Objetivos específicos ... 33 1.6 Fontes de pesquisa ... 33 1.7 Estrutura do trabalho ... 33 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 35 2.1 Tecnologia LASER ... 35 2.2 LASER Cladding ... 36 2.2.1 Descrição do processo ... 36
2.2.2 Equipamentos e técnicas de revestimento ... 37
2.2.3 Principais parâmetros do processo ... 39
2.2.3.1 Potência do feixe LASER (laser beam power) ... 39
2.2.3.2 Velocidade de varredura (scanning speed) ... 39
2.2.3.3 Taxa mássica de alimentação de pó (powder feed rate) ... 40
2.2.4 Solidificação no processo LASER cladding ... 40
2.2.5 Gás de proteção e transporte ... 42
2.2.6 Vantagens e desvantagens do LASER cladding ... 42
2.2.7 Revestimentos resistentes ao degaste de ligas de Ni-Cr-B-Si .... 43
2.3 Tribologia ... 44 2.3.1 Desgaste abrasivo ... 45 2.3.1.1 Definição e classificação ... 45 2.3.1.2 Modos de desgaste ... 46 2.3.1.3 Micromecanismos de desgaste ... 46 2.3.1.4 Severidade do desgaste ... 48
2.3.2 Principais fatores de influência sobre o desgaste abrasivo ... 48
2.3.2.1 Dureza do abrasivo ... 48 2.3.2.2 Geometria do abrasivo ... 49 2.3.2.3 Tamanho do abrasivo ... 49 2.3.2.4 Microestrutura ... 50 2.3.2.5 Diluição ... 51 2.3.2.6 Presença de tribocamadas ... 52 2.3.3 Desgaste Adesivo ... 53 2.3.4 Atrito ... 54
2.3.6 Principais configurações de ensaios tribológicos ... 57 3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 59 3.1 Processo de Deposição dos Revestimentos ... 61 3.1.1 Preparação do substrato ... 61 3.1.2 Material do revestimento ... 61 3.1.3 Usinagem dos corpos de prova ... 62 3.1.4 Deposição dos revestimentos via LASER cladding ... 63 3.1.4.1 Ensaios preliminares para determinação dos parâmetros ... 63 3.1.4.2 Deposição dos revestimentos ... 66 3.2 Caracterização dos Revestimentos ... 67 3.2.1 Diluição ... 67 3.2.2 Medição de Microdureza Vickers ... 67 3.2.3 Análise da microestrutura ... 68 3.3 Análises Tribológicas ... 68 3.3.1 Ensaios de desgaste ... 68 3.3.1.1 Ensaio pino sobre disco em meio seco ... 69 3.3.1.2 Ensaio roda de borracha em meio seco ... 71 3.3.2 Análise das superfícies desgastadas ... 75 3.3.2.1 Avaliação das esferas desgastadas e dos debris... 75 3.3.2.2 Micromecanismos de desgaste ... 75 3.3.2.3 Interferometria ótica de luz branca ... 75 3.3.2.4 Número de amostras ... 76 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 77 4.1 Aspectos Gerais dos Revestimentos ... 77 4.2 Diluição ... 79 4.3 Microestrutura e Microdureza dos Revestimentos ... 80 4.3.1 Microestrutura dos revestimentos ... 80 4.3.2 Microdureza da superfície dos revestimentos ... 84 4.3.3 Microdureza e diluição ... 85 4.3.4 Perfil de microdureza ... 86 4.4 Análise dos Resultados de Desgaste ... 87 4.4.1 Resultados do ensaio pino sobre disco em meio seco ... 87 4.4.1.1 Regime de desgaste atuante (ASTM G99) ... 87 4.4.1.2 Perda volumétrica (ASTM G99) ... 88 4.4.1.3 Coeficiente de desgaste volumétrico (ASTM G99) ... 90 4.4.1.4 Coeficiente de atrito (µ) ... 92 4.4.2 Avaliação das superfícies desgastadas (ASTM G99) ... 96 4.4.2.1 Aspectos gerais ... 96 4.4.2.2 Carbonetos de Cr e superfícies desgastadas ...100 4.4.2.3 Trincas e superfícies desgastadas ...102
4.4.2.4 Interferometria das pistas desgastadas nos ensaios pino sobre disco em meio seco ... 104 4.4.2.5 Desgaste das esferas em ensaios pino sobre disco ... 105 4.4.2.6 Debris ... 107
4.4.3 Resultados do ensaio roda de borracha em meio seco ... 109 4.4.3.1 Regime de desgaste atuante (ASTM G65) ... 109 4.4.3.2 Perda volumétrica (ASTM G65) ... 109 4.4.3.3 Coeficiente de desgaste volumétrico (ASTM G65) ... 113 4.4.4 Avaliação das superfícies desgastadas (ASTM G65) ... 114 4.4.4.1 Aspectos gerais ... 114 4.4.4.2 Carbonetos de Cr e superfícies desgastadas ... 117 4.4.4.3 Trincas e superfícies desgastadas ... 118
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS ... 121 5.1 Conclusões ... 121 5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 122 REFERÊNCIAS ... 123 APÊNDICE A - PARÂMETROS DE DEPOSIÇÃO OBSERVADOS NA LITERATURA ... 131 APÊNDICE B - PARÂMETROS DE DEPOSIÇÃO DOS ENSAIOS DE CORDÃO ÚNICO ... 132 APÊNDICE C - DETALHES DA RETIFICAÇÃO E
RUGOSIDADE MÉDIA (Ra) DOS DISCOS E CHAPAS ... 133 APÊNDICE D - PARÂMETROS DO ENSAIO PINO SOBRE DISCO OBSERVADOS NA LITERATURA ... 135 APÊNDICE E - VALORES DE MICRODUREZA DA
SUPERFÍCIE DOS REVESTIMENTOS ... 136 APÊNDICE F - PERDA VOLUMÉTRICA (ENSAIO RODA DE BORRACHA) ... 137 APÊNDICE G - PUBLICAÇÕES ... 138
1 INTRODUÇÃO 1.1 Contextualização
Vários segmentos industriais sofrem com problemas relacionados ao desgaste, uma vez que este fenômeno é responsável por paradas na produção, tanto para manutenção, quanto para reposição de peças des-gastadas. Existem variados mecanismos de desgaste, sendo mais comuns os do tipo: abrasivo, corrosivo, erosivo, por deslizamento e por fadiga.
Härkisaari (2015) descreve que em média, o setor industrial é responsável por 30% do consumo mundial total de energia. Holmberg; Erdemir (2017) destacam que cerca de 23% destes 30% são oriundos de contatos tribológicos, relativos a reposição e / ou recuperação de com-ponentes desgastados e aos esforços necessários para vencer o atrito.
