COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DO AÇO SAE 10B30 REVESTIDO COM
TiO2 DEPOSITADO POR PLASMA
Por: André Luiz Leite
Orientador: Prof. Dr. Júlio César Giubilei Milan
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM
27/07/2012
Dissertação de Mestrado
André Luiz Leite 1
Sumário
• Objetivo
• Motivação
• Revisão Bibliográfica
• Materiais e Métodos
• Resultados
• Conclusões
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•Objetivo • Motivação
• Revisão Bibliográfica
• Materiais e Métodos
• Resultados
• Conclusões
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Objetivo
Estudar a adesão e o desgaste de filmes de dióxido de titânio (TiO2) depositados por Triodo Magnetron Sputtering sobre o aço SAE 10B30.
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27/07/2012 André Luiz Leite
• Objetivo
•Motivação • Revisão Bibliográfica
• Materiais e Métodos
• Resultados
• Conclusões
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Motivação
• Filmes de TiO2 possuem atividade fotocatalítica, e essa atividade podem variar com estímulos mecânicos (Straka, Kawakami et al. 2009).
• Essa variação da atividade fotocatalítica pode ser utilizada em componentes inteligentes, que poderiam utilizar da variação da atividade fotocatalítica para emitir/gerar algum sinal para controle ou alerta.
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Motivação
• Na aplicação no campo, o componente pode
estar exposto ao desgaste
• O conhecimento do coeficiente de atrito da superfície é importante
• Para o sucesso da aplicação é fundamental que o
filme de TiO2 tenha boa adesão ao substrato.
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• Objetivo
• Motivação
•Revisão Bibliográfica • Materiais e Métodos
• Resultados
• Conclusões
Revisão Bibliográfica
• Tribologia:
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Τριβοξ (tribos) = esfregar
“Ciência e a tecnologia de superfícies interagindo em movimento relativo” (HUTCHINGS, 1992)
09/03/1966: “Tribology”, Inglaterra,“Working Group”
(JOST, 2006)
E
F
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C
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A
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G
A
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Revisão Bibliográfica
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Recobrimento com filmes finos Fonte: HOLMBERG e MATTHEWS, 2009
Revisão Bibliográfica
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Triodo Magnetron Sputtering
Catodo
Anodo
Terceiro eletrodo aterrado
Fonte: RECCO, 2008
Revisão Bibliográfica
Nitretação:
“Tratamento de endurecimento superficial no qual que se introduz nitrogênio na superfície do
aço até certa profundidade, sob ação de uma atmosfera rica em nitrogênio e a uma
determinada temperatura.”
(CHIAVERINI, 1988)
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Revisão Bibliográfica
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Camada Nitretada Camada Branca
Fonte: : O'BRIEN e GOODMAN, 1991
Revisão Bibliográfica
Nitretação a plasma
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Fonte: KURNEY et al., 1986
Revisão Bibliográfica
Porque Nitretar a plasma?
• Temperaturas mais baixas
• Tempo de tratamento menor (max. 20 h x 40-60 h)
• Melhor controle da camada branca
• Reduz empenamentos e não altera núcleo
• Uniformidade da camada
• Controle da camada
• Menor consumo de energia
• Não poluente
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Revisão Bibliográfica
• Nitretação –Suporte
• Revestimento –Reduz desgaste
–Atrito
–Corrosão
• Direto:
–Nitretação
–Recobrimento
• Conversão:
–Recobrimento
– Nitretação 27/07/2012 André Luiz Leite 16
Duplex
(MUSIL, VLECK e RUZICKA 2000)
Revisão Bibliográfica
• TiO2
–Rutilo
–Brooquita
–Anatase
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Fonte: DIEBOLD, 2003
Revisão Bibliográfica
• TiO2
– Dureza entre HV de 600 e 900 kgf/mm²
– Resistência ao desgaste limitada
– Pode servir de suporte para recobrimentos mais duros
(NIE, LEYLAND e MATTHEWS, 2000)
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Revisão Bibliográfica
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Aplicações do TiO2
Revisão Bibliográfica
Teste de adesão
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VDI 3824 HRC
Revisão Bibliográfica
• Desgaste por deslizamento
– Modos de desgaste
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CZICHOS, 2002
