R. R. F. Zeferino - LFS - USP

VIII Encontro de Iniciação Científica do LFS
03­04 maio de 2007, 36­43
Efeito da pressão de contato em ensaios de micro­abrasão de wc­co p20
R.R.F. Zeferino, R.C. Cozza, R.M. Souza, D.K. Tanaka
Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo – USP.
E­mail para contato: raony.zeferino@poli.usp.br
Resumo
Recentemente, os ensaios de desgaste micro­abrasivo por esfera rotativa vêm alcançando uma grande
repercussão em universidades e centros de pesquisa, devido a grande capacidade que oferecem em analisar o
comportamento ao desgaste micro­abrasivo de materiais. Na literatura, são encontradas pesquisas conduzidas
com força normal constante, fazendo com que, durante o ensaio, a pressão de contato atuante no sistema
corpo­de­prova/partículas abrasivas/ esfera, diminua gradativamente. Em ensaio sob força constante (pressão
de contato não­constante), havendo a atuação de desgaste micro­abrasivo por riscamento, a gradativa
diminuição da pressão de contato faz com que a participação desse modo de desgaste diminua com o tempo.
Neste trabalho, os ensaios foram conduzidos sob pressão de contato constante. O objetivo do mesmo é
analisar a influência da pressão de contato (“constante” e “não­constante”) sob a atuação dos modos de
desgaste abrasivo. Os ensaios foram realizados com esferas de aço AISI 52100 e corpos­de­prova de WC­Co
P20. A lama abrasiva foi preparada com partículas de carbeto de silício (SiC) preto e água destilada. Os
resultados foram analisados com base nos gráficos de A R /A T em função do tempo de ensaio. Para a condição
de pressão de contato constante, foi observada uma área A R maior, quando comparado à condição de pressão
de contato não­constante. Além disso, para a condição de pressão de contato constante, a completa transição
de desgaste abrasivo por riscamento para desgaste abrasivo por rolamento ocorreu em um tempo maior de
ensaio, em relação a pressão de contato não­constante.
Palavras­chave: Ensaio de desgaste micro­abrasivo, pressão de contato, modos de desgaste abrasivo,
desgaste abrasivo por riscamento, desgaste abrasivo por rolamento.
Resumen
Recientemente, el ensayo de desgaste abrasivo en escala micrométrica ha alcanzado una gran aceptación en
universidades y centros de investigación, debido a la capacidad que ofrece para analizar el comportamiento
abrasivo de un amplio número de materiales. Los trabajos en abrasión bajo escala micrométrica disponibles
en la literatura, muestran investigaciones realizadas con fuerza normal constante, esto tiene como
consecuencia que durante el ensayo la presión de contacto que actúa en el sistema probeta/abrasivo/esfera
disminuya gradualmente. En ensayos con fuerza contaste (presión de contacto variable), donde se produce
desgaste por rayadura en escala micrométrica, la disminución gradual de la presión de contacto resulta en
una reducción con el tiempo de la participación de ese método de desgaste. En este trabajo, los ensayos
fueron realizados utilizando presión de contacto constante. El objetivo de este trabajo es analizar la
influencia de la presión de contacto (constante o variable) bajo la acción de los métodos de desgaste
abrasivo. Los ensayos fueron realizados con esferas de acero AISI 52100 y probetas de WC­Co P20. El lodo
abrasivo fue preparado con partículas de carburo de silicio (SiC) negro y agua destilada. Los resultados
fueron analizados utilizando los gráficos A R /A T en función del tiempo de ensayo. Para la condición de
presión de contacto constante, fue observada una área A R mayor que para la condición de presión de
contacto variable. Además, para la condición de presión de contacto constante, la transición completa de
desgaste abrasivo por rayadura para desgaste abrasivo por rodamiento, ocurrió en un tiempo mayor de