De acordo com Holmberg et al. (2017), na mineração, os gastos com manutenção são proporcionalmente muito superiores aos dos de-mais setores industriais. Em determinadas etapas do processo, o efeito do atrito é mais acentuado que o desgaste e vice-versa. A implementa-ção de medidas tribológicas eficientes podem reduzir 40% dos gastos relativos as perdas geradas por atrito, 27% da reposição de peças e com-ponentes desgastados, 26% da mão obra e 7% das perdas na produção.
Os setores agrícola, minerador, petrolífero e sucroalcooleiro são exemplos de ramos que possuem interesse em aumentar o tempo de vida de seus componentes mecânicos, principalmente quando se fala em desgaste abrasivo, pois este provoca perda de volume, mudanças dimen-sionais e falhas em componentes mecânicos e afins. Segundo Colaço; Maranho (2014), o desgaste abrasivo possui ligação direta com o au-mento do custo de reposição de peças e / ou componentes deteriorados, devido à onerosidade na aquisição dos materiais e paradas de produção.
Em virtude da grande demanda por componentes de alta resistên-cia ao desgaste, a busca por processos de fabricação alternativos que propiciem melhor relação custo / benefício tornou-se atrativa. Um exemplo disso é o emprego de revestimentos com maior resistência ao desgaste em relação ao material de substrato, por meio da aplicação de placas protetoras ou com processos de deposição, como as técnicas de aspersão térmica e soldagem a arco.
Nos processos de revestimento, deposita-se uma liga de proprie-dades especiais sobre a superfície de um metal de base, seja para repará-las nas dimensões originais ou obter propriedades mecânicas desejadas. Nestas técnicas, é possível conciliar propriedades diferentes, como com-ponentes de núcleo dúctil e superfícies altamente resistentes. Ao invés
de fabricar peças inteiriças a partir de ligas nobres, recobre-se apenas as regiões de interesse, empregando materiais de substrato de custo inferi-or, fator que reduz drasticamente os custos finais do componente.
No entanto, apesar destes processos gerarem bons resultados, problemas relacionados ao surgimento de distorções devido as tensões residuais nos componentes revestidos, falta de adesão metalúrgica entre substrato e material de adição, extensas zonas afetadas pelo calor (ZAC) e alta diluição são pontos recorrentemente destacados na literatura (TOYSERKANI; CORBIN; KHAJEPOUR, 2005), (ZHONG; LIU, 2010), (DAVIM, 2013), (DESCHUYTENEER et al., 2017).
Buscando contornar essas deficiências dos processos tradicionais, diversos estudos vêm sendo desenvolvidos na área de proteção ao des-gaste a partir de outras fontes, como no processamento a LASER, com a implementação da tecnologia de LASER cladding (revestimento). Esta técnica se beneficia das características particulares da tecnologia LA-SER: alta direcionalidade de feixe, alta potência máxima disponível, versatilidade e densidade de energia alcançável. Estas propriedades, aliadas ao desenvolvimento de materiais de revestimento de alta resis-tência mecânica têm se mostrado uma alternativa eficiente ao combate dos problemas destacados.
A literatura indica que a produção de revestimentos a partir de li-gas da classe Ni-Cr-B-Si depositados via LASER cladding fornece, simultaneamente, resistência aos mecanismos de desgaste abrasivo e corrosivo, inclusive em ambientes a elevadas temperaturas, fator que alavancou o número de pesquisas utilizando as mesmas (LUO; LI; LI, 2015), (DA SILVA; D'OLIVEIRA, 2016).
Tanigawa et al. (2015) destacam que, apesar de ligas da classe Ni-Cr-B-Si serem comumente depositadas via aspersão térmica, não se consegue alcançar uma camada densa de revestimento apenas por esse método. Em geral, as camadas formadas apresentam entre 0,1 e 2,5 mm de espessura, com intervalo de porosidade entre 10 e 20%, que podem ser reduzidos através de pós tratamentos de refusão. Para suprir estas lacunas, têm-se utilizado o LASER cladding, que proporciona a caracte-rística desejada, com inserção de calor bastante concentrada sobre o substrato. Makarov; Soboleva; Malygina (2017) relatam que as fases presentes nos revestimentos de Ni-Cr-B-Si apresentam dureza bastante superior a matriz na qual encontram-se inseridas, fator que aumenta consideravelmente a resistência ao desgaste.
1.2 Descrição do problema
O LASER cladding vem se mostrando atrativo em relação a ou-tros processos de revestimento. As características intrínsecas de sua fonte de energia, aliadas a escolha de materiais com boas propriedades mecânicas e parâmetros de processamento adequados fornecem subsí-dios para a geração de revestimentos resistentes ao desgaste de elevada qualidade. Porém, a tarefa de parametrizar o processo, combinando-o a materiais de boas propriedades mecânicas é complexa. A quantidade de variáveis envolvidas implica na necessidade de aprofundar as pesquisas no campo da ciência dos materiais, da física e metalurgia, as quais são inerentes ao processo de revestimento.
Há uma gama de trabalhos que reportam estudos em torno da re-sistência ao desgaste de revestimentos de Ni-Cr-B-Si depositados via LASER cladding. Porém, o número de pesquisas que avaliam o compor-tamento tribológico de uma liga comercial sem adição de fases de refor-ço e tratamento de pré-aquecimento do substrato, em uma faixa conside-rável de potência e velocidade de varredura é restrito. Soma-se a estes fatores a avaliação dos revestimentos sob duas configurações diferentes de ensaio tribológico. Neste contexto, insere-se o respectivo trabalho. 1.3 Proposta da pesquisa
O presente trabalho busca avaliar a resistência ao desgaste de re-vestimentos compostos por uma liga de Ni-Cr-B-Si depositados via LASER cladding sobre substrato de aço carbono AISI 1020 a partir de ensaios tribológicos pino sobre disco e roda de borracha em meio seco.
Os revestimentos produzidos foram avaliados com relação a: di-luição, microdureza, microestrutura, perda volumétrica; coeficiente de desgaste volumétrico através do modelo de Archard e aspectos das su-perfícies desgastadas, com foco principal nos micromecanismos de des-gaste atuantes. Ao decorrer das análises, serão destacados os efeitos das principais variáveis do processo de deposição e das características e propriedades do material de revestimento.
1.4 Justificativa
Em 1964, o ministério de Tecnologia da Grã-Bretanha emitiu o relatório Jost, resultado de uma pesquisa que relaciona atrito / desgaste / produto interno bruto (PIB). Jost (1990) destaca que este documento mostrou que 2% do PIB anual de países desenvolvidos industrialmente é
perdido por desgaste. Budinski (2013) apud Härkisaari (2015) estima que este número alcançou a casa de 9% no ano de sua publicação. Se-gundo Hutchings; Shipway (2017), a aplicação de conhecimentos tribo-lógicos é capaz de reduzir os respectivos custos em: 45% da manutenção e reposição de componentes desgastados; 22% provindos de menos paradas de produção; 5% oriundos da diminuição de consumo de ener-gia por atrito e 2% relacionados a lubrificação eficiente. Dessa forma, em teoria, apenas 26% dos gastos seriam inevitáveis.
