Ensaios Comparativos de Desgaste em Dispositivo Pino-Disco em Liga Al-Si Fundida na Presença de Diesel e Biodiesel



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Ensaios Comparativos de Desgaste em Dispositivo Pino-Disco em Liga Al-Si Fundida na Presença de Diesel e Biodiesel

J. Verdi, B. B. Stein, R. S. Costa, M. Seferin, S. B. Rahde, C. A. Santos

Avenida Ipiranga n°6681, Prédio 30.

Bairro Partenon – CEP 90619-900 – Porto Alegre – RS.

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS

Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais

e-mail: carlos.santos@pucrs.br


RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo projetar, construir e testar um tribômetro pino-disco para análise de desgaste em materiais secos e submersos, neste caso em diesel e biodiesel. O equipamento de teste foi desenvolvido tendo como referência a norma ASTM G 99 (Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus). A validação do projeto se realizou mediante ensaios de desgaste da liga alumínio-silício AA305 em três condições: a seco, na presença de diesel (B5) e na presença de biodiesel (B100), com rotações de 60 rpm e 220 rpm, e forças de 5 N e 8 N durante períodos de até 150.000 ciclos. As análises dos dados tiveram como finalidade fazer um comparativo do desgaste da liga em estudo, utilizada em motores diesel, em diferentes soluções. Após os ensaios foram analisadas as perdas de massa e volume, a topografia do disco e a microestrutura. As amostras ensaiadas indicaram melhor lubricidade do biodiesel (B100) para as condições de testes adotadas.
Palavras-Chaves: Pino-Disco, Desgaste, Diesel, Biodiesel, Alumínio-Silício.
INTRODUÇÃO
As ligas Al-Si são, entre as ligas de alumínio fundido, as mais importantes devido a uma série de características onde se destacam a sua alta fluidez, elevada resistência à corrosão e boa resistência ao desgaste. Elas são classificadas de acordo com o teor de silício presente na liga, sendo dividida em três: (i) hipoeutéticas, com teor menor que 12% de silício, (ii) eutéticas com teor de 12-13%, e (iii) hipereutéticas que apresentam teor maior que 13%. São ligas altamente difundidas no meio industrial automotivo sendo utilizadas principalmente para a fabricação de pistões e cabeçotes de alto desempenho.

Dentro da perspectiva de uso do material, a resistência ao desgaste tem que ser considerada como fundamental. As formas mais usuais de desgaste são o abrasivo e o erosivo. Tanto no abrasivo quanto no erosivo o desgaste ocorre do contato das partículas com o material sólido que ocasiona o desprendimento de material na presença de uma partícula mais dura que a superfície (Stachowiak, 2001). No caso específico de ligas de alumínio, o desgaste abrasivo ocorre quando partículas duras penetram retirando parte do material. Para proporcionar uma maior resistência ao material se adiciona o silício que é um material de alta dureza que proporciona uma proteção ao alumínio, evitando o desgaste prematuro da peça.

Para avaliar quanto o silício melhora a resistência ao desgaste são utilizados diversos testes de desgaste, onde é possível estudar a degradação acelerada, simulando tempos mais longos (Bai, 1987; Yasmin, 2004; Kori, 2009). Dentre os testes mais utilizados encontra-se o teste de pino-disco, que é usado para observar o desgaste por deslizamento em áreas pequenas.

O presente trabalho teve o objetivo de realizar o estudo do desgaste de uma liga Al-Si (AA305) em ambientes sem lubrificação (a seco) e na presença de diesel e biodiesel, com o objetivo de obter um referencial experimental que permita a comparação e análise de alguns parâmetros de desgaste. A realização dos testes ocorreu com o auxílio de um equipamento tribométrico para testes de desgaste pino-disco construído conforme a norma ASTM G99-04.



MATERIAIS E MÉTODOS




Dispositivo Disco-Pino: o dispositivo disco-pino utilizado no ensaio foi preparado segundo a norma ASTM G99 que se refere ao ensaio de desgaste e suas análises (Fig. 1). O dispositivo consiste basicamente de um motor, que proporciona a rotação ao disco através de um eixo; um pino, que possui de um lado uma esfera de 10 mm de diâmetro (aço temperado com dureza maior de 450 HB - AISI 52100) e do outro lado é colocado a carga para o teste (Verdi, 2011).








Fig. 1. Esquema do dispositivo pino-disco e imagens do sistema completo com micro controlador.

