UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS GRADUAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS
DÁCIO GERMANO XAVIER REBOUÇAS JÚNIOR
TRATAMENTO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISCOS DE FREIOS DE PROTÓTIPO BAJA NITRETADOS À PLASMA
MOSSORÓ - RN 2020
DÁCIO GERMANO XAVIER REBOUÇAS JÚNIOR
TRATAMENTO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISCOS DE FREIOS DE PROTÓTIPO BAJA NITRETADOS À PLASMA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), com o intuito da obtenção do título de Mestre.
Orientador: Prof. Dr. Francisco Odolberto de Araújo.
Coorientador: Prof. Dr. Júlio César Pereira Barbosa.
MOSSORÓ - RN 2020
Ficha catalográfica preparada pelo setor de classificação e catalogação da Biblioteca “Orlando Teixeira” da UFERSA.
R292t Rebouças Júnior, Dácio Germano Xavier.
Tratamento e avaliação de desempenho de discos de freios de protótipo baja nitretados à plasma / Dácio Germano Xavier
Rebouças Júnior. - 2020. 62 f. : il.
Orientador: Francisco Odolberto de Araújo.
Coorientador: Júlio César Pereira Barbosa.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal Rural do Semi- árido, Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de
Materiais, 2020.
1. Nitretação à plasma. 2. Disco de freio. 3. Eficiência. I. de Araújo, Francisco Odolberto, orient. II. Pereira Barbosa, Júlio César, co-
orient. III. Título.
DÁCIO GERMANO XAVIER REBOUÇAS JÚNIOR
TRATAMENTO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE DISCOS DE FREIOS DE PROTÓTIPO BAJA NITRETADOS À PLASMA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), com o intuito da obtenção do título de Mestre.
Orientador: Prof. Dr. Francisco Odolberto de Araújo.
Coorientador: Prof. Dr. Júlio César Pereira Barbosa.
Defendida em: 20/02/2020
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Francisco Odolberto de Araújo Presidente (UFERSA)
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Júlio César Pereira Barbosa
Membro examinador interno ao programa (UFERSA)
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Zoroastro Torres Vilar
Membro examinador interno ao programa (UFERSA)
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Francisco de Assis Sousa
Membro examinador externo à instituição (IFRN - Campus Apodi)
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela vida, saúde, infinita bondade e amor.
Aos meus pais, irmã e demais familiares por todo amor, carinho, paciência e apoio.
Ao meu orientador Francisco Odolberto de Araújo, por estar sempre presente, por toda compreensão, auxílio, dedicação, incentivo, compartilhamento de conhecimentos e contribuição para meu crescimento acadêmico e profissional.
Ao meu coorientador Júlio César Pereira Barbosa, por todos esclarecimentos, apoio, conversas, auxílio, dedicação, por estar sempre presente, e que também contribuiu para meu crescimento acadêmico e profissional.
Ao professor Zoroastro Torres Vilar, que contribuiu para a elaboração deste trabalho e sempre esteve presente para ensinar, conversar, auxiliar e incentivar.
Ao professor Manoel Quirino da Silva Júnior, que se prontificou e tornou possível a realização de análises e aquisição de resultados para este trabalho.
À UFERSA, pelo ensino, pesquisa e apoio técnico, bem como ao programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.
À Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) pelo investimento na pesquisa.
À Universidade Federal do Piauí (UFPI), especialmente ao Laboratório de Plasma e ao professor Rômulo Ribeiro Magalhães de Sousa, assim como todo o corpo responsável pelo laboratório. Sem o auxílio enorme este trabalho não seria possível.
À equipe Cactus Baja, em especial a Gustavo Krause Vieira Garcia, Modesto Valci Moreira Lopes, Péryckles Francklyn Medeiros Paula e Ricardo Diógenes Melo Cavalcante que disponibilizaram o protótipo, auxiliaram e executaram os testes essenciais deste trabalho.
Ao amigo Jussier de Oliveira Vitoriano, pela disponibilidade em auxiliar, esclarecer, realizar ensaios e interpretar os resultados.
À amiga Liliane Ferreira Araújo, por todas as conversas, brincadeiras, companhia, desesperos e auxílio no desenvolvimento deste trabalho.
Ao amigo Lucas de Almada Torres, pela disponibilidade, conversas, brincadeiras, ensinamentos, realização dos ensaios e interpretação dos resultados.
Aos meus amigos externos, da vida, que sempre me apoiam, ajudam, incentivam, amam, contribuem e acrescentam suas ideias e valores.
A todos que direta e indiretamente contribuíram para a construção deste trabalho, que aqui não estão citados, mas que jamais serão esquecidos.
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo demonstrar como aumentar a dureza superficial, resistência ao impacto, resistência ao desgaste e proporcionar uma vida
útil maior a um disco de freio, de aço AISI 1045 trefilado, submetendo-o à nitretação à plasma. Utilizando uma mistura gasosa de 20% de hidrogênio (𝐻2) e 80% de nitrogênio (𝑁2), foram avaliadas a influência do tempo e temperatura de tratamento em quatro condições distintas de nitretação. A nitretação I teve duração de 3 horas e temperatura de 450 ºC, a II durou 4 horas à 450 ºC, a III 4 horas à 500 ºC e a IV 4 horas à 400 ºC. Os tratamentos I, II e III ocorreram em pressão de 0,8 mBar, em fonte de corrente contínua. Para efeito comparativo em virtude da complexa geometria dos discos de freio, foi realizado o tratamento IV à pressão de 2 mBar utilizando uma fonte de corrente contínua pulsada. As propriedades das camadas nitretadas obtidas nas amostras foram avaliadas por meio de microdureza superficial, perfil de microdureza, difratometria de raios-X e ensaio de desgaste realizado in situ em um protótipo off-road do tipo baja da UFERSA. Os resultados apresentaram uma efetiva melhoria no desempenho, com redução significativa no desgaste dos discos, notadamente nas condições III e IV, diretamente relacionadas à espessura e uniformidade das camadas nitretadas, bem como ao aumento significativo das microdurezas em relação ao material padrão. Portanto, validando o tratamento à plasma dos discos de freio como alternativa tecnológica.
Palavras-chave: nitretação à plasma, disco de freio, eficiência.
ABSTRACT
This work aims to demonstrate how to increase the surface hardness, impact resistance, wear resistance and provide a longer service life to a brake disk, made of drawn AISI 1045 steel, submitted to plasma nitriding. Using a gas mixture of 20% hydrogen (𝐻2) and 80% nitrogen (𝑁2), the influence of treatment time and temperature in four different nitriding conditions were evaluated. Nitriding I lasted 3 hours and at a temperature of 450 ºC, II lasted 4 hours at 450 ºC, III 4 hours at 500 ºC and IV 4 hours at 400 ºC. Treatments I, II and III took place at a pressure of 0.8 mBar, in a direct current source. For comparative effect due to the complex geometry of the brake discs, IV treatment was performed at a pressure of 2 mBar using a pulsed current source. The properties of the nitrided layers obtained in the samples were evaluated by means of surface microhardness, microhardness profile, X-ray diffractometry and wear test carried out in situ in an off-road prototype of the baja type from UFERSA. The results showed an effective improvement in performance, with a significant reduction in disc wear, notably in conditions III and IV, directly related to the thickness and uniformity of the nitrided layers, as well as to the significant increase in microhardnesses in relation to the standard material. Therefore, validating the plasma treatment of brake discs as a technological alternative.