Holmberg; Erdemir (2017) estabeleceram dois cenários, nos quais a aplicação efetiva das novas tecnologias de superfície, materiais e lubri-ficação no combate ao atrito e desgaste de componentes em geral resul-tariam em: curto prazo (8 anos) - economia de 18% no consumo de energia; longo prazo (15 anos) - esse valor alcançaria 40%. Em escala global, a longo prazo, estes números correspondem a uma economia de 1,4% do PIB e 8,7% do consumo anual total de energia. Em cifras, trata-se de 455 e 937 milhões de euros (€), respectivamente.
Apesar das excelentes características, o LASER cladding é um processo complexo, imbuído de uma série de desafios técnico-científicos a serem superados, que abrangem desde o processamento, passando pelas propriedades dos materiais, sistemas de deposição, fe-nômenos de solidificação, chegando até as aplicações específicas.
Um outro aspecto que justifica esta pesquisa diz respeito ao LMP-LASER. O processo em si se encontra consolidado dentro do gru-po, porém, o processamento da liga estudada ainda é desconhecido. A mesma possui características tribológicas atrativas. Pretende-se estabe-lecer uma rota de processamento e análise para o advento de outros trabalhos nesta linha, que apliquem as melhorias necessárias detectadas, obtendo revestimentos de alta qualidade.
1.5 Objetivos 1.5.1 Objetivo geral
Avaliar o desempenho tribológico de revestimentos compostos pela liga Ni-Cr-B-Si 1545-00 depositados via LASER cladding a pó. Serão depositados revestimentos em três diferentes níveis de potência de feixe LASER e velocidade de varredura. Posteriormente, os revestimen-tos serão submetidos a ensaios de desgaste a dois corpos (pino sobre disco) e a três corpos (roda de borracha), ambos em meio seco. Desta forma, será possível verificar a influência das variáveis do processo de
deposição e características da liga sobre as principais propriedades me-cânicas e de resistência ao desgaste dos revestimentos.
1.5.2 Objetivos específicos
• Qualificar o comportamento do atrito e a resistência ao des-gaste.
• Correlacionar os parâmetros de deposição com as proprieda-des de comportamento ao atrito e resistência ao proprieda-desgaste. • Avaliar o efeito da diluição sobre os resultados de
microestru-tura, microdureza e perda volumétrica.
• Verificar a relação entre microestrutura, microdureza, com-portamento do atrito e resistência ao desgaste.
• Caracterizar os micromecanismos de desgaste atuantes. 1.6 Fontes de pesquisa
A busca por literatura em torno dos variados tópicos abordados ao longo deste trabalho foi realizada principalmente nas seguintes bases de dados: SCOPUS®; WEB OF SCIENCE®; ENGINEERING VIL-LAGE®; EBSCO®; SCIELO®; EMERALD® e GOOGLE ACADÊ-MICO®. A estratégia de pesquisa baseou-se no método de Revisão Sistemática da Literatura (Systematic Search Flow - SSF) proposto por Ferenhof e Fernandes (2015).
1.7 Estrutura do trabalho
A presente dissertação está dividida em 5 capítulos, dispostos de forma sequencial e cronológica de acordo com os passos realizados. Cada capítulo encontra-se fragmentado em seções e subseções, segundo a necessidade do assunto abordado no mesmo.
O capítulo 1 (Introdução) contextualizou o assunto em estudo; descrevendo os problemas observados na literatura; propondo o tema e as principais justificativas da escolha e apresentando os objetivos geral e específicos do trabalho.
O capítulo 2 (Revisão Bibliográfica) destaca conceitos fundamen-tais relacionados a tecnologia do processo LASER, com foco voltado para a técnica de revestimento (cladding). Além disso, também são abordados temas importantes relativos à tribologia, dando destaque es-pecial ao fenômeno de atrito e aos mecanismos de desgaste abrasivo e
adesivo, buscando apontar e correlacionar as variáveis de maior influên-cia sobre estes com as características intrínsecas do processo de deposi-ção a LASER.
O capítulo 3 (Materiais e Métodos) apresenta a metodologia ado-tada para a realização dos ensaios práticos e análise dos resultados obti-dos, destacando os locais, equipamentos, insumos e estruturas utilizados.
O capítulo 4 (Resultados e Discussões) apresenta os resultados alcançados, acompanhados das respectivas discussões, sendo estas cor-relacionadas a literatura correspondente.
O capítulo 5 (Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros) fi-naliza esta dissertação apontando as conclusões obtidas durante o de-senvolvimento da mesma, sendo estas correlacionadas aos objetivos geral e específicos estipulados. Além disso, são apresentadas algumas sugestões de temas para trabalhos futuros nesta mesma linha de pesqui-sa, sendo que alguns são continuidade direta deste, enquanto outros são baseados em lacunas observadas durante o seu desenvolvimento.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Tecnologia LASER
A palavra LASER tem origem na língua inglesa (Light
Amplifica-tion by Stimulated Emission of RadiaAmplifica-tion), que traduzida para o
portu-guês significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação. Segundo Ion (2005), a história do LASER iniciou em 1917 com o desenvolvimento conceitual de emissão estimulada proposto por Albert Einstein (1879-1955). A aplicação desta tecnologia a variados tipos de materiais consolidou-se apenas em 1960, quando o físico estadunidense Theodore Maiman (1927-2007) construiu a primeira fonte LASER, que passou a ser conhecida como “uma solução em busca de problemas”.
Nowotny et al. (2007) destacam que, desde então, processos de corte, cladding, manufatura aditiva, marcação, polimento, soldagem, tratamentos térmicos dentre outros utilizando o LASER vêm se desta-cando no setor industrial. O extenso leque de processos é possibilitado, em grande parte, pelas características da luz LASER. Trata-se de um feixe de luz monocromático, coerente e colimado (POPRAWE, 2011) e (HITZ; EWING; HECHT, 2012). Ion (2005) destaca que artigos proces-sados a LASER estão presentes nos mais diversos ambientes: domésti-cos, industriais, manufatura, medicina e até mesmo no campo das artes.
Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005) destacam que a forma mais comum de classificar os tipos de LASERs diz respeito ao estado físico do meio ativo de condução da fonte: estado sólido (fibra e Nd: Yag), excimer, gás, corante (líquido) ou semicondutor (diodo). Neste trabalho, será utilizada uma fonte LASER de fibra (estado sólido) na aplicação de revestimentos via técnica LASER cladding, que se encon-tra disponível no ambiente do Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP-LASER) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
De acordo com Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005), as carac-terísticas do LASER de fibra facilitam sua integração a indústria em relação aos demais tipos de fontes, devido a aspectos como: alta quali-dade de foco, excelente repetibiliquali-dade, duração de pulso otimizada, alta confiabilidade e baixo índice de manutenção.
Segundo Shcherbakov et al. (2013), a implementação dessa tec-nologia, associada ao desenvolvimento da geração de feixes em múlti-plos módulos vem alavancando grandes avanços na utilização das fontes LASER de fibra. Além disto, este fator tem possibilitado a produção de fontes mais compactas, de menor custo e com eficiência energética bas-tante superior aos demais tipos disponíveis no mercado.
2.2 LASER Cladding 2.2.1 Descrição do processo
Segundo Ion (2005) o processo LASER cladding foi patenteado pelo AVCO Everett Research Laboratory (1976). Desde então, o LA-SER cladding vem sendo utilizado para trabalhar superfícies, modifi-cando propriedades mecânicas, químicas e térmicas. De acordo com Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005) e Poprawe (2011), neste proces-so, o feixe LASER funde o material de adição, depositado na forma de arame ou pó sobre a superfície do componente, juntamente com uma fina porção do substrato, constituindo uma nova camada de material com as propriedades desejadas. A Figura 2.1 apresenta o princípio do processo LASER cladding baseado na alimentação coaxial de pó.
Figura 2.1 - Representação esquemática do processo LASER cladding (Adapta-do de Toyserkani; Corbin; Khajepour, 2005).
O objetivo deste processo é produzir um revestimento com carac-terísticas mecânicas distintas do substrato e / ou recuperar componentes
desgastados a partir da deposição de camadas de ligas com propriedades mecânicas específicas. Para recobrir áreas, é preciso depositar múltiplos cordões de revestimento lado a lado com uma determinada porcentagem de sobreposição (overlap). A Figura 2.2 ilustra as diferentes regiões de um cordão de cladding, onde nota-se o cordão de revestimento estabele-cido (material de adição fundido acima do substrato). Além deste, a interação entre o feixe LASER, material de adição e substrato gera uma região diluída (parte do material de substrato se mistura ao material de revestimento na poça) e uma região de substrato não fundida, mas que foi diretamente atingida pelo calor inserido pelo feixe LASER (ZAC).
Figura 2.2 - Regiões de um cordão de cladding (Adaptado de Davim, 2013). 2.2.2 Equipamentos e técnicas de revestimento
Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005) destacam a interdisciplina-ridade da tecnologia LASER cladding, uma vez que esta engloba e exige conhecimentos sobre sistemas computer-aided design e manufacturing (CAD / CAM), robóticos, sensores e controles e também em torno da metalurgia do processo e da ciência dos materiais envolvidos.
Um sistema de processamento por LASER cladding engloba: uma fonte LASER com sua respectiva ótica de condução e condiciona-mento do feixe LASER, dispositivo de posicionacondiciona-mento (CNC ou robô, comandado de acordo com trajetórias obtidas a partir de software CAD / CAM) e um sistema de alimentação (injetor de pó - tipo de alimentação utilizado neste trabalho). Segundo Nowotny et al. (2007), este último pode ser classificado segundo o princípio de funcionamento (gravitacio-nal, disco, em leito fluidizado e vibracional) e com o posicionamento do bocal (coaxial ou lateral). O bocal (nozzle) é um dos itens mais impor-tantes, uma vez que é responsável por direcionar o fluxo de pó, que deve ser contínuo e uniforme, para evitar a inclusão de defeitos e / ou
descon-tinuidades. Poprawe (2011) ilustra as principais disposições de alimen-tação de pó (Figura 2.3) de acordo com o tipo de bocal: a) lateral; b) coaxial descontínuo e c) coaxial contínuo.
Figura 2.3 - Disposições de alimentação de acordo com o tipo de bocal: a) late-ral; b) coaxial descontínuo e c) coaxial contínuo (Adaptado de Poprawe, 2011).
Segundo Powell; Henry; Steen (1988), existem basicamente duas técnicas de deposição a LASER:
• Processo de dois passos: o primeiro consiste em dispor uma camada de material de adição (pó) por sobre o substrato. Em seguida, um feixe LASER varre esta região, fundindo o materi-al de revestimento e uma parcela do substrato. Davim (2013) aponta como impasse desta técnica a contaminação do revesti-mento oriunda de vestígios do ligante empregado na deposição. • Processo de um passo: o material de adição (arame ou pó), é
alimentado diretamente no conjunto de fusão, concomitante ao feixe LASER, conforme representa a Figura 2.4. Vale ressaltar que este foi o tipo de alimentação utilizada neste trabalho.
Figura 2.4 - Processo de revestimento com um passo e bocal coaxial (Adaptado de Davim, 2013).
2.2.3 Principais parâmetros do processo
Três parâmetros do processo de LASER cladding são classifica-dos como as variáveis de entrada de maior influência sobre a qualidade dos revestimentos: potência do feixe LASER (𝑃𝐹𝐿), velocidade de var-redura (𝑉𝑉𝑎𝑟) e taxa mássica de alimentação de pó (𝑚̇) (TOYSERKANI; CORBIN; KHAJEPOUR, 2005) e (DAVIM, 2013). Além destes, outros parâmetros, como: distância focal, diâmetro de feixe no foco (Ø𝑓𝑓), tipo e vazão de gás de proteção, estratégia ou ordem de deposição, porcenta-gem de overlap também influenciam o resultado final.
Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005), Ion (2005) e Davim (2013) destacam que, para avaliar a qualidade de um revestimento, vá-rios parâmetros de saída podem ser considerados: altura, largura, área, ângulo de contato (𝛽), penetração, diluição, microestrutura, dureza e a presença de defeitos e / ou descontinuidades: distorções, inclusões, falta de adesão metalúrgica entre substrato e revestimento, poros e trincas. 2.2.3.1 Potência do feixe LASER (laser beam power)
Segundo Ion (2005), no processo LASER cladding, feixes com potência (𝑃𝐹𝐿) demasiadamente baixa podem gerar problemas, como fusão incompleta e aderência ineficiente entre substrato e material de adição. Por outro lado, valores muito elevados culminam em excesso de fusão, acarretando problemas como alta diluição, distorções e vaporiza-ção das partículas de pó.
Zhang et al. (2010) destacam que a profundidade de penetração dos cordões de revestimento tendem a aumentar proporcionalmente com a elevação da 𝑃𝐹𝐿, fator que, por um lado, reduz o risco de surgirem regiões com falta de adesão metalúrgica, mas por outro, tendem a au-mentar a diluição.
