Estágio realizado na empresa Cruz Martins & Wahl e orientado pelo Eng.º Carlos Dias / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Esta Dissertação tem por objetivo estudar o comportamento de diferentes materiais sob a ação de desgaste micro-abrasivo. Como parte do trabalho, foi projetada e construída uma máquina de ensaio desgaste por micro-abrasão por esfera rotativa fixa, com configuração mecânica com diferenças em relação às observadas na literatura (Gee et al., 2005). Como corpos-de-prova, foram utilizadas pastilhas intercambiáveis de metal duro (classe P20) e aço ferramenta M2. As esferas foram de aço AISI 1010 cementado e aço AISI 52100 temperado e revenido. Durante os ensaios, foi inserida entre a esfera e o corpo-de-prova uma pasta abrasiva preparada com carbeto de silício preto, com tamanho médio de partícula de 5 µm. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares, com a finalidade de analisar não só o comportamento do equipamento, mas também estudar a transição entre os modos de desgaste que podem ocorrer durante o desgaste micro-abrasivo. A transição entre os modos de desgaste foi estudada em função da carga normal e dos materiais utilizados durante o ensaio. Os resultados obtidos indicaram boa reprodutibilidade do equipamento e coerência com resultados da literatura. Em seguida, em ensaios denominados definitivos, foram pesquisadas as atuações dos modos de desgaste abrasivo e a obtenção do regime permanente de desgaste. Os resultados mostraram que, com a variação da distância de deslizamento, houve alterações nas ocorrências dos modos de desgaste abrasivo. Por outro lado, em alguns ensaios, o coeficiente de desgaste tendeu a permanecer constante, o que caracteriza a obtenção do regime permanente de desgaste. Entretanto, em outros, o coeficiente de desgaste teve uma evolução aleatória com a distância de deslizamento, fornecendo indicativos de que o desgaste não entrou em regime. / This work presents a study on the behavior of different materials under the action of micro-abrasive wear. A micro-abrasive wear testing machine with fixed sphere was designed and constructed, presenting a mechanical configuration with differences with respect to those found in the literature (Gee et al., 2005). M2 tool steel and WC-Co P20 were used as testing specimen materials. Ball materials were cemented AISI 1010 steel and quenched and tempered AISI 52100 steel. During the tests, an abrasive slurry, prepared with black silicon carbide (SiC) particles (average particle size of 5 µm), was supplied to the contact between the specimen and the ball. Initially, preliminary tests were conducted to study the wear mode transitions that can occur during the micro-abrasive wear and to analyze the operational conditions of the equipment. The wear mode transitions were evaluated as a function of the applied normal load and of the materials used. The results indicated good reproducibility and qualitative agreement with those found in the litarature. Later, a new set of tests was conducted, which analyzed the evolution of the abrasive wear modes and the achievement of steady state wear as a function of sliding distance. The results indicated a continuous variation in the abrasive wear modes with sliding distance. Additionally, in some tests, the wear coefficient tended to stabilize in constant value, which characterizes the achievement of steady state regime. However, in other tests, the wear coefficient presented a non constant evolution of wear coefficient with the sliding distance, which denotes that the constant regime of wear was not obtained.