Keywords: plasma nitriding, brake disc, efficiency.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 4
1.1. OBJETIVOS ... 5
1.1.1. Objetivo Geral ... 5
1.1.2. Objetivos Específicos ... 5
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6
2.1. PROJETO BAJA SAE ... 6
2.2. SISTEMA DE FREIO A DISCO ... 7
2.2.1. Discos de freio ... 8
2.2.2. Materiais do disco de freio ... 9
2.3. DESGASTE E ATRITO ... 9
2.3.1. Aspecto histórico ... 9
2.3.2. Conceitos ... 10
2.3.3. Classificação dos processos de desgaste ... 11
2.4. SISTEMA TRIBOLÓGICO ... 12
2.5. MECANISMOS DE DESGASTE ... 14
2.5.1. Adesão ... 14
2.5.2. Abrasão ... 17
2.5.3. Fadiga ... 18
2.5.4. Reação triboquímica... 19
2.6. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS ... 20
2.6.1. Nitretação ... 21
2.6.1.1. Nitretação à plasma ... 22
2.6.1.1.1 Curva Voltagem-Corrente ... 23
2.6.1.1.2 Reações químicas e físicas do plasma ... 26
2.6.1.1.3 Interações entre o plasma e a superfície ... 27
3. METODOLOGIA ... 30
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 33
4.1 DISCOS DE FREIO NITRETADOS ... 33
4.2 PARÂMETROS DA NITRETAÇÃO À PLASMA COM CORRENTE CONTÍNUA .... 34
4.3 PARÂMETROS DA NITRETAÇÃO À PLASMA COM CORRENTE CONTÍNUA PULSADA ... 36
4.4 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ... 37
4.5 DIFRAÇÃO DE RAIOS-X (DRX) ... 42
4.6 MICRODUREZA VICKERS ... 43
4.7 ENSAIOS DE DESGASTE ... 44
5. CONCLUSÕES ... 48
6. PERSPECTIVAS ... 49
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 50
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Protótipo Cactus Baja. ... 6
Figura 2 - Sistema de freio a disco. ... 7
Figura 3 - Discos de freio ventilado (a) e sólido (b). ... 8
Figura 4 - Classificação dos processos de desgaste. ... 11
Figura 5 - Desgaste de dois corpos (a) e três corpos (b). ... 12
Figura 6 - Entradas e saídas de um tribossistema. ... 13
Figura 7 - Representação dos elementos de um sistema tribológico. ... 14
Figura 8 - Ruptura de uniões de interface (a), adesão em A (b), adesão predominante em A, porém presente também em B (c) e adesão distribuída por igual (d). ... 15
Figura 9 - Mecanismos de adesão... 16
Figura 10 - Interações entre partículas abrasivas e superfícies de materiais. ... 17
Figura 11 - Micrografia dos tipos de interações de microsulcamento (a), microcorte (b) e microlascamento (c). ... 18
Figura 12 - Formação e propagação de trincas devido à fadiga. ... 19
Figura 13 - Mecanismos envolvidos na reação triboquímica. ... 20
Figura 14 - Esquema do reator de nitretação. ... 23
Figura 15 - Curva características de uma descarga. ... 24
Figura 16 - Regiões de uma descarga anormal. ... 25
Figura 17 - Interações na superfície do cátodo. ... 28
Figura 18 - Fluxograma da metodologia. ... 30
Figura 19 - Vista superior da nitretação à plasma no reator da UFERSA ... 33
Figura 20 - Vista lateral da nitretação à plasma no reator da UFPI. ... 33
Figura 21 - Aspecto visual do disco de freio e amostra após o tratamento de nitretação... 34
Figura 22 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento I. ... 35
Figura 23 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento II. ... 35
Figura 24 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento III. ... 36
Figura 25 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento IV. ... 37
Figura 26 - Microscopia eletrônica de varredura da amostra padrão. ... 38
Figura 27 - MEV das amostras I e II. ... 39
Figura 28 - MEV das amostras III e IV (UFERSA). ... 40
Figura 29 - Difratograma das amostras padrão (aço AISI 1045), I, II, III e IV. ... 42
Figura 30 - Relação de microdureza x profundidade das amostras nitretadas. ... 43
Figura 31 - Representação do desgaste percentual. ... 46
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Parâmetros dos tratamentos de nitretação I, II, III e IV. ... 31
Quadro 2 - Espessuras das camadas das amostras nitretadas. ... 41
Quadro 3 - Comparativo da microdureza com a espessura da camada nitretada. ... 43
Quadro 4 - Espessuras iniciais e finais dos discos. ... 45
1. INTRODUÇÃO
Desde os primórdios da civilização a humanidade se desenvolve a cada dia buscando solucionar problemas do cotidiano com maior agilidade. A invenção da roda mostrou-se essencial para facilitar o transporte de cargas superiores ao que o homem poderia suportar.
Entretanto, manifestou-se outro problema que seria a dificuldade de parar esse transporte, pois, pelo conceito de inércia, o “veículo” em movimento tenderia a continuar sua locomoção.
Dessa maneira, surgiu o primeiro mecanismo de freio para solucionar essa adversidade.
Atualmente, por meio de uma conexão de atrito pneumática, hidráulica ou até mesmo magnética, o sistema de freio consiste em promover o contato entre dois elementos, sendo um deles fixo e o outro rotativo. Por exemplo, na área automotiva temos o disco de freio montado juntamente à roda do veículo e um conjunto de pinça e pastilhas de freio fixadas na estrutura do automóvel. Ao pressionar o pedal de freio, a pinça e pastilhas são acionadas promovendo o contato com o disco. Devido ao atrito gerado, o automóvel reduz a velocidade até cessar o movimento. Sistemas de frenagem não existem apenas em automóveis, também encontramos em maquinários diversos, como guindastes por exemplo. Além disso, visando incrementar a eficiência, tais componentes podem ser confeccionados em materiais distintos e submeterem- se a tratamentos térmicos e termoquímicos, conforme necessidade da aplicação, que tem como objetivo melhorar as propriedades mecânicas. Dessa forma, é possível utilizar um material mais barato, porém com suas propriedades melhoradas ao ponto de se igualar ou até superar materiais mais caros, que em teoria são caracterizados como melhores. (NORTON, 2013)
Neste trabalho abordaremos um dos componentes do sistema de frenagem, o disco de freio de um protótipo automotivo do tipo baja, confeccionado em aço AISI 1045 trefilado, totalmente desenvolvido no âmbito da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). O intuito é promover uma melhoria da eficiência de frenagem e/ou o aumento da durabilidade deste dispositivo, utilizando um tratamento termoquímico de nitretação à plasma, para alterar suas propriedades mecânicas, e comprovar a eficiência destes tratamentos nos ensaios a campo no protótipo baja.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo Geral
Realizar um tratamento de nitretação por plasma em um disco de freio de aço AISI 1045, com o intuito de elevar suas propriedades mecânicas como dureza, resistência ao desgaste, à corrosão, à fadiga, ao impacto e incrementar sua vida útil.
1.1.2. Objetivos Específicos
• Confeccionar, tratar e caracterizar amostras de discos de freio sob diferentes condições de plasma.
• Definir o conjunto de parâmetros de plasma que forneçam as melhores propriedades para a aplicação desejada.
• Comparar e avaliar as propriedades das amostras tratadas e analisar seu desempenho nos testes de campo, sob condições reais de utilização.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. PROJETO BAJA SAE
O projeto baja proporciona a oportunidade dos alunos aplicarem o que estudaram, unindo a teoria à prática. Ao participar do projeto, o estudante observa que a estrutura da equipe é semelhante à uma empresa montadora de veículos de pequeno porte, em que há as divisões de administração, financeiro, marketing, infraestrutura, fabricação, design e projetos, esta por sua vez possui subdivisões de suspensão, transmissão, freio, chassi e eletrônica.
