Desempenho tribológio de compósitos autolubrificantes em regime de lubrificação mista

Abstract

Atualmente, uma das grandes tendências mundiais se concentra no desenvolvimento de lubrificantes mais amigáveis ao meio ambiente e a saúde humana, principalmente através da redução ou até mesmo eliminação dos aditivos modificadores de atrito e antidesgaste contendo fósforo (P) e enxofre (S). Esses aditivos são compostos químicos que interagem com as superfícies sob lubrificação limite ou mista para gerar tribocamadas na área real de contato com baixa resistência ao cisalhamento, reduzindo o atrito e desgaste. Uma forma de fazer a função dos aditivos é utilizar materiais com propriedades autolubrificantes, ou seja, aqueles que ao sofrerem ação do contato tribológico forneçam condições para formação de tribocamadas com baixa tensão de cisalhamento. Neste sentido, no presente trabalho foram utilizados compósitos autolubrificantes produzidos por moldagem de pós por injeção (PIM do inglês Powder injection molding), formados por uma matriz metálica e nódulos de grafite 2D turbostrático homogeneamente dispersos no volume. Esses nódulos ou reservatórios de lubrificante sólido foram gerados in situ pela dissociação do carbeto de silício (SiC) durante a etapa de sinterização do processo PIM. Além disso, foram testadas duas formas alotrópicas do SiC, o hexagonal e o cúbico, e as temperaturas de sinterização de 1100 ,1150 e 1200°C. Para avaliação tribológica, testes do tipo movimento alternado com geometria cilindro sobre plano foram realizados a seco e sob lubrificação fluida. O óleo empregado é de baixa viscosidade (4,2 cSt a 40°C) contendo o aditivo antidesgaste BTP. Detalhes das microestruturas dos materiais estudados foram analisados por microscopia óptica (MO), enquanto que a dureza das matrizes metálicas e a topografias foram determinadas por microdureza Vickers e interferometria óptica de luz branca (WLI do inglês white light interferometry) respectivamente. Os reservatórios de lubrificante sólido foram estudados através de análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia de energia dispersiva de raio-X (EDS do inglês energy dispersive X-ray spectroscopy) e espectroscopia Raman (ER). As marcas de desgaste dos testes tribológicos foram avaliadas por MEV, EDS, WLI, ER e espectroscopia de elétrons Auger (AES do inglês Auger electron spectroscopy). As diferentes estruturas cristalinas do SiC e as temperaturas de sinterização não modificaram significativamente o lubrificante sólido gerado in situ, exceto para 1200°C. Testados a seco, os compósitos autolubrificantes apresentaram menor coeficiente de atrito e maior durabilidade em relação a referência, adicionalmente, a taxa de desgaste do contracorpo (Cilindro em aço AISI 52100 nitretado) é três ordens de grandeza menor. Sob lubrificação fluida, os mesmos comportamentos foram observados. Em ambos os casos (seco e lubrificado) os bons resultados tribológicos estão associados a tribocamadas formadas por óxidos de ferro, elementos dos materiais que formam par tribológico e grafite altamente desordenado.

Abstract: Nowadays, one of the major global trends in tribology is focused on developing more environmentally friendly and human health lubricants, mainly by the reduction or even elimination of friction modifiers and anti-wear additives containing phosphorus (P) and sulfur (S). These additives are chemical compounds that interact with surfaces under boundary or mixed lubrication regime to generate tribolayers with low shear resistance in the real contact area, reducing friction and wear. One way to realize additives functions is to apply materials with self-lubricating properties, such as those that during tribocontact are able to provide conditions to generation protective tribolayers. In this sense, the present work tested self-lubricating composites produced by powder injection molding (PIM), which is formed by a metallic matrix and 2D turbostratic graphite nodules dispersed through the volume. These solid lubricant nodules or reservoirs were generated in situ by dissociating silicon carbide (SiC) during the sintering step of the PIM process. In addition, hexagonal and cubic SiC polytypes and the 1100°C, 1150 and 1200°C sintering temperatures were used. Cylinder-on-flat reciprocating tests were performed for tribological evaluation under dry and fluid lubricated conditions. The low viscosity (4.2 cSt at 40 °C) oil used contain the BTP antiwear additive. Microstructure details of materials were analyzed by optical microscopy (OM), whereas the matrix hardness and topography were determined by Vickers microhardness, and white light interferometry (WLI), respectively. The solid lubricant reservoirs were analyzed in the scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS), and Raman spectroscopy (RE). Wear marks from tribological tests also were analyzed by SEM, EDS, WLI, RE and Auger-electron spectroscopy (AES). Distinct SiC structures and the sintering temperatures do not induce significant differences in the solid lubricant generated, except 1200°C. The composites tested in dry condition possesses a lower coefficient of friction and higher scuffing resistance than reference. Additionally, the wear rate of counterbody (nitrided AISI 52100 cylinder) is three orders of magnitude lower, similar to lubricated condition results. In both cases (dry and lubricated), the good tribological effects are associated with tribolayers composed of iron oxide, elements from materials of surfaces, and high disordered graphite.