Efeito da adiçÃo de carbonetos na resistência ao desgaste de revestimentos de ni-Al aplicados por aspersão térmica



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EFEITO DA ADIÇÃO DE CARBONETOS NA RESISTÊNCIA AO DESGASTE DE REVESTIMENTOS DE Ni-Al APLICADOS POR ASPERSÃO TÉRMICA


B. R. Spirandeli1, F. E. Mariani1, L. C. Casteletti1

brunos@sc.usp.br

1Departamento de Engenharia de Materiais, Escola de Engenharia de São Carlos – USP. Av. Trabalhador Sãocarlense, 400, Centro, São Carlos/SP, Brasil

RESUMO
Chapas do aço SAE 1020 foram revestidas com uma liga a base de níquel-alumínio, à qual foram acrescentados isoladamente carbonetos de silício (SiC),de boro (B4C),de titânio (TiC) e de nióbio (NbC) na proporção de 25% em peso, utilizando-se o processo de aspersão a chama (Flame Spray) e material de aspersão na forma de pó, Esses revestimentos foram caracterizados por meio de análises da morfologia da camada utilizando-se microscopia óptica, ensaios de dureza e ensaios de desgaste dos tipos micro-abrasivo e micro-adesivo em máquinas do tipo calotest. A adição de carbonetos produziu durezas e resistência ao desgaste superioresas do revestimento sem adição, sendo que o desempenho dos mesmos apresentou a seguinte sequência decrescente: NbC, SiC, B4C e TiC.
Palavras-chave: Aspersão térmica, adição de carbonetos, resistência ao desgaste
INTRODUÇÃO
A aspersão térmica (A.T.) é um termo geral utilizado para identificar o conjunto de processos onde um material, metálico ou não metálico, é depositado no estado fundido, semifundido ou sólido sobre a superfície do substrato. Dependendo do método de aspersão, este material pode seraplicado sob a forma de pó,varetaou arame. Os principais objetivos desse processo são aumentar a resistência ao desgaste, àcorrosão, funcionarem como barreira térmicae para a reconstituição dimensional (1).

As pesquisas iniciais sobre aspersão térmica ocorreram no início do século XX, sendo a equipe liderada pelo engenheiro suíço Max Ulrich Schoop, de Zurich a responsável pelas primeiras experiências de deposição de camadas de metais sobre uma superfície, sem a utilização de processos adesivos ou imersão.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o processo de aspersão térmica teve uma grande expansão. Com o avanço da tecnologia e a necessidade de produção em massa, a partir da década de 60, o processo passou por melhorias e deu-se início a aspersão de outros tipos de materiais, como polímeros, cerâmicos e compostos (1,2).

As ligas a base de níquel auto-aderentes depositadas por aspersão são extensivamente empregadas em procedimentos de reconstituição dimensional de peças e equipamentos dos mais diversos segmentos industriais, uma vez que essas ligas aderem com facilidade às superfícies, além de permitir a aplicação de revestimentos com grandes espessuras, em comparação com a maioria das ligas disponíveis para A.T. Além disso, são usadas como camadas de ligação na aspersão de diversos outras ligas que não apresentam boas propriedades de adesão, principalmente as ligas cerâmicas de alta resistência ao desgaste. Tal liga é usadaem pás de exaustores, reconstrução de peças em aço, barramento de máquinas, anéis de desgaste e peças ajustadas sob pressão.Estas ligas para A.T. são dúcteis, de baixa dureza e de baixa resistência ao desgaste.O objetivo principal deste trabalho foi melhorar as propriedades de desgaste dos revestimentos formados por uma liga de níquel-alumínio, visando o aumento de sua vida útil, por meio da adição isolada de quatro tipos de carbonetos.
MATERIAIS E MÉTODOS

