60ª Reunião Anual da SBPC

INTRODUÇÃO:

No mundo contemporâneo, em busca de maior competitividade, todos os olhos se voltam para dois fatores de extrema relevância: alta produtividade e o impacto ambiental, que pressupõe o comprometimento com o meio ambiente e a conservação dos recursos esgotáveis. Neste sentido, todo esforço na busca de alternativas para melhor utilização de recursos é extremamente bem vinda. A Engenharia de Superfícies é uma das mais importantes áreas de desenvolvimento na busca de soluções para aumento da vida útil de componentes de máquinas e instalações, o que pouparia grande parte do consumo mundial de materiais. Isto vale tanto para os trabalhos que envolvem novos projetos, quanto para os trabalhos de manutenção, principalmente no senso da Engenharia de Manutenção, que pretende maximizar os resultados de confiabilidade e disponibilidade de equipamentos e instalações. Quando no início da década de 30 o Dr. Max Schoop se interessou em fazer uma tinta de chumbo e inventou a idéia da aspersão, provavelmente não tivesse a dimensão do que isso se transformaria com o passar dos anos. Em 1924, Mr. William Ballard funda a empresa Metallisation na Inglaterra e a evolução, a partir daí, torna-se inexorável para a tecnologia de aspersão térmica, que hoje se faz presente em mais de cinqüenta países, em especial nos países de maior liderança industrial. Aspersão térmica é o termo genérico dado a um conjunto de processos utilizados para a deposição de revestimentos metálicos e não metálicos em vários tipos de substrato, que incluem desde aços até plásticos. Nestes processos, o material do revestimento, na forma de pó ou arame, é fundido por uma fonte de calor química ou elétrica e impulsionado, por ar comprimido ou outros gases, de encontro a uma superfície previamente preparada no que diz respeito à limpeza, rugosidade e aquecimento. As partículas aspergidas aderem ao substrato por mecanismos de natureza mecânica, química-metalúrgica e física dependendo da temperatura da fonte de calor e velocidade imposta às partículas, que pela sobreposição formam camadas de estrutura lamelar com óxidos e poros. A estrutura dos revestimentos aplicados por aspersão térmica é formada por lamelas sobrepostas, que são oriundas do espalhamento das partículas do pó fundidas, ou semi-fundidas, quando do impacto com o substrato. O revestimento é formado pela ocorrência do mesmo mecanismo nas camadas subseqüentes, pois o tempo de solidificação é muito menor que o tempo de projeção das partículas, que é de 10-2s. Outra particularidade dessa alta taxa de resfriamento é a possibilidade de revestir materiais com menores temperaturas de fusão em relação ao material do revestimento. Uma das mais importantes propriedades de um revestimento é sua resistência adesiva (ou adesão) e coesiva (ou coesão). A qualidade da adesão e da coesão são requisitos essenciais para o bom desempenho de um revestimento. De nada adianta ter uma camada com espessura ideal e livre de poros se a mesma não possuir a aderência necessária. Medir a adesão de um revestimento é importante por uma série de razões, dentre as quais pode-se citar: • poder verificar a influência das variáveis do processo ou da preparação do substrato e, deste modo, otimizar as condições para obter a resistência de adesão requerida. • poder identificar partes do revestimento que tenham uma menor resistência adesiva e partes que sejam aceitáveis. Numerosos testes podem ser usados para avaliar a resistência de adesão de um revestimento aspergido termicamente. Atualmente, o método mais utilizado é o teste de tração (tensile adhesion test). Este teste é freqüentemente usado como uma ferramenta para se determinar a influência das condições de aspersão, condições da superfície do substrato, condições de jateamento abrasivo, espessura do revestimento, entre outros fatores, na qualidade do revestimento. Os testes de tração normalizados são relativamente simples de se executar e têm sido um método amplamente usado na indústria e laboratórios. Todavia, é de extrema importância ter conhecimento das deficiências e controvérsias que existem em torno destes testes. Devido à falta de confiabilidade e de reprodutibilidade da maioria destes