Esta Dissertação tem por objetivo estudar o comportamento de diferentes materiais sob a ação de desgaste micro-abrasivo. Como parte do trabalho, foi projetada e construída uma máquina de ensaio desgaste por micro-abrasão por esfera rotativa fixa, com configuração mecânica com diferenças em relação às observadas na literatura (Gee et al., 2005). Como corpos-de-prova, foram utilizadas pastilhas intercambiáveis de metal duro (classe P20) e aço ferramenta M2. As esferas foram de aço AISI 1010 cementado e aço AISI 52100 temperado e revenido. Durante os ensaios, foi inserida entre a esfera e o corpo-de-prova uma pasta abrasiva preparada com carbeto de silício preto, com tamanho médio de partícula de 5 µm. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares, com a finalidade de analisar não só o comportamento do equipamento, mas também estudar a transição entre os modos de desgaste que podem ocorrer durante o desgaste micro-abrasivo. A transição entre os modos de desgaste foi estudada em função da carga normal e dos materiais utilizados durante o ensaio. Os resultados obtidos indicaram boa reprodutibilidade do equipamento e coerência com resultados da literatura. Em seguida, em ensaios denominados definitivos, foram pesquisadas as atuações dos modos de desgaste abrasivo e a obtenção do regime permanente de desgaste. Os resultados mostraram que, com a variação da distância de deslizamento, houve alterações nas ocorrências dos modos de desgaste abrasivo. Por outro lado, em alguns ensaios, o coeficiente de desgaste tendeu a permanecer constante, o que caracteriza a obtenção do regime permanente de desgaste. Entretanto, em outros, o coeficiente de desgaste teve uma evolução aleatória com a distância de deslizamento, fornecendo indicativos de que o desgaste não entrou em regime. / This work presents a study on the behavior of different materials under the action of micro-abrasive wear. A micro-abrasive wear testing machine with fixed sphere was designed and constructed, presenting a mechanical configuration with differences with respect to those found in the literature (Gee et al., 2005). M2 tool steel and WC-Co P20 were used as testing specimen materials. Ball materials were cemented AISI 1010 steel and quenched and tempered AISI 52100 steel. During the tests, an abrasive slurry, prepared with black silicon carbide (SiC) particles (average particle size of 5 µm), was supplied to the contact between the specimen and the ball. Initially, preliminary tests were conducted to study the wear mode transitions that can occur during the micro-abrasive wear and to analyze the operational conditions of the equipment. The wear mode transitions were evaluated as a function of the applied normal load and of the materials used. The results indicated good reproducibility and qualitative agreement with those found in the litarature. Later, a new set of tests was conducted, which analyzed the evolution of the abrasive wear modes and the achievement of steady state wear as a function of sliding distance. The results indicated a continuous variation in the abrasive wear modes with sliding distance. Additionally, in some tests, the wear coefficient tended to stabilize in constant value, which characterizes the achievement of steady state regime. However, in other tests, the wear coefficient presented a non constant evolution of wear coefficient with the sliding distance, which denotes that the constant regime of wear was not obtained.

Este trabalho apresenta uma análise das condições de soldagem sobre o desgaste abrasivo de um revestimento duro. O revestimento foi feito pela deposição metálica por arco submerso variando os parâmetros de soldagem e utilizando fluxos comerciais. Foram utilizados dois conjuntos de parâmetros de soldagem (conjunto 01 com velocidade de soldagem de 55 cm/min, extensão do eletrodo de 35,0 mm, tensão de 30V, corrente de 450A e o conjunto 02 com velocidade de soldagem de 50 cm/min, extensão do eletrodo de 25,5 mm, tensão do arco de 26V e corrente de 440A) e quatro fluxos comerciais (identificados como E, M, L e R) formando assim oito condições de soldagem. Foram feitas duas camadas com três cordões de solda cada sobre uma chapa base de aço SAE 1020. Corrente contínua com polaridade direta (CC-) foi utilizada em ambas condições. A resistência ao desgaste abrasivo a baixa-tensão foi avaliada pelo ensaio de desgaste do tipo Roda de borracha/areia seca conforme a norma ASTM G65-94. A análise microestrutural foi feita por microscopia óptica e a análise da região desgastada por microscopia eletrônica de varredura. A resistência ao desgaste abrasivo dos revestimentos do conjunto 01 foi superior em comparação com os revestimentos do conjunto 02, para todos os fluxos utilizados. Os fluxos E e R proporcionaram os melhores desempenho e a martensita de agulhas foi a microestrutura com a qual foram obtidos os melhores resultados de desgaste abrasivo a baixa-tensão neste estudo realizado. / This work presents an analysis of the welding conditions and its effects in the abrasive wear of hardfacings. The hardfacings were obtained by submerged arc surfacing. The welding variables were changed and the commercials fluxes were used. Two groups of welding variables were used (group 01: a traveI speed of 55 cm/min, an electrode extension of 35,0 mm, a voltage of 30V and an amperage of 450A; group 02: a traveI speed of 50 cm/min, an electrode extension of 25,0 mm, a voltage of 26V and an amperage of 440A) and four commercials fluxes (E, M, L e R designated) establishing eight welding conditions. Double-Iayered ot three beads were deposited (applied) on a SAE 1020 base metal plate. Direct current electrode negative polarity (CC-) were used in both groups of welding. The low stress abrasion resistance evaluation was carried out by dry sand/rubber wheel apparatus according to the ASTM G65-94. The microstructural analysis were done by optical microscopy and the worn surface analysis were done by scanning electronic microscopy. The abrasion resistance of the group 01 was superior as compared to the group 02, independent of the fluxe was used. The fluxes E and R presented the best results and the befter abrasion resistant microstructure was lath martensite.

