O objetivo deste trabalho foi realizar uma comparação entre diversas combinações de ligas metálicas e cerâmicas utilizando testes de cisalhamento com interface plana, a fim de se determinar a resistência de união entre os materiais. Confeccionaram-se ao todo, 176 corpos de prova cilíndricos com 6,0mm de diâmetro, 6,0mm de altura de metal e 1,5mm de porcelana. Utilizaram-se ligas de ouro, paládio-prata, níquel-cromo e titânio, além de seis diferentes cerâmicas. Do total, 160 corpos de prova foram submetidos a testes de cisalhamento. Os restantes 16 corpos de prova, quatro para cada liga, foram seccionados em seu longo eixo e submetidos à microscopia eletrônica de varredura e análises EDS (difração de raiosx)para medição da camada de interface e caracterização dos elementos presentes na referida camada e definição do tipo de fratura. Os resultados mostraram que a liga de ouro apresentou os melhores resultados de resistência de união (41,66MPa), seguida pela liga de níquel-cromo (37,41MPa), paládio-prata (36,51MPa) e titânio (29,62MPa) respectivamente. Os exames de microscopia eletrônica e EDS mostraram que, para as combinações metal/porcelana que apresentaram os melhores resultados, a quantidade de porcelana aderente após os testes era maior (43% - AuPt, 37,7% - NiCr, 35,3% - PdAg) do que nas que apresentaram os piores resultados (Ti – 20,9%). O tipo de fratura foi definido como misto, uma combinação de fratura adesiva e coesiva. As combinações que apresentaram interfaces mais espessas tiveram menores resultados de resistência de união. / The objective of this study was to compare the porcelain-to-metal bonding of various ceramic and metal combinations, using shear planar interface tests. Four alloys (gold, palladium -silver, nickel-chromium and titanium) were used to produce 176 metal patterns that were covered with six different porcelains. One hundred and sixty specimens were shear tested and the remaining sixteen were examined by EDS analisys to calculate the interface dimentions. According the results the gold alloy showed the best porcelain-to-metal bonding results (41.66Mpa), followed by palladium-silver (37.41Mpa), nickel-chromium (36.51Mpa) and titanium (29.62Mpa). The results of EDS analisys showed that the best bonding results were from the groups that had more adherent porcelain after the shear tests. The fracture type was defined as mixed, or a combination of adhesive and coesive failures. The interface was measured and the results were 37.98µm for the AuPt alloy, 31.30µm for the PdAg alloy, 39.29µm for the NiCr alloy and 87.13µm for the Ti alloy. The groups that had the largest interface (>60-70µm) showed the lowest shear bond strength results.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

O objetivo deste trabalho foi realizar uma comparação entre diversas combinações de ligas metálicas e cerâmicas utilizando testes de cisalhamento com interface plana, a fim de se determinar a resistência de união entre os materiais. Confeccionaram-se ao todo, 176 corpos de prova cilíndricos com 6,0mm de diâmetro, 6,0mm de altura de metal e 1,5mm de porcelana. Utilizaram-se ligas de ouro, paládio-prata, níquel-cromo e titânio, além de seis diferentes cerâmicas. Do total, 160 corpos de prova foram submetidos a testes de cisalhamento. Os restantes 16 corpos de prova, quatro para cada liga, foram seccionados em seu longo eixo e submetidos à microscopia eletrônica de varredura e análises EDS (difração de raiosx)para medição da camada de interface e caracterização dos elementos presentes na referida camada e definição do tipo de fratura. Os resultados mostraram que a liga de ouro apresentou os melhores resultados de resistência de união (41,66MPa), seguida pela liga de níquel-cromo (37,41MPa), paládio-prata (36,51MPa) e titânio (29,62MPa) respectivamente. Os exames de microscopia eletrônica e EDS mostraram que, para as combinações metal/porcelana que apresentaram os melhores resultados, a quantidade de porcelana aderente após os testes era maior (43% - AuPt, 37,7% - NiCr, 35,3% - PdAg) do que nas que apresentaram os piores resultados (Ti – 20,9%). O tipo de fratura foi definido como misto, uma combinação de fratura adesiva e coesiva. As combinações que