testes, os mesmos têm sido limitadamente úteis para caracterizar os revestimentos. Na literatura técnica são frequentemente encontrados resultados de ensaios de tração sem especificação do método empregado, o que torna praticamente impossível a comparação da qualidade dos materiais e do processo utilizado. Isso tem conduzido, nos últimos anos, a um esforço tanto a nível nacional como internacional, para permitir a unificação da metodologia empregada. Os testes de tração são métodos diretos de medição, baseados no tracionamento vertical do revestimento. Estes testes são os que apresentam maior padronização, sendo normalizados por quatro padrões principais: ASTM-C633-79 (USA), AFNOR-NF A91-202-79 (França), DIN-50-160-A-81 (Alemanha) e JIS-H8666-80 (Japão). As configurações destes testes são essencialmente as mesmas; entretanto, o projeto e dimensões dos corpos de prova, assim como as espessuras do revestimento a serem testados, são diferentes, o que acaba dificultando a comparação dos resultados entre um teste e outro. Por exemplo, a configuração do teste da ASTM C 633-79, e as outras normas têm basicamente a mesma configuração; todavia, as dimensões do substrato variam de 25.4 a 40 mm de diâmetro. Esta diferença no diâmetro do substrato resulta em uma variação da tensão próximo ao eixo de puxamento da barra de tração, isto é, a distribuição de tensão nas vizinhanças da barra de puxamento não é uniforme; desta forma os valores de adesão e suas variações podem ser diferentes para um mesmo revestimento. Outras distinções entre as normas referem-se a tamanho, forma e material do substrato. A geometria dos corpos de prova, definida pelas normas, limita a aplicação do teste, quando hoje estão sendo aspergidas geometrias mais complexas, onde o padrão normalizado do teste não tem como ser aplicado. Como a tecnologia de aspersão térmica tem coberto, cada vez mais, campos diversos de aplicação, inclusive cerâmicos e materiais de formas complexas, algumas modificações precisam ser feitas para habilitar testes de adesão a esses substratos. Outro fator problemático nos testes de adesão normalizados é que estes são limitados pela resistência adesiva do ligante (adesivo). Entre os testes de resistência adesiva normalizado existente, um dos mais utilizados é o da norma ASTM C 633-79. Seu baixo custo e praticidade justificam sua grande utilização. Conforme esta norma, os corpos de prova utilizados como substrato são cilindros de 25 mm, com 25 mm de comprimento. O ensaio, de acordo com a norma, prevê a junção do corpo de prova revestido com uma contraparte, de mesmas dimensões em aço 1020, ou do material que se deseja fazer a aspersão térmica. Para a junção, é utilizado um adesivo à base de epoxi. Após a cura do adesivo em forno para acelerar sua secagem, o conjunto montado é tracionado até que ocorra a separação. Após a ruptura, a carga máxima registrada deve ser dividida pela área da seção transversal do corpo de prova, para definir a resistência adesiva-coesiva do revestimento. Ainda segundo a norma, a camada a ser ensaiada deve ter espessura acima de 0,380 mm. Esta limitação é imposta devido ao adesivo, que pode se infiltrar no revestimento e este efeito, em camadas mais finas, pode interferir, de maneira significativa, nos resultados. O alinhamento rigoroso do dispositivo de fixação junto às garras do equipamento de tração é de extrema importância e deve ser considerado. Qualquer desvio pode levar à obtenção de resultados incorretos, devido à aplicação diferenciada da carga na área da seção transversal do revestimento. Esse aspecto tampouco recebe atenção nas normas. Durante a preparação e execução dos ensaios, todas as recomendações e exigências das normas devem ser cumpridas, aspecto de grande importância para garantir a validade dos resultados. Através dos testes de tração, é possível se avaliar a resistência adesiva/coesiva do revestimento. Nos testes de aderência por tração com o uso de adesivos, podem ocorrer três tipos de fratura, que são classificadas em função do local predominante de ruptura, como: adesiva (interface revestimento/substrato), coesiva (interior ao revestimento), no adesivo (qualquer posição no interior do adesivo ou nas suas interfaces).