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ensayo en relación a la presión de contacto variable.
Palabras clave: Ensayo de desgaste abrasivo en escala micrométrica, presión de contacto, Microabrasión,
desgaste abrasivo por rayaduram, desgaste abrasivo por rodamiento
1. INTRODUÇÃO
O ensaio de desgaste micro­abrasivo por esfera rotativa foi desenvolvido no meio industrial
(Cozza et al., 2006), para a medição das espessuras de filmes finos. Devido ao seu potencial
científico (Kusano e Hutchings, 2005), o mesmo vem sendo utilizado por universidades e institutos
de pesquisa, em estudos sobre o desgaste abrasivo de materiais metálicos (Cozza et al., 2005;
Cozza, 2006; Trezona et al., 1999) e não­metálicos (Batista et al., 2001; Batista et al., 2002a, b;
Bello e Wood, 2005; Bose e Wood, 2005; Kattamis et al., 1994; Mergler e Huis in ‘t Veld, 2003;
Rutherford e Hutchings, 1996).
Esse tipo de ensaio consiste no desgaste de um corpo­de­prova gerado por uma esfera em
movimento de rotação e por partículas abrasivas (Baptista et al., 2000), inseridas entre o corpo­deprova
e a esfera, durante o ensaio. São geradas calotas esféricas, também chamadas de crateras de
desgaste e, a análise destas, permite a avaliação do comportamento ao desgaste abrasivo do material
em estudo.
Dois modos de desgaste são observados em ensaios de desgaste micro­abrasivo por esfera
rotativa: desgaste abrasivo por riscamento e desgaste abrasivo por rolamento. O desgaste abrasivo
por riscamento resulta quando as partículas abrasivas deslizam na região de contato entre a esfera e
o corpo­de­prova, e o desgaste abrasivo por rolamento ocorre quando as partículas abrasivas rolam.
A pressão de contato desenvolvida durante os ensaios pode ser calculada pela Equação 1:
F
A
N
P = (1)
T
onde A T = πd 2 /4 é a área projetada total da cratera de desgaste; d é o diâmetro da cratera de
desgaste.
Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência da pressão de contato (constante e nãoconstante)
sob a transição entre os modos de desgaste abrasivo.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Equipamento de ensaio de desgaste por micro­abrasão
Para os ensaios de desgaste micro­abrasivo, utilizou­se a Máquina de Ensaio de Desgaste
Micro­Abrasivo por Esfera Rotativa Fixa ­ Modelo LFS 2005, utilizada nos trabalhos de Cozza
et al. (2005) e Cozza (2006). A Figura 1 mostra o equipamento utilizado.
A força normal (F N ) é responsável pelo contato entre a esfera e o corpo­de­prova. Durante os
ensaios, um composto abrasivo é inserido de maneira intermitente entre a esfera e o corpo­de­prova.
A força tangencial, F T , também chamada de força de atrito, é gerada por conseqüência do contato
entre a esfera, o corpo­de­prova e o composto abrasivo.

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REDUTOR
EIXO + ESFERA
MOTOR TRIFÁSICO
PORTA AMOSTRA
Figura 1. Máquina de Ensaio de Desgaste por Micro­Abrasão ­ Modelo LFS 2005 (Cozza et al., 2005;
Cozza, 2006).
2.2. Materiais
MESA DE TRANSLAÇÃO +
SIST. POSIÇÃO HORIZONTAL +
SIST. POSIÇÃO VERTICAL
Neste trabalho, os corpos­de­prova foram de metal duro (WC­Co) classe ISO P20. Para a análise
de sua microestrutura, exibida na Figura 2 a), um corpo­de­prova foi embutido em baquelita e
lixado. Em seguida, o mesmo foi submetido ao processo de polimento. O ataque químico da
superfície foi realizado com MURAKAMI, composto por 10 gramas de ferrocianeto de potássio
(K 3 Fe(CN) 6 ), 10 gramas de hidróxido de potássio (KOH) e 100 ml de água destilada.
Foram utilizadas esferas de diâmetro 25,4 mm (1”). O material das mesmas foi aço AISI 52100
temperado e revenido e, para a análise de sua microestrutura, exposta na Figura 2 b), o material foi
lixado, obedecendo a seguinte seqüência de lixas: grão 220, 320, 400 e 600. Em seguida, a
superfície foi polida com pastas diamantadas de diferentes granulometrias, na ordem de 6, 3 e
0,25 µm. A última etapa foi o ataque químico da superfície com Nital 3 %.
a) b)
Figura 2. Microestrutura do (a) WC­Co P20 e do (b) aço AISI 52100 temperado e revenido. Imagens
obtidas por microscopia óptica (Microscópio óptico OLYMPUS BX60M).
A pasta abrasiva foi preparada com carbeto de silício preto SiC 1000, comercial de grau técnico,
da Alcoa (Izhevskyi et al., 2004) e água destilada. A Figura 3 a) mostra uma micrografia eletrônica
de varredura do abrasivo utilizado, e a Figura 3 b), sua distribuição granulométrica. Essa

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distribuição foi obtida a laser, utilizando o equipamento Granulometer 1064 ­ CILAS, de fabricação
francesa (Izhevskyi et al., 2004).
a) b)
Figura 3. (a) Micrografia eletrônica de varredura do pó abrasivo SiC 1000 (Izhevskyi et al., 2004); (b)
distribuição granulométrica (Izhevskyi et al., 2004).
Para o cálculo da dureza do SiC 1000, uma porção do material foi sinterizada. Dez indentações
Vickers foram conduzidas sob uma carga de 50 N e tempo de 15 s (Izhevskyi et al., 2004). Com os
mesmos valores de força e tempo adotados por Izhevskyi et al. (2004), foram medidas as durezas
Vickers do WC­Co P20 e do aço AISI 52100, em um Durômetro Vickers VMT­7, fabricado pela
Buehler. De forma aleatória, foram realizadas treze indentações na superfície de cada material.
Após os ensaios, descartou­se o valor de dureza obtido na primeira indentação. Em seguida, a
dureza do material foi determinada pela média aritmética dos dez valores mais próximos entre si.
A Tabela 1 reúne os valores das durezas dos materiais utilizados (corpos­de­prova, esferas de
ensaio e material abrasivo). Originalmente, as unidades de todos os valores de dureza estavam em
HV. Posteriormente, os valores foram convertidos para GPa.
2.3. Procedimento experimental
Tabela 1. Dureza dos materiais utilizados nos ensaios.
Material
Dureza [GPa]
Corpo­de­prova WC­Co P20 11,7
Esfera de ensaio Aço AISI 52100 8,4
Partículas abrasivas SiC 18,5 ­ 19
As Tabelas 2 e 3 apresentam as condições de ensaios definidas para as situações de pressão de
contato “constante” e “não­constante”, respectivamente.
Tabela 2: Parâmetros definidos para os ensaios sob pressão de contato não­constante.
ENSAIO SOB FORÇA
CONSTANTE
1 2 3 4 5 6
Força constante (N) 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
Velocidade de rotação da esfera
(rpm)
37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6
Distância de deslizamento (m) 8 15 20 25 35 40
Tempo de ensaio 2 min 40 s 5 min 6 min 40 s 8 min 20 s 11 min 40 s 13 min 20 s
Gotejamento da lama abrasiva 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s

