DESEMPENHO TRIBOLÓGICO DOS INTERMETÁLICOS TiAlN E TiCN E
MICRO-MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO
BRESSAN, J. D.1 ; KOSLOWSKI, L. A. D.2 e SILVA JUNIOR, E. M.3
1, 2
Depto. de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas - CCT
Universidade do Estado de Santa Catarina -UDESC, Joinville/SC, Brasil, 89223-100
Fone (047)473-1111, Fax (047)473-0034 [email protected] , [email protected]
3
Fábrica de Componentes, Bl. 14 , EMBRACO, Rua Rui Barbosa 1020, Cx. P. 91 ,
89.219-901 , Joinville , SC , Brasil. [email protected]
Resumo: O comportamento ao desgaste de aço rápido M2 e metal duro WC revestidos
com filmes de TiAlN and TiCN são investigados e comparados, usando-se o ensaio de
desgaste de pino sobre disco e o MEV para observar a superfície desgastada. O processo de
deposição dos filmes resistentes ao desgaste nos pinos foram feitos em equipamentos
industriais em dois fornecedores distintos. As microdurezas dos filmes foram medidas e o
filme desgastado foi observado num MEV. A carga, a distância de deslizamento e a
velocidade foram mantidas constantes durante o teste de abrasão afim de se controlar essas
variáveis. Foram utilizadas duas cargas normais nos pinos distintas e iguais a 19,50N e
29,50N. Os discos de contra face foram chapas de aço para fins elétrico. O volume perdido
de material e a temperatura na extremidade de contato do pino foram medidos durante o
ensaio. Comparações da resistência ao desgaste do aço rápido e metal duro revestidos
foram feitos, utilizando-se os gráficos de volume de material perdido versus a distância de
deslizamento. Uma breve revisão dos mecanismos principais de desgaste em metais é feita.
As observações no MEV mostraram a presença de partículas duras nos pinos e discos que
provocam a formação de sulcos ou micro usinagem. Mostraram também a presença de
porosidades nos filmes depositados e no substrato de metal duro. O desempenho
tribológico do revestimento de TiAlN foi superior ao TiCN em termos da sua maior
resistência ao desgaste de acordo com os resultados experimentais obtidos.
Palavras chaves : Tribologia, Intermetálicos, TiAlN, TiCN, Ensaio de Desgaste.
Abstract – A comparative study of the abrasive wear behaviour of high speed steel M2
and cemented carbide WC both coated with TiAlN and TiCN were done, using the pin on
disk test and SEM to observe the worn surfaces. The coating processes of wear resistant
film were done in an industrial equipment . The deposited film microhardness were
measured and the worn surface were observed in a SEM. The load, the sliding distance and
velocity were kept constant during the abrasion test in order to control these variable. Two
different normal loads of 19.5N and 29.5N have been used. The contra face disks were
electric steel . The material lost volume and the temperature at the contact pin end have
been measured during the wear test. Comparisons of the wear resistance of the coated M2
and WC were done using a plot lost volume versus sliding distance. The SEM observation
shows the presence of hard particles at pin and disk that causes the formation of scratches
and microcutting, and also the presence of porosities. The wear performance of TiAlN is
superior to the TiCN coating according to the experimental results.
Key - words: Tribology, Intermetalics, TiAlN, TiCN, Wear test.
CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais
36501
INTRODUÇÃO
Os estudos dos fenômenos que ocorrem na interação entre superfícies em movimento
relativo não são recentes e remotam aos séculos XVIII e XIX, sendo já naqueles tempos
investigados por Leonardo da Vinci, Amontons e Coulomb [1].
Inicialmente, eles formularam algumas hipóteses para explicar as forças envolvidas
no deslizamento de superfícies em movimento relativo, de onde surgiram as três leis
básicas clássicas do atrito conhecidas, que são:
-
A força de atrito é proporcional a carga aplicada;
-
A força de atrito é independente da área de contato;
-
O atrito estático é maior que o atrito dinâmico.
