O ensaio de desgaste microabrasivo por esfera rotativa foi desenvolvido em 1996 por Rutherford e Hutchings. Inicialmente, a finalidade desse ensaio era apenas determinar a espessura de revestimentos. Atualmente, devido ao grande potencial do ensaio, o mesmo é aplicado em diversas pesquisas que envolvem o desgaste abrasivo de materiais metálicos e não metálicos recobertos ou não (KUSANO; HUTCHINGS, 2005; SILVA, 2003; GEE et al., 2003). Na indústria o mesmo é aplicado no controle de qualidade e para avaliar a espessura de revestimentos (SCHIFFMANN, et al., 2005). Não existem normas técnicas que regem este tipo de ensaio e alguns laboratórios europeus estão tentando normalizá-lo (GEE et al., 2005). Outra
denominação para este ensaio é “Calotest” ou “Calowear” (JONES, 2005).
O princípio de funcionamento deste ensaio é o de pressionar uma esfera rotativa de aço, de raio R, contra a superfície de uma amostra na presença de uma suspensão de partículas abrasivas finas, normalmente carbeto de silício (SiC) ou diamante (SCHIFFMANN et al., 2005). As esferas mais utilizadas neste ensaio são fabricadas com aço AISI 52100 (aço para rolamento) com 25,4 mm de diâmetro (TREZONA et al., 1999; BATISTA et al., 2002). A Figura 14 mostra este princípio de funcionamento e uma imagem de uma cratera de desgaste produzida em um revestimento de TiN.
Figura 14 - Esquema ilustrando (a) o princípio de funcionamento do ensaio de desgaste microabrasivo e (b) uma imagem de uma cratera de desgaste produzida
em um revestimento de TiN.
Fonte: Adaptado de GEE et al., 2005.
No ensaio de desgaste microabrasivo, por esfera rotativa, assume-se que a geometria da cratera produzida na amostra reproduz a geometria da esfera utilizada. Sendo assim, torna-se possível a determinação da resistência ao desgaste abrasivo de diferentes materiais. As dimensões da cratera podem ser obtidas através de microscopia óptica ou perfilometria (GANT; GEE, 2011).
As vantagens oferecidas por este método são a pequena área de teste requerida e a possibilidade, em materiais recobertos, de determinação dos coeficientes de desgaste do recobrimento e do substrato simultaneamente (RUTHERFORD; HUTCHINGS, 1996; RUTHERFORD; HUTCHINGS, 1997; BATISTA et al., 2002; KUSANO et al., 2004).
O aparato experimental pode apresentar duas configurações básicas distintas: (a) equipamento com esfera fixa; e (b) equipamento com esfera livre. No primeiro caso a esfera se apoia em um eixo e a força aplicada é essencialmente o peso da esfera. No segundo, a esfera é presa entre dois eixos rotativos coaxiais e a amostra é forçada contra a esfera por uma alavanca. A Figura 15 apresenta um esquema dessas duas configurações.
Figura 15 - Esquema ilustrando as duas configurações possíveis do aparato experimental.
Fonte: GEE et al., 2005.
Em se tratando de materiais não recobertos (homogêneos), o volume de desgaste (V) pode ser relacionado com a distância de deslizamento (S) e a força normal de contato (N) através de um modelo simples para desgaste abrasivo (RABINOWICZ et al., 1961) que é equivalente à equação de Archard para desgaste por deslizamento:
(1)
Nesta equação, K é o coeficiente de desgaste com unidades de medida m³(Nm)-1; a resistência ao desgaste abrasivo é definida como K-1 com unidades de medida (Nm)m-3. A utilidade de K como uma medida da resposta de um material ao desgaste abrasivo é limitada às situações onde o volume de desgaste é diretamente proporcional à força aplicada e à distância de deslizamento.
