VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS

03­04 maio de 2007, 36­43            

Efeito da pressão de contato em ensaios de micro­abrasão de wc­co p20

R.R.F. Zeferino,  R.C. Cozza, R.M. Souza, D.K. Tanaka 

Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo – USP.

E­mail para contato: raony.zeferino@poli.usp.br

ResumoRecentemente,   os   ensaios   de   desgaste   micro­abrasivo   por   esfera   rotativa   vêm   alcançando   uma   grande repercussão em universidades e centros de pesquisa, devido a grande capacidade que oferecem em analisar o comportamento ao desgaste micro­abrasivo de materiais. Na literatura, são encontradas pesquisas conduzidas com força normal constante, fazendo com que, durante o ensaio, a pressão de contato atuante no sistema corpo­de­prova/partículas abrasivas/ esfera, diminua gradativamente. Em ensaio sob força constante (pressão de   contato   não­constante),   havendo   a   atuação   de   desgaste   micro­abrasivo   por   riscamento,   a   gradativa diminuição da pressão de contato faz com que a participação desse modo de desgaste diminua com o tempo. Neste  trabalho,  os  ensaios  foram conduzidos sob pressão de contato constante.  O objetivo do mesmo é analisar a influência da pressão de contato (“constante” e “não­constante”) sob a atuação dos modos de desgaste abrasivo. Os ensaios foram realizados com esferas de aço AISI 52100 e corpos­de­prova de WC­Co P20. A lama abrasiva foi preparada com partículas de carbeto de silício (SiC) preto e água destilada. Os resultados foram analisados com base nos gráficos de AR/AT em função do tempo de ensaio. Para a condição de pressão de contato constante, foi observada uma área AR maior, quando comparado à condição de pressão de contato não­constante. Além disso, para a condição de pressão de contato constante, a completa transição de desgaste abrasivo por riscamento para desgaste abrasivo por rolamento ocorreu em um tempo maior de ensaio, em relação a pressão de contato não­constante.

Palavras­chave:  Ensaio   de   desgaste   micro­abrasivo,   pressão   de   contato,  modos  de  desgaste   abrasivo, desgaste abrasivo por riscamento, desgaste abrasivo por rolamento.

ResumenRecientemente, el ensayo de desgaste abrasivo en escala micrométrica ha alcanzado una gran aceptación en  universidades y centros de investigación, debido a la capacidad que ofrece para analizar el comportamiento abrasivo de un amplio número de materiales. Los trabajos en abrasión bajo escala micrométrica disponibles  en   la   literatura,   muestran   investigaciones   realizadas   con   fuerza   normal   constante,   esto   tiene   como consecuencia que durante el ensayo la presión de contacto que actúa en el sistema probeta/abrasivo/esfera  disminuya gradualmente. En ensayos con fuerza contaste (presión de contacto variable), donde se produce desgaste por rayadura en escala micrométrica, la disminución gradual de la presión de contacto resulta en una reducción con el tiempo de la participación de   ese método de desgaste. En este trabajo, los ensayos  fueron   realizados   utilizando   presión   de   contacto   constante.   El   objetivo   de   este   trabajo   es   analizar   la  influencia de   la  presión de  contacto  (constante  o  variable)  bajo  la  acción de  los  métodos de  desgaste  abrasivo. Los ensayos fueron realizados con esferas de acero AISI 52100 y probetas de WC­Co P20. El lodo  abrasivo fue preparado con partículas de carburo de silicio (SiC) negro y agua destilada. Los resultados fueron analizados utilizando  los  gráficos  AR/AT  en  función del   tiempo de ensayo.  Para  la  condición de  presión de contacto constante,   fue  observada una área AR  mayor que para  la  condición de presión de  contacto variable. Además, para la condición de presión de contacto constante, la transición completa de  desgaste abrasivo por rayadura para desgaste abrasivo por rodamiento, ocurrió  en un tiempo mayor de  

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ensayo en relación a la presión de contacto variable.