O desgaste abrasivo de dois aços austeníticos ao manganês, materiais com grande utilização na mineração, foi estudado empregando metodologia multiescala (escalas: macro, meso e micro). Na macroescala foram estudados os mecanismos de dano e de desgaste de revestimento de britador utilizado em campo. Na mesoescala foram realizados ensaios de britador de mandíbula e de esclerometria linear. Na microescala o ensaio de esclerometria linear foi utilizado para avaliar os efeitos da camada encruada em campo e da orientação cristalográfica dos grãos austeníticos dos aços com 12 %Mn e 20 %Mn. As técnicas de caracterização utilizadas nesta pesquisa foram: macro e microdureza, nanodureza instrumentada, MO, MEV, DRX, EBSD, FIB e MET. A pesquisa foi dividida em três Capítulos, intitulados: \"Desgaste abrasivo dos aços austeníticos com 12 %Mn e 20 %Mn via ensaio de britador de mandíbula\"; \"Efeito do encruamento e da orientação cristalográfica no desgaste por riscamento dos aços austeníticos 12 %Mn e 20 %Mn\"; e \"Microestrutura da subsuperfície do aço austenítico com 12 %Mn deformado por desgaste abrasivo\". O primeiro Capítulo mostrou, a partir do ensaio de britador de mandíbulas (mesoescala), que o aço com 20 %Mn tem tendência de maior resistência ao desgaste que o aço com 12 %Mn. Este resultado foi obtido para a mandíbula fixa do britador, na qual a severidade de desgaste foi superior a mandíbula móvel, por apresentar microcorte e microsulcamento como micromecanismos predominantes, enquanto na mandíbula móvel o micromecanismo predominante foi a microendentação. No segundo Capítulo observou-se que o desgaste por riscamento (mesoescala e microescala) não depende do perfil de encruamento gerado em campo. Entretanto, foi identificado o efeito da orientação cristalográfica, planos (001), (111) e (101), no desgaste por riscamento dos aços com 12 %Mn e 20 %Mn. No último Capítulo a análise multiescala mostrou que a microestrutura deformada na subsuperfície sofre alterações semelhantes em diferentes intensidades. Nas três escalas de análise foram observadas uma camada com grãos ultrafinos (nanométricos), na subsuperfície, e uma de transição com maclas de deformação. A formação dos grãos ultrafinos foi associada à recristalização dinâmica por deformação plástica, na qual faz parte do mecanismo de auto reparação superficial. Além dos resultados apresentados, o desenvolvimento desta pesquisa de doutorado permitiu a elaboração de duas metodologias: i. análise do efeito da orientação cristalográfica no desgaste por microesclerometria; e ii. análise de microestrutura revelada por ataque iônico - FIB. / The abrasive wear of two manganese austenitic steels, materials broadly used in mining industry, was studied using multiscale methodology (scales: macro, meso and micro). In the macroscale the mechanisms of damage and wear of in-service crusher liner were studied. In the mesoscale, jaw crusher and linear scratch tests were performed. In the microscale the linear scratch test was used to evaluate the effects of the hardening layer and the crystallographic orientation of the austenitic grains of steels with 12 %Mn and 20 %Mn. The characterization techniques used in this research were: macro and microhardness, instrumented nanohardness, OM, MEV, DRX, EBSD, FIB and TEM. The research was divided into three chapters, entitled: \"Abrasive wear of steels with 12 %Mn and 20 %Mn via jaw crusher test\"; \"The effect of the in-service workhardening and crystallographic orientation on the micro-scratch wear of austenitic steels with 12 %Mn and 20 %Mn\"; and \"Subsurface microstructure of the deformed austenitic steel with 12 %Mn by abrasive wear\". The first chapter showed, from the jaw crusher tests (i.e. mesoscale), that the steel with 20 %Mn tends to be more wear resistant than the steel with 12 %Mn. This result was obtained to the fixed jaw crusher, in which the wear severity was superior to the movable jaw, since it presents microcutting and microploughing as predominant micromechanisms, whereas in the mobile jaw the predominant micromechanism was microendentation. In the second chapter, it was observed that scratch wear (i.e. meso and microscale) does not depend on the in-service work-hardening profile. However, it was identified the effect of crystallographic orientation, (001), (111) and (101) planes, on the scratch wear of the steels with 12% Mn and 20% Mn. In the last chapter, the multiscale analysis showed that the subsurface deformed microstructure changes with different intensities. At the three analysis scales, a layer with ultrafine grains was observed in the subsurface and mechanical twins. The formation of this layer, with nanometric grains, was associated with dynamic recrystallization by plastic deformation, in which it is part of the self healing effect. In addition to the results found, the development of this doctoral research allowed for the elaboration of two methodologies: i. Analysis of the effect of crystallographic orientation on the scratch wear; and ii. Microstructure analysis revealed by ion etching - FIB.

