Resistência ao desgaste abrasivo à base



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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 2350

2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.

RESISTÊNCIA AO DESGASTE ABRASIVO À BASE

DE ALUMINA (Al2O3), ZIRCÔNIA/ÍTRIA (ZrO2-Y2O3) E CARBETO DE

TUNGSTÊNIO/COBALTO (WC-Co (12%)), OBTIDOS PELA TÉCNICA

DE ASPERSÃO TÉRMICA.

ARNT, A.B.C e BERGMANN, C.P.

Av: Osvaldo Aranha, 99/705c, CEP: 90035-190, Porto Alegre/RS - BRASIL

Fone (051) 3163637 - Fax (051) 3163405

e-mail: arnt @vortex.ufrgs.br

Universidade Federal do Rio Grande do Sul


RESUMO


Desgaste é uma forma de degradação de materiais, que tem sido reconhecido como responsável por altos custos de manutenção na indústria, dos mais variados ramos. A causa e seus mecanismos são muito variados, e devem ser tratados dentro de uma complexidade denominada de sistema tribológico.

Desgaste abrasivo ocorre quando o material é retirado da superfície por ação de partículas duras. A taxa de desgaste depende do grau de penetração do abrasivo na superfície do material que está sofrendo abrasão.

Os materiais cerâmicos, devido as suas características, são comumente requisitados onde necessita-se resistência ao desgaste. A técnica de aspersão térmica, onde esses materiais são aquecidos e projetados em um estado de alta plasticidade contra um substrato, tem sido cada vez mais requisitada como solução para modificações na superfície de um material, preservando as propriedades de corpo do mesmo e aumentando a resistência ao desgaste.

Neste trabalho, foram investigados recobrimentos de alumina, zircônia/ítria e carbeto de tungstênio/cobalto. A resistência ao desgaste dos revestimentos foi associada com a microestrutura obtida.


Palavras Chaves: Desgaste, Aspersão térmica e Materiais Cerâmicos.




INTRODUÇÃO

Desgaste


O desgaste é um processo de degradação de um material quando em serviço. Está presente em diferentes situações, onde ocorre a perda de material a partir da superfície, por contato ou movimento relativo de um sólido, líquido ou gás. Assim, equipamentos com partes móveis, como anéis de pistão em motores a explosão, matrizes de prensagem, vedações hidráulicas e no nosso cotidiano, roupas, móveis, degraus de escadas; e mesmo no corpo humano, articulações, como joelhos e cotovelos, sofrem desgaste. Como resultado, há uma perda do desempenho funcional que acarreta em custos apreciáveis com substituições e reparos de equipamentos.

A causa e os mecanismos que provocam o desgaste em materiais são muito variados, e devem ser abordados dentro de uma maior complexidade, definida pelo sistema tribológico. O sistema tribológico engloba a superfície que sofre o desgaste, o agente de desgaste e o meio em que as partes envolvidas estão em contato. O balanço de energia na interface de contato é provavelmente a mais importante informação, e tem considerável influência no tipo de mecanismo de desgaste. Para determinados mecanismos, dureza e tenacidade a fratura são propriedades para fazer frente a solicitações que provocam desgaste.

Em relação aos mecanismos de desgaste, Gates e Gore (1995), definem desgaste como um processo fundamentalmente microscópico, a partir do qual o material é removido da superfície.

É importante salientar quatro tribossistemas principais que produzem desgaste, são eles:

i) Sólidos relativamente lisos, deslizando sobre outros sólidos;

ii) Substâncias duras, pontiagudas, deslizando sobre superfícies mais maleáveis;

iii) Fadiga Superficial, causada por tensões repetidas (usualmente compressiva);

iv) Fluídos com ou sem sólidos suspensos em movimento em relação a uma superfície sólida.

O maior dano do desgaste ocorre em tribossistemas que contenham um ou mais destes triboeventos (Budinski, 1987).

Desgaste Abrasivo


Abrasão ocorre quando o material é retirado da superfície por ação de partículas duras. A taxa de desgaste depende do grau de penetração do abrasivo na superfície do material que está sofrendo a abrasão. Pode ser entendido por expressar a idéia de ranhura por partículas duras ou ásperas sobre a superfície do material (Ball, 1986).