Palabras clave:  Ensayo de desgaste abrasivo en escala micrométrica, presión de contacto, Micro­ abrasión, desgaste abrasivo por rayaduram, desgaste abrasivo por rodamiento

1. INTRODUÇÃO

O ensaio de desgaste micro­abrasivo por esfera  rotativa foi  desenvolvido no meio  industrial (Cozza  et  al.,   2006),  para  a  medição das  espessuras  de   filmes   finos.  Devido  ao   seu  potencial científico (Kusano e Hutchings, 2005), o mesmo vem sendo utilizado por universidades e institutos de  pesquisa,  em estudos sobre o desgaste  abrasivo de materiais  metálicos  (Cozza  et  al.,  2005; Cozza, 2006; Trezona  et al., 1999)  e não­metálicos (Batista  et al., 2001; Batista  et al., 2002a, b; Bello e Wood, 2005; Bose e Wood, 2005; Kattamis et al., 1994; Mergler e Huis in ‘t Veld, 2003; Rutherford e Hutchings, 1996).

Esse   tipo  de  ensaio  consiste  no  desgaste  de  um corpo­de­prova gerado por  uma esfera  em movimento de rotação e por partículas abrasivas (Baptista et al., 2000), inseridas entre o corpo­de­prova e a esfera, durante o ensaio. São geradas calotas esféricas, também chamadas de crateras de desgaste e, a análise destas, permite a avaliação do comportamento ao desgaste abrasivo do material em estudo.

Dois  modos  de  desgaste   são  observados  em ensaios  de  desgaste  micro­abrasivo  por   esfera rotativa: desgaste abrasivo por riscamento e desgaste abrasivo por rolamento. O desgaste abrasivo por riscamento resulta quando as partículas abrasivas deslizam na região de contato entre a esfera e o corpo­de­prova, e o desgaste abrasivo por rolamento ocorre quando as partículas abrasivas rolam.

A pressão de contato desenvolvida durante os ensaios pode ser calculada pela Equação 1:

T

N

AF

P =   (1)

onde  AT  =  πd2/4  é a área projetada total da cratera de desgaste;  d  é o diâmetro da cratera de desgaste.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência da pressão de contato (constante e não­constante) sob a transição entre os modos de desgaste abrasivo.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Equipamento de ensaio de desgaste por micro­abrasão

Para   os   ensaios   de   desgaste   micro­abrasivo,   utilizou­se   a   Máquina   de   Ensaio   de   DesgasteMicro­Abrasivo por Esfera Rotativa Fixa ­ Modelo LFS 2005, utilizada nos trabalhos de Cozzaet al. (2005) e Cozza (2006). A Figura 1 mostra o equipamento utilizado.

A força normal (FN) é responsável pelo contato entre a esfera e o corpo­de­prova. Durante os ensaios, um composto abrasivo é inserido de maneira intermitente entre a esfera e o corpo­de­prova. A força tangencial,  FT, também chamada de força de atrito, é gerada por conseqüência do contato entre a esfera, o corpo­de­prova e o composto abrasivo.

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Figura 1. Máquina de Ensaio de Desgaste por Micro­Abrasão ­ Modelo LFS 2005 (Cozza et al., 2005; Cozza, 2006).

2.2. Materiais

Neste trabalho, os corpos­de­prova foram de metal duro (WC­Co) classe ISO P20. Para a análise de sua microestrutura,  exibida na Figura 2 a),  um corpo­de­prova foi  embutido em baquelita  e lixado.  Em  seguida,  o  mesmo  foi   submetido  ao  processo  de  polimento.  O  ataque  químico  da superfície foi realizado com MURAKAMI, composto por 10 gramas de ferrocianeto de potássio (K3Fe(CN)6), 10 gramas de hidróxido de potássio (KOH) e 100 ml de água destilada.

Foram utilizadas esferas de diâmetro 25,4 mm (1”). O material das mesmas foi aço AISI 52100 temperado e revenido e, para a análise de sua microestrutura, exposta na Figura 2 b), o material foi lixado,   obedecendo   a   seguinte   seqüência   de   lixas:   grão   220,   320,   400   e   600.   Em  seguida,   a superfície  foi  polida com pastas diamantadas de diferentes  granulometrias,  na ordem de 6,  3  e0,25 µm. A última etapa foi o ataque químico da superfície com Nital 3 %.

                                                 a)                                                                          b)Figura 2. Microestrutura do (a) WC­Co P20 e do (b) aço AISI 52100 temperado e revenido. Imagens 

obtidas por microscopia óptica (Microscópio óptico OLYMPUS BX60M).

A pasta abrasiva foi preparada com carbeto de silício preto SiC 1000, comercial de grau técnico, da Alcoa (Izhevskyi et al., 2004) e água destilada. A Figura 3 a) mostra uma micrografia eletrônica de   varredura   do   abrasivo   utilizado,   e   a   Figura   3   b),   sua   distribuição   granulométrica.   Essa 

MOTOR TRIFÁSICO

REDUTOR

MESA DE TRANSLAÇÃO +SIST. POSIÇÃO HORIZONTAL +

SIST. POSIÇÃO VERTICAL

EIXO + ESFERA

PORTA AMOSTRA

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distribuição foi obtida a laser, utilizando o equipamento Granulometer 1064 ­ CILAS, de fabricação francesa (Izhevskyi et al., 2004).

                                       a)                                                                              b)Figura 3. (a) Micrografia eletrônica de varredura do pó abrasivo SiC 1000 (Izhevskyi et al., 2004); (b) 

distribuição granulométrica (Izhevskyi et al., 2004).

Para o cálculo da dureza do SiC 1000, uma porção do material foi sinterizada. Dez indentações Vickers foram conduzidas sob uma carga de 50 N e tempo de 15 s (Izhevskyi et al., 2004). Com os mesmos valores de força e tempo adotados por Izhevskyi  et al.  (2004), foram medidas as durezas Vickers do WC­Co P20 e do aço AISI 52100, em um Durômetro Vickers VMT­7, fabricado pela Buehler.  De forma aleatória,  foram realizadas treze  indentações na superfície de cada material. Após os ensaios,  descartou­se o valor de dureza obtido na primeira  indentação. Em seguida,  a dureza do material foi determinada pela média aritmética dos dez valores mais próximos entre si.

A Tabela 1 reúne os valores das durezas dos materiais utilizados (corpos­de­prova, esferas de ensaio e material abrasivo). Originalmente, as unidades de todos os valores de dureza estavam em HV. Posteriormente, os valores foram convertidos para GPa.

Tabela 1. Dureza dos materiais utilizados nos ensaios.Material Dureza [GPa]

Corpo­de­prova WC­Co P20 11,7

Esfera de ensaio Aço AISI 52100 8,4

Partículas abrasivas SiC 18,5 ­ 19

2.3. Procedimento experimental

As Tabelas 2 e 3 apresentam as condições de ensaios definidas para as situações de pressão de contato “constante” e “não­constante”, respectivamente.

Tabela 2: Parâmetros definidos para os ensaios sob pressão de contato não­constante.ENSAIO SOB FORÇA 

CONSTANTE 1 2 3 4 5 6

Força constante (N) 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25Velocidade de rotação da esfera (rpm)

37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6

Distância de deslizamento (m) 8 15 20 25 35 40Tempo de ensaio 2 min 40 s 5 min 6 min 40 s 8 min 20 s 11 min 40 s 13 min 20 sGotejamento da lama abrasiva 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s

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Tabela 3: Parâmetros definidos para os ensaios sob pressão de contato constante.

ENSAIO SOB PRESSÃO CONSTANTE 1 2 3 4 5 6

Pressão fixada (N/mm²) 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73Velocidade de rotação da esfera 

(rpm)37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6

Distância de deslizamento (m) 8 15 20 25 35 40Tempo de ensaio 2 min 40 s 5 min 6 min 40 s 8 min 20 s 11 min 40 s 13 min 20 s

Gotejamento da lama abrasiva 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s

O gotejamento da lama abrasiva foi realizado manualmente, por meio de um conta­gotas. Foi definida uma concentração de lama abrasiva, conforme a Tabela 4. As duas colunas da esquerda mostram as porcentagens, em volume, de SiC e água destilada para a concentração. Na coluna da direita, está a massa de SiC por unidade de volume de água destilada (gSiC/cm3 H2O Destilada).

Tabela 4. Concentração da lama abrasiva.

% SiC(em volume)

% Água Destilada(em volume) 3cm

gSiC

25 75 1,045

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 4 apresenta a definição de AR e AT, onde AR é a área de atuação de desgaste abrasivo por riscamento e AT a área projetada total da cratera de desgaste.