Revisão Bibliográfica • Desgaste por
deslizamento – Teoria de Archard
Q = “taxa” de desgaste (mm³/m)
𝜿 = constante
W = Força normal
P = Pressão normal que causa deformação plástica
Fazendo 𝑲 =𝜿
𝟑 e P = H, onde
N é a dureza, podemos reescrever:
K é o coeficiente de desgaste (adimensional)
KS = coeficiente de desgaste dimensional
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𝑸 =𝜿 ∙ 𝑾
𝟑𝑷
𝑸 =𝑲 ∙𝑾
𝑯
𝑲𝒔 =𝑲
𝑯=
𝑸
𝑾
(HUTCHINGS, 1992)
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• Objetivo
• Motivação
• Revisão Bibliográfica
•Materiais e Métodos • Resultados
• Conclusões
Materiais e Métodos
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Preparação das amostras
Materiais e Métodos
• Amostras:
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Sem tratamento
(ST)
Nitretada 10% N2 (Nit10)
Nitretada 80% N2 (Nit80)
TiO2 + Sem tratamento
(TiO2+ST)
TiO2 +
Nitretada 10%
(TiO2+Nit10)
TiO2 +
Nitretada 80% N2
(TiO2+Nit80)
Materiais e Métodos • Parâmetros de processo
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Amostras com tratamento
Parâmetros Nit10 Nit80 ST+
TiO2
Nit10+
TiO2
Nit80+
TiO2
Limpeza por
Sputtering
Tempo [ s (min)] 1200 (20) -
-
-
-
-
-
-
-
1200 (20)
Temperatura [° C] 320 320
Atmosfera H2 H2
Nitretação a
Plasma
Tempo [s (h)] 21600 (6) 21600 (6)
Temperatura [° C] 350 350
Atmosfera 10% N2 +
90% H2
80% N2 +
20% H2
10% N2 +
90% H2
80% N2 +
20% H2
Deposição por
Triodo
Magnetron
Sputtering (TMS)
Tempo deposição
[s(min)] - 9000 (150)
Temp. do substrato [° C] - 200
Material do alvo - Titânio comercialmente puro
Dist. alvo-substrato
(mm) - 115
Materiais e Métodos
Amostra sem tratamento Amostra nitretada
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Microestrutura das amostras
Materiais e Métodos
• Espessura das camadas (MEV)
• Microdureza e perfil de dureza
• Rugosidade
• Adesão: Método HRC (VDI 3824)
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Materiais e Métodos
Atrito e Desgaste Volume de Material Removido
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Perfilometria em 4 pontos da pista
Pino sobre disco
𝑽𝑴𝑹 = 𝑨 𝒑𝒊𝒔𝒕𝒂 × 𝟐𝝅𝒓𝒑𝒊𝒔𝒕𝒂
Materiais e Métodos
• Parâmetros do ensaio Pino sobre disco
– força normal: 5N;
– velocidade de deslizamento: 0,1m/s;
– distâncias percorridas: 100 m (3979 voltas, 239 rpm) e 200 m (4547 voltas, 136 rpm);
– raios de pista: 4 mm para 100m e 7 mm para 200m;
– umidade relativa do ar: entre 40% e 50%;
– contra-corpo: esfera de alumina com 6 mm de diâmetro e dureza HV 2000 kgf/mm².
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• Objetivo
• Motivação
• Revisão Bibliográfica
• Materiais e Métodos
•Resultados • Conclusões
Resultados - Adesão
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Nit10
HF 1 – HF 2
Resultados - Adesão
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Nit80
HF 2
Resultados - Adesão
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ST+TiO2
HF 3 – HF 4
Resultados - Adesão
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Nit10+TiO2
HF 1
Resultados - Adesão
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Nit80+TiO2
HF 2 – HF 3
Resultados – Espessuras de Camada
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Espessura medida (µm) Espessura média (µm)
TiO2 0,93 0,72 0,46 0,40 0,63
Nit10 1,26 0,87 1,27 1,36 1,19
Nit80 1,86 2,76 2,68 1,90 2,30
Camade de TiO2
ST+TiO2
Camada Branca
Nit10
Camada Branca
Nit80
Resultados - Microdurezas
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Amostra mHV0,5 [Gpa (kgf/mm²)] mHV0,01 [Gpa (kgf/mm²)]
ST 3,17 ± 0,05 (322,4 ± 4,7) -
Nit10 5,79 ± 0,13 (590,3 ± 13,0) 8,61 ± 0,81 (878,1 ± 82,4)
Nit80 7,04 ± 0,51 (718 ± 51,7) 11,45 ± 1,44 (1167,2 ± 147)
ST+TiO2 - 4,21 ± 0,03 (428,9 ± 31,1)
Nit10+TiO2 - 6,99 ± 0,68 (713,0 ± 69,1)
Nit80+TiO2 - 7,80 ± 1,53 (795,8 ± 156,4)
Resultados - Microdurezas
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Amostra h para mHV0,5 (µm) h para mHV0,01 (µm) Esp. Camada (µm) % da espessura
ST 10,83 - 0 N/A
Nit10 8,01 0,93 1,19 78%
Nit80 7,26 0,81 2,30 35%
ST+TiO2 - 1,33 0,63 211%
Nit10+TiO2 - 1,03 1,19 + 0,63 56% / 163%*
Nit80+TiO2 - 0,98 2,3 + 0,63 33% / 156%*
Os valores de dureza representam um valor global, camadas mais substrato
h > 10% da espessura
Resultados – Perfil de Dureza
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Resultados - Rugosidade
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Amostra Rugosidade Ra média (µm)