Amostras de Al-Si: para os ensaios foram utilizadas amostras da liga AA305, a qual foi fundida em molde metálico, e a partir dos lingotes obtidos, foram extraídos os discos utilizados nos testes. A Tab. 1 apresenta algumas características da liga como composição química obtida por Espectroscopia de Emissão Óptica (OES) e dureza Brinell na condição solidificada.

Tab. 1. Composição química (% em massa) e dureza da liga AA 305.



Alumínio

Silício

Cobre

Magnésio

Ferro

Manganês

balanço

11,0 – 13,0

< 1,0

0,1

0,8 – 1,2

0,1

Condição:

Bruta de solidificação

Dureza

65 HBW 5/250

Os discos foram preparados conforme o padrão exigido pela norma ASTM G99, com diâmetro igual a 100 mm e espessura de 5 mm (Fig. 2).








Fig. 2. Representação esquemática do molde e da região do lingote para extração dos discos.
Os discos tiveram um acabamento superficial passando por lixas com granulometria de #220, #320, #400, #600, o que proporcionou uma rugosidade superficial de aproximadamente 0,8 µm. Após foi realizada a limpeza utilizando água e detergente, limpeza com álcool etílico e algodão, seguido da secagem com ar quente. Foram realizadas micrografias de amostras retiradas dos lingotes próximas às regiões de onde foram extraídos os discos. Os procedimentos seguiram a norma ASTM E 3.

Principais Parâmetros dos Testes: foram utilizadas rotações de 60 rpm e 220 rpm, para os ensaios a seco e com diesel e biodiesel, respectivamente. Para a condição a seco empregou-se 3290 ciclos, o que corresponde a aproximadamente 1,5 km em um período de 1 hora, e para os ensaios com diesel e biodiesel um número de ciclos de 150.000 em período de 12 horas, correspondendo a aproximadamente 70,6 km. As cargas analisadas foram de 5 N e 8 N. Antes e após os ensaios os discos foram pesados em uma balança analítica Shimadzu, modelo AY22O, com precisão de 0,0001g.




RESULTADOS E Discussão



As micrografias (Fig. 3) mostraram que a estrutura da liga AL-Si é composta por alumínio- com a presença de agulhas de silício, regiões onde existem bacias de silício não dissolvido e precipitados complexos de Al-Si-Cu e Al-Si-Fe, analisados por EDS-MEV.



100x



200x



500x

Fig 3. Micrografias da liga Al-Si na condição bruta de solidificação (sem ataque químico).
Ensaios a seco

Antes da execução do ensaio foi realizada uma pesagem do disco de ensaio utilizando-se da balança analítica, obtendo o valor de 100,6651 g. Após o término do ensaio, pesou-se a amostra novamente obtendo o valor de 100,6621 g, representado uma perda de massa de 0,003 g.

Após a realização dos ensaios, foram analisados os resultados através da variação de volume, e com o auxílio de microscopia óptica, a largura da pista de desgaste, conforme mostrado na Fig. 4.

Fig. 4. Disco após realização do ensaio e detalhe da pista.


Considerando que a peso do pino é igual a 500 g, que a distância do centro até o ponto de apoio da esfera é de 0,0375 m, e que o disco gira a uma velocidade constante de 60 rpm, pode-se calcular o coeficiente de atrito no ensaio. A força centrípeta aponta para o lado oposto da força de atrito e devem ser iguais, portanto:

(1)

(2)

Empregando as Eqs. (1) e (2) foi possível calcular o coeficiente de atrito médio como sendo igual a 0,29.

A perda de volume foi calculada utilizando-se da Eq. 3, admitindo a massa específica da liga de 2,666 g/cm³:

(3)

sendo o valor obtido de 1,12 mm³.

A taxa de desgaste foi determinada de acordo com a Eq. (4):

(4)

O valor obtido considerando que o tempo do ensaio foi igual a 3600s foi de 3,13.10-4 mm³/s. Na análise da pista de desgaste, observou-se uma largura média de pista de 980 m.



Ensaios com diesel e biodiesel

A Tab. 2 apresenta uma compilação de todos os resultados obtidos para as condições: com diesel B5 e biodiesel B100, com forças de 5N e 8N.


Tab. 2. Principais resultados obtidos para os testes com lubrificação.