2.2.3.2 Velocidade de varredura (scanning speed)
Alta velocidade de varredura (𝑉𝑉𝑎𝑟) indica menor tempo de inte-ração entre feixe LASER e material de adição. Chen et al. (2015) desta-cam que, em revestimentos de Ni-Cr-B-Si, se obtém como resultado uma menor quantidade de energia absorvida pelo substrato por unidade de tempo, fator que influencia diretamente a produtividade. Porém, nesta aplicação, a resistência ao desgaste é favorecida devido à menor dilui-ção. Por outro lado, Davim (2013) relata que baixa 𝑉𝑉𝑎𝑟 provoca maior
aporte térmico, que eleva a diluição, impactando as características me-cânicas do revestimento. Zhang et al. (2010) apontam que aumentos na 𝑉𝑉𝑎𝑟 geram cordões de menor altura, largura, penetração e diluição.
Assim, destaca-se que a escolha da 𝑉𝑉𝑎𝑟 não é uma simples ques-tão de produtividade. A qualidade do revestimento é muito influenciada tanto pela diluição quanto pela velocidade de resfriamento decorrente do processo (que determina o regime de solidificação e a consequente mi-croestrutura final do revestimento).
2.2.3.3 Taxa mássica de alimentação de pó (powder feed rate) A taxa mássica de alimentação de pó (𝑚̇) deve ser uniforme para evitar irregularidades no revestimento. Ion (2005) ressalva que taxas muito baixas geram excesso de fusão dos materiais de revestimento e substrato, elevando a diluição. Por outro lado, 𝑚̇ demasiadamente altas poder propiciar acúmulo de pó, constituindo uma barreira entre substrato e feixe LASER, dificultando e / ou impossibilitando o estabelecimento de adesão metalúrgica consistente.
Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005) apontam que incrementos na 𝑚̇ atenuam a temperatura da poça de fusão por meio da maior dissi-pação de energia oriunda do aumento de densidade de material. No en-tanto, excesso de 𝑚̇ pode reduzir a temperatura abaixo do ponto de fu-são dos materiais de adição e substrato, interrompendo o processo. Nes-tes casos, é muito comum identificar falta de adesão metalúrgica. A 𝑚̇ combinada a 𝑉𝑉𝑎𝑟 ditam a quantidade de material que uma determinada parcela de energia é capaz de fundir. Segundo Zhang et al. (2010), ele-vando-se a 𝑚̇, aumenta-se a altura e largura dos cordões de revestimen-to, enquanto reduz-se a profundidade de penetração e diluição.
Percebe-se que o arranjo dos parâmetros abordados nos tópicos 2.2.3.1 a 2.2.3.3 é responsável direto por importantes aspectos dos re-vestimentos. Portanto, para otimizar o processo de deposição, é necessá-rio que os níveis de 𝑃𝐹𝐿 e 𝑚̇ sejam balanceados com a 𝑉𝑉𝑎𝑟.
2.2.4 Solidificação no processo LASER cladding
Segundo Ion (2005), a taxa de crescimento dos grãos, o gradiente de temperatura no líquido, o sub-resfriamento e a composição química da liga são as variáveis de maior influência sobre a morfologia de solidi-ficação. Dependendo destas, a interface sólido-líquido se desenvolve através do crescimento de grãos planares, celulares ou dendríticos.
De acordo com Ion (2005), ao reduzir-se o gradiente de tempera-tura à frente da poça, têm-se a formação de uma estrutempera-tura celular como primeira etapa. A medida em que se constituem as protusões primárias, o soluto é rejeitado lateralmente, diminuindo a temperatura de equilí-brio, gerando outras protuberâncias, que crescem formando longos bra-ços na direção do fluxo de calor. Em gradientes baixos, constituem-se braços secundários e terciários de morfologia dendrítica.
Segundo Kou (2003) e Zhong; Liu (2010), as substruturas de so-lidificação de ligas metálicas podem ser determinadas através da con-centração de soluto presente no líquido e por meio do gradiente de tem-peratura (G) e taxa de solidificação (R). Enquanto a relação (G/R) define o modo, o produto (G*R) dita o tamanho da estrutura de solidificação. A relação G/R decresce a partir da interface (linha de fusão) rumo ao cen-tro da poça fundida, gerando mudanças no modo de solidificação, que varia de planar para celular, colunar dendrítico e equiaxial dendrítico ao longo da zona fundida (Figura 2.5).
Figura 2.5 - Variação no modo de solidificação através da zona fundida (Adap-tado de Kou, 2003).
De acordo com Zhong; Liu (2010), dependendo dos parâmetros de deposição, tipo e dimensões do material de substrato, a taxa de resfri-amento no processo LASER cladding pode atingir valores na ordem de 103-107 K/s, resultando em microestruturas refinadas.
2.2.5 Gás de proteção e transporte
Davim (2013) elucida a importância do gás inerte para o LASER
cladding, sendo o mesmo responsável por propulsionar o pó para a área
de trabalho e proteger a zona fundida contra impurezas externas, evitan-do a contaminação evitan-do revestimento.
2.2.6 Vantagens e desvantagens do LASER cladding
O LASER cladding é um processo flexível, capaz de revestir pe-quenas áreas, resultando em produtos de alta qualidade. Desde o conhe-cimento consolidado publicado em livros, como Ion (2005), Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005), Poprawe (2011) e Davim (2013) até os mais variados trabalhos experimentais realizados nesta área, como Borges et
al. (2010), García et al. (2016), Kaiming et al. (2016), Deschuyteneer et
al. (2017), entre outros ressaltam, em uníssono, as seguintes vantagens: mínima diluição; pequena zona afetada pelo calor (ZAC); boa qualidade de superfície; baixa inserção de distorções e resistente adesão metalúrgi-ca entre substrato e revestimento.
Qin et al. (2014) destacam que em função da rápida solidificação, a microestrutura de revestimentos depositados a LASER tendem a apre-sentar alguns aspectos característicos, como a formação de estruturas dendríticas, isométricas, celulares eutéticas e, quando inseridas na com-posição do pó, partículas cerâmicas não fundidas. Zhong; Liu (2010) destacam que a microestrutura de revestimentos depositados a LASER é geralmente mais refinada, o que lhes confere melhores propriedades mecânicas e metalúrgicas quando comparado a outros processos.
Chen et al. (2015) apontam que as demais técnicas de modifica-ção de superfícies afins, como aspersão térmica e processos de soldagem a arco revelam-se menos eficientes na maioria dos aspectos citados. García et al. (2016) corroboram essa linha de pensamento destacando que o LASER cladding forma camadas de revestimento homogêneas de baixa porosidade, onde tanto a diluição quanto a espessura destas podem ser controladas a partir de uma seleção adequada de parâmetros.
Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005) descrevem que, por ser um processo aditivo, o LASER cladding pode ser aplicado a uma extensa gama de componentes de geometria complexa, expandindo limites tec-nológicos de fabricação existentes. Borges et al. (2010) destacam que estas vantagens também atrelam benefícios econômicos significativos.
Um outro pró inquestionável do LASER cladding é o extenso número de aplicações destacadas na literatura. Nowotny et al. (2007) ressaltam que o reparo de componentes e ferramentas desgastadas é um dos campos mais expressivos. Toyserkani; Corbin; Khajepour (2005) citam alguns exemplos específicos: eixos de ferramentas de perfuração, componentes de bombas hidráulicas e fabricação de moldes e matrizes. Zhong; Liu (2010) destacam que a implementação do LASER cladding a indústria engloba diversos setores: automotivo, aeroespacial, agricultu-ra, militar, marinha, óleo e gás, transporte rodoviário, geração de ener-gia, ferramental, revestimentos duros (hardfacing) e biomedicina.
Entretanto, apesar das vantagens citadas, existem pontos a se con-siderar, como o elevado investimento financeiro em equipamentos e insumos, além da necessidade de realizar um rigoroso controle dos pa-râmetros do processo.
Dependendo das condições de processamento e das propriedades intrínsecas dos materiais de revestimento e substrato, podem surgir de-feitos e / ou descontinuidades nos revestimentos, que reduzem a resis-tência e afetam a qualidade dos mesmos, restringindo o desenvolvimen-to e número de aplicações do LASER cladding.
A alta velocidade de solidificação imposta pelo LASER cladding gera um elevado gradiente térmico, que propicia o surgimento de trincas de solidificação resultantes das tensões trativas oriundas da alta veloci-dade de resfriamento. Porém, a literatura, de forma geral, aponta que estas tensões podem ser efetivamente reduzidas por meio de: seleção apropriada dos materiais de revestimento, otimização dos parâmetros do processo, adição de elementos de liga e tratamentos de pré e / ou pós aquecimento do substrato e substrato / revestimento, respectivamente. 2.2.7 Revestimentos resistentes ao degaste de ligas de Ni-Cr-B-Si
Dentre os materiais processados por LASER cladding visando aplicações tribológicas, as ligas a base de Ni tem alcançado destaque. Chen et al. (2015) destacam que este fato é justificado por suas proprie-dades intrínsecas, como elevada resistência aos mecanismos de desgaste abrasivo, adesivo e corrosivo, inclusive em altas temperaturas.
Houdková et al. (2014) destacam que as ligas de Ni-Cr-B-Si, classificadas como MMC (Metal Matrix Composites) podem ser deposi-tadas por diferentes técnicas: Flame Spraying (FS); Atmospheric Plasma
Spraying (APS); High Velocity Oxygen Fuel (HVOF), Plasma Transfer-red Arc (PTA) ou como mais recente, o LASER cladding. A adição de
W dentre vários outros, é uma prática recorrente, no intuito de conferir propriedades específicas.
Segundo Miguel; Guilemany; Vizcaino (2003), as ligas de Ni-Cr-B-Si categorizam-se como auto fluxantes (self-fluxing), termo referente às ligas dotadas com a capacidade de reduzir a sua temperatura liquidus (temperatura máxima na qual cristais solidificados podem coexistir no material fundido em equilíbrio termodinâmico), facilitando a precipita-ção de carbonetos duros.
Cada elemento componente das ligas de Ni-Cr-B-Si possui uma finalidade específica. Segundo Miguel; Guilemany; Vizcaino (2003), Houdková et al. (2014) e Natarajan et al. (2016), o Cr confere resistên-cia ao desgaste e a corrosão em elevadas temperaturas, além de contri-buir na formação de carbonetos duros. O B reduz o ponto de fusão e também auxilia no incremento de fases duras. O Si, por sua vez, incum-be-se de proporcionar as propriedades auto fluxantes, enquanto o C insere carbonetos resistentes ao desgaste. Wang et al. (2008) descrevem que a resistência destas é oriunda da formação de boretos e carbonetos complexos, porém, a presença destes constituintes aumenta a susceptibi-lidade ao surgimento de trincas.
Yin et al. (2011) apontam alguns exemplos práticos de aplicação das ligas de Ni-Cr-B-Si: indústria petrolífera, química, de moldes de vidro, punções para trabalhos a quente e elementos de purga de lama. Natarajan et al. (2016) acrescentam a esta lista placas de desgaste, fer-ramentas, rolos de moinho, bombas de alta capacidade e pistões de ex-trusoras. São indicadas para manutenção e reparos em ambientes de industrias, como em parafusos de extrusão para a indústria plástica. 2.3 Tribologia
A expressão tribologia é oriunda da junção de duas palavras gre-gas: tribos (atrito) e logos (estudo), que de forma literal significa estudo do atrito. Apresentado ao mundo pelo Dr. H. Peter Jost em 1966, este termo passou a designar um novo campo científico. Segundo Jost (1990), tribologia é a ciência ou tecnologia de interação entre superfícies que apresentam movimento relativo entre si. Esta busca resolver ou minimizar problemas relativos aos mais variados tipos de mecanismos de desgaste, a partir de análises de atrito, desgaste e lubrificação.
Tribologia engloba várias áreas do conhecimento científico: ciên-cia dos materiais, física, mecânica, química e termodinâmica. A literatu-ra aponta forte relevância a análise dos principais tipos de mecanismos de desgaste: abrasivo, adesivo, corrosivo, erosivo, por atrito, impacto,
cavitação, fadiga de superfície e reação triboquímica. Como este traba-lho realizará análises com foco em atrito, abrasão e adesão, serão abor-dados alguns tópicos importantes relativos a estes.
Crnkovic (1993) destaca que um tribossistema é um conjunto de elementos interconectados de acordo com a sua estrutura e função, obje-tivando transformar e / ou transmitir entradas e saídas. Segundo Zum Gahr (1987), este é constituído por quatro elementos básicos: corpo, contra corpo, elemento interfacial (lubrificante ou partículas de impure-zas) e ambiente. Vale destacar que o comportamento tribológico não é uma propriedade intrínseca do material, mas uma resposta deste último ao tribossistema. A Figura 2.6 apresenta um esquema representativo de um tribossistema.
Figura 2.6 - Representação esquemática dos elementos de um tribossistema (Adaptado de Zum Gahr, 1987).