ST 0,070±0,038
Nit10 0,213±0,131
Nit80 0,223±0,005
ST+TiO2 0,207±0,068
Nit10+TiO2 0,145±0,047
Nit80+TiO2 0,232±0,059
Resultados – Coeficiente de Atrito
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Contra Aço AISI 52100
ST
Nit10
Nit80
TiO2 Nit80
Resultados – Coeficiente de Atrito
Contra Alumina – 100 m Contra Alumina – 200 m
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Resultados – Coeficientes de atrito
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ST – 200 m
TiO2+Nit10 – 200 m TiO2+Nit10 – 200 m TiO2+ST – 200 m
Nit80 – 200 m Nit10 – 200 m
Contra corpo de Alumina
Resultedos - Desgaste
VMR 100 m VMR 200 m
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Resultados – Desgaste
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Coeficiente de desgaste dimensional (Ks)
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 47
(a) Pista de desgaste ST x AISI 52100
(b) Adesão
(c) Abrasão
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 48
• Nit10 x AISI 52100
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 49
(a) Pista de desgaste Nit80 x AISI 52100
(b) Adesão
(c) Detalhe Adesão
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 50
(a) Pista de desgaste Nit80+TiO2 x AISI 52100
(b) Adesão
(c) Detalhe adesão
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 51
ST Nit80 Nit10
Contra-corpo de alumina – 200 m
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 52
(a) Pista de desgaste ST+TiO2 x alumina
(b) Abrasão
(c) Adesão
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 53
(a) Pista de desgaste Nit10+TiO2 x alumina
(b) Detalhe da pista
Material aderido
na borda da
pista
Abrasão
Desplacamento
Resultados – Pistas de Desgaste
27/07/2012 André Luiz Leite 54
(a) Pista de desgaste Nit80+TiO2 x alumina
(b) Detalhe pista
27/07/2012 André Luiz Leite 55
• Objetivo
• Motivação
• Revisão Bibliográfica
• Materiais e Métodos
• Resultados
•Conclusões
Conclusões
• Melhor adesão de TiO2: Duplex Nit10 + TiO2
• Pior adesão de TiO2: Deposição de TiO2 direto no aço
• Ambas nitretações formam camada branca bem aderidas
27/07/2012 André Luiz Leite 56
Conclusões
• A Nitretação causou aumento de rugosidade
• TiO2 depositado sobre aço também causou aumento da rugosidade
27/07/2012 André Luiz Leite 57
Conclusões
• A nitretação causou aumento do coeficiente de atrito (contra alumina)
• Em deslizamento contra aço, nenhum dos tratamentos causou redução do coeficiente de atrito
• A deposição de TiO2 não causou grande alteração do valor do coeficiente de atrito, apenas no duplex TiO2+Nit10 observa-se pequena redução do valor do coeficiente de atrito
27/07/2012 André Luiz Leite 58
Conclusões
• Menor coeficiente de desgaste: Nit10 (menor adesão)
• A deposição de TiO2 aumenta a resistência ao desgaste se comparada com a amostra sem tratamento
• Em nenhuma das condições foi possível um filme de TiO2 com boa resistência ao desgaste para longas distâncias
27/07/2012 André Luiz Leite 59
Conclusões
• Para aplicações onde não ocorrem “grandes distâncias de deslizamento” o duplex TiO2+Nit10 possui a melhor resistência ao desgaste e adesão.
27/07/2012 André Luiz Leite 60
Algumas referências
• STRAKA, L. et al. Effect of substrate deformation on functional properties of atomic-layer-deposited TiO2 coatings on stainless steel. Thin Solid Films, 517, 2009. 3797–3805.
• HUTCHINGS, I. M. Tribology: Friction and Wear of Engineering of Materials. 1ª. ed. Londres: Arnold, v. I, 1992.
• HOLMBERG, K.; MATTHEWS, A. Coatings Tribology Properties: Mechanisms, Techniques and Applications in Surface Engineering. 2ª. ed. Amsterdam: Elsevier, v. 56, 2009.
• O'BRIEN, J. M.; GOODMAN, D. Plasma (Ion) Nitriding of Steels. In: ASM INTERNATIONAL ASM Handbook: Heat Treating. [S.l.]: ASM Internationa, v. 4, 1991. p. 944-954
• DIEBOLD, U. The surface science of titanium dioxide. Surface Science Reports, 48, Jan. 2003. 53-229.
• VEREIN DEUTCHER INGENIEURE. VDI 3824: Quality assurance of PVD and CVD hard coatings. Düsseldorf: [s.n.], v. 4, 2001.
27/07/2012 André Luiz Leite 61
MUITO OBRIGADO
27/07/2012 André Luiz Leite 62
27/07/2012 André Luiz Leite 63
COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DO AÇO SAE 10B30 REVESTIDO COM TiO2
DEPOSITADO POR PLASMA
• Por: André Luiz Leite
• Orientador: Prof. Dr. Júlio César Giubilei Milan
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM
Dissertação de Mestrado