A distância de deslizamento, S, apresenta papel fundamental na obtenção do regime permanente de desgaste, onde se verifica um coeficiente de desgaste, K, aproximadamente constante ao longo do tempo. A Figura 16 ilustra duas situações onde o regime permanente de desgaste foi obtido.
Figura 16 - Figura exibindo a evolução do coeficiente de desgaste ao longo do tempo até atingir o regime permanente em (a) 25 minutos e (b) 40 minutos.
Fonte: COZZA, 2006.
Além da obtenção de um coeficiente de desgaste aproximadamente constante ao longo do tempo, a cratera de desgaste apresenta uma formação completa e sem borda difusa. Para distâncias de deslizamento muito pequenas (abaixo de 6 m) essa formação completa dificilmente ocorre (COZZA et al., 2005; COZZA, 2006). A Figura 17 apresenta uma imagem de cratera de desgaste com borda difusa em que
o regime permanente de desgaste não foi obtido. Nota-se que, mesmo que o regime permanente de desgaste não tenha sido atingido, e que a borda da cratera esteja difusa, o contorno desta apresenta uma tendência circular, caracterizando uma formação completa.
Figura 17 - Cratera de desgaste com borda difusa em que o regime permanente de desgaste não foi obtido.
Fonte: TREZONA; HUTCHINGS, 1999.
Trezona e Hutchings (1999), em seu estudo sobre o ensaio de desgaste microabrasivo a três corpos para materiais moles, verificaram a evolução da formação da cratera de desgaste com o aumento da distância de deslizamento. O corpo de prova utilizado foi de alumínio puro, a esfera era de aço AISI 52100, a força aplicada variou de 0,05 até 2 N e, como material abrasivo, utilizou-se SiC com tamanho médio de partícula de 4,25 µm. Em todos os testes foi utilizada uma velocidade de deslizamento de 0,05 m/s e distâncias de deslizamento que variaram de 4 a 28 m. A Figura 18 apresenta a evolução dessa cratera de desgaste com o aumento da distância de deslizamento.
Figura 18 - Evolução da formação de uma cratera de desgaste com o aumento da distância de deslizamento.
Fonte: Adaptado de TREZONA; HUTCHINGS, 1999.
Para uma cratera de desgaste com geometria esférica, feita em uma superfície inicialmente plana, o volume de desgaste pode ser calculado a partir do diâmetro da cratera na superfície, b, ou a partir da profundidade de desgaste, h, de acordo com as Equações 2 e 3 (TREZONA et al., 1999):
(2) (3) A Figura 19 mostra um esquema da impressão de desgaste com as dimensões b e h.
Figura 19 - Esquema ilustrando a impressão de desgaste com as dimensões b e h.
Fonte: Adaptado de HECK, 2010.
Segundo Rutherford e Hutchings (1997), este método pode ser estendido para materiais recobertos, podendo os coeficientes de desgaste do substrato e do recobrimento ser calculados a partir de um único teste. Neste caso podem ser aplicados testes perfurantes ou não perfurantes, sendo que, no primeiro, o processo de desgaste é realizado até que o substrato seja exposto, possibilitando a determinação do coeficiente de desgaste do recobrimento e do substrato. Já para os testes não perfurantes a cratera de desgaste não ultrapassa o limite de espessura do filme, permitindo a avaliação da resistência ao desgaste do recobrimento sem a interferência do substrato (SCHIFFMAN et al., 2005).
Com relação aos testes perfurantes, Rutherford e Hutchings (1996 e 1997) desenvolveram a Equação 4:
(4) onde e são os volumes de desgaste do recobrimento e do substrato, e e , os coeficientes de desgaste, respectivamente. Para determinação de e , qualquer um dos quatro parâmetros a seguir podem ser utilizados: diâmetro interno da cratera (a), diâmetro externo da cratera (b), espessura do filme (t) ou profundidade de desgaste (h). A
Figura 20 apresenta, de maneira esquemática, além destes quatro parâmetros, as diferenças entre o ensaio de desgaste abrasivo em materiais não recobertos e recobertos.