Posteriormente, duas abordagens distintas quanto a origem do atrito foram propostas,
uma considerando atrito oriundo da interação entre as rugosidades superficiais e a segunda
linha que levava em consideração as forças envolvidas devido a adesão entre as
rugosidades em contato [2]. Estes fenômenos foram melhor esclarecidos entre 1930 e 1970
pelos estudos realizados por Bowden e Tabor [3] que relacionavam o atrito como a
interação microscópica das rugosidades que existem em qualquer superfície sólida;
interação esta que pode ser do tipo mecânica e adesão química. Estas duas componentes
não podem ser tratadas como independentes, mas facilita a compreensão se forem
consideradas separadamente. Desta forma a força de atrito “F” seria composta de Fa e Fd,
devido a adesão e deformação respectivamente. Para melhor compreender estes fenômenos
foram desenvolvidos modelos teóricos que melhor explicam os principais mecanismos
envolvidos no atrito e desgaste, que são:
- Modelo da adesão;
- Modelo do risco ou sulco ou formação de onda plástica [4];
- Modelo do risco ou da remoção de onda plástica ou da aresta postiça;
- Modelo da formação de microcavaco.
Mesmo com o atual estágio de desenvolvimento das teorias de atrito e desgaste, onde
por meio de modelos matemáticos, pode-se prever com grande aproximação o tipo de
mecanismo de desgaste predominante em determinada situação de contato tribológico, e de
modernas técnicas construtivas, existem perdas consideráveis na indústria metal mecânica
devido a não otimização do projeto de componentes, bem como de contaminantes externos,
partículas duras, encontradas em abundância na natureza e nos equipamentos.
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Para reduzir desgaste por abrasão de materiais onde inevitavelmente teremos contato
de rugosidades e contaminações por partículas externas, devemos elevar a dureza destes
materiais para valores superiores ou próximos da dureza da partícula dura.
Porém para algumas aplicações, materiais com núcleo resistente ao desgaste podem
não ser adequados por razões de custo, peso total, dificuldade de fabricação ou
propriedades mecânicas. Em tais situações pode-se empregar os Métodos de Engenharia de
Superfície para aplicar um revestimento de um material resistente ao desgaste sob um
substrato com menor resistência ao desgaste mas com as propriedades desejadas do núcleo.
Ou ainda modificar a superfície pela mudança de fase ou alteração química do material.
Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre o metal duro e o aço
rápido com revestimentos duros de TiAlN e TiCN aplicados pelo processo PVD. Para isso
utilizou-se o ensaio normalizado do tipo pino sobre disco onde como disco foram
empregadas chapas de aço para fins elétrico de três fabricantes, Aços 1, 2 e 3 utilizadas na
confecção das laminas de rotores e estatores de motores elétricos.
O objetivo foi avaliar a performance dos revestimentos duros aplicados sobre um
material de custo inferior, como o aço rápido VWM2 da Villares. Como conseqüência
destes ensaios pode-se ainda verificar entre os aços das chapas a que melhor se adapta ao
processo de corte levando em consideração as taxas de remoção de material ou desgaste
apresentadas em cada material de base.
METODOLOGIA
Os resultados de desgaste são usualmente obtidos pela realização do ensaio para uma
distância selecionada constante e para um determinado valor de carga normal e velocidade.
A tabela seguinte mostra os parâmetros empregados durante a execução dos ensaios. A
velocidade de deslizamento escolhida foi de modo a ser próxima da velocidade do
processo de corte de chapas de aço elétrico usada na indústria que é de 0,75 m/s.
Tabela 1. Parâmetros empregados na realização dos ensaios e para regulagem do
equipamento de ensaio de desgaste.
Velocidade linear
0,5 m.s
-1
Carga N
Dist. Percorrida
Raio da pista
19,5 – 29,5
2400 m
16 mm
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36503
Os resultados de desgaste podem, em geral, ser relatados na forma de gráficos de
volume desgastado ou material removido pela distância deslizada, utilizando-se diferentes
CPs. Tais gráficos podem apresentar a correlação entre o volume desgastado e a distância
sobre certos trechos da distância total deslizada e relações lineares sobre outros trechos.
A tabela 2 seguinte fornece as diversas combinações de material, revestimentos e
carga aplicada nos ensaios.
Tabela 2. Tipos de materiais e revestimentos ensaiados
com as respectivas cargas
Pinos →
( WC e M2 )
Revest.
TiCN
TiAlN
M2
M2 e WC
1
1
AÇO 2
1
1
AÇO 3
1
1
AÇO 1
1
1
AÇO 2
1
1
AÇO 3
1
1
19,5 N
29,5 N
1º Carga
Material chapa
↓
AÇO 1
2º Carga
Revest.
