JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
06-49
INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE UMA LIGA TENAZ NA RESISTÊNCIA AO
DESGASTE ABRASIVO DE CONJUGADOS PROCESSADOS POR ASPERSÃO
TÉRMICA A BASE DE WC-CO
Cristina Godoya, Marília M. Lima a, J.C.A. Batistaa
Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais
Rua Espírito Santo, 35 Belo Horizonte/Minas Gerais, Brasil – CEP: 30160 030; [email protected]
a
Os modelos para desgaste abrasivo por deformação plástica prevêem que o volume de material removido por
abrasão varia inversamente com a dureza do material, H. Por outro lado se o desgaste for causado por fratura
frágil, uma correlação inversa entre taxa de desgaste e a tenacidade elevada a uma potência é esperada ocorrer.
Neste trabalho o influência da razão H/E no desempenho ao desgaste é discutida para recobrimentos aspergidos
termicamente. Diferentes conjugados foram produzidos tendo como substrato um aço ABNT 1020: um primeiro
conjugado a base de WC12Co e um segundo conjugado a base de 50%(WC12Co) 50%(NiCr) em duas
condições: “como depositado” e “como fundido”, i.e., sujeito a uma fusão após a deposição. Foi produzido
também um conjugado duplex com uma camada WC12Co no topo e uma camada intermediária de NiCrAl. O
desgaste abrasivo foi realizado por escorregamento de um pino recoberto sobre lixas de papéis de alumina. Dois
diferentes modos de desgaste foram realizados através de mudança do valor da carga e do tamanho da partícula
abrasiva. No primeiro modo, desgaste brando, uma carga normal igual a 11,7N e uma lixa abrasiva de alumina
com tamanho de partícula igual a 45 mícron foram empregados. No segundo modo, desgaste severo, utilizou-se
uma carga normal igual a 24,9N e uma lixa abrasiva de alumina com tamanho de partícula igual a 430 mícron.
No desgaste brando uma correlação inversa foi encontrada entre H/E e a taxa de desgaste. Uma alta dureza e um
baixo módulo de elasticidade (medido pelo método de indentação Knoop) associados ao recobrimento WC12Co,
garantiu uma razão H/E alta e assim uma maior resistência ao desgaste abrasivo por deformação plástica que os
conjugados com recobrimento a base de 50%(WC12Co) 50%(NiCr). No modo de desgaste severo, o
recobrimento 50%(WC12Co) 50%(NiCr), fundido após a deposição, apresentou a menor taxa de desgaste. A
adição da liga NiCr em WCCo diminuiu a dureza e aumentou o módulo de elasticidade. Mas a sua tenacidade á
fratura, medida pelo teste de indentação Vickers, foi mais alta que a do recobrimento no estado “como
depositado” e que a do recobrimento WC12Co, garantindo uma maior resistência ao desgaste abrasivo. A melhor
resistência ao desgaste pelo conjugado duplex em relação ao monocamada WC12Co, em ambos modos de
desgaste, pode ser atribuída atribuído à adição da liga NiCrAl, como camada intermediária. Uma redução no
módulo de elasticidade e um aumento na tenacidade do conjugado duplex garantiu a sua melhor resposta ao
desgaste abrasivo.
Palavras Chaves: desgaste abrasivo, recobrimentos por aspersão térmica, tenacidade à fratura por indentação,
razão dureza/módulo de elasticidade.
1. INTRODUÇÃO
Recobrimentos de WCCo são freqüentemente usados
em aplicações envolvendo desgaste abrasivo.
Ressalta-se no entanto que a maioria das aplicações
para utilização de metal duro, na realidade, envolvem
ambientes intrinsecamente corrosivos [1]. Ou seja, em
geral conjugados aspergidos termicamente com
WCCo têm sido utilizados em meios que são
agressivos mecanicamente e quimicamente ao mesmo
tempo.
Considerando aplicações envolvendo solicitações
químicas e mecânicas simultaneamente, Godoy et al.
[2-4] desenvolveram conjugados com uma arquitetura
estrutural capaz de responder adequadamente á
corrosão e ao desgaste abrasivo ao mesmo tempo.