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Tabela 3: Parâmetros definidos para os ensaios sob pressão de contato constante.
ENSAIO SOB PRESSÃO
CONSTANTE
1 2 3 4 5 6
Pressão fixada (N/mm²) 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73
Velocidade de rotação da esfera
(rpm)
37,6 37,6 37,6 37,6 37,6 37,6
Distância de deslizamento (m) 8 15 20 25 35 40
Tempo de ensaio 2 min 40 s 5 min 6 min 40 s 8 min 20 s 11 min 40 s 13 min 20 s
Gotejamento da lama abrasiva 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s 1 gota/10s
O gotejamento da lama abrasiva foi realizado manualmente, por meio de um conta­gotas. Foi
definida uma concentração de lama abrasiva, conforme a Tabela 4. As duas colunas da esquerda
mostram as porcentagens, em volume, de SiC e água destilada para a concentração. Na coluna da
direita, está a massa de SiC por unidade de volume de água destilada (g SiC /cm 3 H 2 O Destilada).
% SiC
(em volume)
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Tabela 4. Concentração da lama abrasiva.
% Água Destilada g SiC
3
(em volume) cm
25 75 1,045
H 2O Destilada
A Figura 4 apresenta a definição de A R e A T , onde A R é a área de atuação de desgaste abrasivo
por riscamento e A T a área projetada total da cratera de desgaste.
A R
A T
Figura 4. Definição de A R e A T .
Para a condição de contato constante, a Figura 5 ilustra o comportamento da pressão de contato
experimental. No final de cada ensaio, a área da cratera era calculada, e a força normal era
reajustada de modo a se obter uma pressão 3% superior à pressão fixada. O valor de 3% foi
determinado experimentalmente, recebendo o nome de “coeficiente de ajuste”, pois a finalidade do
mesmo foi ajustar a curva da pressão de contato experimental, de modo que a mesma oscilasse em
torno da curva teórica.
Na Figura 6, nota­se que a relação A R /A T , para um mesmo tempo de ensaio, foi maior para a
condição de pressão de contato constante. Esse resultado mostra que, para a condição de pressão
constante, houve uma atuação maior de desgaste abrasivo por riscamento.

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Figura 5. Pressão de contato constante. Curvas teórica e experimental.
Na Figura 6, tem­se o gráfico da relação A R /A T em função do tempo de ensaio.
Figura 6. Gráfico de A R /A T em função do tempo de ensaio.
Conforme o ensaio é conduzido, a área da calota aumenta gradativamente, fazendo com que
haja também, um maior quantidade de partículas entre a esfera e o corpo­de­prova. Na condição de
pressão de contato não­constante (força normal constante), com o aumento da quantidade de
partículas abrasivas, a força normal atuando em cada uma delas é menor. Por outro lado, na
condição de pressão de contato constante, mesmo com o aumento da quantidade de partículas
abrasivas, há o aumento da força normal, necessária para manter a pressão constante. Isso faz com
que não haja a diminuição da força normal atuando em cada partícula abrasiva.
Futuras pesquisas ainda são necessárias, mas a diferença de valores da relação A R /A T para as
condições de pressão constante e não constante, pode estar relacionada a força normal atuante nas
partículas abrasivas.
A força normal, constante para pressão não­constante e gradativamente maior para se manter
a pressão constante, também influenciou a transição entre os modos de desgaste abrasivo. Na
condição de pressão de contato não­constante, a transição ocorreu para um tempo menor
(aproximadamente 500 s).

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4. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos neste trabalho indicam que:
O fato da pressão de contato ser “fixa” ou “variável” influência a atuação do desgaste abrasivo
por riscamento. Na condição de pressão de contato constante, A R foi maior do que na condição de
condição de pressão de contato não­constante.
O fato da pressão de contato ser “fixa” ou “variável” influência a transição entre os modos de
desgaste abrasivo. Na condição de pressão de contato não­constante, a transição entre os modos de
desgaste ocorreu primeiro, aproximadamente para 500 s de ensaio.
O fato da força normal atuante em cada partícula abrasiva ser maior na condição de pressão de
contato constante, pôde ter influenciado a atuação do desgaste abrasivo por riscamento e a transição
entre os modos de desgaste.
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