Esta Dissertação de Mestrado tem como Objetivo estudar a influência da tangente delta, envelhecimento termomecânico e força no comportamento de uma borracha de polibutadieno baixo cis perante o desgaste abrasivo através de experimentos em roda de borracha, utilizando planejamento fatorial completo em dois níveis (DOE 2k). A literatura possui muitas informações em relação à força indicando uma relação exponencial com a taxa de desgaste, todavia em relação à tangente delta e ao envelhecimento termomecânico quase não há dados. Ao final do trabalho foi possível verificar que todos os fatores estudados são significativos com relação ao desgaste da borracha, sendo a força a variável com maior influência, seguida pelo envelhecimento. A histerese medida pela tangente delta, apesar de ser um fator importante, só exerce influência no desgaste quando a borracha se encontra no estado envelhecido. Além disto, este trabalho também apresenta informações complementares sobre propriedades que são características da borracha e pouco difundidos, como o smearing, características de ondas de abrasão (abrasion pattern), comprimento de onda (Schallamach wavelength) e ondas de destacamento (waves of detachment). / This goal of this Master thesis is the study the influence of loss factor, thermomechanical aging and applied load to the abrasion behavior of low cis polibutadiene rubber through rubber wheel testing machine experiments using 2k factorial experiment design in two levels (DOE 2k). The literature has many information involving action of force showing exponential relationship between wear rate with applied load, almost no data related to the influence of loss factor and the thermomechanical aging. It was observed that all the studied factors are significant to the wear of rubber, the force being the variable with the greatest influence, followed by aging. The loss factor, despite being an important factor, only influences the wear behavior of aged rubber. In addition, this work presents some information regarding to the typical properties only for rubber and rubber products, such as smearing, abrasion pattern and Schallamach wavelength.

Visando-se a avaliação do desempenho de um sistema de nitretação por plasma que se construiu bem como a determinação da influência das variáveis do processo sobre o desempenho das camadas nitretadas ionicamente, foram nitretadas amostras do aço \"maraging\" com a seguinte composição: Fe - 18Ni - 4.2Mo - 12.3Co - 1.7Ti - 0.15Al - 0.03C. Foram variadas as seguintes condições de processo: tempo, temperatura, freqüência do pulso e condição de tratamento térmico prévio. Foram realizadas análises metalográficas, difração de raios-X, microdureza e ensaios de abrasão do tipo \"pino-sobre-disco\" para caracterização das camadas obtidas. O equipamento de nitretação apresentou excelente desempenho no tratamento das amostras utilizadas e o aço \"maraging\", excelente resposta ao tratamento de nitretação. O tempo de tratamento de 3 horas produziu as camadas mais resistentes à abrasão. Os tratamentos com corrente contínua produziram resistências à abrasão superiores às obtidas com corrente pulsada. As amostras nitretadas após o envelhecimento apresentaram resistências superiores às envelhecidas simultaneamente com a nitretação. / Pursuing the evaluation and performance of a nitration system via plasma for us constructed, as well as the determination of the influence of variables of the process on the performance of ionically nitrated layers, it was nitrated maraging steel samples with the next compositions: Fe -18Ni - 4,2Mo - 12,3Co - 1,7Ti - 0,15AI- 0,03C. The following processing conditions were modified: time, temperature, pulse frequency end previous thermal treatment condition. Metallografic analyses, X-ray diffraction, microhardness and pin-on-dick type abrasion test were practised on samples for characterization of their layers. The nitration equipment had excellent performance in the treatment of samples used while the \"maraging\" steel showed excellent answer to the nitration treatment. A treatment time of three hours produced the more resistant layers to abrasion. The treatments with continuous current produced abrasion resistance higher than in treatment with pulsed current post-aged nitrated samples showed higher resistances than those aged during the nitration.

