Existe o terceiro modo de desgaste abrasivo?



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EXISTE O TERCEIRO MODO DE DESGASTE ABRASIVO?

Ronaldo Câmara Cozzaa,b, Cláudio Geraldo Schönb


Av. Humberto de Alencar Castelo Branco, 3972, 09850-901, São Bernardo do Campo, SP – rcamara@fei.edu.br


a Centro Universitário da FEI – Fundação Educacional Inaciana “Padre Sabóia de Medeiros”

Departamento de Engenharia Mecânica
b Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

RESUMO
Em ensaios “ball-cratering” comumente são observados dois modos de desgaste abrasivo: “rolamento”, quando as partículas abrasivas rolam sobre a superfície em desgaste, e “riscamento”, quando estas deslizam. Dependendo das condições de ensaio, “desgaste abrasivo por rolamento” e “desgaste abrasivo por riscamento” podem atuar simultaneamente em uma cratera de desgaste, mas, em regiões distintas, possíveis de serem diferenciadas por imagens adquiridas por microscopia óptica. O objetivo deste trabalho é discutir a caracterização de um terceiro modo de desgaste abrasivo. Resultados obtidos com diferentes condições de ensaio revelaram a ocorrência da sobreposição dos modos “rolamento” e “riscamento”. Este fenômeno foi nomeado de “micro-rolling abrasion”, devido à própria característica imposta pelo efeito: o modo “rolamento” agindo sobre o “riscamento”, ao longo dos riscos. Observou-se, também que, qualitativamente, a ocorrência de micro-rolling abrasion é proporcional à distância de deslizamento e inversamente proporcional à força normal.
Palavras-chave: Ball-cratering, desgaste abrasivo, desgaste abrasivo por riscamento, desgaste abrasivo por rolamento, micro-rolling abrasion.

1. INTRODUÇÃO
A Fig. 1 apresenta uma ilustração esquemática do princípio do ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa, em que uma esfera, em movimento de rotação, é forçada contra o corpo-de-prova, na presença de uma pasta abrasiva.

F
ig. 1. Ilustração esquemática do princípio do ensaio “ball-cratering”.


Dois modos de desgaste abrasivo são observados sobre a superfície da cratera desgastada: “rolamento” (Fig. 2a(1)) resulta quando as partículas abrasivas rolam sobre o corpo-de-prova, enquanto “riscamento” (Fig. 2b(2)) é reportado quando as partículas abrasivas deslizam. Dependendo das condições de ensaio, “rolamento” e “riscamento” podem ocorrer simultaneamente (Fig. 2c(3)).



Fig. 2. Modos de desgaste abrasivo: (a) “rolamento” (Ar)(1); (b) “riscamento” (Ag)(2); (c) ação simultânea dos modos “rolamento” e “riscamento”(3). At: área projetada total.


Diferentes condições de ensaio favorecem a predominância do modo “rolamento”, “riscamento” ou a ação de ambos, podendo tais modos serem visualizados distintamente em relação as suas respectivas áreas de atuação.

O objetivo deste trabalho é discutir a possibilidade da existência do terceiro modo de desgaste abrasivo, marcado pela sobreposição dos modos “rolamento” e “riscamento”.


2. MATERIAIS E MÉTODOS
Foi utilizado um equipamento de ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa fixa (Fig. 3), em que a esfera é fixa por dois eixos.



Fig. 3. Equipamento de ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa fixa utilizado nos ensaios.


Uma peça de aço-ferramenta AISI H10 (temperado e revenido) foi adotada como corpo-de-prova. A esfera foi de aço AISI 52100 (temperado e revenido), de diâmetro 25,4 mm e, a pasta abrasiva, preparada com carbeto de silício preto (tamanho médio de partícula de 3 m) e água destilada. A Fig. 4a mostra uma micrografia eletrônica de varredura e, a Fig. 4b, sua distribuição granulométrica; a concentração da pasta abrasiva ficou em 25% SiC e 75% H2O destilada, em volume.



Fig. 4. (a) Micrografia eletrônica de varredura e (b) distribuição granulométrica do SiC.


A Tab. 1 apresenta as condições selecionadas para os ensaios.
Tab. 1. Condições de ensaio selecionadas para os experimentos de desgaste.