Material e preparo para aspersão térmica
Usando o processo de aspersão a chama (Flame Spray) e material de metalização na forma de pó, foram revestidas chapas do aço SAE 1020 com as dimensões 100 x 50 x 5 mm. Antes da aspersão estas chapas foram esmerilhadas com o propósito de obter uma superfície livre de óxidos e rugosa.A uma liga à base de níquel com alumínio(Ni-Al) foramadicionados isoladamente teores de SiC, B4C, TiC e NbC, na proporção 25% em peso. Além destas, mais uma chapa foi aspergida sem adição de carbonetos para efeito comparativo. A Tab. 1 apresenta os parâmetros utilizados na aspersão térmica desta liga em particular.A composição química nominal da liga Ni-Al foi fornecida pelo fabricante e está apresentadana Tab. 2.
Tabela1 – Parâmetros utilizados para aspersão térmica

Oxigênio

Acetileno

Ar comprimido

Distância de aspersão

Pré-aquecimento

4 bar

0,7 bar

1 bar

150 mm

70 ºC

Tabela 2 – Composição química nominal da liga Ni-Al



B

Al

Mo

Ni

0,04

5,5

5,13

89,33


Análise da morfologia, porosidade eensaio de dureza
Para as análises da morfologia e porosidade, foi utilizado um microscópio óptico com câmera integrada. Com o auxílio de um programa digital determinou-se a porosidade conforme a norma ASTM E-2109 (3). Utilizou-se o ensaio de dureza Rockwell superficial com carga de 15kgf, sendo realizadas um total de dez medições para obtenção de uma média e desvio padrão.
Ensaio de desgaste
A resistência ao desgaste abrasivo foi avaliada por meio de ensaio de desgaste micro-abrasivo em máquina do tipo esfera livre, utilizando-se uma solução abrasiva de carboneto de silício diluído em água destilada em uma proporção de 0,5g/ml. Para análise do desgaste adesivousou-se o ensaio de desgaste micro-adesivo com esfera presa. Ambos os métodos de desgaste são do tipo calotest.Utilizou-se uma esfera de aço AISI 52100 com diâmetro de 1” para cada série de ensaios. Estas séries foram divididas em 4 tempos (5, 10, 15 e 20 minutos).
RESULTADOS E DISCUSSÃO

Análise da morfologia, porosidade eensaio de dureza
As metalografias mostraram que a adição de carbonetos não alterou significativamente as características microestruturais dos revestimentos, bem como os níveis de porosidade dos mesmos. Na Fig. 1 são ilustrados todos os revestimentos analisados no trabalho ena Tab. 3constam os níveis deporosidade presentes nas ligas, juntamente com a espessura obtida para cada revestimento.

(a)

(b)



(c)

(d)



(e)


Figura 1 – Microestruturas dos revestimentos. (a) Ni-Al + 25% TiC; (b) Ni-Al + 25% B4C; (c) Ni-Al + 25% NbC; (d) Ni-Al + 25% SiC; (e) Ni-Al.Aumento de 100x.
Tabela 3–Análise da porosidade

Ligas

Nível de porosidade (%)

Espessura do revestimento (mm)

Ni-Al

6,97

0,87

Ni-Al + 25% SiC

7,42

0,44

Ni-Al + 25% NbC

7,34

0,61

Ni-Al + 25% TiC

7,51

0,51

Ni-Al + 25% B4C

7,42

0,42


Com base nos resultados obtidos pelo ensaio de dureza Rockwell superficial, Tab. 4, verifica-se que as ligas que receberam a adição de carbonetos apresentaram durezas superiores quando comparadas com a liga sem adição, sendo que a liga com NbC foi a que apresentou a maior dureza, seguida pelas ligas com adição de SiC, B4C e TiC.
Tabela 4 – Ensaio de dureza Rockwell superficial

Ligas

Média (HR15N)

Ni-Al + 25% NbC

58,3 ± 0,95

Ni-Al + 25% B4C

57,6 ± 1,42

Ni-Al + 25% TiC

55,8 ± 1,81

Ni-Al + 25% SiC

55,7 ± 1,74

Ni-Al

48,7 ± 1,61


Ensaio de desgaste
A análise de resultados dos ensaios de desgaste, ilustrada na Fig. 2 em forma de gráficos, mostrou que a resistência ao desgaste, tanto, abrasivo como adesivo,melhorou para todos os tipos de carbonetos adicionados em comparação com o material sem adição.