Para Dong, Jahanmir e Hsu (1990), os fatores que afetam a taxa de desgaste abrasivo são as propriedades da superfície e do abrasivo, a natureza e severidade das interações entre si. A partir dessas interações, podem ser definidos os seguintes mecanismos:

i) Abrasão de baixo stress: é essencialmente o primeiro mecanismo de dano;

ii) Abrasão de alto stress: caracteriza-se por riscos ou pits, resultantes da deformação plástica da superfície e

iii) Abrasão por lascamento: a remoção do material é causada pela ação de repetidas compressões de carregamento de materiais duros contra uma superfície lisa ou macia, usualmente um metal.

Hockin (1995), acrescenta que o mecanismo de remoção do material no desgaste abrasivo de cerâmicos tem sido descrito por analogia ao tipo de dano produzido. Segundo este autor, podem ser observados dois tipos de fraturas. As médias, que estão normalmente na superfície e fraturas laterais que estão paralelas à superfície. As fraturas médias geralmente estão associadas à degradação de resistência, já as laterais são responsáveis pela remoção do material.


Técnica de Aspersão Térmica


No desenvolvimento de materiais resistentes ao desgaste, a alternativa de proteção de materiais por revestimentos superficiais atrai interesse, pois modificam apenas as propriedades superficiais do material (onde acontece o fenômeno de desgaste), sem modificação do substrato (corpo, peça ou componente) revestido. Consequentemente, o substrato tem preservado as suas propriedades de volume e otimizadas suas propriedades de superfície, pela aplicação de um material mais adequado para fazer frente aos esforços provocados pelo mecanismo de desgaste.

Sendo uma técnica de aplicação de revestimentos superficiais, aspersão térmica (thermal spraying) é um dos mais importantes processos de Engenharia de Superfície. Nesta técnica, as partículas do material em uso são aceleradas, aquecidas e projetadas sobre um substrato. As partículas - de materiais cerâmicos, metálicos ou polímeros - podem estar sob a forma de pó, fio ou vareta.

As partículas sofrem um impacto altamente energético quando atingem o substrato e resfriam rapidamente, formando um revestimento com várias camadas de finas partículas sobrepostas.

Esta técnica é empregada com o objetivo de modificar as propriedades da superfície dos materiais quanto à resistência ao desgaste, à corrosão, ou outra propriedades específicas, como condutividade térmica (barreiras térmicas), biocompatibilidade para implantes e prótese humana, revestimentos lubrificantes, ou simplesmente restauração dimensional de peças ou componentes (Madejski,1976).

Sendo uma técnica extremamente sensível a inúmeros parâmetros, tanto de ordem operacional (como distância, tempo e angulo de projeção, tipo de gás e potência do equipamento), como fatores envolvendo o pó de projeção. Entre estes, pode-se citar:

i) Distribuição de tamanho de partículas;

ii) Velocidade do gás de transporte;

iii) Ponto de fusão;

iv) Capacidade calorífica;

v) Absorção de calor na chama (cor, absorção de uv, condutividade térmica) (Madejski, 1976).

A microestrutura e as propriedades resultantes do revestimento dependem da taxa de resfriamento individual de cada partícula. A temperatura do substrato influencia a microestrutura final do revestimento, como também sua aderência ao substrato.

A microestrutura típica dos revestimentos cerâmicos aspergidos termicamente é constituída de lamelas que se sobrepõem uma as outras, dando espessura ao revestimento. As lamelas são formadas no choque das partículas contra o substrato (na formação de interface revestimento/substrato), ou, após a formação da interface, contra as partículas percursoras. Sua forma resulta do espalhamento da partícula com elevada plasticidade - devido ao seu aquecimento na chama -, contra a superfície que encontra. Entre lamelas, há vazios (microporos), característicos de revestimentos cerâmicos aspergidos termicamente.

A principal característica que difere os vários processos de aspersão térmica é a natureza da sua fonte de calor. No processo à plasma, a fonte de calor é uma nuvem de gás ionizado, dando-se a transmissão da calor preponderantemente por irradiação (UV e IV). As partículas podem atingir neste processo velocidades de até 300m/s, conforme a trajetória na chama. No processo por aspersão hipersônica (HVOF), a chama é contínua, como fonte de calor tem queima de combustível (querosene e gás combustível), com esta ocorrendo 100% dentro de impacto das partículas. É importante salientar que o aparelho de aspersão utilizado, depende do material a ser aspergido (Lima, 1995).