OBTENÇÃO DOS CORPOS DE PROVA (CPs)
Pinos. Para a obtenção dos pinos foram utilizados dois materiais distintos que são o metal
duro (carbeto de tungstênio - WC) e o aço rápido (Villares VWM2) para uma análise da
influência do material do substrato no processo de desgaste por escorregamento. A
confecção dos pinos em HSS e WC foi realizada utilizando métodos de usinagem, tais
como, torneamento, retífica e eletroerosão, até a obtenção
das dimensões desejadas
conforme desenho na figura 1 abaixo.
Os pinos confeccionados em aço rápido foram submetidos a tratamento térmico
(temperado e revenido) até alcançarem a dureza média de aproximadamente 700 HV.
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Figura 1. Desenho do pino utilizado no ensaio de desgaste.
Após o tratamento térmico os pinos em aço rápido, foram submetidos a um tratamento
de revestimento superficial de uma camada dura utilizando-se o processo de deposição
física de vapor PVD onde a superfície a ser revestida é a área de contato do pino com o
disco, isto é, a calota esférica com raio de 10mm.. As características de deposição, são
apresentadas na tabela 4 seguinte. ( * Valores teóricos fornecidos pela empresa prestadora
dos serviços).
Tabela 3. Características teóricas de deposição dos filmes de TiAlN e TiCN
depositados pelo processo PVD.
Material
Microdureza
Espessura da
Temperatura do
Coef. de atrito a seco
[ HV 0,05 ] *
camada µm *
processo ºC *
contra aço. (µ ) *
TiCN
3000
1–4
≤ 500 °
0,4
TiAlN
3500
1–3
≤ 550 °
0,4
Discos. A contra face, ou disco, é obtido pelo corte da chapa de aço para fins elétricos
como utilizada na indústria com um diâmetro de 62 mm. Na seqüência, o disco é preparado
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e colado sobre uma base confeccionada em aço 1020 com adesivo de resina epoxi e
mantida sob pressão durante a cura para garantir a planicidade do conjunto. Esta base é
necessária para dar estabilidade e suporte à chapa durante a execução dos ensaios. Para a
obtenção dos discos foram usadas chapas de aço de grão não orientado para fins elétricos
de três fornecedores distintos: Aço 1, Aço 2 e Aço 3 . A representação do conjunto disco
de base e chapa está na figura 2.
Chapa
Base
Figura 2- Conjunto mostrando a chapa e a base utilizada no ensaio.
PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Esta etapa segue logo após a obtenção dos corpos de prova que, provenientes da
usinagem (pino) e da estamparia (disco), necessitam de um processamento posterior para
que os resultados obtidos durante os ensaios possam apresentar boa repetetibilidade e
serem confiáveis.
Contra face ou disco - Para garantirmos boa aderência da chapa a ser ensaiada sobre a base
que servirá de suporte, executa-se uma limpeza geral das peças, eliminando-se vestígios de
possíveis oxidação e quaisquer tipo de partículas, de substâncias gordurosas, óleos e
graxas. Para tanto, foram empregadas lixas com granulometria 400 e 600 mesh para
remoção de material sólido (óxidos, partículas soltas) e solvente orgânico (thiner) seguido
de álcool para remoção das gorduras. Após efetuada a limpeza é realizada a colagem do
disco sobre a base. Ressalta-se que o emprego de lixa foi somente na face onde foi
aplicado o adesivo. Empregou-se um adesivo a base de resina epoxi, tomando-se o
cuidado de aplicar apenas um fino filme o mais homogêneo possível para evitar qualquer
irregularidade na superfície da chapa após a sua cura. Uma vez posicionado o disco sobre a
base , o conjunto é posto a curar, sendo que neste caso o conjunto é mantido sob pressão
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para garantir a expulsão de qualquer excesso de adesivo, bem como, bolhas de ar e garantir
boa planicidade da superfície. A Figura 2 representa o disco estampado colado sobre a sua
base suporte.
Os
pinos,
provenientes
do
tratamento
superficial,
foram
adequadamente
desengraxados com solvente antes de serem utilizados no ensaio para se evitar que
impurezas viessem a influenciar nos resultados dos mesmos.
Determinou-se a massa inicial dos corpos de prova, pino e disco, numa balança
analítica com precisão de 0.0001 gramas.