2.3.1 Desgaste abrasivo
2.3.1.1 Definição e classificação
A norma ASTM G40 (2017) sintetiza este como o resultado da interação entre partículas ou asperezas resistentes atritadas contra uma superfície ao longo da qual se movem. Segundo Zum Gahr (1987), este tipo de desgaste gera deformação plástica e remove material da superfí-cie do componente, provocando perda de massa, mudanças dimensionais e uma série de efeitos colaterais. Hutchings; Shipway (2017) ressalvam que esta designação engloba duas importantes classes de movimento relativo, que dificilmente ocorrem separadamente: deslizamento e
rola-mento. Existem diferentes maneiras de classificar o desgaste abrasivo. Os subtópicos seguintes descreverão algumas destas de forma sucinta. 2.3.1.2 Modos de desgaste
Hutchings; Shipway (2017) descrevem que o processo de desgas-te abrasivo pode ser classificado pela cinemática de indesgas-teração entre a interface de um corpo sólido e o material abrasivo: deslizamento, esco-amento, impacto, oscilação e rolamento. Outra forma de classificação diz respeito ao elemento interfacial (dois ou três corpos). A Figura 2.7 apresenta uma ilustração desta última.
Figura 2.7 - Classificação do desgaste abrasivo segundo o elemento interfacial: a) a dois corpos e b) a três corpos (Adaptado de Gates, 1998).
Conforme ilustra a Figura 2.7 e descreve Gates (1998), a abrasão a dois corpos ocorre quando uma superfície rugosa ou com protuberân-cias duras fixas a seu corpo desliza sobre outra superfície mais dúctil, removendo material. Por outro lado, na abrasão a três corpos, têm-se partículas abrasivas livres entre duas superfícies em movimento relativo. Rabinowicz; Dunn; Russel (1961), ressalvam que a taxa de abra-são a três corpos pode ser muito inferior ao processo de dois corpos, pelo fato das partículas abrasivas passarem mais tempo rolando sobre a superfície do componente do que efetivamente removendo material.
2.3.1.3 Micromecanismos de desgaste
O desgaste abrasivo também pode ser classificado quanto ao as-pecto da superfície desgastada, segundo os micromecanismos de desgas-te atuandesgas-tes. Na abrasão, têm-se quatro tipos principais: microsulcamen-to, microcorte, microfadiga e microtrinca. A Figura 2.8 ilustra um mode-lo proposto por Zum Gahr (1987).
Figura 2.8 - Micromecanismos de desgaste abrasivo: (a) microsulcamento, (b) microcorte, (c) microfadiga e (d) microtrinca (Adaptado de Zum Gahr, 1987).
a) Microsulcamento: segundo Hutchings; Shipway (2017), a in-teração superfície / partícula abrasiva em condição dúctil gera deslocamento volumétrico de material, acarretando deforma-ção plástica. O material acumulado à frente da partícula abra-siva escoa para as bordas do sulco, e a interação entre diversas partículas gera remoção de material.
b) Microcorte: Crnkovic (1993) destaca que a perda de volume deve-se ao corte de material da superfície (debris) do compo-nente pela ação das partículas abrasivas.
c) Microfadiga: Crnkovic (1993) descreve que o material é sub-metido a um processo cíclico de deformação plástica até atin-gir o limite de falha por fadiga de baixo ciclo.
d) Microtrinca: segundo Stachowiak; Batchelor (2013) e Hutchi-ngs; Shipway (2017), este é comum em materiais frágeis, gera desprendimentos de fragmentos da superfície do componente. Podem ocorrer transições de micromecanismos. Uma variável importante nesta é o ângulo de ataque (α - estabelecido entre a face do abrasivo e a superfície). Quando alcança um valor crítico (αC), em tese,
haverá mudança brusca de micromecanismos de desgaste (microsulca-mento / microcorte). Zum Gahr (1987) apresenta um gráfico (Figura 2.9) mostrando esta transição, onde os micromecanismos estão distribuídos proporcionalmente segundo o α. Com exceção dos extremos, nas demais áreas, há microsulcamento e microcorte atuando simultaneamente.
Figura 2.9 - Razão microcorte / microsulcamento (Adaptado de Zum Gahr, 1987).
2.3.1.4 Severidade do desgaste
Segundo Avery (1974), o desgaste abrasivo é caracterizado se-gundo a severidade das tensões envolvidas: sulcamento (gouging
abra-sion), moagem ou altas tensões (high stress abrasion) e riscamento ou a
baixas tensões (low stress sliding abrasion). Porém, essas nomenclaturas podem soar ludibriantes, pois taxas de desgaste mais elevadas são ge-ralmente encontradas em aplicações de abrasão a baixos esforços. 2.3.2 Principais fatores de influência sobre o desgaste abrasivo
A quantidade de fatores que exercem influência sobre o desgaste abrasivo é extensa. Portanto, normalmente analisam-se apenas as variá-veis mais significativas por meio de ensaios laboratoriais. Em geral, são estas: carga a qual o componente está submetido; características do abrasivo (dureza, geometria e tamanho) e propriedades do material su-jeito ao desgaste (dureza e microestrutura).
2.3.2.1 Dureza do abrasivo
Uma maneira utilizada para definir o regime de desgaste é por meio da relação Ha/H, sendo Ha a dureza do abrasivo e H a dureza do
exis-tência de três condições de desgaste: Ha/H < 1, regime moderado; Ha/H
> 1,2, regime severo; faixa de 1,0 < Ha/H < 1,2, região de transição entre
os dois regimes. Zum Gahr (1998) apresentou um gráfico ilustrativo (Figura 2.10) destes, para materiais homogêneos e heterogêneos.
Figura 2.10 - Relação dureza do abrasivo / dureza do material (Adaptado de Zum Gahr, 1998).
2.3.2.2 Geometria do abrasivo
Coronado Marin (2010) e Hutchings; Shipway (2017) ressaltam que a taxa de abrasão é geralmente proporcional à distância percorrida. A imposição de cargas elevadas sobre partículas abrasivas pontiagudas tendem a aumentar esta taxa, fator condizente ao modelo de abrasão (ver Figura 2.14) proposto por Rabinowicz; Dunn; Russel (1961).
2.3.2.3 Tamanho do abrasivo
O aumento de tamanho das partículas abrasivas normalmente ele-va a taxa de desgaste. Khruschov (1974) ressalele-va que esta relação é válida até um determinado tamanho, a partir do qual, a taxa de desgaste praticamente independe desta variável. Coronado Marin (2010) avaliou a influência do tamanho das partículas abrasivas sobre a taxa de desgas-te em vários metais. O autor observou aumento de desgasdesgas-te abrasivo
proporcional a dimensão das partículas até um determinado ponto, ao qual chamou de tamanho crítico do abrasivo (TCA). A partir deste, três diferentes fenômenos foram notados em relação à abrasão: elevação ou redução em uma expressiva proporção, ou torna-se independente do aumento de tamanho das partículas abrasivas. A forma de distribuição de tamanho das partículas abrasivas também exerce influência. Depen-dendo do tribossistema, maior proporção de partículas de maiores di-mensões pode acelerar o processo. O inverso também é válido.