Materiais Cerâmicos


Os materiais cerâmicos são freqüentemente utilizados, devido ao conjunto de suas propriedades, em aplicações onde se necessite resistência ao desgaste. As propriedades típicas, como elevada dureza e baixa tenacidade em função de sua quase total incapacidade de se deformar plasticamente, deve-se ao fato desses material não terem ativos à temperatura ambiente os cincos sistemas de deslizamentos necessários para atender aos critérios de Von Mises-Taylor, que lhes permitiria deformações plásticas, evitando o trincamento do material. A fratura de um corpo cerâmico sob tensão é o resultado de acumulação de danos no material, na forma de trincas, que nucleiam e se propagam.

A avaliação desses processos através da mecânica da fratura permite determinar a resistência residual de um material em função do tamanho de trincas pré- existentes, qual o tamanho máximo tolerável destas trincas para a carga esperada em serviço, quanto tempo leva a maior trinca para crescer de um certo valor inicial até um tamanho crítico e qual o tamanho do defeito tolerável no momento em que a estrutura entra em serviço.


MATERIAIS E MÉTODOS


Os pós cerâmicos aspergidos foram escolhidos em função da expectativa de suas propriedades frente ao desgaste abrasivo. São eles:

Alumina - Al2O3 (METCO 105) - Critério de escolha: apresenta alta dureza, grande resistência ao desgaste em baixas temperaturas. Pode ser aspergida por plasma spray e oxi-acetileno. Os revestimentos por plasma são mais densos que por chama oxi-acetilênico. Não apresentam fase vítrea.

Zircônia/ítria - ZrO2 + Y2O3 (METCO 204) - Critério de escolha: apresenta resistência ao choque térmico e à abrasão. Seu módulo de elasticidade é bem inferior ao da Al2O3. Pode ser aspergida por plasma ou chama oxi-acetilênica. A Y2O3 promove a estabilização da ZrO2, minimizando assim a formação de trincas e microtrincas no revestimento, o que promove o resistência ao desgaste.

Carbeto de tungstênio e cobalto - WC + Co (METCO 1342VM) - Critério de escolha: produz revestimentos duros, muito densos e particularmente resistentes ao desgaste. A matriz metálica de cobalto promove uma base elástica ao revestimento, aumentando sua resistência ao desgaste mecânico. Da mesma forma, os grãos de WC, dispersos na matriz são responsáveis por uma maior resistência ao atrito.

Preparação do Substrato


O substrato sofreu como pré-tratamento, jateamento da superfície com grão de alumina para o aumento da rugosidade superficial, pré-aquecimento do substrato com o objetivo de diminuir tensões de natureza térmica. Na aplicação dos revestimentos cerâmicos, foi aplicada uma camada de ligação a base de Ni-Cr (METCO 44) para diminuir as tensões de natureza devido a diferenças entre a dilatação térmica do substrato e do revestimento cerâmico. Para a fabricação dos revestimentos, foram utilizados os equipamentos de plasma spray SG-100, (Miller Co), para os pós Al2O3 e ZrO2 + Y2O3 e de aspersão hipersônica (HVOF) JP-5000 (TAFA), para o pó WC + Co (12%).

Técnica de Desgaste


Os ensaios de desgaste foram realizados em um abrasímetro, que proporciona aos corpos-de-prova 4 movimentos (3 de abrasão simultâneos e 1, de impacto). Este equipamento, utiliza como meio de desgaste uma lixa com granulometria de 120m. Os corpos-de-prova são ensaiados em duas etapas distintas. A 1aetapa, consiste basicamente da preparação da superfície aspergida, com um percurso de 80mm. Na 2a, os corpos-de-prova foram ensaiados em um percurso de 170mm.

Os corpos-de-prova, utilizados como substrato para os revestimentos aspergidos, tinham forma sextavada, com área real média aspergida de 124mm2. A avaliação quantitativa do desgaste após o ensaio ocorreu por perda de massa dos corpos-de-prova, por percurso no abrasímetro. A análise microestrutural (qualitativa) dos revestimentos foi realizada com o auxílio de microscopia eletrônica de varredura.


RESULTADOS E DISCUSÃO


O gráfico da Figura 1 apresenta o desgaste sofrido (em perda de massa) de cada revestimento investigado neste trabalho.


Figura 1 Representação gráfica dos valores obtidos frente ao desgaste abrasivo.

