Enriquecimento de compósitos autolubrificantes utilizando plasma DC

Abstract

Componentes mecânicos sinterizados cujo lubrificante sólido se encontra disperso em todo o volume do componente geralmente apresentam baixas propriedades mecânicas e tribológicas. Isso ocorre porque a adição de lubrificante sólido reduz o grau de continuidade da fase matriz, que é justamente o elemento responsável pela resistência mecânica do material. Uma alternativa de alto custo amplamente utilizada para aumentar as propriedades mecânicas da matriz é a adição de elementos. Um processo menos explorado é o enriquecimento de superfície. No enriquecimento o elemento de liga é adicionado ao componente na superfície e na região logo abaixo dela, produzindo microestruturas e propriedades diferentes entre a superfície e o núcleo. Neste caso obtém-se, no volume próximo à superfície, o mesmo resultado obtido pelo uso de pós ligados, mas a um custo muito menor. Compósitos autolubrificantes são especialmente complexos de serem enriquecidos porque deve-se evitar a deposição dos elementos de liga sobre os estoques de lubrificante. A fim de avaliar isso, a primeira etapa do trabalho consistiu em testar dois tipos de lubrificantes sólidos frente ao processo de enriquecimento com molibdênio. O lubrificante foi disperso em todo o volume de uma matriz Fe+0,6%C. Os dois lubrificantes utilizados foram: nódulos de grafita obtidos pela dissociação in situ do carboneto de silício (SiC) e; um lubrificante granulado obtido pela mistura do grafite e do nitreto de boro hexagonal. Observou-se que praticamente não houve recobrimento dos estoques de lubrificante quando utilizado o lubrificante obtido por meio da dissociação do SiC. Desta forma para as demais etapas este foi o lubrificante sólido utilizado. Na segunda etapa do trabalho amostras de Fe + 0,6 % C + 3 % SiC foram produzidas através de moldagem de pós por injeção e submetidas ao tratamento de enriquecimento de superfície com molibdênio via plasma. Três grupos de amostras foram igualmente enriquecidas e submetidas a três tratamentos térmicos distintos com o intuito de avaliar o comportamento tribológico obtido com diferentes microestruturas. Amostras somente sinterizadas também foram produzidas para fins comparativos. A caracterização tribológica foi realizada em função da durabilidade, taxa de desgaste e coeficiente de atrito. Os resultados indicaram que o processo de enriquecimento melhorou todas as propriedades tribológicas acima citadas. Sendo a amostra que passou pelo tratamento térmico a 425oC a que apresentou os melhores resultados, com um aumento expressivo de 1950% na durabilidade e redução de 95% na taxa de desgaste dos espécimes e contra corpos em relação a amostra similar somente sinterizada. Com base nisso, a última etapa do trabalho consistiu em produzir amostras com a mesma composição química que a amostra que passou pelo tratamento térmico a 425oC (Fe + 0,6 % C + 3 % SiC + 1,6% Mo), mas fazendo o uso de pós de Mo para atingir o percentual de 1,6%. As amostras foram então submetidas ao mesmo tratamento térmico e as propriedades tribológicas das amostras foram avaliadas. Comparando o desempenho tribológico da amostra enriquecida com a amostra produzida na etapa 3 observou que os melhores resultados foram obtidos com a amostra que foi enriquecida com molibdênio via plasma. Isso comprova que o enriquecimento de compósitos autolubrificantes é uma alternativa viável para a melhoria das propriedades tribológicas destes materiais.

Abstract: Sintered mechanical components whose solid lubricant is dispersed throughout the component volume generally have low mechanical and tribological properties. This is because the addition of solid lubricant reduces the continuity of the matrix phase, which is precisely responsible for the mechanical strength of the material. A high cost alternative widely used to increase the mechanical properties of the matrix is the addition of alloying elements. A less explored process is surface enrichment. In enrichment the alloying element is added to the component on the surface and in the region just below it, producing different microstructures and properties between the surface and the bulk. In this case, in the region close to the surface, the same result is obtained by using bonded powders, but at a much lower cost. Self-lubricating composites are especially complex to be enriched because the deposition of alloying elements on lubricant stocks should be avoided. In order to assess this, the first step of the work was to test two types of solid lubricants in the molybdenum enrichment process. The lubricant was dispersed throughout the volume of a Fe + 0.6% C matrix. The two lubricants used were: graphite nodules obtained by silicon carbide (SiC) in situ dissociation and; a granular lubricant obtained by mixing graphite and hexagonal boron nitride. It was observed that there was practically no coating of lubricant stocks when using the lubricant obtained through the dissociation of SiC. Thus, for the other steps this was the solid lubricant used. In the second stage Fe + 0.6% C + 3% SiC samples were produced by injection molding and submitted to surface enrichment with molybdenum via plasma. Three groups of samples were equally enriched and subjected to 3 different heat treatments in order to evaluate the tribological behavior obtained with different microstructures. Only sintered samples were also produced for comparative purposes. Tribological characterization was performed based on scuffing resistance, wear rate and coefficient of friction. The results indicated that the enrichment process improved all tribological properties evaluated. The heat treated sample at 425oC showed the best results, with a significant 1950% increase in scuffing resistance and a 95% reduction in wear rate compared to a similar sintered sample. Based on this, the last step of the work was to produce samples with the same chemical composition as the sample that was heat treated at 425oC (Fe + 0.6% C + 3% SiC + 1.6% Mo), but using Mo powders to reach 1.6%. The samples were then subjected to the same heat treatment and the tribological properties of the samples were evaluated. Comparing the tribological performance of the enriched sample with the sample produced in step 3, it was observed that the best results were obtained with the sample that was enriched with molybdenum via plasma. This proves that the enrichment of self-lubricating composites is a viable alternative for improving the tribological properties of these materials.