Objetivando associar a alta resistência à corrosão de
uma liga à base de NiCr [5] com a elevada resistência
ao desgaste de WCCo [6] construiu-se recobrimentos
a partir de um pó constituído de uma mistura desses
componentes. Entretanto o controle da estrutura do
recobrimento produzido com essa mistura é
fundamental desde que, dependendo da mesma, podese haver formação de pilhas galvânicas entre a liga de
WCCo e a de NiCr. Recobrimentos produzidos por
aspersão a plasma (APS) a partir da mistura de pós a
base de WCCo e de uma liga NiCr, em estudos
anteriores [7], apresentaram uma microestrutura
formada de lamelas de WCCo e de NiCr, sem ter
havido uma verdadeira mistura dos pós. A baixa
velocidade das partículas neste processo de deposição
levou a esta microestrutura heterogênea. Utilizando-se
do processo de aspersão à combustão hipersônica
(HVOF), Godoy et al. [2-4] estudaram recobrimentos
a partir do pó pré ligado 50%(WC12Co)50%(NiCr),
na condição de “como depositado” e “fundido após
deposição”. Uma microestrutura mais homogênea foi
obtida. No entanto, embora esta liga apresentou um
ganho na resistência à corrosão relativa ao conjugado
monocamada, uma redução relativa na dureza
superficial foi produzida.
Esta diminuição da dureza do recobrimento WCCo, ao
se tentar misturar o mesmo a ligas anticorrosivas,
levou ao desenvolvimento de um conjugado duplex,
construído a partir de uma camada de topo de WCCo e
uma camada intermediária de NiCrAl, liga esta com
propriedades de resistência à corrosão. Nesse sistema,
a solicitação de desgaste na superfície do componente
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se fará principalmente na superfície do recobrimento
de WCCo e a camada intermediária teria o papel de
impedir que meios corrosivos penetrem até a
superfície do substrato, resultando em maior tempo de
vida.
Este trabalho buscou verificar a influência da mudança
na arquitetura estrutural dos conjugados WCCo, com a
introdução de ligas anticorrosivas, na resistência ao
desgaste abrasivo. Sabe-se que dois principais
mecanismos podem atuar na remoção de material da
superfície por abrasão: o de deformação plástica
levando a corte e o de fratura frágil [8]. No caso de
desgaste por deformação plástica a equação de
Archard descreve a taxa de desgaste, ou seja:
Q =
KW
H
desgastado dividido pela energia mecânica associada
ao contato (V/s.W). Na equação (1), k é igual a Q/W e
para uma dada severidade do processo (K) depende
inversamente da dureza. Na equação (2), k é
proporcional a W1/4 e é inversamente proporcional ao
produto Kc3 / 4 H1 2 .
Isto significa que aumentar a dureza de um material
pode, em certas condições de severidade, aumentar a
taxa de desgaste, desde que em geral, quando maior a
dureza de um material menor a tenacidade. A
introdução de ligas metálicas, do tipo NiCr e/ou
NiCrAl em metal duro, diminui a dureza por um lado
mas pode aumentar a tenacidade e, desta forma
ampliar as condições de uso de recobrimentos
aspergidos termicamente a base de WCCo.
(1)
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
onde Q é igual o volume total de material removido
por distância de escorregamento (s), W é a carga
normal total aplicada; K é uma constante adimensional
associada à severidade do desgaste e H é a dureza.
Esta equação prediz uma relação inversa de Q,
quantidade de material removido com a dureza, ou
seja o desgaste é dependente da resistência do material
à deformação plástica localizada.
Além disso, a severidade de desgaste é associada a um
parâmetro definido como θc, ângulo efetivo de ataque
das partículas abrasivas e é função das propriedades
elásticas do material. Um valor alto de θc significa
uma penetração maior da partícula abrasiva levando
ao corte de material, produzindo desgaste. Uma razão
alta do módulo de elasticidade com a dureza, E/H,
leva a um alto valor de θc. Se um material apresentar
alta dureza e baixo módulo de elasticidade, ou seja
baixo E/H, condições de maior severidade serão
necessárias para levar o mesmo ao desgaste por
deformação plástica .