Os valores obtidos acentuam o comportamento diferenciado frente ao desgaste dos pós de ZrO2+Y2O3, Al2O3 e WC-Co (12%). O primeiro, com valores médios em torno de 17X10-3 g/mm e o terceiro, com valores médios em torno de 0,6 g/mm, apresentam respectivamente o maior e o menor desgaste. Os corpos-de-prova revestidos com ZrO2+Y2O3 tiveram uma perda de massa (por ação do desgaste abrasivo ) de aproximadamente 17 vezes superior aos revestimentos de WC-Co (12%) e de aproximadamente 8 vezes, quando comparado com revestimentos à base de Al2O3.

Nas Figuras 2, 3, e 4, estão representadas as microestruturas dos revestimentos desgastados, obtidos por microscopia eletrônica de varredura da Al2O3, ZrO2+Y2O3 e WC-Co (12%), respectivamente.


Figura 2 Micrografia da alumina aspergida por plasma spray.


Pela Figura 2, observa-se trincas no revestimento. Há poros (pontos escuros) dispersos, devido provavelmente a menor plasticidade das partículas no momento do choque contra a superfície que está sendo revestida.

Há uma sobreposição de partículas, resultando uma baixa coesão, com tamanhos e formas variados compondo essa sobreposição.

Os revestimento à base de alumina, sofrem também no resfriamento transformação de fase, de alumina alfa para alumina gama (metaestável), devido a alta temperatura e o resfriamento brusco que sofrem durante a aspersão. Isto aumenta a porosidade e como conseqüência, diminue a resistência ao desgaste.

Na figura 3 pode-se observar o comportamento da ZrO2+Y2O3 aspergida térmicamente por plasma spray.



Figura 3 Micrografia da zircônia/ítria aspergida por plasma spray.


A expressiva perda de massa sofrida pelo revestimento de ZrO2+Y2O3, durante os ensaios de desgaste abrasivo, poderia ser justificada devido à maior porosidade verificada nestes revestimentos. A Figura 3 apresenta uma micrografia por MEV de topo deste revestimento. Outro fenômeno observável na mesma Figura é a presença de trincas e micro-trincas. Nos revestimentos de ZrO2 apesar da função do Y2O3 ser a de promover a estabilidade da estrutura tetragonal da ZrO2, esta é apenas parcial na estrutura. Assim, há transformações de fases remanescentes da não estabilização da ZrO2, o que acarreta a formação de trincas, com efeito na resistência ao desgaste destes revestimentos, quando solicitados por esforços abrasivos, como se pode constatar neste trabalho.

Outro fator que provavelmente contribuiu para a elevada perda de massa do revestimento é o aparente menor espalhamento da partícula na superfície de choque, durante o processo. Pela Figura 3, também pode-se observar lamelas de diferentes formas e tamanhos, indicando um aquecimento, e o efeito deste no corpo da partícula não homogênea. Uma das razões para isso, é a trajetória da partícula na chama. Se esta ocorrer na parte central, a partícula sofrerá um maior aquecimento (e aceleração). Isso acarreta um choque mais energético, com o quê, uma maior coesão do revestimento.

Partículas que têm uma trajetória mais periferia à chama, tendem a produzir um choque menos energético, portanto, menos efetivo, acarretando menor resistência mecânica do revestimento. Isto certamente tem conseqüência na resistência ao desgaste do revestimento.

Na Figura 4 pode-se observar o comportamento do WC com matriz de cobalto aspergido termicamente por HVOF.



Figura 4 Micrografia do carbeto de tungstênio com Cobalto (12%),

aspergido termicamente por HVOF.
Por essa Figura, observa-se uma homogeneidade no revestimento. Pode-se supor que a temperatura atingida foi suficiente para proporcionar as partículas um estado de alta plasticidade.

Observa-se uma discreta porosidade, bem menor que nos casos anteriores.