Tomando como base os parâmetros de ensaio da tabela 1 foram ajustados o raio da
pista de deslizamento, a rotação do porta amostras (disco) e o contador do número de
voltas que foi programado para interromper o ensaio a cada 200 m percorridos para um
total de 2400 m , de modo a permitir as tomadas de medidas intermediárias da perda de
massa do pino e do disco. Estas medições eram precedidas sempre de uma completa
limpeza dos corpos de prova, usando-se álcool etílico absoluto 99,5% e um pano. Antes da
pesagem e após a limpeza os pinos foram secados em estufa para evitar que o solvente
empregado na limpeza influenciasse nos resultados, podendo desta forma ser avaliada a
perda de massa real dos CPs.
O ambiente do ensaio foi mantido a uma temperatura variando entre 18 a 22 ºC e
umidade relativa do ar variando entre 54 a 66% para minimizar as prováveis influências
destas variáveis sobre os resultados dos ensaios.
Fez-se um acompanhamento da temperatura atingida próximo da superfície de contato
entre pino e disco através de um termopar de contato tipo K. Foi anotada a maior
temperatura atingida durante a execução do ensaio.
RESULTADOS E COMENTÁRIOS
O comportamento de desgaste do aço rápido M2 e metal duro WC revestidos com
filmes de TiAlN e TiCN foram observados em um MEV. Foram feitas comparações do
desgaste pela distância percorrida, usando-se somente duas cargas normais diferentes no
pino: carga I = 19,5N, carga II = 29,5N. Para uma melhor comparação, os resultados foram
agrupados em diversas combinações de pinos, cargas e material das chapas. Em todos os
casos ocorreu a formação de marcas de pista de deslizamento nos discos já nos primeiros
200 m. As Figuras 3-a,b,c e Figuras 4-a,b,c abaixo representam as micrografias obtidas
num MEV como um comparativo do desgaste do pino de aço rápido HSS com
revestimento de TiAlN ensaiado sobre uma chapa do fabricante Aço 2 em relação a
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distância percorrida de pelo pino sobre a chapa, onde visualizam-se com nitidez o desgaste
do pino a medida que a distância percorrida aumenta de 200m para 2000m. Os corpos de
prova desta figuras foram ensaiados sob uma carga normal de 29,5N.
(a)
(b)
(c)
Figura 3- Micrografias com MEV do desgaste do pino revestido com TiAlN sobre
a chapa AÇO 2, a 200 m (a), 600 m (b), e 2000 m (c). Aumento de 10X.
(a)
(b)
(c)
Figura 4- Micrografias com MEV, aumento de 1000X, do desgaste do pino revestido
com TiAlN sobre a chapa AÇO 2, a 200 m (a), 600 m (b), e 2000m (c).
Na Figura 3 observamos que a área de contato do pino com o disco aumenta com a
distância percorrida devido a formação de sulco ou pista no disco. Isto diminue a pressão
de contato entre pino e disco, consequentemente diminue a taxa de desgaste de ambos. Na
Figura 4 observamos a retirada na camada de revestimento de TiAlN do pino a medida que
ocorre o desgaste. Nos primeiros 200m, Figura 4-a , o revestimento ainda está inteiro,
apesar de observarmos a presença de acúmulo de partículas aderidas sobre o filme,
provavelmente devido a formação de microcavacos provenientes do desgaste do disco de
aço e posterior caldeamento no pino. Entretanto, após 600m já observamos o substrato,
Figura 4-b, e o fenômeno do lasqueamento do filme de TiAlN. Na Figura 4-c a região
afetada pelo desgaste é maior e mostra claramente o filme (escuro) e o substrato mais
claro.
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(a)
(b)
(c)
Figura 5- Micrografias com MEV da pista do desgaste da chapa de AÇO 2, a 200 m (a),
600 m (b) e 1000m (c). Aumento de 50X.
(a)
(b)
(c)
Figura 6- Micrografias com MEV da pista de desgaste da chapa de aço 2, a 200m (a),
600 m (b) e 1000m(c), em MEV com aumento de 1000X.
As Figuras 5-a,b,c e Figuras 6-a,b,c acima representam as micrografias obtidas num
MEV da pista de desgaste do disco do Aço 2 para comparação com o desgaste ocorrido no
pino de aço rápido HSS revestido por TiAlN visto anteriormente nas figuras 3 e 4 acima.
Visualizam-se com nitidez o desgaste da pista da chapa a medida que a distância percorrida
aumenta. Os principais mecanismos de desgaste que se observa é a sulcagem ou
microusinagem ou riscagem e a descamação. Na Figura 6-b observamos, no centro da
fotografia, claramente o acúmulo de pó ou microcavacos do material removido do disco.