Todos trabalhando juntos no desenvolvimento de um protótipo off-road para competir contra universidades e instituições de todo o país. Além do conhecimento adquirido sobre mecânica automotiva, planejamento, finanças, segurança, entre outros, os alunos desenvolvem algumas habilidades importantes para o mercado de trabalho, como por exemplo proatividade, trabalho em equipe e sob pressão. A Figura 1 mostra o produto da combinação dos esforços da equipe Cactus Baja da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). (BAJA SAE BRASIL, 2018)
Figura 1 - Protótipo Cactus Baja.
Fonte: CACTUS BAJA, 2019.
2.2. SISTEMA DE FREIO A DISCO
Em um veículo automotivo existem diversos sistemas em que cada um realiza uma função específica com o objetivo de proporcionar o funcionamento adequado do automóvel, que é a locomoção e o transporte de pessoas e cargas, em alguns casos. (GILLESPIE, 1999)
Os sistemas que compõem um automóvel são: motor, transmissão, design, estrutura, suspensão, direção, eletrônica, distribuição, arrefecimento, rodagem e por último o freio. Este último é um dos mais importantes conjuntos de um veículo e faz-se necessário manutenção constante para evitar falhas e consequentemente, acidentes. Cada sistema possui suas próprias ramificações e componentes específicos que atuam em conjunto para o bom desempenho.
A Figura 2 ilustra os componentes que a grande parcela dos automóveis utiliza atualmente. (GILLESPIE, 1999; BOSCH, 2005)
Figura 2 - Sistema de freio a disco.
Fonte: Adaptado de LOBO, 2018.
O funcionamento do sistema consiste em aplicar uma pressão mecânica através do pedal, que é ampliada pelo servo freio antes de chegar ao cilindro mestre para conversão em pressão hidráulica. O fluido, contido em um reservatório conectado ao cilindro mestre, então
transfere essa pressão hidráulica através das tubulações rígidas e flexíveis até as pinças de freio. Nestas estão contidas as pastilhas que entrarão em contato com o disco. Este contato resulta em atrito originando a frenagem, tendo como consequência a conversão da energia do sistema em calor, principalmente. (LIMPERT, 1999)
2.2.1. Discos de freio
Com exceção do disco de freio, todos os componentes do sistema de frenagem estão fixados na estrutura do automóvel ou em algum tipo de suporte. O disco de freio por sua vez, é a parte que está em movimento de rotação fixado juntamente à roda do veículo. (LIMPERT, 1999)
O objetivo é que, uma vez que as pinças atuem no disco de freio, este terá sua velocidade de rotação diminuída e assim transmitirá o mesmo movimento à roda, controlando sua velocidade ou parada total, conforme solicitado.
Os discos de freio podem ser sólidos ou ventilados, dependendo do projeto. Os ventilados (Figura 3 a) possuem uma dissipação térmica maior, visto que com esse perfil atuam como um ventilador, favorecendo a refrigeração do sistema. O disco sólido (Figura 3 b) é mais utilizado em potências reduzidas, evitando a necessidade de uma elevada refrigeração.
Figura 3 - Discos de freio ventilado (a) e sólido (b).
Fonte: BREMBO, 2019.
2.2.2. Materiais do disco de freio
Antigamente, quando estavam sendo desenvolvidos os primeiros sistemas de frenagem, os materiais utilizados não eram selecionados com a devida importância, uma vez que as velocidades atingidas pelos veículos eram relativamente baixas e provavelmente qualquer material seria suficiente para realizar a frenagem. (RINEK, 1995)
Esses materiais eram facilmente encontrados ou manufaturados, como por exemplo, couro, madeira e tecidos emborrachados. À medida que o a indústria automobilística se desenvolvia, os automóveis se tornavam mais potentes e atingiam velocidades substancialmente maiores em relação aos seus antecessores, o sistema de freio deveria ser capaz de acompanhar essas melhorias. Dessa forma, materiais com resistências mecânicas elevadas e melhores condições de dissipação de calor passaram a ser utilizados, como por exemplo, fibras de amianto e resinas orgânicas. (RINEK, 1995)
Atualmente, o ferro fundido cinzento é um dos mais utilizados no mercado, pois possui resistência mecânica ideal, baixo custo, leve, além de possuir facilidade de produção.
Fibra de carbono também passou a ser utilizada em carros de caráter mais esportivo ou de luxo. Os aços passaram a ser utilizados, porém em uma escala menor em relação aos anteriores, pois apesar de possuírem melhores características em alguns aspectos, seu custo de produção e implementação ainda é elevado. (MACNAUGHTON, 1998)
2.3. DESGASTE E ATRITO
2.3.1. Aspecto histórico
Muito antes da humanidade existir o universo é regido pelas leis físicas de atrito e desgaste. Um dos acontecimentos históricos mais importantes que registra o início do desenvolvimento do homem ocorreu simplesmente pelo ato de promover o contato entre duas peças de madeira e assim originar o fogo. As ferramentas do homem antigo eram confeccionadas ao desgastar uma pedra na outra e assim montando lanças e facas. Além disso, o simples ato de caminhar só é possível devido à ação do atrito. (ZUM-GAHR, 1987)
Um dos pioneiros que se tem conhecimento no estudo dessa área foi Leonardo Da Vinci, ao realizar experimentos de deslizamento de corpos em planos horizontais e inclinados e assim mediu as forças de atrito. Também deduziu que a força de atrito era proporcional à aplicação da força normal. Em 1699, o inventor e físico Guillaume Amontons chegou à
mesma conclusão de Da Vinci sobre o coeficiente de atrito e ainda iniciou estudos na área de lubrificação ao experimentar gordura de porco entre o contato de dois corpos. Tais conceitos propostos pelo físico francês foram comprovados por Charles Augunstin de Coulomb em 1791.
No ano de 1979, um engenheiro britânico chamado Duncan Dowson publicou um livro denominado de História da Tribologia e nele demonstrou diversas contribuições de cientistas como Osborne Reynolds, Heirich Rudolph Hertz e muitos outros, que promoveram o desenvolvimento do conhecimento de desgaste, atrito e lubrificação. (DOWSON, 1979)
2.3.2. Conceitos
Quando dois corpos entram em contato e uma superfície desliza sobre a outra, a resistência ao deslizamento é denominada de atrito. Quanto mais rugosa for uma superfície, isto é, quanto mais áspera for, maior será a resistência ao movimento e consequentemente resultará em uma força de atrito maior. A remoção progressiva de material da superfície de um corpo sólido é denominada de desgaste. Tal fenômeno é uma das principais causas para falhas de componentes e estruturas. (HIBBELER, 2007)
Apesar do desgaste ser uma das razões fundamentais para o defeito de maquinários, são poucas as situações em que os resultados são trágicos. Entretanto, não deixa de ser importante tomar providências necessárias para diminuir gastos e aumentar a segurança das operações. A fadiga superficial é um dos motivos significativos que promovem o desgaste, reduzindo a produtividade devido às alterações dimensionais dos componentes, além de ocasionar desalinhamentos e vibrações nos equipamentos. Formação e propagação de trincas também são fenômenos oriundos do desgaste que podem acarretar a fratura de elementos dos sistemas. (BARWELL, 1979)
Com o intuito de reduzir ou evitar os efeitos do desgaste, faz-se necessário organizar e otimizar alguns detalhes, como por exemplo: o design de peças, componentes e produtos, seleção adequada de materiais, limpeza e lubrificação dos equipamentos, parâmetros da produção, acessórios e montagens das máquinas. A operação correta dos procedimentos auxilia na diminuição do atrito e consequentemente do desgaste, uma vez que resistência ao atrito e desgaste não são propriedades intrínsecas do material, porém características do sistema.
2.3.3. Classificação dos processos de desgaste
A maneira como determinada peça é desgastada resulta na classificação do processo de desgaste. Dessa forma, podemos ter desgaste por escorregamento, rolamento, oscilação, impacto, escoamento e erosão. A erosão, por sua vez, pode ainda ser classificada conforme pelo seu estado físico e sua interação com a peça. A Figura 4 ilustra os tipos de desgaste.