Condição de ensaio 

1

2

3

4

5

6

Força normal - N1 [N]

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

1,25

Força normal - N2 [N]

5

5

5

5

5

5

Distância de deslizamento - S [m]

10

16

25

40

63

100

Rotação da esfera - n [rpm]

37,6

37,6

37,6

37,6

37,6

37,6


3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Análises conduzidas por Microscopia Óptica (MO) das crateras de desgaste obtidas neste trabalho indicaram que, em todas as calotas esféricas, o modo de desgaste abrasivo, unânime, foi “riscamento”. Entretanto, quando observações mais detalhadas foram realizadas com o auxílio de imagens aquisitadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), foi observada a ocorrência de desgaste abrasivo por rolamento ao longo do desgaste abrasivo por riscamento gerado, i.e., a Microscopia Eletrônica de Varredura revelou a atuação de desgaste abrasivo por rolamento ao longo dos riscos.

A Fig. 5a apresenta uma imagem adquirida por Microscopia Óptica de uma cratera de desgaste, em que somente desgaste abrasivo por riscamento é visível (“macro-escala”). As Figuras 5b-d são fotografias da mesma cratera de desgaste, em diferentes escalas de ampliação, em que é possível notar a ocorrência de desgaste abrasivo por rolamento ao longo dos riscos.





Fig. 5. Cratera de desgaste obtida nos ensaios. (a) “Macro-visão” e (b)-(c)-(d) “micro-visão”, força normal constante de 1,25 N e distância de deslizamento de 25 m. Ocorrência de “micro-rolling abrasion”.


Neste trabalho, este fenômeno (a ocorrência de desgaste abrasivo por rolamento, na superfície ou entre os riscos) foi denominado de “micro-rolling abrasion”.

A Fig. 6 exibe a ocorrência de “micro-rolling abrasion” para os casos em que a distância de deslizamento foi S6 = 100 m. As Figuras 6a-b e as Figuras 6c-d apresentam imagens (em diferentes ampliações) de duas crateras de desgaste distintas, geradas sob N1 = 1,25 N e N2 = 5 N, respectivamente. Comparando-se as Figuras 6b e 6d, é possível perceber a atuação de um nível relativamente elevado de “micro-rolling abrasion” para a menor força normal (N1 = 1,25 N – Fig. 6b), com referência a maior (N2 = 5 N – Fig. 6d).





Fig. 6. Atuação de “micro-rolling abrasion”. (a)-(b) Força normal constante N1 = 1,25 N; (c)-(d) força normal constante N2 = 5 N. Distância de deslizamento S6 = 100 m.


Na Fig. 7 há a constatação da presença de “micro-rolling abrasion” em crateras de desgaste obtidas sob os diferentes valores de forças normais, para a distância de deslizamento S1 = 10 m. As Figs. 7a-b correspondem aos experimentos conduzidos com N1 = 1,25 N e, as Figs. 7c-d, aos ensaios realizados sob N2 = 5 N.



Fig. 7. Atuação de “micro-rolling abrasion”. (a)-(b) Força normal constante N1 = 1,25 N;


(c)-(d) força normal constante N2 = 5 N. Distância de deslizamento S1 = 10 m.

Uma comparação entre as Figuras 6 e 7 sugere que o nível de atuação de “micro-rolling abrasion” é diretamente proporcional à distância de deslizamento, sendo, relativamente menor, no início dos ensaios (Fig. 7) e aumentando com o crescimento de S (Fig. 6).

Durante os ensaios, a área projetada total da cratera de desgaste (At) aumenta com o tempo de ensaio, resultando em um decaimento contínuo da pressão. Quando o valor de At é relativamente alto, é possível supor que há uma quantidade proporcional de partículas abrasivas entre a esfera de ensaio e o corpo-de-prova, participando do processo de desgaste e que, a força normal, agindo sobre cada partícula abrasiva é menor, favorecendo, assim, a atuação de desgaste abrasivo por rolamento.

A Fig. 2c exemplificou a atuação, simultânea, de desgaste abrasivo por “rolamento” e “riscamento”, situação que denota uma condição de transição entre estes modos de desgaste e a possível quantificação, distinta, das áreas “Ar” e “Ag”. A diferenciação entre o exemplo dado na Fig. 2c e o “micro-rolling abrasion” (Figuras 5-7), está no fato de que, no “micro-rolling abrasion”, os modos “rolamento” e “riscamento” agem em conjunto, “sobrepostos” em uma mesma área.