Nesta figura observamos também o mecanismo de descamação.
Nos gráficos das Figuras 7 e 8 abaixo apresentam-se o volume perdido dos pinos em
função da distância percorrida, Q (mm3/m), para os dois materiais do substrato,
revestimentos e cargas normais. Observa-se que a taxa de desgaste Q é menor para o pino
de metal duro WC revestido, Figura 7, em relação ao mesmo pino sem revestimento. Em
geral, a taxa de desgaste final é menor devido a menor pressão de contato.
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0,00018
Aço 1 - WC/TiAlN / I
Volume perdido (mm3)
0,00016
Aço 3 - WC/TiAlN / I
0,00014
Aço 2 - WC/TiAlN / I
Steel 1 - WC / I
0,00012
Steel 2 - WC / I
Steel 3 - WC / I
0,0001
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Distancia percorrida (m)
Figura 7- Gráfico da perda de volume dos pinos de WC revestido e sem revestimento
em função da distância percorrida. Carga normal de 19.5N (I).
0,00040
Aco 1 - HSS\TiAlN\ I
Aco 3 - HSS\TialN\ I
Aco 2 - HSS\TiCN\ I
Aco 1 - HSS\TiAlN\ II
Aco 3 - HSS\TiAlN\ II
Aco 2 - HSS\TiCN\ II
Volume perdido (mm 3 )
0,00035
0,00030
Aco 2 - HSS\TiAlN\ I
Aco 1 - HSS\TiCN\ I
Aco 3 - HSS\TiCN\ I
Aco 2 - HSS\TiAlN\ II
Aco 1 - HSS\TiCN\ II
Aco 3 - HSS\TiCN\ II
0,00025
0,00020
0,00015
0,00010
0,00005
0,00000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Distancia percorrida (m)
Figura 8- Gráfico da perda de volume dos pinos de aço rápido HSS revestidos em função
da distância percorrida. Cargas de 19.5N (I) e 29.5 (II).
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Na Figura 8 constatamos que o desgaste ou volume perdido do pino inicia-se em
diferentes valores da distância percorrida. A ruptura do filme de revestimento TiAlN
provavelmente ocorre em torno de 400m para carga de 29.5N e 1400m para carga de
19.5N. Enquanto que a ruptura do filme de TiCN ocorre já no início do deslizamento ou
nos primeiros 200m. A taxa de desgaste Q (mm3/m) do TiCN é bem maior que o
revestimento TiAlN, e portanto, a resistência ao desgaste do TiAlN é superior ao TiCN.
Nesta figura, observamos também que a taxa de desgaste Q aumenta consideravelmente
quando a carga normal no pino aumenta de 19.5N para 29.5N. Portanto, o desgaste
depende da pressão de contato: quanto maior a pressão de contato, maior é o desgaste.
CONCLUSÕES
Resumindo, com base nos resultados obtidos nos experimentos podemos afirmar
que ocorre uma melhora significativa na resistência ao desgaste de um aço rápido ou metal
duro tratado superficialmente com filmes de TiAlN ou TiCN em comparação com o
mesmo material sem tratamento. O revestimento TiAlN mostrou ter resistência ao desgaste
superior ao TiCN.
A taxa de desgaste Q (mm3/m) aumenta com a carga normal.
Os principais mecanismos de desgaste do disco de aço para fins elétrico é a
microusinagem ou riscagem e a descamação.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à EMBRACO de Joinville/SC , à UDESC e ao
CNPq pelo apoio financeiro recebido.
BIBLIOGRAFIA
[1] Bressan, J.D.; Tribologia: Modelamento Matemático e Mapas de Atrito e Desgaste
Abrasivo de Metais. 13o CBECIMAT, Curitiba, dezembro, 1998.
[2] Black, A. J., Kopalinski, E. M. and Oxley, P.B.L., Asperity deformation models for
explaining the mechanism involved in metallic sliding friction and wear - a review.
Proc. Inst. Mech. Engrs., 207, pp 335 – 353, 1993.
[3] Bowden, F.P. and Tabor, D. , Mechanism of metallic friction. Nature, 150, pp, 197 –
199, 1942.
[4] Challen, J.M. and Oxley, P.L.B., An explanation of the different regimes of friction and
wear using asperity deformation models. Wear, V.53, pp 229 - 243, 1979.
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