New Method of Detection of Hydrogen



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Delineamento de Experimento de Desgaste por Deslizamento em Ferro Fundido Nodular Austemperado

PIMENTEL, A. S. O. I, GUESSER, W. L. I, FERREIRA, E. P.

e-mail: amandaprod@yahoo.com.br

I Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais – DEM/UDESC, Joinville, SC.

RESUMO

O ADI (ferro nodular austemperado) é um material de grande interesse para a indústria automotiva principalmente por sua alta resistência ao desgaste. Neste trabalho tal propriedade de ADI é analisada. Amostras de ferro fundido nodular da classe FE80002 da norma ABNT NBR 6916 foram austemperadas a 320°C e a 340°C, ambas por 60 minutos. Foi realizado ensaio de desgaste pino-sobre-disco. Os resultados foram analisados segundo a metodologia de delineamento de experimentos (DOE). Por meio da análise, verificou-se que a temperatura de austêmpera influencia significativamente nos resultados de desgaste por deslizamento.



Palavras chaves: Ferro fundido nodular austemperado, DOE, desgaste.

introdução

O ferro fundido nodular austemperado (ADI) é produzido a partir de tratamento térmico de austêmpera de ferro fundido nodular de alta qualidade. A matriz resultante é composta por ferrita acicular e austenita rica em carbono, a ausferrita. Os custos adicionais de tratamento para a produção de ADI justificam-se pelo grande incremento em propriedades mecânicas do material. De forma geral, os custos de obtenção do ADI são inferiores aos custos de obtenção de aço temperado e revenido ou forjado. Em aplicações que requeiram boas características ao desgaste, o ADI apresenta grande atrativo, pois suas propriedades aliadas à matriz metálica conferem a este características distintas de muitos outros materiais neste tipo de solicitação.

Zimba et al. (4) e Pérez et al. (3) apresentam duas frentes de pensamento. A primeira escola defende que a dureza do material, obtida a baixas temperaturas de austenitização, é de grande importância para a resistência ao desgaste. Contrariamente, a outra escola acredita que a maior influência sobre a resistência reside sobre a transformação de austenita retida em martensita por tensões na superfície do material em trabalho. Desta forma, a quantidade de austenita retida é de suma importância para os resultados de desgaste. Para baixas temperaturas de austêmpera, tem-se alta dureza e baixa quantidade de austenita retida, ao passo que, para altas temperaturas, há uma queda na dureza e aumento da quantidade de austenita retida.

Zimba et al. (4) realizaram ensaios de desgaste por deslizamento em ADI não ligado austemperado a temperaturas de 315 a 375°C, tendo como contra-corpo esfera de aço, com carregamento variável de 40 a 140 N e velocidade de deslizamento de 0,05m.s-1. Os autores concluíram que a taxa de desgaste apresenta valores convergentes para as três temperaturas de austêmpera conforme aumenta o carregamento. Isto ocorre devido à transformação de austenita retida em martensita, mais propensa a ocorrer a altos carregamentos, confirmada pelos autores.

Pérez et al. (3) estudaram o desgaste em ADI ligado a Cu-Ni-Mo austemperado a 315 e 370°C. Os parâmetros do ensaio de desgaste foram: 45 N de carregamento e 2,40m/s de velocidade de deslizamento. Os autores concluíram que o menor desgaste é encontrado em amostras com menor quantidade de austenita retida, ou seja, em amostras austemperadas a menores temperaturas. Não houve indícios de transformação de austenita retida em martensita na superfície de amostras ensaiadas.

Kumari & Rao (1) também estudaram o desgaste por deslizamento em ADI ligado a Cu-Ni-Mo. Os autores analisaram o desgaste em amostras austemperadas a temperaturas de 260 a 400°C. Os ensaios foram realizados com carregamento de 23MPa e velocidade de delizamento de 280 m/min. Os resultados revelaram maior resistência ao desgaste para amostras austemperadas a baixas temperaturas. Porém, para altas temperaturas de austêmpera a transformação de austenita retida em martensita foi identificada e a ela foi atribuída um incremento em resistência ao desgaste.

O objetivo do presente trabalho foi o de verificar a influência da temperatura de austêmpera na resistência ao desgaste para diferentes distâncias de deslizamento, bem como verificar a influência da interação entre temperatura de austêmpera e distância de deslizamento.

