Papers by Nathan Fantecelle Strey
O atrito do par cerâmico Si3N4-Al2O3 lubrificado com água foi investigado visando atingir o regim... more O atrito do par cerâmico Si3N4-Al2O3 lubrificado com água foi investigado visando atingir o regime de ultra baixo coeficiente de atrito (UBCA), µ < 0,01. Ensaios tribológicos foram realizados na configuração esfera de Si3N4 contra disco de Al2O3, sob carga de 25,6 N, velocidade 1 m/s, raio da circunferência da pista de desgaste de 17 mm e lubrificado com água deionizada. O valor de µ em estado estacionário atingiu 0,004. Análises de topografia superficial, imagens via MEV e análise química via EDS das superfícies desgastadas foram realizadas a fim de explicar os mecanismos que levam a um atrito tão baixo. Superfícies de desgaste extremamente lisas foram obtidas como resultado de um polimento triboquímico e um tribofilme rico em silício foi formado na superfície de desgaste dos discos de Al2O3. Acredita-se que ambos os fenômenos são condicionantes para o estabelecimento do regime de UBCA no deslizamento do par cerâmico Si3N4-Al2O3 lubrificado com água.
Tribological behavior of Si3N4 balls sliding against Al2O3 discs in water was investigated by stu... more Tribological behavior of Si3N4 balls sliding against Al2O3 discs in water was investigated by studying the influence of parameters such as initial surface roughness and circular axial run-out of the discs. The objective was to relate these parameters with the occurrence of the phenomenon known as ultra-low friction coefficient (ULFC), which is characterized by µ < 0.01, including the correlation with running-in duration. As a general trend, greater initial surface roughness and circular axial run-out resulted in greater running-in duration. In addition, it was verified that a mixed lubrication regime (hydrodynamic and boundary) is required to guarantee the occurrence of ULFC by comparing the calculated minimum film thickness with the composite roughness of the worn surfaces. Also, ICQ-OES analysis of the water after the tests indicated that a silicon concentration greater than 1.3 mg/l should be fundamental for the occurrence of µ < 0.01.
Resumo: O comportamento tribológico de pares cerâmicos dissimilares quando em deslizamento lubrif... more Resumo: O comportamento tribológico de pares cerâmicos dissimilares quando em deslizamento lubrificado à água foi investigado. Dentre as motivações para o estudo, destaca-se a escassez da literatura neste assunto específico, além da importância tecnológica desta classe de materiais na busca de sistemas tribológicos mais eficientes, com menor atrito e desgaste. Os ensaios foram feitos na configuração esfera sobre disco, utilizando diversas combinações de materiais cerâmicos dissimilares (Si3N4, SiC, Al2O3, ZrO2 e ZTA). Após os ensaios, as superfícies desgastadas foram caracterizadas via microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Esferas de Si3N4 deslizando contra discos de SiC, Al2O3 e ZTA e esferas de cerâmicos óxidos (Al2O3 e ZrO2) deslizando contra SiC apresentaram o fenômeno de ultra baixo coeficiente de atrito (UBCA, μ<0,01), desgaste moderado e aspecto superficial polido. Quando esferas de ZrO2 deslizam contra Al2O3 ou ZTA não ocorre UBCA, entretanto, transições entre mecanismos de desgaste moderado e severo são observadas em função da carga normal ou velocidade de deslizamento, respectivamente. Assim, lubrificação eficaz utilizando água foi obtida em combinações de materiais até então não reportadas na literatura, enquanto que em outras combinações não se alcançou uma lubrificação adequada. Pelo menos um dos cerâmicos em deslizamento teve de ser a base de silício (Si3N4 ou SiC) para que o regime ideal de lubrificação fosse alcançado. Palavras-chave: cerâmicos de engenharia, desgaste por deslizamento, lubrificação com água, ultra baixo coeficiente de atrito. 1. INTRODUÇÃO É de suma importância a redução do consumo energético e dos impactos ambientais nas diversas atividades realizadas pelo homem, haja vista a quantidade limitada de recursos naturais disponíveis no planeta. Neste contexto, problemas de carácter tribológico representam uma limitação na busca por sistemas e processos mais eficientes. A título de exemplo, Holmberg e Erdemir (2014) estimaram que cerca de 20% de toda energia produzida no mundo é usada para superar a energia dissipada por atrito. O estudo também aponta que a implementação de soluções tribológicas já existentes pode reduzir de 10% a 20% estas perdas. Soluções tribológicas utilizando materiais ou revestimentos cerâmicos de engenharia já são comuns em diversas aplicações onde, geralmente estão submetidos às condições severas de carga, velocidade e temperatura. Também, são utilizados em componentes tribológicos que trabalham sem lubrificação e ainda com restritas tolerâncias quanto a folgas e ajustes. Nas últimas três décadas, estuda-se também a possibilidade de lubrificação de cerâmicos com água, objeto de estudo do presente trabalho, que em determinadas condições apresentam um coeficiente de atrito (μ) muito baixo e possuem uma imensa vantagem no quesito impacto ambiental, em relação aos tradicionais pares tribológicos metálicos lubrificados com óleo. O nível de coeficiente de atrito alcançado por estes sistemas tribológicos foi definido por Ferreira et al. (2012) como ultra baixo coeficiente de atrito (UBCA). Aplicações viáveis para estes sistemas incluem faces rotativas para selos mecânicos, mancais de deslizamento etc., componentes utilizados em compressores e bombas, por exemplo. O histórico da lubrificação de cerâmicos com água começa com Tomizawa e Fischer (1987), que reportaram coeficientes de atrito da ordem dos milésimos quando deslizando um par similar de nitreto de silício (Si3N4) na configuração tribológica esfera sobre disco. Anderson (1992) também obteve lubrificação com baixo coeficiente de atrito utilizando outros pares cerâmicos na configuração pino sobre disco em água, dentre eles SiC e SiAlON. Wong et al. (1998) desenvolveram mapas de atrito para quatro pares cerâmicos similares, determinando as condições de carga e velocidade nas quais era possível lubrificar com água de forma adequada. De uma maneira geral, cerâmicos a base de silício (SiC e Si3N4) foram superiores aos cerâmicos óxidos (Al2O3 e ZrO2). Apesar do grande esforço científico já empregado na investigação da lubrificação de cerâmicos com água, o estudo do deslizamento de pares dissimilares é escasso. Na literatura, Anderson (1992) e Ferreira et al. (2012) são alguns dos poucos exemplos encontrados. O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento tribológico de diversos pares cerâmicos dissimilares deslizando em água, comparando a performance de cada par no ensaio esfera sobre disco.
Proceedings of the 68th ABM International Annual Congress, Jul 30, 2013
Em ensaios de desgaste por deslizamento de aços, ocorrem transições entre regimes de desgaste mod... more Em ensaios de desgaste por deslizamento de aços, ocorrem transições entre regimes de desgaste moderado e severo em função da carga normal, velocidade de deslizamento, umidade, temperatura, entre outros fatores. Coeficientes de desgaste dimensional variam, em média, entre 10-5 mm³/N.m e 10-3 mm³/N.m, dependendo do tribossistema. No presente trabalho, foi investigada a influência da carga normal no modo de desgaste dos aços AISI 1020 e AISI 4340, na configuração tribológica pino-disco, sem lubrificação e à temperatura ambiente. Os materiais dos pinos foram o aço AISI 1020 e 4340, enquanto que os discos o aço AISI 1020. A caracterização das amostras foi feita antes e após os ensaios, através do uso de microscópio estereoscópico, analisador tridimensional de superfície e microscópio eletrônico de varredura (MEV), além da medição de microdureza e de perda de massa via gravimétrica. Em adição, o comportamento do coeficiente de atrito em função do tempo foi investigado, com identificação de um regime de running-in para os casos estudados. Os pinos de AISI 1020 sofreram desgaste superior aos pinos de AISI 4340 e, em ambos os pares estudados, foi observado uma transição do modo de desgaste moderado-severo com o aumento da carga normal.
Palavras chave: AISI 1020, AISI 4340, desgaste por deslizamento, carga normal.
In sliding wear tests of steels, transitions happen between the moderate and severe wear regimes as a function of the normal load, sliding speed, humidity, temperature, between other factors. Dimensional wear coefficients range, in average, between 10-5 mm³/N.m and 10-3 mm³/N.m, depending on the tribosystem. In this work, the influence of the normal load in the way the AISI 1020 and AISI 4340 steel wears was evaluated, using a pin-on-disc configuration, without lubrification and at ambient temperature. The pin materials were AISI 1020 and 4340 steel, meanwhile the discs material was AISI 1020 steel. The sample’s characterization was done before and after the essays, through the use of a stereo microscope, a three-dimensional surface analyzer and a scanning electron microscope (SEM). Measurement of hardness and mass loss were also performed. In addition, the friction coefficient versus time behavior was investigated, with identification of a running-in regime for the studied cases. The AISI 1020 pins worn more than the AISI 4340 pins and, in both studied pairs, it was observed a moderate-severe wear regime transition with the increase of normal load.
Keywords: AISI 1020, AISI 4340, sliding wear, normal load.
Thesis Chapters by Nathan Fantecelle Strey
Sob determinadas condições, o deslizamento de cerâmicos lubrificados com água apresenta ultrabaix... more Sob determinadas condições, o deslizamento de cerâmicos lubrificados com água apresenta ultrabaixo coeficiente de atrito (μ<0,01), o que caracteriza um estado de superlubricidade. A elevada capacidade de carga e eficiência energética destes tribossistemas, além do reduzido impacto ambiental, são características superiores aos tradicionais pares tribológicos metálicos lubrificados a óleo. Pares similares de nitreto de silício (Si3N4) ou carbeto de silício (SiC) foram amplamente estudados e são apontados como os de melhor performance tribológica, enquanto que pares similares de cerâmicos óxidos, como alumina (Al2O3) e zircônia (ZrO2), geralmente apresentam baixo desempenho (baixa capacidade de carga e alto coeficiente de atrito) em condições de lubrificação com água. A literatura é escassa no que se refere aos pares cerâmicos dissimilares deslizando em água e, também, quanto à natureza do fenômeno de superlubricidade. Neste contexto, uma investigação do comportamento tribológico de sete diferentes combinações de cerâmicos dissimilares, óxidos (Al2O3, ZrO2 e alumina tenacificada por zircônia - ZTA) e não-óxidos (Si3N4 e SiC), na configuração esfera sobre disco foi realizada com o objetivo de identificar pares de materiais e condições operacionais onde superlubricidade ocorre, assim como determinar mecanismos de desgaste e regimes de lubrificação vigentes. No estudo de lubrificação, a verificação experimental de um modelo que considera efeitos da topografia superficial e de forças interfaciais de dupla camada elétrica foi realizado. Dos sete pares estudados, cinco apresentaram superlubricidade (Si3N4-SiC, Si3N4- Al2O3, Si3N4-ZTA, Al2O3-SiC e ZrO2-SiC), sendo que para os últimos três não havia relatos na literatura. Em uma ampla faixa de cargas e velocidades, os dois outros pares (ZrO2-Al2O3 e ZrO2-ZTA) apresentaram transições entre regimes de desgaste moderado e severo, com respectivas transições no comportamento do atrito. Quanto à pressão média de contato, parâmetro que pode ser interpretado como a capacidade de carga de um mancal, o par ZrO2-SiC foi superior, com a magnitude pelo menos duas vezes maior que os demais pares. Da verificação do modelo de lubrificação, concluiu-se que todos os pares que apresentaram superlubricidade operaram em regime de lubrificação mista. De modo geral, a sustentação hidrodinâmica, auxiliada por efeitos da topografia superficial, foi importante na capacidade de carga do filme lubrificante, enquanto que forças eletrocinéticas de dupla camada elétrica foram desprezíveis. Para estes pares, mecanismos de desgaste triboquímicos propiciaram a formação de tribofilmes nas superfícies em deslizamento. A manutenção de coeficientes de atrito tão baixos, mesmo em regime de lubrificação mista, suporta a ideia de que tribofilmes são imprescindíveis para a ocorrência do fenômeno.
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Palavras chave: AISI 1020, AISI 4340, desgaste por deslizamento, carga normal.
In sliding wear tests of steels, transitions happen between the moderate and severe wear regimes as a function of the normal load, sliding speed, humidity, temperature, between other factors. Dimensional wear coefficients range, in average, between 10-5 mm³/N.m and 10-3 mm³/N.m, depending on the tribosystem. In this work, the influence of the normal load in the way the AISI 1020 and AISI 4340 steel wears was evaluated, using a pin-on-disc configuration, without lubrification and at ambient temperature. The pin materials were AISI 1020 and 4340 steel, meanwhile the discs material was AISI 1020 steel. The sample’s characterization was done before and after the essays, through the use of a stereo microscope, a three-dimensional surface analyzer and a scanning electron microscope (SEM). Measurement of hardness and mass loss were also performed. In addition, the friction coefficient versus time behavior was investigated, with identification of a running-in regime for the studied cases. The AISI 1020 pins worn more than the AISI 4340 pins and, in both studied pairs, it was observed a moderate-severe wear regime transition with the increase of normal load.
Keywords: AISI 1020, AISI 4340, sliding wear, normal load.
Thesis Chapters by Nathan Fantecelle Strey
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Palavras chave: AISI 1020, AISI 4340, desgaste por deslizamento, carga normal.
In sliding wear tests of steels, transitions happen between the moderate and severe wear regimes as a function of the normal load, sliding speed, humidity, temperature, between other factors. Dimensional wear coefficients range, in average, between 10-5 mm³/N.m and 10-3 mm³/N.m, depending on the tribosystem. In this work, the influence of the normal load in the way the AISI 1020 and AISI 4340 steel wears was evaluated, using a pin-on-disc configuration, without lubrification and at ambient temperature. The pin materials were AISI 1020 and 4340 steel, meanwhile the discs material was AISI 1020 steel. The sample’s characterization was done before and after the essays, through the use of a stereo microscope, a three-dimensional surface analyzer and a scanning electron microscope (SEM). Measurement of hardness and mass loss were also performed. In addition, the friction coefficient versus time behavior was investigated, with identification of a running-in regime for the studied cases. The AISI 1020 pins worn more than the AISI 4340 pins and, in both studied pairs, it was observed a moderate-severe wear regime transition with the increase of normal load.
Keywords: AISI 1020, AISI 4340, sliding wear, normal load.