Figura 20 - Dimensões das crateras de desgaste para ensaio de desgaste microabrasivo em (a) materiais não recobertos e em (b) materiais recobertos.
Fonte: KUSANO et al., 2004.
Segundo Kusano e colaboradores (2004), para testes perfurantes, os melhores parâmetros a serem utilizados para determinação de e são o diâmetro interno da cratera, a, e a espessura do filme, t. Aplicando estes parâmetros, os volumes de desgaste do substrato e do recobrimento são calculados, respectivamente, através das Equações 5 e 6 (KUSANO et al., 2004) (5)
(6) Bose e Wood (2005) afirmaram que, para se avaliar a resistência ao desgaste microabrasivo de um material, a ocorrência de um único mecanismo de abrasão torna-se necessária. Porém, a superfície de desgaste pode apresentar uma característica mista, com abrasão a dois e a três corpos (BOSE; WOOD, 2005; TREZONA et al., 1999; ADACHI; HUTCHINGS, 2003). A Figura 21 apresenta três imagens de microscopia óptica, onde é possível identificar situações onde ocorre abrasão a dois corpos, a três corpos e mista.
Figura 21 - Microscopias ópticas de três superfícies que sofreram desgaste abrasivo (a) a dois corpos (riscamento), (b) a três corpos (rolamento) e (c)
mista.
Fonte: Adaptado de ADACHI; HUTCHINGS, 2003.
Ainda segundo Adachi e Hutchings (2003), o material da esfera e da amostra podem influenciar no modo de desgaste observado e o aumento da carga e diminuição da concentração de abrasivo pode alterar o modo de desgaste abrasivo de três corpos para dois corpos. Caso a esfera seja mole, o desgaste por riscamento pode ser observado, pois uma maior quantidade de partículas abrasivas pode aderir à superfície (GEE et al., 2003).
Outro fator importante a ser considerado no processo de desgaste é a forma dos abrasivos, pois partículas pontiagudas podem provocar taxas de desgaste muito superiores quando comparadas a partículas arredondadas (HUTCHINGS, 1992). A Figura 22 apresenta a imagem das duas formas de abrasivo citadas.
Figura 22 - Partículas abrasivas de SiC (a) pontiagudas e (b) arredondadas.
A resistência ao desgaste microabrasivo não é uma propriedade do material. Ela é fortemente influenciada pelos parâmetros utilizados nos ensaios e por características dos materiais ensaiados, tais como dureza, tenacidade à fratura, porosidade e tamanho de grão (DOGAN; HAWK, 2001).
Trezona e colaboradores (1999) estudaram o efeito dos parâmetros do ensaio de desgaste microabrasivo sobre os mecanismos de desgaste abrasivo em aço ferramenta temperado e revenido. Neste estudo verificou-se que o mecanismo de desgaste predominante depende da concentração da lama abrasiva utilizada, da força normal aplicada, da dureza do material ensaiado e de fatores relacionados à natureza, tamanho e formato das partículas abrasivas (TREZONA et al., 1999). A Figura 23 apresenta a relação dos três tipos de abrasivos utilizados, carga e fração volumétrica de abrasivo com os mecanismos de desgaste verificados.
Verifica-se que o mecanismo de desgaste abrasivo a três corpos (rolamento) é predominante quando se utiliza altas concentrações de SiC e cargas baixas. Para o mecanismo de desgaste abrasivo a dois corpos (riscamento), baixas concentrações de SiC devem ser utilizadas e/ou cargas elevadas. Segundo Trezona e colaboradores (1999), aumentando- se a carga e a concentração de SiC, o mecanismo de rolamento ainda prevalece.
Figura 23 - Mapa dos mecanismos de desgaste verificados em ensaio de desgaste microabrasivo em aço ferramenta temperado e revenido quando em
uso (a) F1200 SiC, (b) Diamante e (c) F1200 Al2O3.