Este trabalho apresenta uma análise das condições de soldagem sobre o desgaste abrasivo de um revestimento duro. O revestimento foi feito pela deposição metálica por arco submerso variando os parâmetros de soldagem e utilizando fluxos comerciais. Foram utilizados dois conjuntos de parâmetros de soldagem (conjunto 01 com velocidade de soldagem de 55 cm/min, extensão do eletrodo de 35,0 mm, tensão de 30V, corrente de 450A e o conjunto 02 com velocidade de soldagem de 50 cm/min, extensão do eletrodo de 25,5 mm, tensão do arco de 26V e corrente de 440A) e quatro fluxos comerciais (identificados como E, M, L e R) formando assim oito condições de soldagem. Foram feitas duas camadas com três cordões de solda cada sobre uma chapa base de aço SAE 1020. Corrente contínua com polaridade direta (CC-) foi utilizada em ambas condições. A resistência ao desgaste abrasivo a baixa-tensão foi avaliada pelo ensaio de desgaste do tipo Roda de borracha/areia seca conforme a norma ASTM G65-94. A análise microestrutural foi feita por microscopia óptica e a análise da região desgastada por microscopia eletrônica de varredura. A resistência ao desgaste abrasivo dos revestimentos do conjunto 01 foi superior em comparação com os revestimentos do conjunto 02, para todos os fluxos utilizados. Os fluxos E e R proporcionaram os melhores desempenho e a martensita de agulhas foi a microestrutura com a qual foram obtidos os melhores resultados de desgaste abrasivo a baixa-tensão neste estudo realizado. / This work presents an analysis of the welding conditions and its effects in the abrasive wear of hardfacings. The hardfacings were obtained by submerged arc surfacing. The welding variables were changed and the commercials fluxes were used. Two groups of welding variables were used (group 01: a traveI speed of 55 cm/min, an electrode extension of 35,0 mm, a voltage of 30V and an amperage of 450A; group 02: a traveI speed of 50 cm/min, an electrode extension of 25,0 mm, a voltage of 26V and an amperage of 440A) and four commercials fluxes (E, M, L e R designated) establishing eight welding conditions. Double-Iayered ot three beads were deposited (applied) on a SAE 1020 base metal plate. Direct current electrode negative polarity (CC-) were used in both groups of welding. The low stress abrasion resistance evaluation was carried out by dry sand/rubber wheel apparatus according to the ASTM G65-94. The microstructural analysis were done by optical microscopy and the worn surface analysis were done by scanning electronic microscopy. The abrasion resistance of the group 01 was superior as compared to the group 02, independent of the fluxe was used. The fluxes E and R presented the best results and the befter abrasion resistant microstructure was lath martensite.