Materiais e Métodos

1.1Material e Tratamento Térmico

As amostras de ferro fundido nodular no estado bruto de fusão foram fornecidas pela empresa Tupy S/A, na classe FE80002 conforme a norma ABNT NBR 6916. Para aumentar a temperabilidade, foram empregados cobre (0,73%) e molibdênio (0,17%). As amostras usinadas foram tratadas com os seguintes parâmetros: austenitização a 900°C por 1 hora; austêmpera, para o primeiro grupo de amostras a 320°C e, para o segundo, a 340°C, ambos por 1 hora.

Foram realizados ensaios mecânicos das amostras que as classificaram como classe 4, para amostra austemperada a 320°C,e classe 3 da norma ASTM, para amostra austemperada a 340°C. Também foi realizado ensaio de dureza Rockell C das amostras após austêmpera no laboratório de ensaios mecânicos da UDESC, como também ensaios metalográficos no laboratório de metalografia da UDESC.

1.2Ensaio de Desgaste

Os ensaios de desgaste por deslizamento foram realizados em equipamento pino-sobre-disco, modelo C1000, no laboratório de tribologia da UDESC, conforme a norma ASTM G99. Como contra corpo foi utilizada esfera de alumina com diâmetro de 5mm. A carga de ensaio foi de 10 N, a velocidade de ensaio de 99,74m/s. As distâncias de deslizamento utilizadas foram 800 e 1200m. Após ensaio, as amostras foram analisadas em perfilômetro no laboratório de metrologia da UDESC.



1.3Metodologia de Análise de Resultados

A análise dos resultados foi realizada segundo a metodologia DOE (Design of Experiments), conforme (2). Fez-se uso do software Statistica, versão 7, da StatSoft para análises estatísticas. O experimento foi planejado como um fatorial 22 completo, com três réplicas, totalizando 12 experimentos, que foram realizados em ordem aleatória. Os fatores foram: temperatura de austêmpera e distância de deslizamento, cujos níveis corresponderam a: 320 e 340°C ;e 800 e 1200m respectivamente. A variável resposta foi volume perdido (mm3), que corresponde ao desgaste por deslizamento nas amostras ensaiadas. A análise foi realizada ao nível de significância de 0,12%.



RESULTADOS E DISCUSSÃO

Após austêmpera, as amostras apresentaram microestrutura composta de ausferrita, finamente distribuída para ambas as temperaturas de austêmpera, como indicado na figura 01.






Figura 01: Microestruturas de amostras temperadas a 320 e 340°C, respectivamente.
Os resultados de dureza são, para amostra bruta, 22,8 HRc; para amostra austemperada a 320°C, 45,5 HRc e para a amostra austemperada a 340°C, 40 HRc. Na tabela 01 constam os resultados de volume perdido para os oito experimentos realizados. Na sequência, apresenta-se a tabela 02 com os resultados de análise de variância para a variável resposta (desgaste). Nota-se que, ao nível de significância de 0,12%, os fatores estudados afetam significativamente o volume perdido. Isto significa que o incremento na temperatura de austêmpera representou um decremento na resistência ao desgaste, conforme esperado. A interação entre os fatores, denotada na tabela por (1 por 2) também afeta o desgaste do material.
Tabela 01: Resultados de desgaste (volume perdido) para amostras de diferentes temperaturas de austenitização e distâncias de deslizamento.

Réplica

Temperatura de
austenitização (°C)

Distância de
deslizamento (m)

Volume (mm3)

1

320

800

16,8100

2

320

800

16,4300

3

320

800

17,88

1

320

1200

27,5100

2

320

1200

25,6900

3

320

1200

25,8900

1

340

800

17,0700

2

340

800

17,5500

3

340

800

16,4100

1

340

1200

30,1600

2

340

1200

32,81

3

340

1200

26,59


Tabela 02: Tabela de análise de variância para a variável resposta volume perdido.

Fatores

Soma dos
Quadrados

Graus de
Liberdade

Média dos
Quadrados

F

P

(1)Temperatura

8,9787

1

8,9787

3,0877

0,116948

(2)Distância

368,5208

1

368,5208

126,7302

0,000003

1 por 2

9,2928

1

9,2928

3,1957

0,111640

Erro

23,2633

8

2,9079







Total

410,0557

11









O valor do coeficiente de determinação para a análise em questão é de 0,9433. Portanto 94,33% da variabilidade referente ao experimento explica-se pelos fatores estudados. Este é um bom valor, visto que o ensaio de desgaste por deslizamento apresenta variabilidade de medição de dados devido à deposição de debris sobre a superfície de desgaste.