Disco

B5 x 5 N

B100 x 5 N

B5 x 8 N

B100 x 8 N

Dimensões (mm)

100 x 5 mm

Massa inicial (g)

100,4200

100,9100

100,6100

100,6000

Massa final (g)

100,4000

100,9000

100,5800

100,5800

Variação de massa (g)

0,0200

0,0100

0,0300

0,0200

Rugosidade (m)

0,80

0,25

Largura da pista (mm)

480

440

714

638

Perda de volume (mm3)

7,500

3,750

11,25

7,508

Taxa de desgaste (mm3/s)

1,74.10-4

8,68.10-5

2,60.10-4

1,74.10-4

A Fig. 5a mostra imagens coletadas das amostras ensaiadas em diesel (B5) com carga no pino de 5N, onde pode-se ver a presença de grãos com processo de desgaste característico do Al-Si. A Fig. 5b ilustra o ensaio submerso em B100 com carga de 5N. Comparando a Fig. 5b com a Fig. 5a é possível observar que o desgaste foi menos intenso, nem mesmo os riscos provenientes da lixa foram removidos no ensaio submerso em B100. A medida da largura da pista provocada pelo ensaio de desgaste foi realizada através de ferramenta de medição do microscópio óptico.

A Fig. 6 ilustra os ensaios com carga de 8N. As regiões formadas pelos grãos de silício apresentaram inúmeras fissuras através de toda área, o que concorda com a maior força aplicada durante os ensaios. A Fig 6a, ensaiada com combustível B5 teve severos danos de delaminação e fratura. A Fig. 6b, ensaiada com combustível B100, também apresentou alto índice de grãos com processo de delaminação, entretanto a fratura dos grãos não foi tão presente quanto no ensaio com B5.

ConclusÕES

- O tribômetro para análise de desgaste pino-disco, teve desempenho satisfatório e possibilitou a análise de desgaste de materiais submersos em combustíveis B5 e B100;







B5 x 5N - MEV - 700x

B5 x 5N - MEV - 3300x





B100 x 5N - MEV - 500x

B100 x 5N - MEV - 4000x

Fig. 5. Análises em MEV - 5N.





B5 x 8N - MEV - 800x

B5 x 8N - MEV - 3200x





B100 x 8N - MEV - 400x

B100 x 8N - MEV - 1600x

Fig. 6. Análises em MEV – 8N.
- No estudo comparativo entre B5 e B100 com carga de 5N, evidenciou-se que a menor lubricidade do B5 deu início a fratura de alguns grãos de silício. Com o aumento da carga para 8N, evidenciou-se o aumento de grãos fraturados tanto para B5 quanto para B100.

Referencia Bibliografica


ASTM G99-04, Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus. American Society for Testing and Materials ASM Society: United States, 5 p., 2004.

ASTM Standard E3-01 – Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. American Society for Testing and Materials (2001).

BAI, B.N. Pramila; Biswas, S.K.; Characterization of dry sliding wear of Al-Si alloys. Wear, 120 (1987), pp.61-74.

KORI, S.A.; Chandrashekharaiah, T.M.; Effect of grain refinement and modification on the dry sliding wear behaviour of eutectic Al-Si alloys. Tribology International, 42(2009), pp. 59-65.

STACHOWIAK, Gwidon W.; Batchelor, Andrew W. Engineering Tribology. 2 ed. Butterworth-Heinemann: Boston, 744p., 2001.

VERDI, Josué; Dispositivo pino-disco para análise de desgaste na presença de diesel e biodiesel. Porto Alegre: PUCRS, 95p. Dissertação. Faculdade de Engenharia Mecânica, Pontifícia universidade do Rio Grande do Sul, Brasil, 2011.

YASMIN, Tuti; Halid, Asad A.; Haque, M.M.; Tribological (wear) properties of aluminum-silicon eutectic base alloy under dry sliding condition. Journal of materials processing technology, 153-154 (2004), pp. 833-838.
Comparative testing of wear in the aluminum-silicon alloy in presence of diesel and biodiesel

The main objective of this work was to project and build a device to analyze the wear of the Al-Si alloy. The equipment was developed based on ASTM G99-95a which describes the procedures to perform the tests during the friction between a disc and a pin. They were performed in three conditions: dry, in presence of the B5, and in presence of the B100, with 60 rpm and 220 rpm and forces of 5 N and 8 N during periods until 150,000 cycles. The results have permitted to establish a comparative study between the wear of the Al-Si alloy engines operating with biodiesel. The investigation of the wear surface was done by examination of the images obtained by microscopy.


Key-worlds: Al-Si alloy, biodiesel, diesel, engine, wear.

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