2.3.2.4 Microestrutura
A microestrutura dos revestimentos é um outro fator determinante na resistência à abrasão. Zum Gahr (1987) apresentou um modelo (Figura 2.11) de como algumas características das fases de reforço (car-bonetos) influenciam o processo de desgaste. Observa-se que os carbo-netos fixos paralelamente à superfície são removidos da matriz mais facilmente em relação aos que se encontram em posição perpendicular à esta. Carbonetos menores que a profundidade alcançada pelas partículas abrasivas não proporcionam resistência ao desgaste. Carbonetos de alto módulo elástico fixados em matrizes de baixa resistência tendem a ser removidos, enquanto carbonetos frágeis podem se fragmentar e formar novas partículas abrasivas. Quando a dureza dos carbonetos supera a da matriz, estes protegem-na contra a ação das partículas abrasivas.
Figura 2.11 - Efeito das principais características dos carbonetos sobre o desgas-te abrasivo (Adaptado de Zum Gahr, 1987).
Zum Gahr (1987), Coronado Marin (2010) e Hutchings; Shipway (2017) destacam que um outro fator importante sobre a resistência ao desgaste abrasivo é a presença de segunda fase dura, uma vez que esta tende a elevar a resistência do material. Sem a presença desta, a única barreira oferecida pelo componente a ação das partículas abrasivas é a própria dificuldade de penetração em sua superfície, fator diretamente ligado a dureza do material que o compõe. Porém, Chatterjee; Pal (2003) e Gómez-Del Río et al. (2008) ressalvam que esta última, por si só, pode ser tomada apenas como uma estimativa, mas não como uma característica que possibilita prever a resistência ao desgaste.
2.3.2.5 Diluição
De forma simplificada, esta corresponde a porcentagem de mate-rial de base presente no revestimento. A Figura 2.12 apresenta um es-quema geométrico seguido da Equação 2.1, utilizada para mensurar a porcentagem de diluição. De acordo com Luo; Li; Li (2015), esta é afe-tada diretamente pelos parâmetros do processo de deposição, espessura da camada de material adicionada e natureza do material de revestimen-to, sendo esta última a variável de maior influência.
Figura 2.12 - Modelo geométrico para análise de diluição dos revestimentos. 𝐷𝑖𝑙𝑢𝑖çã𝑜 (%) = 𝐵
(𝐴 + 𝐵)∗ 100 (2.1)
Zum Gahr (1987) e Hemmati; Ocelík; De Hosson (2012) desta-cam veementemente a necessidade de obter baixa diluição, suficiente
apenas para gerar uma boa adesão metalúrgica entre substrato e revesti-mento, uma vez que esta altera a composição química, acarretando mu-danças de microestrutura, reduzindo a dureza e a resistência ao desgaste. Os valores de diluição aceitáveis variam de acordo com o campo e tipo de aplicação específica.
Uma técnica difundida na literatura para reduzir a diluição diz respeito à aplicação de múltiplas camadas de revestimento. Da Silva; D’Oliveira (2016) observaram uma redução de 32% para 15% de dilui-ção ao aplicar uma segunda camada de depósito, enquanto Hemmati; Ocelík; De Hosson (2012) registraram uma queda de 26% para 15%. Ambos os autores avaliaram ligas da classe Ni-Cr-B-Si, sendo o primei-ro depositado via PTA e o segundo por LASER cladding.
A dureza é uma das propriedades mais afetadas pelo aumento da diluição. Da Silva; D’Oliveira (2016), ao aplicar uma segunda camada de revestimento, obtiveram um aumento de dureza de 165 HV, enquanto Hemmati; Ocelík; De Hosson (2012) observaram uma diferença de 300 HV entre o revestimento de maior e menor diluição, respectivamente.
2.3.2.6 Presença de tribocamadas
Segundo Pauschitz; Roy; Franek (2008), as tribocamadas são ca-madas forca-madas pelo deslizamento entre dois materiais, advindas do acúmulo e compactação de debris, onde parte destes se aglomeram por sobre áreas de ancoramento (como trincas e fases de reforço). No trans-correr do processo de desgaste, estas porções de material se deterioram até certo ponto, onde se estabiliza uma camada contínua de grande resis-tência mecânica. Altas temperaturas tendem a aumentar a formação de
debris, que é a matéria prima para a geração de tribocamadas. Stott;
Jordan (2001) descrevem que quanto menor a dureza do substrato e maior a carga imposta sobre este, maior é a chance das tribocamadas serem removidas.
De acordo com Pauschitz; Roy; Franek (2008) dois tipos tribo-camada podem coexistir: debris compactados e tribo-camada vítrea, sendo esta última mais eficiente em virtude de sua maior resistência, fator que reduz o coeficiente de atrito (µ) e a taxa de desgaste. As propriedades mecânicas destas dependem do tribossistema e das condições de desgas-te. Após consolidada, a tribocamada pode se colapsar gerando mais
debris, ou originando novas tribocamadas. As tribocamadas podem
2.3.3 Desgaste Adesivo
De acordo com a norma ASTM G40 (2017), este mecanismo é resultante do contato entre determinados pontos de superfícies de mate-riais sólidos, que geram transferência de material entre ambas ou apenas de uma superfície para a outra. Rakhes (2013) destaca que o fato de nenhuma superfície ser totalmente regular, faz com que o contato entre picos de ambas suscite grande pressão local, ocasionando deformação plástica, dano de superfície e remoção de material.
Segundo Zum Gahr (1987), o desgaste adesivo é influenciado pe-las propriedades físicas e químicas dos materiais em contato, do nível e forma com que a força é aplicada, características das superfícies e do tipo de estrutura cristalina. O aumento de carga, velocidade ou tempera-tura entre os pares tribológicos pode resultar na formação de scuffings (riscos). Este fator é responsável por aumento exponencial do coeficien-te de atrito e desgascoeficien-te. A Figura 2.13 ilustra as diferencoeficien-tes formas de ruptura por adesão.
Nesta, percebe-se: a) quando a resistência da junção é menor que a dos materiais A e B, a ruptura por adesão ocorre na interface; b) se a resistência de A for menor que a de B e da interface, a falha ocorrerá somente no primeiro; c) em junções onde o material B apresenta resis-tência superior ao material A, a ruptura acontecerá predominantemente neste último; d) por fim, em materiais de resistência similar, o rompi-mento tende a ocorrer em seções similares.
Figura 2.13 - Diferentes formas de ruptura de junções adesivas (Adaptado de Zum Gahr, 1987).