METODOLOGIA:

O processo de aspersão para a execução do revestimento metálico foi a chama combustível de alta velocidade (HVOF).Os corpos de prova receberam a deposição dos seguintes materiais: STELLIT 6 PM SD 38 EFe 1342 VM. Dentre os testes de resistência adesiva normalizado existente, um dos mais utilizados é o da norma ASTM C 633-79. Seu baixo custo e praticidade justificam sua grande utilização. Conforme esta norma, os corpos de prova utilizados como substrato são cilindros de 25 mm de diâmetro, com 25 mm de comprimento de aço AISI 1020. A usinagem do dispositivo para o ensaio de aderência e os corpos de prova foi realizado em um torno universal marca Diplomat e modelo MS-220 Gold e uma fresadora CNC da marca Diplomat e modelo PETRUS DPT-50100R. O corpo do dispositivo e a furação foram realizados na fresadora CNC. Após a usinagem dos corpos de prova realizou-se a limpeza química dos mesmos. Esta limpeza consiste em um banho com desengraxante nos corpos de provas usinados para remoção de gorduras e graxas. Após o banho os corpos de prova foram secos em estufa. A preparação da superfície dos corpos de prova onde será realizada a metalização deverá sofrer limpeza mecânica (jateamento abrasivo) utilizado óxido de alumínio novo, álcool e secador. Após isso os corpos de prova foram secos e encaminhados para a realização do processo de aspersão. Para a realização dos ensaios de aderência foi necessário colar um corpo de prova com aspersão em outro sem aspersão. A cola utilizada foi Scoth Weld-DP-460 da 3M para a união dos corpos de prova. Após a aplicação do adesivo, os corpos de prova foram levados para a estufa de aquecimento por resistência para a cura dos adesivos. A temperatura da estuda foi de 25 °C e o tempo de cura foi de 100 horas, conforme especificação do fabricante da cola. A estufa utilizada foi da marca Tecnal modelo TEC 397/3. As amostras metalográficas foram preparadas conforme o estabelecido pela norma ASTM E 395. Foram embutidas em baquelite, lixadas utilizando lixas de grana 220, 320, 400, 600 e 1000, e depois polidas na seguinte seqüência: óxido de cromo 10 µn;m, óxido de alumina 2 µn;m e 0,5 µn;m. Para a revelação do contraste entre a camada aspergida e o material base foi utilizado o reagente nital 2%, que ataca apenas o material base do corpo de prova. Para a análise metalográfica foi utilizado um microscópio ótico metalúrgico Nikon Optiphot com uma câmera digital CCD, modelo KP- M1U, com um software de interface e aquisição de imagem, o Global Labimage, para analisar as imagens. Realizou imagens de topo da camada aspergida utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV), do Instituto de Química de São Carlos (IQSC – USP) da marca Zeiss-Leica e modelo 440. Os ensaios de adesão foram realizados em uma máquina de ensaio de tração EMIC à temperatura ambiente e uma velocidade de deformação de 2 mm/min ao corpo de prova, segundo a norma ASTM E 8M-00. Foram determinados os valores do limite de resistência de aderência da camada aspergida. Os ensaios de microdureza Vickers (HV) foram realizados na superfície dos corpos de prova que foram submetidos à aspersão térmica. Os corpos de prova foram cortados perpendiculares a camada aspergida. Utilizou-se um microdurômetro Buehler modelo 1600-6300, equipado com um identador Vickers e cargas de 10 a 1000 gf. A carga utilizada no ensaio de todas as amostras foi de 100 gf e com um tempo de aplicação de 15 s. Os ensaios foram realizados conforme a norma ASTM E 384-99. A eficiência deste processo foi avaliada primeiramente pela determinação da dureza superficial das amostras. A dureza superficial reportada para cada amostra foi o resultado da média de sete impressões distribuídas em toda a camada aspergida do corpo de prova.

RESULTADOS:

O dispositivo construído apresentou muito rígido durante sua calibração e execução dos ensaios e dessa forma não ocorreu nenhuma interferência do dispositivo no resultados dos ensaios de aderência. Desta forma o dispositivo desenvolvido cumpriu todas as características necessárias para a realização dos ensaios de adesão de superfícies aspergidas. O valor da microdureza da camada aspergida de ambos os materiais apresentam elevada dureza quando comparados ao material matriz dos corpos de prova. A camada de STELLIT 6 PM SD 38 EF apresentou uma dureza média de 621 HV enquanto que a camada de 1342VM apresentou uma dureza média de 1072 HV. Com a metalografia da camada aspergida conseguiu-se medir a espessura da camada. A camada de STELLIT 6 PM SD 38 EF possui uma espessura média de 430 µn m e a camada 1342 VM possui uma espessura média de 350 µn;m. Esta diferença de espessura deve-se ao fato do tempo de deposição de material ser diferentes. Ao se comparar as metalografias das camadas aspergidas de 1342 VM e de STELLIT 6 PM SD 38 EF com aumento de 500 vezes nota-se uma diferença de porosidade e também do formato dos grãos. Para o substrato de 1342 VM nota-se uma grande porosidade, como pode ser uma grande quantidade de pontos pretos. Essa porosidade se deve ao fato de que o material 1342 VM ser um nano-pó e ao ser fundido durante o processo de HVOF forma pequenas gotículas liquidas se oxidam até sair da pistola de aplicação e se aderirem na camada. Para o substrato de STELLIT 6 PM SD 38 EF nota-se a presença de uma menor porosidade. Essa baixa porosidade se deve a formação de gotas grandes durante o processo HVOF. O material depositado sobre os corpos de prova acompanha o perfil de rugosidade, fato este que pode ser observado em todas as metalografias com aumento de 100 vezes. Uma informação complementar sobre o material base do corpo de prova pode ser observada nas metalografias também. Ao fazer o ataque químico com nital 2% pode-se verificar o sentido de laminação do aço AISI 1020, que é caracterizado pelo achatamento dos grãos de ferrita e perlita (grãos escuros) durante o processo de laminação, e que não sofreram tratamento térmico de recozimento e normalização da estrutura após o processo de conformação mecânica. Os valores do ensaio de adesão para o corpo sem camada deposita por aspersão térmica foi importante para a determinação do limite de resistência da cola Scoth Weld-DP-460 da 3M que foi de 63 MPa. Dessa forma utilizando esse tipo de cola poderemos avaliar o tipo de revestimento de possua um limite de aderência inferior a 63 MPa. Os corpos de prova aspergidos com STELLIT 6 PM SD 38 EF apresentaram um limite de aderência de 54,80 MPa. A análise da superfície de fratura dos corpos de prova revelou que 20% da fratura foi no meio do revestimento e 80% na adesão da camada com o substrato da matriz. Dessa forma pode-se classificar que o tipo de fratura para os corpos de prova aspergidos com STELLIT 6PM SD 38F foi adesiva. O resultado de limite de aderência para os corpos de aspergidos com 1342 VM foi de 60,57 MPa. O se analisar a superfície de fratura observa-se que o ensaio foi um ensaio pobre, pois apresentou falha no adesivo, ou seja, mediu-se o limite de adesão da cola utilizada no experimento. Observa-se na superfície de fratura do corpo de prova que a camada aspergida nada sofreu. Dessa forma esse material aspergido possui um limite de aderência superior ao da cola que se está utilizando nesse trabalho.

CONCLUSÕES:

O dispositivo construído apresentou-se constante e sem nenhuma interferência nos ensaios. Dessa forma, ele encontra-se apto para realizar uma gama grande ensaios de aderência de substratos. A caracterização da camada possibilitou verificar a espessura, microdureza assim como o tipo de grão formado por cada material. A camada STELLIT 6 PM SD 38 EF possui uma microdureza 621 HV devido ao tamanho de grão formado. Já a camada de 1342 VM apresentou uma dureza de 1073 HV devido aos grãos serem muito pequenos e apresentar um porosidade muito maior. O revestimento aspergido 1342 VM não apresenta limite de adesão de camada, pois a cola apresenta um limite de resistência menor que a do revestimento. Deve-se trocar a composição da cola para conseguir um realizar o ensaio de aderência para esse tipo de material. O revestimento STELLIT 6 PM SD 38 EF apresentou parte de seus corpos de prova com fratura tipo de coesão, ou seja, a aderência entre as partículas do substrato rompem. Este fato se deve ao tamanho de camada, para não ocorrer mais esse tipo de fratura recomenda-se diminuir o espessura da camada aspergida. A outra parte dos ensaios apresentou um limite de adesão que ficou caracterizado pela remoção da camada da superfície do corpo de prova.

Instituição de fomento: Bolsa de iniciação científica da UNIP

Trabalho de Iniciação Científica

Palavras-chave: ensaio de adesão, HVOF, microdureza

E-mail para contato: roger_varavallo@yahoo.com.br