Diferente das condições de acomodação das partículas abrasivas que conduzem aos modos de desgaste abrasivo por “riscamento” ou “rolamento” (“incrustadas” ou “soltas”), para a ocorrência de “micro-rolling abrasion”, deve haver partículas incrustadas no contra-corpo, responsáveis pela geração de desgaste abrasivo por “riscamento”, e partículas livres para rolar, que ocasionam o intitulado “micro-rolling abrasion”.

Outra possibilidade para explicar este fenômeno está relacionada ao tamanho do material abrasivo: as marcas de rolamento são provenientes de partículas abrasivas relativamente menores, que penetram nos riscos já formados por outras partículas abrasivas, de maiores dimensões, causando assim, o movimento de rolamento, especialmente em condições de baixa força normal.

As partículas abrasivas de maiores dimensões, aderidas ao contra-corpo, ficam sujeitas a ação de forças normais relativamente maiores, adquirindo somente movimento de “translação” e gerando, consequentemente, desgaste abrasivo por “riscamento”. Em contra-partida, os elementos menores, que sustentam cargas normais de menores ordens, munem-se de movimentos de “translação + rotação”, ocasionando “micro-rolling abrasion”, como sugerido na Fig. 8.



Fig. 8. Esquematização do princípio de ocorrência do fenômeno “micro-rolling abrasion”.


4. CONCLUSÕES
As Figuras 9a-c exemplificam as atuações clássicas dos modos de desgaste abrasivo por “riscamento” e “rolamento”. Além destes, foi observada uma condição intermediária, o “micro-rolling abrasion”, que atua ao longo dos riscos deixado pelo desgaste abrasivo por “riscamento” (Fig. 9d).



Fig. 9. Atuações dos modos de desgaste abrasivo por (a) “riscamento” (somente visão macroscópica)(2), (b) “rolamento” (somente)(1), (c) “riscamento + rolamento”(3) e da condição intermediária (d) “micro-rolling abrasion”.

O nível de atuação de “micro-rolling abrasion” foi inversamente proporcional à força normal e diretamente proporcional à distância de deslizamento.

A conceituação do “micro-rolling abrasion” pode ser um avanço científico relevante para a comunidade envolvida com pesquisas tribológicas, visto que, até então, os modos de desgaste abrasivo eram classificados somente em “desgaste abrasivo por riscamento” e “desgaste abrasivo por rolamento”.


5. REFERÊNCIAS


  1. TREZONA, R. I.; ALLSOPP, D. N.; HUTCHINGS, I. M. Transitions between two-body and three-body abrasive wear: influence of test conditions in the microscale abrasive wear test. Wear 225-229 (1999) 205-214.

  2. COZZA, R. C.; TANAKA D. K.; SOUZA, R. M. Friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering tests conducted at constant normal force and constant pressure – preliminary results. Wear 267 (2009) 61-70.

  3. COZZA, R. C.; DE MELLO, J. D. B.; TANAKA D. K.; SOUZA, R. M. Relationship between test severity and wear mode transition in micro-abrasive wear tests. Wear 263 (2007) 111-116.


IS THERE THE THIRD ABRASIVE WEAR MODE?
ABSTRACT
In ball-cratering wear tests, usually, are observed two abrasive wear modes: “rolling”, when the abrasive particles roll on the surface, and “grooving”, when they slide. Depending on the test conditions, rolling abrasion and grooving abrasion can act simultaneously in a wear crater, but in different regions that can be observed by optical microscopy. The purpose of this work is to discuss the characterization of a third abrasive wear mode. Results obtained under different test conditions showed the occurrence of superposition of the rolling and grooving abrasive wear modes. This phenomenon was called “micro-rolling abrasion”, due to its characteristics: the rolling abrasion acting on the grooving abrasion, along the grooves. Also, it was observed that, qualitatively, the occurrence of micro-rolling abrasion is proportional to the sliding distance and inversely proportional to the normal force.

Key-words: Ball-cratering, abrasive wear, grooving abrasion, rolling abrasion, micro-rolling abrasion.



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