Influência da textura da superfície no desempenho tribológico de partículas de lubrificantes sólidos a base de carbono depositadas por dip-coating

Abstract

A constante busca de alternativas para redução do atrito em diversos segmentos industriais é crescente. Nesse sentido, estudos que avaliam o emprego de superfícies texturizadas em conjunto nano e micro partículas lubrificantes, a fim de amortizar os efeitos do atrito e prolongar a durabilidade, vêm sendo tratados na literatura. Aliado a isso, umas das principais linhas de estudo do laboratório de materiais (LABMAT) no departamento de engenharia mecânica da UFSC consistem no desenvolvimento de materiais sólidos para aplicações tribológicas. Desta forma, este trabalho tem como objetivo correlacionar a morfologia de micropartículas com a morfologia da superfície, oriunda de processos de usinagem utilizados na fabricação de superfícies de eixos e mancais. Diante disso, analisou-se o histórico de fabricação das peças, que compreendem processos como brunimento precidor e brunimento de curso de curto, sendo realizadas a caracterização da rugosidade, textura e integridade superfície. As peças, devidamente caracterizadas, foram submetidas a ensaios tribológicos com o uso de lubrificantes com inclusões de partículas e então novamente caracterizadas para estudo da interação superfície/microfluido. As micropartículas utilizadas no trabalho foram o carbono derivado de carbeto (CDC) de cromo e boro (1,66 µm), o grafeno funcionalizado com amônia (1,99 µm) e o grafite cristalino (1,10 µm). O processo utilizado para a aplicação das partículas nas superfícies foi o método dip-coating, selecionado principalmente devido à geometria das peças. Os resultados indicaram uma variação da iteração superfície/partícula. As superfícies caracterizadas dos eixos apresentaram texturas menos definidas, com alta quantidade de riscos e crateras ao longo das superfícies. Alguns dos parâmetros avaliados indicaram uma superfície com assimetria negativa, curtose em torno de 5, maior predominância de picos, com Spk = 0,42 µm, Svk = 0,36 µm, Sa = 1,04 µm e Sz = 17,40 µm. Quanto aos ensaios tribológicos, a menor média das durabilidades foi obtida com o uso das partículas de CDC, que resultou em 29 Nm de deslizamento. A maior média das durabilidades foi obtida com o uso de partículas de grafite, que resultaram em 293 Nm. Os mancais apresentaram uma textura mais definida e com menor quantidade de riscos. Os parâmetros indicaram assimetria positiva, curtose em torno de 7, maior predominância dos picos em relação aos vales, com Spk = 0,76 µm, Svk = 0,51 µm, Sa = 1,08 µm e Sz = 21,44 µm. Para as superfícies dos mancais, a menor média das durabilidades foi obtida utilizando as partículas de grafite, com média igual a 1062 Nm. A maior média das durabilidades foi obtida com o uso do CDC, que gerou o valor igual 2372 Nm. Para os ensaios de carga constante, as superfícies dos mancais apresentaram menores valores para o COF com relação aos eixos. O menor COF para os mancais foi obtido utilizando partículas de grafeno, 0,062, enquanto, para os eixos, o menor COF foi resultado do uso da partícula de grafite, 0,21. Os resultados indicaram semelhança com alguns trabalhos da literatura.

Abstract: The constant search for alternatives to reduce friction in several industrial segments is growing. In these terms, studies that evaluate the use of textured surfaces in combination with nano and micro lubricating particles, in order to amortize the effects of friction and prolong durability, have been addressed in the literature. Allied to this, one of the main lines of study of the materials laboratory (LABMAT) in the mechanical engineering department at UFSC is the development of solid materials for tribological applications. Therefore, this work has as objective correlate the morphology of microparticles with the surface morphology, resulting from machining processes used in the manufacture of axles and bearings surfaces. In view of this, the manufacturing history of the parts was analyzed, which comprise processes such as precision honing and short stroke honing, with the characterization of roughness, texture and surface integrity being carried out. The parts, properly characterized, were submitted to tribological tests using lubricants with particle inclusions and then again characterized to study the surface/microfluid interaction. The microparticles used in the work were carbon-derived carbide (CDC) from chromium and boron (1.66 µm), graphene functionalized with ammonia (1.99 µm) and crystalline graphite (1.10 µm). The process used to apply the particles on the surfaces was the dip-coating method, selected mainly due to the geometry of the pieces. The results indicated a variation of the surface/particle iteration. The characterized axes surfaces presented less defined textures, with a high amount of risks and craters along the surfaces. Some of the parameters evaluated indicated a surface with negative asymmetry, kurtosis around 5, greater predominance of peaks, with Spk = 0.42 µm, Svk = 0.36 µm, Sa = 1.04 µm and Sz = 17.40 µm. As for the tribological tests, the lowest average durability was obtained with the use of CDC particles, which resulted in 29 Nm of slip. The highest average durability was obtained with the use of graphite particles, which resulted in 293 Nm. The bearings had a more defined texture and less risks. The parameters indicated positive asymmetry, kurtosis around 7, greater predominance of peaks in relation to valleys, with Spk = 0.76 µm, Svk = 0.51 µm, Sa = 1.08 µm and Sz = 21.44 µm. For the bearing surfaces, the lowest average durability was obtained using graphite particles, with an average equal to 1062 Nm. The highest average of durability was obtained with the use of CDC, which generated a value equal to 2372 Nm. For the constant load tests, the bearing surfaces presented lower values for the COF in relation to the axles. The lowest COF for the bearings was obtained using graphene particles, 0.062, while for the axles, the lowest COF was obtained using the graphite particle, 0.21. The results indicated similarity with some works in the literature.