A Figura 9.11 (a) apresenta a evolução dos coeficientes de atrito durante testes de pino sobre disco. Observa-se em todos os perfis uma transição de regime de acomodação (entre a esfera e a superfície da amostra – “running-in”) para regime estacionário. Embora constante após a o regime de acomodação, presume-se que o regime estacionário final não foi atingido nas amostras nitretadas, porque as trilhas de desgaste não alcançaram o substrato (FOERSTER et al., 2007). Os valores médios de coeficiente de atrito são apresentados na Figura 9.11 (b), onde a amostra de referência apresentou o maior valor de aproximadamente 0,53. Este valor alto pode ser associado com o tipo de desgaste predominantemente adesivo ocorrendo nesta superfície, que ocorre quando se formam junções entre as superfícies e; após o rompimento destas, fragmentos são removidos da superfície e aderidos à contraparte na superfície (seção 5.2), como observado na Figura 9.12. Correspondentemente, as análises EDS (Figura 9.13) realizadas na superfície da amostra de referência identificaram o tungstênio da esfera WC-Co na camada aderida (as regiões mais brilhantes mostradas na imagem de MEV). O conteúdo de oxigênio identificado também foi maior na camada aderida. A trilha da amostra de referência também apresentou regiões escuras, que são provavelmente óxido de ferro formado durante o
deslizamento. A formação e ruptura dos filmes de óxidos produz fragmentos abrasivos que atuam como um terceiro corpo no processo de deslizamento, influenciando o comportamento do atrito e do desgaste. Este fenômeno, juntamente com a produção de partículas de desgaste em forma de flocos no desgaste do adesivo, cujo mecanismo de formação está demonstrado na Figura 5.5, são a causa das oscilações observadas nos perfis de coeficiente de atrito (KATO; ADACHI, 2000; LIU; YAN, 2010). Em resumo, o desgaste da amostra de referência (Figuras 9.12 e 9.13) foi caracterizado por eventos severos de deformação plástica, adesão e oxidação.
Figura 9.11 - (a) Evolução do coeficiente de atrito durante testes de pino sobre disco, com carga normal de 10 N, das superfícies de AISM de referência e nitretadas por PI3; e (b) os valores médios correspondentes medidos no regime estacionário, após o regime inicial de acomodação.
Fonte: a autora.
Nas amostras nitretadas, o coeficiente de atrito mostrado na Figura 9.11 (a) diminuiu com o aumento da temperatura de nitretação, atingindo o valor médio de 0,22 para a amostra SM 400 °C, como mostrado na Figura 9.11(b). Esta redução está relacionada com o endurecimento da superfície (Figura 9.6), bem como com a elevação da espessura da camada nitretada com o aumento da fluência iônica e temperatura de tratamento (ver Tabela 9.1). Como previamente discutido na seção 9.3.1, camadas de dureza superior e espessas (se bem aderidas) fornecem melhores condições para suportar a carga como meio protetivo (HOLMBERG; MATTHEWS, 2001). O acréscimo da quantidade de nitretos atuou reduzindo o desgaste e a deformação plástica entre as superfícies em contato, resultando em menores valores de coeficiente de atrito. A presença de nitretos também aumentou a capacidade da superfície em resistir à abrasão, como observado na literatura (LIU; YAN, 2010).
Figura 9.12 - Imagens MEV de elétrons secundários de trilhas típicas produzidas nas superfícies das amostras de AISM de referência e nitretados por PI3 após testes de pino sobre disco. As linhas horizontais em vermelho delimitam a largura das trilhas de desgaste.
Fonte: a autora.
Nas trilhas de desgaste da Figura 9.12, conforme a fluência e a temperatura de tratamento aumentam, é possível observar uma transição gradual de desgaste adesivo para abrasivo. Este último é evidenciado por uma série de sulcos, produzidos por partículas duras misturadas com fragmentos que interagem com a superfície de menor dureza dos materiais, causando o processo de sulcamento dessas superfícies. A superfície da amostra SM 300 °C apresentou desgaste adesivo, enquanto as amostras SM 350 °C e SM 400 °C revelaram desgaste predominantemente abrasivo. De acordo com análises de EDS (Figura 9.13), os fragmentos aderidos e compactados em amostras nitretadas também apresentaram oxidação do mesmo modo observado na superfície da amostra de referência. Nas imagens de baixa magnificação da Figura 9.12, pode-se observar áreas escuras dentro das trilhas produzidas nas amostras SM 300 °C e SM 350°C, indicando possíveis efeitos oxidativos. Diferentemente, o interior da trilha na superfície da amostra SM 400°C apresentou um tom de cinza bastante uniforme, possivelmente resultado da menor quantidade de fragmentos.
Figura 9.13 – Análises EDS em linha realizadas através das linhas indicadas dentro da trilhas de desgaste da amostras de referência e nitretadas, com a imagem MEV de elétrons secundários correspondente.
Fonte: a autora.
Um procedimento mais eficaz para inferir a resistência ao desgaste das superfícies é medir diretamente o volume de material removido. Da mesma forma, como visto nos testes de nanorisco, as larguras das trilhas obtidas pelos testes de pino sobre disco (Figura 9.12) diminuíram à medida que a temperatura de tratamento aumentava de 300 ºC 350 ºC 400 ºC. As trilhas dos testes de pino sobre disco nas superfícies nitretadas não alcançaram o substrato, como inferido dos perfis de seção transversal (Figura 9.14 (a)), embora o sistema camada e substrato respondessem às condições severas impostas no teste.
As taxas de desgaste específico, calculadas a partir da equação 5.1, são mostradas na Figura 9.14(b). Observa-se que as taxas de desgaste específico reduziram até duas ordens de magnitude após a nitretação por PI3, melhorando gradativamente com o aumento da fluência iônica e temperatura de tratamento. Resultados similares foram observados em AIMs nitretados por PI3 (MÄNDL; RAUSCHENBACH, 2004; MANOVA et al., 2005, 2006b). Em AISMs nitretados por Nitretação a Plasma em temperaturas entre 400 °C e 500 °C durante 5h também observou-se melhor desempenho em testes de micro desgaste em comparação com o material sem tratamento (FERNANDES et al., 2012).
Figura 9.14 - a) Perfis de seção transversal de trilhas produzidas em testes de pino sobre disco nas superfícies das amostras de AISM de referência e nitretadas por PI3 e (b) as taxas de desgaste específicas correspondentes.
Fonte: a autora.
Em resumo, a superfície de AISM nitretada através de PI3 a 400 °C apresentou o melhor desempenho em ensaios de nanoindentação e tribológicos, o que corrobora com o papel mais favorável dos nitretos de ferro ε e γ’ em detrimento a α'N como meio de proteção tribológica.