A Figura 24 mostra duas superfícies de desgaste produzidas em aço ferramenta temperado e revenido através de ensaio de desgaste microabrasivo. Para a primeira superfície (a) foi utilizada uma fração volumétrica de SiC de 0,237 (1,0 g/cm³) e uma carga normal de 0,25 N. Na segunda superfície (b) foi utilizada uma fração volumétrica de diamante na lama abrasiva de 0,0009 (0,003 g/cm³) e carga de ensaio de 0,25 N.
Figura 24 - Microscopia eletrônica de varredura mostrando as superfícies de um aço ferramenta temperado e revenido produzidas por ensaio de desgaste
microabrasivo a (a) dois e (b) três corpos.
Fonte: TREZONA et al., 1999.
Batista e colaboradores (2002) realizaram ensaios de desgaste microabrasivo do tipo esfera fixa (TE 66 SLIM) em aço AISI H13 temperado e revenido a 55 HRC. Foram produzidas seis crateras de desgaste que corresponderam a seis diferentes quantidades de
revoluções: 100, 200, 300, 500, 700 e 1000. A distância de deslizamento variou de 7,85 m (100 revoluções) a 78,5 m (1000 revoluções). Utilizaram uma esfera de aço AISI E52100 com 25 mm de diâmetro e a lama abrasiva composta por SiC e água destilada (proporção de 35,44 g por 100 ml de água destilada). O tamanho médio das partículas de SiC era 4 – 5 µm. A força normal aplicada e a velocidade de rotação da esfera foram de 0,25 N e 80 rpm, respectivamente. Como resultado de coeficiente de desgaste, K, para o aço AISI H13 temperado e revenido, obteve-se 0,94 ± 0,04 [x10-12 m²N-1] (BATISTA et al., 2002). A Figura 25 apresenta a micrografia de uma cratera de desgaste após 1000 revoluções (78,5 m) produzida no aço AISI H13 temperado e revenido.
Figura 25 - Micrografia da cratera de desgaste após 78,5 m de distância de deslizamento produzida no aço AISI H13 temperado e revenido.
Fonte: BATISTA et al., 2002.
Melado (2011) realizou ensaio de desgaste microabrasivo em aço AISI H13 nitretado e temperado com duplo revenimento. Para esta segunda condição, o regime permanente de desgaste foi obtido a partir de 260 metros de deslizamento, onde se verificou um coeficiente de desgaste microabrasivo médio de aproximadamente 0,93.10-12 m²N-1. Os ensaios foram realizados em um equipamento de microabrasão do tipo esfera livre. A esfera utilizada era de aço AISI 52100 com um diâmetro de 25,4 mm. A rotação do eixo do motor foi fixada em 150 rpm e uma carga de aproximadamente 0,27 N. Como abrasivo foi utilizada uma
lama de SiC com granulometria das partículas de, aproximadamente 5 µm e de concentração de 0,75 g/cm³ (75 g de SiC em 100 ml de água destilada). Essa lama foi gotejada entre a esfera e a amostra a cada 3 segundos. As crateras de desgaste foram produzidas em intervalos interrompidos de 45, 50, 55 e 60 minutos. Com relação aos mecanismos e desgaste, nas amostras nitretadas prevaleceu o mecanismo de rolamento (três corpos). A Figura 26 mostra a relação entre o coeficiente de desgaste microabrasivo e a distância de deslizamento.
Figura 26 - Coeficiente de desgaste microabrasivo em função da distância de deslizamento para o aço AISI H13 temperado e revenido.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Nesse capítulo são apresentados os materiais utilizados nos processos, equipamentos e parâmetros do tratamento termoquímico de boretação sólida, tratamento térmico de têmpera com duplo revenimento e ensaio de desgaste microabrasivo. O trabalho experimental foi realizado nos laboratórios do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) do Centro de Ciências Tecnológicas (CCT) da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC).