Desgaste abrasivo é definido por (ZUMGAHR, 1987) como a perda de material entre superfícies que apresentam um movimento relativo, produzido pela introdução de partículas duras nesse contato ou por asperidades duras presentes na superfície do contracorpo. Essas partículas duras podem ser oriundas do material em uso, de fragmentos provenientes do processo de desgaste ou da contaminação acidental por uma fonte externa.
O ensaio de microabrasão foi proposto na década de 1990 para avaliar a resistência à abrasão através da formação e monitoramento de uma calota esférica na amostra causada pela
presença de uma lama abrasiva entre um contracorpo esférico girante e a amostra sob a ação de uma carga normal (RUTHERFORD; HUTCHINGS, 1996).
A classificação do desgaste microabrasivo ocorre em função da dinâmica da partícula abrasiva no contato (TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999; ADACHI; HUTCHINGS, 2003). O mecanismo de desgaste microabrasivo definido por o deslizamento, ocorre quando partículas abrasivas presentes na interface do contato deslizam entre a superfície do corpo e do contra corpo ocasionando sulcos e riscos. Já o desgaste abrasivo por rolamento ocorre quando as partículas abrasivas rolam no contato, causando uma série de microindentações na superfície de ambos os corpos. Também é relatado na literatura a ocorrência de mecanismos de desgaste mistos. Trezona; Allsopp e Hutchings (1999) observaram que eventualmente pode ocorrer que parte dos abrasivos rolem no contato entre as superfícies e parte das partículas deslizem; nesse caso ocorre um misto de riscos/sulcos e microindentações na superfície do corpo.
Em microabrasão, a dinâmica da partícula abrasiva é definida basicamente em função da concentração de partículas no fluido abrasivo, da carga aplicada, da forma da partícula abrasiva, da severidade do contato (S) e da dureza relativa entre o corpo (Hc) e o contracorpo (He), (He/Hc) conforme (ADACHI; HUTCHINGS, 2003). A severidade do contato (S) é calculada de forma empírica e dependente de alguns fatores como: área do contato entre a amostra e a esfera; concentração de abrasivos na interface, durezas das superfícies e carga aplicada (ADACHI; HUTCHINGS, 2003). A Figura 2.4 mostra a relação entre carga, concentração de abrasivos e dinâmica da partícula para dois abrasivos com diferentes durezas.
Figura 2.4: (a) Dinâmica da partícula em função da carga e da fração volumétrica de abrasivos distintos no fluido em um teste de microabrasão, (a) diamante com uma partícula de Ø = ±3,0
µm e (b) SiC com Ø= ±4,25 µm (adaptado de (TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999)).
Observa-se na Figura 2.4 que para altas cargas e/ou baixas concentrações de abrasivo o mecanismo predominante é o deslizamento das partículas. Baixas cargas e/ou altas concentrações de abrasivo resultam no rolamento das partículas no contato. Para concentrações e cargas intermediárias, ocorre um misto entre os dois mecanismos de desgaste. Porém, para o abrasivo SiC, a região dentro da qual ocorre o regime misto de mecanismos reduz consideravelmente quando comparado com o abrasivo diamante (TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999).
A Figura 2.55 apresenta resultados para ensaios microabrasivos realizados com um aço ferramenta, em que se avaliou a variação do volume de desgaste com a concentração de SiC, para diferentes cargas normais. Verifica-se uma relação não linear entre o volume desgastado da amostra e a fração volumétrica de abrasivos. Um máximo no volume removido foi observado para concentração de abrasivo na faixa de 0,03 - 0,06. As setas marcadas na Figura 2.4 representam as regiões de transição entre o mecanismo de deslizamento e o rolamento. O volume desgastado para as baixas concentrações de lama abrasiva é praticamente independente da carga, mostrando-se dependente apenas da concentração dos abrasivos. Ainda na Figura 2.5, dentro da faixa onde ocorre o mecanismo de desgaste abrasivo por deslizamento, para uma mesma carga normal, observa-se que um aumento na concentração também eleva o volume desgastado (TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999).
Figura 2.5: Valores de volume de desgaste em função de concentração de abrasivo e carga aplicada, após 30 m de deslizamento para ensaios microabrasivos (SiC com uma partícula de Ø= ±4,25 µm) (TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999).
Os referidos autores também observaram que, na região propícia ao rolamento de abrasivos, um aumento na concentração de abrasivo causa uma diminuição no volume de desgaste. Para um mesmo valor de carga aplicada, observou-se os maiores valores de desgaste para as frações volumétricas intermediárias, sendo que tais concentrações resultam num mecanismo de desgaste misto (TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999).
A razão entre a dureza da partícula abrasiva (Ha) e a da superfície desgastada (Hs), (Ha/Hs) interfere diretamente nos níveis (moderado e severo) de desgaste abrasivo. Esta razão é denominada severidade de abrasão (ZUMGAHR, 1998). O referido autor observou que quando a dureza do abrasivo é menor ou próxima à da superfície (Ha/Hs≤1), as partículas se deterioram e o regime de desgaste é moderado. Em condições onde a dureza do abrasivo é maior que a dureza da superfície, o regime de desgaste será severo, o qual apresenta elevadas taxas de desgaste. Hutchings (1992) salientou que devido às pressões de contato, as tensões de escoamento da superfície ou da partícula abrasiva podem ser ultrapassadas. A superfície pode se deformar plasticamente caso a partícula suporte a pressão de contato sem se deformar, porém se esta falhar por deformação plástica ou fratura, os níveis de deformação plástica sofrido pela superfície serão bem menores. Esta pressão de contato pode ser compreendida como a resistência oferecida pela superfície à penetração do abrasivo.
Rutherford; Hutchings (1997) usaram o ensaio de microabrasão por esfera rotativa para avaliar tribologicamente revestimentos, mensurando a espessura do revestimento e a resistência à abrasão do revestimento e do substrato. Para os ensaios de microabrasão existem
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,0001 0,001 0,01 0,1 1
Fração volumétrica do abrasivo
Vo lu m e de d es ga ste (mm ³) 10-5 0,25 N 0,5 N 1,0 N
duas configurações de equipamentos possíveis, sendo uma por esfera livre e outra por esfera fixa. Em ambos os métodos, a rotação do motor é controlada de forma a promover o movimento da esfera. Simultaneamente, ocorre o gotejamento do fluxo abrasivo sobre a amostra. Devido às características do ensaio, o contracorpo esférico imprime sobre a superfície da amostra uma calota esférica, a partir da qual é possível se determinar o volume de material desgastado. Para materiais homogêneos e não revestidos, o volume de desgaste pode ser calculado em função da distância total de deslizamento e da força normal atuante no contato. Este modelo está descrito na literatura (RUTHERFORD; HUTCHINGS, 1997; TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999) conforme Eq. 2.1:
V=k.S. N (2.1) V - Volume de desgaste [m3];
k - Coeficiente de desgaste [m3(N.m)-1];
S - Distância total de deslizamento [m]; N - Força normal no contato [N].
A resistência ao desgaste abrasivo é definida por k-1 expressa em [(N.m)m-3], sendo
limitada a situações onde o volume de desgaste é diretamente proporcional à carga aplicada e à distância percorrida (RUTHERFORD; HUTCHINGS, 1997; TREZONA; ALLSOPP; HUTCHINGS, 1999). Considerando-se que a amostra apresente uma superfície plana, o volume de desgaste pode ser calculado em função das dimensões da calota esférica formada durante o ensaio, segundo as simplificações apresentadas nas Eq. 2.2 e 2.3:
V≈
64𝑅𝜋𝑏2para h<< R (2.2)V≈ 𝜋.h
2.Rpara b<<R (2.3)
b - Diâmetro da calota; h - Profundidade da calota; R - Raio da esfera.