O segundo mecanismo atuante em desgaste abrasivo é
de fratura frágil onde a remoção de material se dá por
propagação de trincas. A equação predita neste caso
pode ser escrita como:
W 5 4 d1 2
.................................(2)
34
A1 4 Kc H 1 2
onde: α5 é uma constante, W é a carga total aplicada,
d, é a dimensão linear das partículas, A é a área
aparente de contato, Kc é a tenacidade à fratura e H a
dureza. Este modelo prediz que a dependência de Q,
material removido por unidade de distância percorrida
com a tenacidade é maior que com a dureza. Além
disso prevê uma relação não linear com carga e que
para uma dada carga e uma dada área de contato; a
taxa de desgaste aumenta com a raiz quadrada do
tamanho da partícula. Em desgaste por fratura frágil as
taxas de desgaste são muito superiores que as taxas de
desgaste em processos de desgaste por deformação
plástica [8].
Para efeito de comparação entre materiais, um
coeficiente de desgaste, k, expresso nas dimensões de
10-6 mm3 /Nm, é definido e representa o volume
Q = α
5
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Quatro conjugados foram produzidos, a saber:
(i) WC12Co, depositado por aspersão à combustão
hipersônica (HVOF);
(ii) 50%(WC12Co)50%(NiCr),
depositado
por
aspersão à combustão hipersônica (HVOF). Dois
conjuntos de conjugados foram produzidos a
partir deste pó: um primeiro grupo “como
depositado” e um segundo grupo que sofreu fusão
após deposição.
(iii) Duplex,
constituído
de
uma
camada
intermediária de NiCrAl, depositado por aspersão
a plasma atmosférico, e uma camada de topo de
WCCo, depositada por HVOF
Os testes de desgaste foram realizados através do
ensaio de pino-sob-disco, sendo o pino uma amostra
revestida de 25,4mm de diâmetro e o disco uma lixa
abrasiva. Duas condições de severidade foram
simuladas. Para a condição de desgaste brando (baixa
severidade) empregou-se um abrasivo de Al2 O3 com
tamanho do grão igual a 45 m e carga normal de
11,7N. Para a condição de desgaste severo (alta
severidade) o abrasivo utilizado foi Al2 O3 com
tamanho de grão igual a 430 m e carga normal de
24,9N. Nessas duas condições, medidas de perda de
massa em função da distância percorrida pela amostra
foram tomadas. Determinou-se a densidade dos
recobrimentos através de método de picnometria a gás
utilizando-se um picnômetro a gás Quanta Chrome,
modelo SPY-3. A partir da avaliação do volume
desgastado (massa removida/densidade) calculou-se o
coeficiente de desgaste k e definiu-se a resistência ao
desgaste (1/k ) de cada um dos conjugados testados.
As durezas dos conjugados foram avaliadas através
da microdureza, aplicando uma indentação Vickers na
seção transversal do recobrimento com carga de 500gf
e tempo de aplicação da carga de 15 segundos.
Determinou-se os módulos de elasticidade dos
recobrimentos através do método de indentação
Knoop que se baseia na recuperação elástica da menor
diagonal dessa indentação [9]. As medidas de módulo
de elasticidade foram tomadas na seção transversal do
recobrimento utilizando cargas de indentação de 300gf
e 500gf com um tempo de aplicação da carga de 15
segundos. A tenacidade à fratura, KIC, foi determinada
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pelo método de indentação Vickers, na seção
transversal do recobrimento, utilizando-se os modelos
desenvolvidos por Nihaara [10,11] para avaliação de
tenacidade à fratura por indentação [4].