(PETERSON, 1980)
Além dos tipos de classificação abordados na Figura 4, os processos de desgaste podem ser rotulados de acordo com a quantidade de elementos presentes na interação das superfícies, isto é, se temos a participação de dois ou mais corpos, como mostra a Figura 5.
Figura 4 - Classificação dos processos de desgaste.
Fonte: Adaptado de PETERSON, 1980.
Figura 5 - Desgaste de dois corpos (a) e três corpos (b).
Fonte: PETERSON, 1980.
2.4. SISTEMA TRIBOLÓGICO
A força ou coeficiente de atrito e a resistência ao desgaste podem ser influenciadas por outros fatores além da composição dos materiais em contato. A presença de lubrificantes, abrasivos, óxidos, condições ambientais de trabalho, rugosidade superficiais e tipo de desgaste envolvido também influenciam nas propriedades de resistência ao desgaste e atrito.
Tal combinação desses fatores é denominada de tribossistema.
O tribossistema funciona da seguinte maneira: variáveis entram no sistema, sendo conhecidas assim como entradas, são transformadas ou transmitidas em saídas que por sua vez são utilizadas em diversas aplicações. No entanto, como não existe um sistema perfeito, existirão perturbações e perdas que afetarão o desempenho . A Figura 6 ilustra as variáveis de um sistema tribológico.
Figura 6 - Entradas e saídas de um tribossistema.
Fonte: Adaptado de CZICHOS, 1977.
Quatro componentes constituem um tribossistema, são eles: corpo sólido, contra peça, elemento interfacial e o ambiente. A contra peça pode ser sólida, líquida, gasosa ou qualquer combinação desses. O mesmo equivale para lubrificantes e poeira, porém esses atuam como o elemento interfacial e que, em alguns casos, pode até estar ausente. A norma DIN 50320 (1979) representa os elementos de um tribossistema, conforme mostra a Figura 7.
Figura 7 - Representação dos elementos de um sistema tribológico.
Fonte: Adaptado de DIN 50320, 1979.
2.5. MECANISMOS DE DESGASTE
Ao longo dos anos muitos termos foram utilizados para explicar os diversos mecanismos de desgaste. Tivemos desgaste abrasivo, corrosivo, por fadiga, erosão, fricção, cavitação, delaminação, desgaste por impacto, difusivo e muitos outros. (BURWELL, 1952;
JAHANMIR, 1980)
Entretanto, os termos mais utilizados atualmente são adesão, abrasão, fadiga e reação triboquímica. Adesão pode ser definida como junção de pontos interfaciais adesivos, na abrasão o material é removido devido ao arrancamento, tensões cíclicas induzem formação de trincas na fadiga, separando material, e na reação triboquímica temos interações químicas entre os elementos do sistema tribológico o qual resulta na formação de produtos que desgastam as superfícies. (DIN 50320, 1979)
2.5.1. Adesão
Sabemos que os equipamentos por mais sofisticados que sejam ainda não são capazes de fabricar, por exemplo, uma determinada peça com uma superfície perfeitamente lisa, ou seja, ela ainda possuirá rugosidade e consequentemente promoverá atrito ao longo de toda sua extensão. Portanto ainda teremos a presença de protuberâncias e reentrâncias na peça, semelhante a um perfil de uma serra, com picos e pequenos vales intercalando-os. Dessa
forma, quando duas peças com as superfícies com esses perfis entram em contato promoverá combinações de encontros entre os picos e vales. Logo, percebemos que o contato entre elas ocorrerá apenas em alguns pontos, sendo apenas uma fração da área total. No entanto, este contato resultará em tesões elevadíssimas que podem superar o limite de escoamento do material e formar uma união das peças naquele ponto, por isso o nome de adesão. A contaminação do ambiente de trabalho, a tensão e forma como é aplicada, rugosidade das superfícies e as propriedades físicas e químicas influenciam no grau de união dos materiais em contato. (KALPAKJIAN, 1995; FRISCH, 1981)
Quatro tipos distintos de separações de superfícies são observados na Figura 8. Nela temos ruptura das uniões de interface (Figura 8 a), separação apenas no material A (Figura 8 b), que ocorre devido possui resistência menor do que o material B ou que a união, separação maior em A, porém também presente em B (Figura 8 c), decorre da mesma explicação da Figura 8 b, porém nesse caso o material B também possui resistência um pouco menor do que a união, promovendo separação de parte de seu material, e temos separação por igual (Figura 8 d) quando os materiais possuem resistências similares.
Figura 8 - Ruptura de uniões de interface (a), adesão em A (b), adesão predominante em A, porém presente também em B (c) e adesão distribuída por igual (d).
Fonte: ZUM-GAHR, 1987.
Além dos mecanismos de desgaste serem divididos entre categorias, dentro do conceito de adesão existem divisões que explicam os mecanismos da adesão. De acordo com a literatura, existem quatro grupos principais, são eles: adesão mecânica, por difusão, eletrônica e por adsorção. Semelhante à adesão por adsorção temos a adesão química que são explicadas da mesma maneira, porém as ligações da adesão química são mais fortes. A Figura 9 representa os mecanismos de adesão. (KINLOCH, 1980)
Figura 9 - Mecanismos de adesão.
Fonte: Adaptado de HOUWINK, 1965.
A adesão mecânica ocorre devido ao contato das asperezas das superfícies, protuberâncias e reentrâncias, e a intensidade desse tipo de adesão está relacionada com a resistência à deformação plástica dos materiais e da área de contato, ou seja, a estrutura cristalina e os sistemas de escorregamento. (SIKORSKI, 1964)
Quando há moléculas e ou átomos de corpos em contato se difundindo através das superfícies temos a adesão por difusão, isto é, o átomo ou molécula desloca-se do seu material de origem para o outro. Existem literaturas abordando que a solubilidade mútua dos átomos dos metais proporciona uma adesão forte, enquanto outras literaturas discutem que metais insolúveis também ocasionam fortes adesões. (GOODZEIT et al., 1956; HABIG et al., 1970)
Na adesão eletrônica temos a transferência de elétrons entre os materiais em contato com bandas eletrônicas distintas resultando na formação de camadas duplas de cargas elétricas na interface. Há uma suposição de que forças eletrostáticas oriundas da dupla camada originam a adesão. Enquanto uma superfície age como doadora, a outra age como receptora e ainda a adesão depende do número e características dos elétrons livres das camadas eletrônicas das interfaces. (DERJAGUIN et al., 1967)
Devido ao mecanismo de adsorção temos dois tipos de adesão que são explicados baseando-se no mesmo princípio, porém as ligações de um mecanismo são mais fortes do que do outro. Temos então a adesão química e por adsorção. Na primeira, temos adsorção química devido às ligações primárias metálicas e covalentes causando transferência metálicas,
enquanto na segunda temos ligações secundárias, como de Van der Walls, promovendo contatos intermoleculares. (BELY, 1982; KINLOCH, 1980; KALPAKJIAN, 1995)
2.5.2. Abrasão
O desgaste abrasivo é um dos casos mais comuns que ocorrem na indústria e resultam na remoção de material da superfície devido a partículas duras entre superfícies em movimentos relativos. Tais partículas podem ser a própria rugosidade das peças quanto corpos estranhos como grãos de poeira. Esse tipo de desgaste pode ser classificado em três interações: microsulcamento, microcorte e microlascamento. (MURRAY et al., 1979)
No microsulcamento temos perda de material se acumulando com aspecto de amassado devido à presença de diversas partículas abrasivas atuando simultaneamente no desgaste. No microcorte temos o destacamento de material da sua superfície devido à angulação de incidência das partículas no material. Para originar o microlascamento é necessário que se tenha formação e propagação de trincas que ocorrem quando partículas abrasivas impõem concentrações elevadas de tensões na superfície dos materiais. A Figura 10 esquematiza esses tipos de interações e a Figura 11 ilustra exemplos de micrografias dessas situações.
Figura 10 - Interações entre partículas abrasivas e superfícies de materiais.
Fonte: Adaptado de MURRAY ET AL., 1979.
Figura 11 - Micrografia dos tipos de interações de microsulcamento (a), microcorte (b) e microlascamento (c).
Fonte: FELLER, 1971.
2.5.3. Fadiga
A formação e propagação de trincas e lascamento do material são aspectos característicos desse tipo de desgaste que são resultados de tensões cíclicas atuando na superfície do material. (SUSKI, 2014)
Podemos observar a fadiga em diversas situações, por exemplo: no movimento relativo entre corpos, com a mesma intensidade, direção e sentido, resulta no desgaste por rolamento; em deslizamentos cíclicos que geram tensões elevadas e deformam o material levando à formação de trincas superficiais; no impacto constante entre dois corpos; além disso, dependendo da situação o lubrificante presente no meio pode penetrar as trincas e com atuação das tensões cíclicas pode ocasionar o surgimento de pressões hidrostáticas, agravando a situação ao propagar as trincas. A Figura 12 esquematiza algumas situações abordadas.
Figura 12 - Formação e propagação de trincas devido à fadiga.
Fonte: Adaptado de FLEMING, 1977.
2.5.4. Reação triboquímica
Este tipo de desgaste também é conhecido como desgaste triboquímico, e nele temos a presença de um ambiente, que pode ser líquido ou gasoso, reagindo com o atrito oriundo do contato entre duas superfícies sólidas. (SUSKI, 2014)
O procedimento de desgaste ocorre na superfície de contato em que há a formação de camadas de reação e remoção dessas. Caso haja oxigênio, os detritos consistem basicamente em óxidos formados na superfície e removidos por atrito.
Há quatro categorias em que esse tipo de desgaste pode ser classificado: a) contato metálico entre a rugosidade das superfícies ocasionando remoção de metal devido à adesão e pequenos fragmentos de desgaste; b) reações químicas dos metais com o meio originando camadas protetivas superficiais reduzindo o contato metálico; c) trincas das camadas protetivas superficiais ocasionadas pela alta pressão local ou microfadigas originando fragmentos não metálicos de desgaste; d) fragmentos, metálicos e não metálicos, podem promover abrasão e desgastar as superfícies de contato acarretando em um maior desgaste. A Figura 13 exemplifica as divisões anteriores.
Figura 13 - Mecanismos envolvidos na reação triboquímica.
Fonte: Adaptado de KALPAKJIAN, 1995.
2.6. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
Na área de engenharia mecânica, de materiais, automobilística, entre outras, são utilizados regularmente os termos resistência mecânica, dureza, ductilidade e tenacidade.
Essas propriedades são desejadas em uma grande parte dos materiais, principalmente nos relacionados à indústria automotiva.
As engrenagens dos automóveis, por exemplo, possuem uma dureza elevadíssima nos seus dentes se comparado ao restante do seu corpo. Isso é devido a um tratamento térmico ou termoquímico, dependendo da aplicação.
Os tratamentos termoquímicos são responsáveis por promover o endurecimento superficial dos aços por meio da utilização de altas temperaturas e elementos químicos para modificar a estrutura do material. Assim, a dureza e a resistência ao desgaste na superfície do aço são ampliadas, enquanto seu núcleo permanece dúctil e tenaz, capaz de resistir aos impactos. (CHIAVERINI, 1986)
Os tratamentos termoquímicos mais utilizados são: cementação, onde o carbono é depositado superfície do aço; nitretação, insere nitrogênio na estrutura cristalina; cianetação, utiliza cianeto fundido, onde tanto o carbono quanto o nitrogênio são absorvidos na superfície do aço em meio líquido; carbonitretação, fornece carbono e nitrogênio em meio gasoso;
nitrocarbonetação, também fornece carbono e nitrogênio, porém é realizada em uma condição
bastante específica do aço em temperatura mais elevada e, boretação que introduz boro por difusão no aço. (CHIAVERINI, 1986).
Em face das características desejadas e ao aspecto inovador desta técnica, neste trabalho todos as amostras foram tratadas por meio de processos de nitretação à plasma.
2.6.1. Nitretação
Nesse tipo de tratamento, o elemento base utilizado é o nitrogênio, que por sua vez é introduzido na rede cristalina do metal através da difusão. Modificando a composição superficial sem alterar as dimensões. (CHIAVERINI, 1986)
Os metais nitretados possuem uma elevada dureza superficial e suas resistências ao desgaste, escoriação, fadiga, corrosão e temperatura são aumentadas. As peças são menos suscetíveis a empenamento ou distorção e não há necessidade de qualquer tratamento térmico posterior.
A nitretação pode ser realizada de três maneiras: a gás, líquida ou banho de sais e iônica ou à plasma.
Na nitretação gasosa, a peça que deseja ser nitretada é colocada dentro de uma câmara, onde é gerado o vácuo e a amônia é inserida dentro desta câmara por meio de um reservatório.
A molécula de amônia se decompõe no processo e o nitrogênio resultante se difunde na superfície do metal. O processo de difusão é lento, consequentemente a duração do tratamento é extensa, chegando a durar 90 horas em alguns casos, porém geralmente o tratamento varia entre 48 a 72 horas e a faixa de operação de temperatura varia de 500º a 575º C.
(CHIAVERINI, 1986)
A nitretação líquida ou em banho de sal consiste em inserir o aço em um banho de cianeto fundido que se decompõe em carbono e nitrogênio. Ao contrário dos processos de cianetação, esse tipo de nitretação faz com que seja inserido mais nitrogênio do que carbono no metal. Reduzindo a duração do tratamento para 60 a 180 minutos, a faixa de operação da temperatura se assemelha à da nitretação a gás, entre 500º e 575º C.
Ionitretação, nitretação iônica ou nitretação à plasma, fundamenta-se em utilizar uma tensão elevada entre 500 e 1000 V, excitando o gás nitrogênio sob baixa pressão, acelerando- o, originando a descarga luminescente, resultando em um brilho característico. A descarga então bombardeia a superfície do metal e assim difundindo-se na peça de interesse. A temperatura de operação do processo é um detalhe interessante, pois varia entre 315º a 650º C e a duração do processo é menor. Por exemplo, para se atingir a mesma espessura da camada
de tratamento a gás que durou 40 a 60 h, na nitretação à plasma levaria apenas 20 horas.
(CHIAVERINI, 1986; ALVES JÚNIOR, 2001)
2.6.1.1. Nitretação à plasma
Esse tratamento já existe há alguns anos, mais precisamente desde 1931 quando foi patenteada nos Estados Unidos da América por J. J. Egan e na Suíça em 1932 pelo físico Dr.
Bernhard Berghaus. Entretanto, na época os equipamentos sofriam com problemas de superaquecimento dos componentes e peças e abertura de arcos elétricos o que dificultava sua utilização além do elevado custo em adquirir o maquinário e instalá-lo nas indústrias.
(RUZICKA, 2000)
“Descarga gasosa”, “descarga elétrica” ou “descarga luminescente” são os termos que a literatura pode se referir ao “plasma”, considerado como o quarto estado da matéria, e este foi estabelecido como um gás composto por um aglomerado de átomos, elétrons, íons e moléculas carregadas eletricamente e neutras. Frequentemente o plasma é tido como eletricamente neutro, porém qualquer perturbação no meio que promover alteração nas cargas provocará a geração de campos elétricos e as cargas tendem a se movimentar com o objetivo de reestabelecer o equilíbrio, pois o somatório das cargas deve resultar em zero. (ALVES JÚNIOR, 2001)
O plasma nesse tipo de tratamento é gerado ao submeter um gás neutro, a uma diferença de potencial entre dois eletrodos (ânodo e cátodo) contidos em um sistema fechado em pressão parcial, gerando um campo elétrico e provocando a aceleração de elétrons livres.