(a)



(b)


Figura 2 – (a) Gráfico do ensaio de desgaste micro-adesivo; (b) Gráfico do ensaio de desgaste micro-abrasivo.
Ao correlacionar a propriedade de dureza das ligas com os gráficos é possível afirmar que as ligas com maiores durezas foram as que apresentaram as melhores resistências ao desgaste abrasivo e adesivo.A liga de Ni-Al com adição de NbC foi a que obteve maior resistência ao desgaste. Os revestimentos adicionados com SiC, B4C, TiC e a liga sem adição são, respectivamente, os que apresentaram a resistência ao desgaste inferior ao NbC.
CONCLUSÕES
Entre os revestimentos com adição de carbonetos, o que apresentou melhor desempenho à resistência ao desgaste abrasivo e adesivo, comparado a liga de níquel-alumínio (Ni-Al), foi ocarboneto de nióbio (NbC), seguido pelas ligas com adição de carboneto de silício (SiC), boro (B4C) e titânio (TiC).

A adição de NbC, SiC, B4C e TiCna proporção avaliada no trabalho (25%p) aumentou de forma significativa a dureza e as resistências aos desgastes abrasivo e adesivo da liga de níquel-alumínio,o que pode aumentar a vida útil em serviço das peças reconstituídas, além de proporcionar efetiva redução de custos no processo de aspersão.
REFERÊNCIAS


  1. AMERICAN WELDING SOCIETY. Thermal spraying: practice, theory and application. Miami: AWS, 1985.

  2. DAVIS, J. R. Handbook of thermal spray technology. ASN International: 2004.

  3. ASTM. Designation E2109-01(2007) Test Methods for Determining Area Percentage Porosity in Thermal Sprayed Coatings. 2007.

  4. ZUM GAHR, K. H. Microstructure and wear of materials. Elsevier science publishers B. V.: Amsterdam, 1987.

  5. GEE, M.G. et al. Results from an interlaboratory exercise to validatethe micro-scale abrasion test. Wear, San Diego, US, v.259, p. 27-35, 2005.

  6. KUMARI, K. et al.Effect of microstructure on abrasive wear behavior of thermally sprayed WC–10Co–4Cr coatings. Wear, San Diego, US, v.268, n. 11-12, p.1309-1319, 2010.

  7. KAHRAMAN, N. GÜLENÇ, B. Abrasive wear behaviour of powder flame sprayed coatings on steel substrates. Wear, San Diego, US, v.23, n. 8, p. 721-725, 2002.

  8. KAROONBOONYANANA, S.; SALOKHEA, V. M.; NIRANATLUMPONGB, P.Wear resistance of thermally sprayed rotary tiller blades. Wear, San Diego, US, v.263, n. 1-6, p. 604-608.


EFFECT OF THE ADDITION OF CARBIDES WEAR RESISTANCE OF Ni-Al COATINGS DEPOSITED BY THERMAL SPRAY

ABSTRACT
SAE 1020 steel sheets were coated with an alloy based on nickel-aluminum, to which were added separately silicon carbide (SiC), boron (B4C), titanium (TiC) and niobium (NbC) in the ratio of 25 % by weight, using the flame spraying process (Flame Spray) and spray material in powder form. These coatings were characterized by analysis of the morphology of layer using optical microscopy, hardness tests and assays wear types of micro-abrasive and micro-adhesive type machines calotest. The addition of carbides produced hardness and wear resistance superior to the coating without addition, and the performance showed the following descending sequence: NbC, SiC, B4C and TiC.


Key-words:Thermal spray, addition of carbides, wear resistance

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