Concebido há milhares de anos, o forjamento passa por melhorias contínuas, mantendo-se como um processo de fabricação moderno, capaz de agregar características importantes a produtos forjados que são utilizados em inúmeras aplicações. Na indústria automobilística, responsável pelo consumo de cerca de 60% de todos os produtos forjados, o forjamento mostrou-se como um processo de conformação plástica eficaz no atendimento das especificações de resistência mecânica e nos quesitos de produtividade. Esta demanda por produtos forjados estimulou a busca por processos mais robustos, nos quais as ferramentas de forjamento possuem papel fundamental para possibilitar a produção de lotes maiores sem paradas de máquina devido a falhas. Cerca de 70% das falhas estão relacionadas ao desgaste das ferramentas. Este trabalho buscou identificar no ambiente industrial, os modos de desgaste responsáveis pela degradação da superfície de contato de um punção, fabricado em aço H-10. Um conjunto de punções foi utilizado no forjamento a quente em prensa mecânica excêntrica horizontal e automática de múltiplos estágios, que utiliza água na refrigeração das ferramentas, durante a fabricação de porcas de roda, em aço SAE 1045. Os resultados obtidos basearam-se: (i) nas análises da superfície e da seção transversal de seis punções em microscópio eletrônico de varredura, (ii) na análise da nanodureza e (iii) na variação dimensional e da massa dos punções. Os resultados apontaram para o desgaste da superfície dos punções logo nas primeiras peças forjadas devido à transferência de óxidos do blank para a superfície da ferramenta. Nesta camada transferida para a superfície dos punções, foram encontrados danos causados pelo desgaste abrasivo e pela fadiga térmica. / Since the initial development, thousands of years ago, forging has faced continuous improvements, remaining as a modern manufacturing process, capable of adding important characteristics to forged products that are used in numerous applications. In the automotive industry, responsible for the consumption of approximately 60% of all forged products, the forging has proved to be an effective metal forming process in terms of mechanical strength specifications and productivity requirements. This demand for forged parts has stimulated the search for more robust processes in which the forging tool has a fundamental role to enable the production of larger batches without downtime due to failures. Approximately 70% of these failures are related to tool wear. This work aimed identifying, in an industrial environmental, the wear modes responsible for the degradation of the contact surface of a punch, made of H-10 steel. A series of punches was used for hot forging in a horizontal and automatic multi-stage eccentric mechanical press which uses water for tool cooling, during the manufacture of wheel nuts, made of SAE 1045 steel. Results were based: (i) on the analysis of the surface and cross section of six punches in a scanning electronic microscope, (ii) on nanohardness analyses and (iii) as well as on mass and dimensional variations. Results pointed to the punch wear in the first forged pieces, due to oxides transferring from blank to the punch surface. On this transferred layer to punch surface, have also found damage caused by abrasive wear and thermal fatigue.

O objetivo desta pesquisa é realizar um estudo sobre o desgaste abrasivo do ferro fundido branco alto cromo de acordo com a norma ASTM A532 II D, submetidas à diferentes faixas de temperatura de austenitização, decompondo a faixa de 950 a 1.150 ºC, amplamente usada nas fundições, em intervalos de 50 ºC. Esta liga foi escolhida para estudo em virtude de sua extensa aplicação na indústria de mineração, possuindo como principal característica a utilização em revestimentos de moinhos e martelos de britadores, onde a resistência ao desgaste abrasivo é exigida. Os corpos de prova foram caracterizados através de análise química, dureza, e estrutura metalográfica, avaliando as mudanças na microestrutura, e consequentemente, alterações nas propriedades de resistência ao desgaste abrasivo do material. Na avaliação das amostras, foi utilizada a microscopia ótica e, para simular a condição de desgaste abrasivo, determinando a perda de massa, foi empregando o abrasômetro do tipo roda de borracha, seguindo a norma ASTM G65. Os testes práticos demostraram que o ciclo de temperatura é uma etapa importante na determinação da dureza, que por sua vez, é uma característica fundamental à resistência ao desgaste abrasivo, visto que para o material estudado, quanto maior a dureza, maior foi a resistência ao desgaste abrasivo. / The objective of this research is to perform a study on the abrasive wear of high chromium white cast iron according to ASTM A532 II D, submitted to different austenitizing temperatures, in the range of 950 to 1150 ºC with 50 ºC steps, widely used in foundries. This alloy was chosen for study because of its extensive application in the mining industry, having as main characteristic the use in mill and hammer coatings of crushers where abrasive wear resistance is required. The specimens were characterized by chemical analysis, hardness, and metallographic analysis, evaluating the changes in the microstructure, and consequently changes in the abrasive wear properties of the material. In the evaluation of the samples, optical microscopy was used and, to simulate the abrasive wear condition, determining the mass loss, the rubber wheel type abrasive test was used, following the ASTM G65 standard. The practical tests demonstrated that the temperature cycle is an important step in determining the hardness, which in turn is a fundamental characteristic to the abrasive wear resistance, since for the material studied, the higher the hardness, the higher the resistance to abrasive wear.