Tais elétrons adquirem energia cinética e colidem com partículas neutras presentes no gás, transferindo sua energia. Há a liberação de novos elétrons devido ao impacto, que são influenciados pelo campo elétrico e colidem com outras partículas, resultando na ionização do gás. A Figura 14 ilustra um esquema do reator de nitretação. Nela podemos observar que as peças a serem tratadas são o cátodo do sistema enquanto o ânodo seria a parede do reator.
(BARBOSA, 2007)
Figura 14 - Esquema do reator de nitretação.
Fonte: Adaptado de BELL, 2002.
A técnica de nitretação à plasma tem ganhado bastante espaço industrialmente devido aos custos e tempo de tratamento serem menores em relação a outras técnicas, com resultados no mesmo patamar de qualidade ou melhor. Além disso, a possibilidade de utilizar gases pouco nocivos ao meio ambiente também é um ponto interessante. (ALVES JÚNIOR, 2001)
Além do nitrogênio, que é o principal gás utilizado nesta técnica, podem ser utilizados o próprio ar, oxigênio, hidrogênio e uma mistura entre eles. Entretanto, a mistura gasosa comumente utilizada na nitretação é a mistura de nitrogênio e hidrogênio. O hidrogênio proporciona o aumento da energia cinética média das partículas envolvidas no processo, remoção de óxidos formados na superfície de materiais metálicos, facilitando a difusão de átomos de nitrogênio na rede cristalina do metal e formação de filmes sobre o mesmo.
(BARBOSA, 2007) (HIROHATA, 2001)
2.6.1.1.1 Curva Voltagem-Corrente
A Figura 15 ilustra a curva característica da corrente elétrica e voltagem entre dois eletrodos de uma descarga elétrica em gases .
Figura 15 - Curva características de uma descarga.
Fonte: ALVES JÚNIOR, 2001.
O gráfico ilustrado pode ser estudado dividindo-o em três regiões distintas. Na primeira região a resistência elétrica é alta, o que dificulta a condução de portadores de carga livres no meio, caracterizando uma baixa corrente. Ao elevar-se a voltagem, as partículas carregadas são aceleradas devido ao aumento da força elétrica, resultando na colisão dessas partículas com os eletrodos. Se em um determinado espaço de tempo houver produção constante de elétrons e íons, a corrente atinge um ponto de saturação. Ao continuar elevando a voltagem, a corrente também aumentará devido à produção de novos elétrons, ocasionando uma tensão de ruptura devido ao aglomerado de cargas. A descarga entre a corrente de saturação e a tensão de ruptura é denominada de descarga de Townsend e neste momento o gás torna-se brilhante. Então íons, fótons e partículas neutras bombardeiam o cátodo, produzindo elétrons secundários que tornarão a descarga auto sustentada. Os novos elétrons são acelerados e interagem com os átomos e moléculas do gás residual, produzindo pares íons-elétrons através de colisão inelástica. Estes novos íons então são acelerados em direção do cátodo bombardeando-o e produzindo novos elétrons secundários. O gás então apresenta agora uma característica de um condutor, possibilitando o fluxo eletrônico a uma diferença de potencial menor do que a necessária para formação do plasma. Tal região é denominada de
descarga normal. Ao aumentar a voltagem tem-se um aumento na corrente que por sua vez torna-se uma função da voltagem à uma pressão constante e é a região mais indicada para realizar o tratamento termoquímico de nitretação, denominada de descarga abnormal, pois o cátodo está completamente revestido pela descarga, proporcionando uniformidade da camada nitretada. Aumentando a voltagem nessa região resulta em um aumento na corrente elétrica e como consequência disso há um aquecimento substancial do cátodo e na emissão termiônica (fluxo de elétrons). A descarga então concentra-se nessa área superaquecida, provocando o arco elétrico, sendo mantida a uma baixa tensão e alta corrente. (ALVES JÚNIOR, 2001) (BARBOSA, 2007)
Além da divisão de regiões na curva característica da voltagem e corrente, temos classificações dentro da descarga anormal conforme densidade da corrente, carga e distribuição de potencial elétrico. A Figura 16 ilustra estas regiões.
Figura 16 - Regiões de uma descarga anormal.
Fonte: CHAPMAN, 1980.
A primeira região após o cátodo é denominada de espaço escuro de Aston e aqui se encontram elétrons com ordem de energia baixíssima e estes não são capazes de excitar as moléculas do gás. Adiante temos a luminescência catódica onde as partículas do plasma bombardeiam a superfície do cátodo devido à excitação dos átomos. No espaço escuro de Crookes há poucas moléculas excitadas do gás devido à baixa concentração dos elétrons em decorrência do grande campo elétrico gerado, contendo pouquíssimas cargas e assim caracterizando-a como região escura. Na região de luminescência negativa ocorre a ionização e excitação do gás residual. Íons positivos aceleram-se em direção à superfície do cátodo, em decorrência da diferença de potencial, e ao bombardear a superfície tem-se o início do tratamento térmico à plasma e há a produção de elétrons secundários essenciais para a descarga anormal. O espaço escuro de Faraday é caracterizado por elétrons que perderam
grandes parcelas das suas energias nas colisões com outros elétrons e são incapazes de ionizar ou excitar posteriormente o gás. Após essa região escura tem-se a elevação gradativa do campo elétrico. (CHAPMAN, 1980; SANTOS, 1984)
2.6.1.1.2 Reações químicas e físicas do plasma
Em um ambiente de nitretação existem reações determinadas pelas colisões entre elétrons e moléculas e podem ser classificadas como ionização, excitação, relaxação ou emissão, recombinação e dissociação. (ALVES JÚNIOR, 2001)
Na ionização os elétrons primários, mais energéticos, ao colidirem com as moléculas do gás promovem a remoção de um elétron do átomo resultando em dois elétrons e um íon positivo. Então os dois novos elétrons são acelerados e ao adquirir energia suficiente causam novas ionizações, mantendo assim a descarga elétrica. Esse processo é visto na equação genérica 1. (ALVES JÚNIOR, 2001)
𝑒−+ 𝐺 → 2𝑒−+ 𝐺+ (1)
Temos a excitação de um elétron quando a energia da colisão entre elétron com o átomo ou molécula é menor do que a necessária para ionizar, um elétron do átomo transfere- se para um nível energético maior, conforme a equação 2 . (ALVES JÚNIOR, 2001)
𝑒−+ 𝐺 → 𝑒−+ 𝐺∗ (2)
Na relaxação ou emissão as moléculas tendem a retornar para seu estado estável, uma vez que os estados excitados são instáveis, mediante a transferência dos elétrons para estados menos energéticos. Cada transição é acompanhada pela emissão de um fóton de energia específica, com a mesma diferença de energia entre os níveis, resultando na luminescência característica. Esse fenômeno é o inverso do que ocorre na excitação. Uma análise espectroscópica desta luminescência possibilita a identificação e definição das concentrações dos espécimes presentes no plasma. Como por exemplo, na equação 3. (ALVES JÚNIOR, 2001)
𝐺∗ → 𝐺 + ℎ𝜈 (3)
Onde “h” é a constante de Planck, a frequência da onda eletromagnética é “𝜈” e “h𝜈” é a energia do fóton emitido.