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os valores de dureza medidos para os revestimentos
(tabela III) mostram que o recobrimento WCCo
possue a maior dureza entre os conjugados estudados
e é o recobrimento que apresentou o módulo de
elasticidade mais próximo do medido para o substrato
(aço ABNT 1020). Vários autores têm remarcado que
falhas de sistemas com recobrimento duro/substrato
macio, sobre várias situações tribológicas incluindo
processos de desgaste, ocorrem preferencialmente por
arrancamento do recobrimento do substrato, em
função de gradiente de propriedades elásticas existente
entre o recobrimento e o substrato [12]. Desta forma,
deste ponto de vista, o conjugado monocamada WCCo
se mostra mais promissor para aplicações tribológicas.
A adição de uma liga à base de NiCr ao pó de WCCo,
levou à redução da dureza do recobrimento
50%(WC12Co)50%(NiCr).
A
fusão
posterior
promoveu um ligeiro aumento da dureza. A
microestrutura deste conjugado “como depositado” é
constituída de lamelas ricas em WCCo e lamelas ricas
em NiCr, paralelas à interface recobrimento/substrato,
enquanto a microestrutura após a fusão apresenta uma
estrutura mais homogênea, sem presença de lamelas,
com menor porosidade e com interdifusão entre os
constituintes, levando à obtenção de um recobrimento
com propriedades mais homogêneas ao longo de todas
as direções (isotrópico) e mais próximas de WCCo
sinterizado.
Por outro lado, a adição da liga à base de NiCr no
metal duro promoveu um ligeiro aumento no módulo
de elasticidade que cresceu ainda mais com a fusão do
recobrimento de 50%(WC12Co)50%(NiCr). Por outro
lado, esta adição de NiCr à liga de WC12Co forneceu
um acentuado aumento da tenacidade à fratura por
indentação, e a posterior fusão desse recobrimento
aumentou ainda mais essa propriedade.
(a)
(b)
Figura 1: Microestruturas dos Conjugados
50%(WC12Co)50%(NiCr)/ aço ABNT 1020
(a) “Como Depositado” e (b) recobrimento Fundido.
H
(MPa)
1,11±0,02
2,3±0,1
10,1±0,5
E
(MPa)
179±33
94±12
194±39
Aço 1020
NiCrAl
WC12Co
50%(WC12Co)
50%(NiCr)
5,7±0,4
229±46
“Como
Depositado”
50%(WC12Co)
50%(NiCr)
8,0±0,4
378±58
“Fundido”
Tabela III. Propriedades dos conjugados.
KIC
(MPam1/2 )
----1,6±0,9
21±14
8,8±0,1
Os resultados dos ensaios de desgaste mostraram que
na condição simulada de desgaste brando (Figura 1a),
a maior resistência ao desgaste (1/k ) está associada ao
duplex WCCo/NiCrAl seguido do conjugado
monocamada, WC12Co. Ambos possuem uma
camada de topo de WCCo, recobrimento este de maior
dureza. Amaior resistência ao desgaste do conjugado
duplex em relação ao monocamada, nas condições
brandas de desgaste, deveu-se provavelmente à adição
da camada intermediária de NiCrAl na construção do
conjugado duplex, que embora tenha resultado em
uma redução na dureza final do conjugado, diminuiu
mais acentuadamente o módulo de elasticidade
levando ao aumento da razão H/E para o conjugado.
Para todos os conjugados, uma correlação entre a
razão H/E e a resistência ao desgaste foi encontrada,
corroborando ao previsto para desgaste por
deformação plástica. Uma menor dureza e um maior
módulo de elasticidade encontrado para o conjugado
“como fundido” comprometeram a sua resistência ao
desgaste, na condição que o mecanismo de
deformação plástica é predominante. No entanto, na
condição severa de desgaste abrasivo (figura 1a) este
conjugado, com recobrimento fundido após deposição
e com adição de liga apresentou a melhor resposta ao
desgaste. E o conjugado monocamada WCCo
apresentou a pior resposta. Estes resultados são
exatamente o oposto encontrado para os conjugados
solicitados na condição de severidade branda. Nesta
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situação uma correlação da resistência ao desgaste
com a tenacidade à fratura por indentação foi
encontrada, sugerindo que o mecanismo de desgaste
predominante nessa condição foi por fratura frágil. O
melhor desempenho do conjugado duplex em relação
ao conjugado monocamada de WC12Co pode ser
justificado pela influência da camada intermediária
(NiCrAl) que, sendo de caráter metálico e,
conseqüentemente mais tenaz, levou a um aumento da
tenacidade do conjugado como um todo.
0,06
400
1/k
350
0,05
H/E
300
0,04
250
0,03
200
150
0,02
4. CONCLUSÕES
1- O conjugado duplex WC12Co/NiCrAl/aço
apresentou melhor resposta ao desgaste abrasivo em
relação ao conjugado monocamada WCCo, em
condições de severidade branda e severa.
2A
fusão
do
recobrimento
50%(WC12Co)50%(NiCr) garantiu uma estrutura
homogênea, isotrópica e tenaz. Em condições de alta
severidade em desgaste, este recobrimento apresentou
a maior resistência ao desgaste abrasivo.
3- Foram determinadas uma correlação entre desgaste
abrasivo por deformação plástica e a razão H/E e uma
correlação entre desgaste abrasivo por fratura frágil e
tenacidade à fratura por indentação. Estes resultados
apontam a importância de monitorar propriedades de
elasticidade e de tenacidade, além das propriedades
mecânicas, em conjugados com recobrimentos
aspergidos termicamente.
100
0,01
Agradecimentos
Os autores agradecem a FAPEMIG e ao CNPq pelo
apoio financeiro concedido para o desenvolvimento
deste trabalho.
50
0
0,00
WCCo
(CD)
(F)
Duplex
(a)
12
50
CONDIÇÃO SEVERA
3
45
10
1/k
3
40
Kc
35
8
30
6
25
20
4
15
10
2
5
0
Tenacidade à Fratura (MPa m1/2)
Resistência ao Desgaste, (Nm/mm3 )
0,07
CONDIÇÃO BRANDA
450
Razão H/E
Resistência ao desgaste (Nm/mm3)
500
06-49
0
WCCo
CD
F
Duplex
(b)
Figura 1. Gráficos de resistência ao desgaste abrasivo
(1/k ) em condições (a) branda e (b)severa.
As respostas diferenciadas quanto à resistência ao
desgaste abrasivo em condições brandas e severas,
(figuras 1A e 1B) apresentados pelos conjugados
recobertos com 50%(WC12Co)50%(NiCr) no estado
como depositado e fundido após deposição, confirma
a importância da estrutura do recobrimento, desde que
os mesmos apresentam a mesma composição química.
Além disso, o melhor desempenho do conjugado
duplex WC12Co/NiCrAl/aço em relação ao conjugado
monocamada WC12Co, nas duas condições de
severidade, indica que o desempenho de conjugados
processados por aspersão térmica em desgaste, não
depende apenas das propriedades superficiais dos
mesmos e sim das propriedades dos conjugado como
um todo. A construção de um recobrimento duplex,
apesar de estar associado a um aumento de custo,
mostrou com estes resultados ser uma idéia
promissora.
E finalmente a resposta de um conjugado ao desgaste
depende muito do tipo solicitação mecânica: nem
sempre recobrimentos mais duros são mais resistentes
ao desgaste, a tenacidade pode ser a propriedade mais
fundamental em aplicações onde a severidade é muito
alta.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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In: ASM HANDBOOK, Corrosion, v. 13, 9th Edition,
(1987) 846-858.
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BATISTA, Thin Solid Films, USA, 420-21, 2002, pp.
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MODENESI, Materials Science & Engineering A,
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HANDBOOK of Corrosion, 13, 9th Edition, p. 641657, 1987.
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Coatings Technology, 107, 1998, pp.106-114.
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Spray Technology, n. 4, 8,1999, pp. 531-536.
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Communications of the American Ceramic Society,
65 (10), 1982, pp. C-175-C-176.
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[11] K.NIIHARA, R.MORENO, D.P.H ASSELMAN,
Journal of Materials Science Letters, 1, p. 13-16,
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[12] K. HOLMBERG, A. MATTHEWS, “Coatings
tribology: properties, techniques and applications in
surface engineering”, London: D. Dowson, 1994, p.
442.
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