Sabe-se que revestimentos à base de carbetos, quando agregados com ligas metálicas, ou mesmo metais, tendem a atingir, quando aspergidos termicamente, um estado de alta plasticidade (Pampuch e Gibas, 1976). A matriz metálica (cobalto) destes revestimentos tem aqui papel decisivo na obtenção deste estado de alta plasticidade. A absorção de calor pela partícula metálica tende a ser mais efetiva, que para revestimentos cerâmicos, com isso, maior temperatura é atingida no corpo da partícula. A maior plasticidade de materiais metálicos com a temperatura favorece então ao espalhamento e recobrimento (como a Figura 4 sugere) e maior resistência mecânica (ou coesão) do próprio revestimento. Outro fator importante, para o aumento da resistência ao desgaste do revestimento de WC com matriz Co em relação aos revestimentos cerâmicos é sem dúvida o módulo de elasticidade menor da matriz metálica. Com isso, a absorção do esforço abrasivo através da deformação elástica do revestimento é um mecanismo efetivo de absorção de energia, evitando o trincamento e propagação de trincas comuns, nos materiais cerâmicos na mesma situação.

CONCLUSÕES





  1. Os revestimentos cerâmicos à base de ZrO2+Y2O3 apresentaram menor resistência ao desgaste, quando comparados com os revestimentos à base de Al2O3 e WC-Co (12%).

  2. O espalhamento da lamela tem influência relevante na resistência ao desgaste: quanto mais efetivo o espalhamento, menor desgaste apresentam os revestimentos.

  3. As trincas presentes nos revestimentos degradam sua resistência ao desgaste.

  4. A presença de fases surgidas durante a aspersão e no resfriamento das partículas sobre o substrato que encontram dificulta a homogeneidade da superfície submetida ao desgaste.

  5. Revestimentos obtidos pela técnica de HVOF, apresentam-se mais densificados.

  6. Revestimentos constituídos à base de metais ou ligas metálicas, por apresentarem menor módulo de elasticidade evitam o trincamento e a propagação de trincas, aumentando conseqüentemente a sua resistência ao desgaste.

TITLE

RESISTANCE TO THE ABRASIVE WEAR TO THE ALUMINA (Al2O3), ZIRCÔNIA/YTTRIA (ZrO2+Y2O3) BASE AND TUNGSTEN/COBALT CARBIDE (WC-Co(12%), OBTAINED BY THE TECHNIQUE OF THERMAL SPRAY.

ABSTRACT


Wear is a form of material degradation which is responsible of high maintenance costs in industry. The wear process shall be considered in a complex field named tribologic system.

Abrasive wear happens when material is removed from the surface by the action of hard particles. The wear is measured by the degree of penetration of abrasive into surface of the material when it is submitted to an abrasive action.

Ceramic materials, due to their characteristics are commonly employed when wear resistance is needed, the thermal spraying technique by which the materials are heated and propelled onto the substrate in a high plasticity state, has been used more and more for modifications of material surfaces at the same time preserving their properties.

This work deals with the use of alumina, zirconia/yttria and tungsten/cobalt carbide coatings and the wear resistance of these coatings was associated with their microstructures.


Key Words: Wear, Thermal Spray e Ceramic Materials.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


1 Gates, J.D., Gopre, G.J., Wear of Metals: Philosophies and practicalities. Department of Mining matallurgical Engineering, university of Queensland, st Lucia, Qld, 4072, p.53-89, 1995.

2 Budinski, K.G., Surface Engineering for Wear Resistance, Englewood Cliffs, New jersey, 1987.

3 Ball, A. The mechanisms of wear, and the performance of engineering materials. J.S. Afr. Inst. Min. Metall., v.86, n. 1. P. 1-13. Jan. 1986.

4 Dong, X., Jahanmir ,S., Hsu, S.M., Tribological Characteristics of -alumina at elevated temperatures, Ceramic Divisios, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland - 20899, J. Am. Cerami. Soc., 74 (5), p. 1036-1044, 1991.

5 Hockin, H.K.Xu; Jahanmir, S., Microfracture and material removal in scratching of alumina, National institute of standards and Technology, Gaithersburg, md 20899, USA; Journal of Materials Science 30, p. 2235-2247, 1995.

6 Madejski, J., Solidification of droplets on a Cold Surface, Institut Badan Jadrowych, Swierk/Otwock, poland, p.1009-1013, Oct/1995.



5 Lima, R.S., Microestruturas de Aluminas Processadas por Aspersão Térmica, Escola de Engenharia, PPGEM, UFRGS, Porto alegre, RS, p.118, 1995.

4 Pampuch- Basinka., Gibas, T., Observations on some Plasma-Sprayed Metal Carbides, Institute of Metal Cutting, Kraków, Poland, Procedings of the 3rd CIMTEC International Meeting on Modern Caramics Technologies, p. 27-31, 1976.

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