O processo inverso da ionização é denominado de recombinação e ocorre quando espécies ionizadas colidem com uma superfície liberando elétrons e estes neutralizam essas espécies, como descrito na equação 4. (ALVES JÚNIOR, 2001)
𝐺+ + 𝑒− → 𝐺 (4)
A última classificação é a dissociação e aqui há a ruptura de uma molécula devido à colisão com os elétrons presentes no plasma. O resultado dessa colisão pode resultar numa possibilidade de espécies ionizadas, excitadas ou até mesmo neutras, depende da quantidade de energia do elétron. Temos essas reações químicas descritas pelas equações 5, 6 e 7.
(ALVES JÚNIOR, 2001)
𝑒− + 𝐺2 → 𝑒−+ 𝐺 + 𝐺 (5) 𝑒−+ 𝐺2 → 𝑒−+ 𝐺∗+ 𝐺 (6) 𝑒−+ 𝐺2 → 2𝑒−+ 𝐺++ 𝐺∗ (7)
2.6.1.1.3 Interações entre o plasma e a superfície
A parte mais importante do sistema é o cátodo e é nele que ocorrem todos os fenômenos térmicos, físicos e químicos do processo de nitretação à plasma, responsáveis por realizar alterações na superfície dos materiais. Na Figura 17 podemos observar alguns desses fenômenos. (HESS, 1989)
Figura 17 - Interações na superfície do cátodo.
Fonte: BARBOSA, 2011.
Observa-se alguns eventos acontecendo na superfície do material, como por exemplo:
partículas difundindo-se e implantando-se no material; nucleação e crescimento, promovendo adsorção, densificação do filme e mudança na sua composição; a própria adsorção que ocasiona novas reações originando novas espécies, modificando a morfologia do filme;
emissão de elétrons secundários que mantém a descarga do gás; danos superficiais criando defeitos, alterando a morfologia do filme; e dissipação de calor que mantém a estabilidade térmica.
Alguns mecanismos merecem um destaque maior, como a emissão de elétrons secundários. Conforme explicado na seção anterior, a descarga é mantida devido ao bombardeamento de partículas energéticas no cátodo, produzindo elétrons secundários que são acelerados em direção ao plasma, devido ao potencial catódico. Estes novos elétrons interagem com as partículas neutras remanescentes no gás, formando novos íons que bombardeiam o cátodo, liberando mais elétrons secundários. A energia elevada desses elétrons possibilita que alterem os processos de dissociação e ionização perto da superfície do sólido. A utilização de diferentes gases e eletrodos podem afetar a produção de elétrons secundários.
Outro mecanismo importante é o “sputtering” que é um processo de desarranjo e ejeção de átomos da superfície de um sólido devido a troca de momento associado com o bombardeamento da superfície por partículas energéticas. Para que esse processo ocorra, é necessário que a partícula incidente possua energia maior ou igual à energia de ligação do átomo na superfície. Esse bombardeamento pode alterar a orientação superficial. Quanto maior for a taxa de sputtering, mais eficiente é o processo. Em termos gerais, o processo
depende das massas relativas dos átomos dos projéteis e do cátodo, da energia das partículas incidentes, da estrutura e orientação cristalográfica do alvo, do material do alvo, do ângulo de incidência das partículas, da morfologia da superfície e da pressão do gás. (HASS & THUN, 1966) (WEHNER & ANDERSON, 1970) (CHAPMAN, 1980)
Do bombardeamento de partículas na superfície, parte da energia destas partículas é transferida em forma de calor. Parte da energia é absorvida para aquecimento do cátodo, mantendo a temperatura de tratamento, enquanto a outra parte é dissipada por radiação, convecção ou condução para as paredes e o meio de reação. (ALVES JÚNIOR, 2001)
As propriedades das camadas depositadas por nitretação à plasma dependem desses mecanismos de deposição e a formação desta está atribuída aos elementos presentes no material. No caso da nitretação, quando o nitrogênio presente no sistema excede uma determinada concentração, tem-se a formação de compostos denominados de “nitretos”. Por exemplo, no caso de um aço nitretado à plasma os nitretos formados normalmente são os Fe3N (𝜀) e Fe4N (γ′). A fase 𝜀 é passível de oxidar-se, possui baixo coeficiente de atrito, excelente resistência à tração, impacto e desgaste. Já a fase γ′ apresenta boa resistência aos desgastes abrasivos e adesivos, possui características antiaderentes, boa tenacidade e ductilidade elevadas. À medida que se eleva a temperatura de tratamento e com maior duração do mesmo, a espessura da camada aumenta. Isso é explicado devido ao número de reações entre a superfície do aço e os íons de nitrogênio, que quanto maior a temperatura, mais reações ocorrem. Entretanto, uma camada mais espessa não implica em maior dureza superficial. Deve-se então encontrar um balanço entre espessura e uniformidade da camada e as propriedades mecânicas desejadas. Exemplificando para este trabalho, o aço AISI 1045 possui microdureza maior à uma temperatura de tratamento de 500 ºC comparando-se com 450 ºC, para uma mesma duração de nitretação. (RIOFANO, 2002) (SHARMA, 2017) (ZAGONEL, 2006)
3. METODOLOGIA
Realizou-se um estudo juntamente da Equipe Cactus Baja (UFERSA) e determinou-se atuação em cima do disco de frenagem dianteiro, pois antes mesmo do término das competições este já se encontrava severamente desgastado e com deformações ao longo da sua estrutura. A matéria prima utilizada no disco de freio é o aço AISI 1045 trefilado, cujas propriedades mecânicas são interessantes para a aplicação em questão, resistindo às solicitações simuladas em software de desenho, além das condições financeiras de confeccionar tais componentes. A Figura 18 ilustra um fluxograma da organização do trabalho por etapas. Os procedimentos implementados são explicados adiante.
Figura 18 - Fluxograma da metodologia.
Fonte: autoria própria.
Etapa I: usinagem de seis discos de freio, Anexo A, e seis amostras com 3 mm de espessura e 2,5 cm de diâmetro no laboratório de Usinagem do curso de Engenharia Mecânica da UFERSA.
Etapa II: preparação para a etapa metalográfica com o embutimento em resina acrílica das seis amostras. Não foi necessário embutir os discos para as próximas etapas.
Etapa III: lixamento dos discos, respeitando as tolerâncias do projeto, e amostras utilizando as lixas de granulometria 220, 400, 600, 800, 1000, 1500 e 2000. O equipamento operado foi a politriz metalográfica modelo PLO2E da Teclago.
Etapa IV: polimento com alumina em suspensão 0,1 micrômetro (µm), objetivando remover as deformações residuais na superfície e melhorar a adesão dos tratamentos de nitretação a que seriam submetidas posteriormente. Empregou-se o mesmo equipamento da etapa anterior.
Etapa V: os discos e amostras foram montados em conjunto nos reatores de nitretação à plasma e submetidos ao vácuo, até atingir em torno de 0,06 mBar, para evitar oxidação.
Introduziu-se no reator uma mistura de nitrogênio (80%) e hidrogênio (20%). Ao aplicar a diferença de potencial, gerou-se o plasma. Dos seis discos, quatro foram submetidos às nitretações à plasma, enquanto os outros dois foram utilizados como controle nos ensaios futuros. O Quadro I ilustra os parâmetros das quatro nitretações à plasma.
Quadro 1 - Parâmetros dos tratamentos de nitretação I, II, III e IV.
Tratamento I II III IV
Temperatura 450 ºC 450 ºC 500 ºC 400 ºC Duração 3 horas 4 horas 4 horas 4 horas
Fonte: autoria própria.
Os tratamentos I, II e III foram conduzidos na Universidade Federal do Piauí (UFPI) à pressão de 0,8 mBar, em corrente contínua. Enquanto o tratamento IV foi executado na UFERSA à pressão de 2,0 mBar, em corrente contínua pulsada (50 ms desligada e 150 ms ligada), modelo Pulsa 6 da Plasma Liits. Como as amostras foram tratadas simultaneamente sob as mesmas condições dos discos, estas serviram para analisar e definir os melhores parâmetros de nitretação. Concluindo as nitretações, os componentes foram resfriados em vácuo.