Figura 4. Definição de AR e AT.

Para a condição de contato constante, a Figura 5 ilustra o comportamento da pressão de contato experimental.   No   final   de   cada   ensaio,   a  área   da   cratera   era   calculada,   e   a   força   normal   era reajustada  de  modo a   se  obter  uma pressão 3% superior  à  pressão  fixada.  O valor  de  3% foi determinado experimentalmente, recebendo o nome de “coeficiente de ajuste”, pois a finalidade do mesmo foi ajustar a curva da pressão de contato experimental, de modo que a mesma oscilasse em torno da curva teórica.

Na Figura 6, nota­se que a relação AR/AT, para um mesmo tempo de ensaio, foi maior para a condição de pressão de contato constante. Esse resultado mostra que, para a condição de pressão constante, houve uma atuação maior de desgaste abrasivo por riscamento.

H2O Destilada

AR

AT

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Figura 5. Pressão de contato constante. Curvas teórica e experimental.

Na Figura 6, tem­se o gráfico da relação AR/AT em função do tempo de ensaio.

Figura 6. Gráfico de AR/AT em função do tempo de ensaio.

Conforme o ensaio é conduzido, a área da calota aumenta gradativamente, fazendo com que haja também, um maior quantidade de partículas entre a esfera e o corpo­de­prova. Na condição de pressão   de   contato   não­constante   (força   normal   constante),   com   o   aumento   da   quantidade   de partículas   abrasivas,   a   força  normal   atuando  em cada  uma  delas  é  menor.  Por   outro   lado,   na condição de  pressão de  contato  constante,  mesmo com o  aumento  da  quantidade  de partículas abrasivas, há o aumento da força normal, necessária para manter a pressão constante. Isso faz com que não haja a diminuição da força normal atuando em cada partícula abrasiva.

Futuras pesquisas ainda são necessárias, mas a diferença de valores da relação AR/AT para as condições de pressão constante e não constante, pode estar relacionada a força normal atuante nas partículas abrasivas.

A força normal, constante para pressão não­constante e gradativamente maior para se manter a  pressão  constante,   também influenciou  a   transição entre  os  modos  de  desgaste   abrasivo.  Na condição   de   pressão   de   contato   não­constante,   a   transição   ocorreu   para   um   tempo   menor (aproximadamente 500 s).

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4. CONCLUSÕES

Os resultados obtidos neste trabalho indicam que:O fato da pressão de contato ser “fixa” ou “variável” influência a atuação do desgaste abrasivo 

por riscamento. Na condição de pressão de contato constante, AR foi maior do que na condição de condição de pressão de contato não­constante.

O fato da pressão de contato ser “fixa” ou “variável” influência a transição entre os modos de desgaste abrasivo. Na condição de pressão de contato não­constante, a transição entre os modos de desgaste ocorreu primeiro, aproximadamente para 500 s de ensaio.

O fato da força normal atuante em cada partícula abrasiva ser maior na condição de pressão de contato constante, pôde ter influenciado a atuação do desgaste abrasivo por riscamento e a transição entre os modos de desgaste.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Kusano, Y., Hutchings, I.M. Sources of variability in the free­ball micro­scale abrasion test. Wear, 258, 313­317, 2005.

Baptista, A.M., Ferreira, J., Pinto, N. Ensaios de micro­abrasão por esfera rotativa. 7a.  Jornada  Portuguesa de Tribologia, Porto, Portugal, 29 e 30 de Junho, 2000.

Cozza, R.C. (2006) Estudo do comportamento do coeficiente de desgaste e dos modos de desgaste abrasivo em ensaios de desgaste micro­abrasivo.

Cozza, R.C., Souza, R. M., Tanaka, D. K., 2006, Influência do desgaste da esfera na formação das calotas em ensaios de desgaste micro­abrasivo por esfera rotativa fixa. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica – CONEM 2006, Recife, PE – Brazil.

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Cozza, R. C., 2006, “Estudo do comportamento do coeficiente de desgaste e dos modos de desgaste abrasivo em ensaios de desgaste micro­abrasivo”, Dissertação de Mestrado ­ Escola Politécnica da USP, São Paulo.

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