Para a verificação de adequação do modelo, foram analisados os gráficos de probabilidade normal, figura 02, à esquerda e resíduos por valores preditos, figura 02, à direita. Os resíduos no gráfico de probabilidade normal seguem uma tendência. No gráfico de resíduos por valores preditos, observa-se tendência ao afunilamento. Esta tendência pode ser explicada pela deposição de debris na superfície do material durante o ensaio. A variabilidade dos dados aumenta com a distância de deslizamento, pois quanto maior a distância percorrida maior a formação e deposição de debris.


Figura 02: Gráfico de probabilidade normal, à esquerda, e gráfico de valor predito versus resíduos para variável resposta volume perdido (mm3), à direita.
Na figura 03, à esquerda, observam-se os valores de volume perdido por distância de deslizamento e por temperatura de austêmpera. Observa-se que a menor resistência ao desgaste das amostras austemperadas a 340°C somente se manifesta para maiores distâncias de deslizamentos, aí reside o efeito da interação entre temperatura e distância de deslizamento. Na figura 03, à direita, tem-se o gráfico de contorno para o volume perdido, ilustrando a influência dos fatores estudados sobre o volume. A equação A é a que se ajusta ao modelo apresentado e obedece aos coeficientes de regressão calculados.
V (10-2mm3)= 22,57+/,865T(°C)+ 5,54D(m)+/,88D (A)

onde V é o volume perdido em (10-2)mm3, T a temperatura de austenitização, em °C e D a distância de deslizamento em m.

A 320°C, tem-se dureza mais alta, o que confere ao material maior resistência ao desgaste. A maior quantidade de austenita retida nas amostras austemperadas a 340°C poderia levar à quantidade significativa de martensita transformada durante o ensaio de desgaste, o que iria conferir maior resistência ao desgaste para tais amostras. Porém esse efeito não foi observado. Desta forma, acredita-se que não houve formação de martensita durante o ensaio.


Figura 03: Valores médios de volume com intervalo de confiança de 95%, à esquerda, e gráfico de cotorno para volume perdido à direita (mm3).

Conclusões

Com base nos resultados experimentais obtidos, pode-se concluir que:



  • Quanto maior a distância de deslizamento maior a perda de volume do ADI.

  • A temperatura de austêmpera influencia significativamente no volume removido para maiores distâncias de deslizamento.

  • A maior resistência ao desgaste é conferida nas amostras austemperadas a 320°C, por sua maior dureza após austêmpera.

  • Não há indícios de transformação de austenita retida em martensita na superfície das amostras durante o ensaio de desgaste.



Agradecimentos

À Indústria de Fundição Tupy, pelo fornecimento dos corpos de prova, à UDESC pela estrutura dos laboratórios para a realização da parte experimental e análises. A. S. O. P. agradece à Capes pela bolsa de estudo.



Referências

1. KUMARI, R. U.; RAO, P. P.; Study of wear behavior of austempered ductile iron, J. Mater Sci v.44, p. 1082 – 1093, 2009.

2. MONTGOMERY, D. C., Design and analysis of experiments, John Wiley and Sons, New York, 3rd ed, 2001.

3. PÉREZ, M. J.; CISNEROS, M. M.; LÓPEZ, H. F. Wear resistance of Cu-Ni-Mo austempered ductile iron. Wear, v. 260, 2005.

4. ZIMBA, P ET AL. Un-lubricate sliding wear performance of unalloyed austemped ductile iron. Under high contact stresses. Materials & Design, v.25, 2004.

DESIGN OF EXPERIMENT for sliding wear of austempered ductile iron



ABSTRACT

ADI (austempered ductile iron) is a material of great interest for the automobile industry due to its high wear resistance. In this work, this ADI property is analyzed. Ductile iron samples of FE80002 grade of ABNT NBR 6916 standard were austenitised at 320°C and 340°C, both for 60 minutes. Wear tests were carried out using a pin-on-disc apparatus. The results were analyzed by the design of experiment methodology (DOE). The analysis indicates that austempering temperature affects the results for sliding wear.



Palavras chaves: austempered ductile iron, DOE, wear.


















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