Etapa VI: desmontou-se os componentes do reator e as amostras, tratadas e não tratadas, desembutidas e seccionadas transversalmente. Com a finalidade de examinar as microestruturas e camadas nitretadas, todas as amostras foram submetidas à microscopia
eletrônica de varredura (MEV). Para tornar possível a observação, aplicou-se um ataque químico com um reagente Nital a 2% durante 5 segundos. O aparelho manuseado foi o VEJA 3 LMU da Tescan, do Centro de Pesquisa em Ciências Vegetais do Semi-Árido (CPVSA) da UFERSA. O objetivo dessa análise consistia em observar a camada nitretada com maior riqueza de detalhes, averiguando sua uniformidade e medição da sua espessura.
Etapa VII: análise das amostras ao difratômetro de raios-X, modelo XRD-6000 da Shimadzu. Intuito de obtenção dos difratogramas indicativos das composições das camadas formadas.
Etapa VIII: análise de microdureza das amostras tratadas e não tratadas. As medições consistiram em obter a microdureza superficial e a microdureza conforme profundidade das amostras. Tornando possível os comparativos entre a amostra de controle e as nitretadas. A carga aplicada foi de 100 gramas. O microdurômetro automático digital Micro-Vicker da Insize, modelo ISH-TDV2000, foi manuseado para a realização das análises.
Etapa IX: os ensaios de desgaste foram fundamentados nas resoluções brasileira do CONTRAN 777/93 e europeia ECE-R13, que abordam sobre avaliação do sistema de freio de veículos. O procedimento experimental ocorreu em campo, operando o protótipo off-road da equipe Cactus Baja. O ensaio consiste em acelerar o veículo até atingir pelo menos 80% da sua velocidade máxima, 50 km/h no caso em questão, e acionar o freio. Esse procedimento é repetido até percorrer uma distância de 1 km. Adotou-se um ciclo de frenagem consistindo em 2 km com vinte frenagens em cada ciclo. A espessura dos discos de freio foi medida a cada ciclo de frenagem, sempre nos mesmos locais pré-determinados e após os discos esfriarem à temperatura ambiente de 34 ºC, utilizando um micrômetro, modelo externo série 436 da Starret. Concluindo as análises, realizou-se o comparativo dos desempenhos dos discos com e sem tratamento, com o intuito de ratificar, como esperado, a escolha do melhor tratamento de nitretação que cumpra o objetivo da aplicação, com vistas a termos uma alternativa tecnológica que melhore o desempenho do nosso protótipo baja.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 DISCOS DE FREIO NITRETADOS
Os procedimentos de nitretação à plasma foram realizados como descrito na metodologia, tanto no Laboratório de Deposição de Filmes Finos da UFERSA (Figura 19), como no Laboratório de Plasma da UFPI (Figura 20).
Figura 19 - Vista superior da nitretação à plasma no reator da UFERSA
Fonte: autoria própria.
Figura 20 - Vista lateral da nitretação à plasma no reator da UFPI.
Fonte: autoria própria.
A Figura 21 apresenta o aspecto visual do tratamento IV. O mesmo aspecto foi obtido nas demais peças.
Figura 21 - Aspecto visual do disco de freio e amostra após o tratamento de nitretação.
Fonte: autoria própria.
Todos os valores dos parâmetros como tensão, corrente e temperatura durante cada tratamento de nitretação, são apresentados a seguir, para efeito de comparação e subsídio à definição das melhores condições de tratamento.
4.2 PARÂMETROS DA NITRETAÇÃO À PLASMA COM CORRENTE CONTÍNUA
Os gráficos a seguir ilustram os comportamentos dos parâmetros registrados durante os tratamentos de nitretação I (Figura 22), II (Figura 23) e III (Figura 24) com pressão constante à 0,8 mBar e corrente contínua.
Figura 22 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento I.
Fonte: autoria própria.
Figura 23 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento II.
Fonte: autoria própria.
0,54 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 0,7
400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Corrente (A)
Temperatura (ºC) | Tensão (V)
Tempo (h)
Tensão Temperatura Corrente contínua
0,52 0,54 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 0,7
400 450 500 550 600 650 700 750
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Corrente (A)
Temperatura (ºC) | Tensão (V)
Tempo (h)
Tensão Temperatura Corrente contínua
Figura 24 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento III.
Fonte: autoria própria.
As variações nas curvas de corrente justificam-se pelo intuito de buscar manter a estabilidade no sistema, isto é, manter a tensão constante e por sua vez a temperatura constante durante a duração dos tratamentos. Um exemplo de distúrbio que possa provocar instabilidade no sistema é a dilatação térmica. Com a dilatação das paredes e base do reator, pode originar certas folgas, comprometendo a vedação e permitindo a saída de compostos gasosos no sistema. Esses compostos são capazes de afetar o campo elétrico e assim provocar alterações na corrente elétrica. Além disso, uma pressão mais baixa possibilita caminho livre médio maior, proporcionando mais energia às partículas. Dessa forma, necessita-se de menos portadores de carga para manter constante a temperatura do sistema, o que explica o decréscimo na corrente.
4.3 PARÂMETROS DA NITRETAÇÃO À PLASMA COM CORRENTE CONTÍNUA PULSADA
Com o intuito de reduzir ou eliminar os efeitos de borda, executou-se um tratamento de nitretação à plasma utilizando corrente contínua pulsada. O tratamento IV (Figura 25) ocorreu à pressão constante de 2,0 mBar e corrente contínua pulsada com tempo de desligamento de 50 ms e 150 ms ligada.
0,64 0,66 0,68 0,7 0,72 0,74 0,76
450 500 550 600 650 700 750 800
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Corrente (A)
Temperatura (ºC) | Tensão (V)
Tempo (h)
Tensão Temperatura Corrente contínua
Figura 25 - Temperatura, tensão e corrente em função do tempo do tratamento IV.
Fonte: autoria própria.
De maneira oposta aos tratamentos anteriores, a corrente contínua pulsada está constantemente sendo desligada e ligada, isto é, em um momento há a existência de portadores de carga e em outro momento estes se recombinam, tornando-se partículas neutras ou excitadas, pois a corrente foi cessada. Além disso, uma pressão elevada ocasiona em um livre caminho médio menor fazendo com que as partículas possuam menor energia. Dessa forma, faz-se necessário a presença de mais partículas portadoras de carga, justificando a elevação da corrente para manter a temperatura constante.
4.4 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Utilizou-se a microscopia eletrônica de varredura para observar as amostras padrão e tratadas com o intuito de observar as camadas nitretadas e compará-las entre si. Na Figura 26 pode ser observada a amostra padrão.
0,52 0,54 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66
300 400 500 600 700 800 900 1000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Corrente (A)
Temperatura (ºC) | Tensão (V)
Tempo (h)
Tensão Temperatura Corrente contínua pulsada
Figura 26 - Microscopia eletrônica de varredura da amostra padrão.
Fonte: autoria própria.
No caso das amostras nitretadas, podemos observar uma camada se destacando na superfície. Essa camada é o resultado esperado da nitretação à plasma e que irá aprimorar as propriedades do material, explicando o acréscimo nos valores de microdureza mostrados adiante. Na Figura 27 observamos as imagens da microscopia eletrônica de varredura das amostras I e II juntamente com as espessuras das suas camadas. E de maneira análoga, na Figura 28 observamos as das amostras III e IV.
Figura 27 - MEV das amostras I e II.
Fonte: autoria própria.
Figura 28 - MEV das amostras III e IV (UFERSA).
Fonte: autoria própria.