apresentaram interfaces mais espessas tiveram menores resultados de resistência de união. / The objective of this study was to compare the porcelain-to-metal bonding of various ceramic and metal combinations, using shear planar interface tests. Four alloys (gold, palladium -silver, nickel-chromium and titanium) were used to produce 176 metal patterns that were covered with six different porcelains. One hundred and sixty specimens were shear tested and the remaining sixteen were examined by EDS analisys to calculate the interface dimentions. According the results the gold alloy showed the best porcelain-to-metal bonding results (41.66Mpa), followed by palladium-silver (37.41Mpa), nickel-chromium (36.51Mpa) and titanium (29.62Mpa). The results of EDS analisys showed that the best bonding results were from the groups that had more adherent porcelain after the shear tests. The fracture type was defined as mixed, or a combination of adhesive and coesive failures. The interface was measured and the results were 37.98µm for the AuPt alloy, 31.30µm for the PdAg alloy, 39.29µm for the NiCr alloy and 87.13µm for the Ti alloy. The groups that had the largest interface (>60-70µm) showed the lowest shear bond strength results.

Submitted by Marcele Costal de Castro (costalcastro@gmail.com) on 2017-12-14T13:05:21Z No. of bitstreams: 1 MARIA DA CONCEIÇÃO BARBOSA VIEIRA SOARES D.pdf: 7820788 bytes, checksum: 8508cf257a678320eed219e7cd7d8efa (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-14T13:05:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARIA DA CONCEIÇÃO BARBOSA VIEIRA SOARES D.pdf: 7820788 bytes, checksum: 8508cf257a678320eed219e7cd7d8efa (MD5) Previous issue date: 1998 / Tensões residuais compressivas podem ser introduzidas na superfície de componentes mecânicos através de processos de fabricação como tratamentos térmicos, autofretagem e jateamento por partículas. Em geral estas tensões residuais são benéficas e aumentam a resistência do material à fratura, à iniciação e ao crescimento de trinca. Neste trabalho as tensões residuais induzidas pelo processo de jateamento por partículas em quatro ligas metálicas, de diferentes estruturas cristalinas e sob diversas condições de jateamento foram obtidas por difração de nêutrons. O fator de intensificação de tensões K destas tensões residuais foi determinado pelo método dos elementos finitos e da função ponderação utilizando como modelo para o método de elementos finitos uma placa contendo uma trinca lateral. O efeito da aplicação simultânea da tensão residual e de tensão remota no fator de intensificação de tensões K foi avaliado. O processo de jateamento por partículas melhorou a resistência ao trincamento na maioria dos materiais estudados. O efeito de sobreposição de trinca também foi considerado, para determinação correta dos valores de intensificação de tensões K. O trabalho investiga também a influência do processo de jateamento por partículas na vida em fadiga de baixo ciclo, sob condições de controle de deslocamento e dobramento em quatro pontos, de uma superliga de níquel (Waspaloy). Avaliação microestrutural por microscopia ótica e eletrônica foi efetuada para auxiliar na determinação das causas do modo de fratura intergranular à temperatura ambiente. / Compressive residual stresses are beneficial and improve resistance to fracture and crack growth. Residual stresses can be introduced in fabricated components by a variety of means and a number of methods such as surface treatments, cold expanded hole and shot peening. Neutrons diffraction measurements of residual stresses induced by shot peening on four metallic materials under different intensity conditions were performed at nuclear reactor. The stress intensit>' factor K of residual stress was evaluated by finite element modelling and weight function method. Finite element modelling of a plate with a single edge-notch was applied: The stress intensity factor K was evaluated for both case of remote stress and residual stress. Shot peenning significantly improved the resistance of cracking on almost all materials in the present investigation. Crack surface overlapping, which is physically unacceptable, was noted for small cracks under residual and boundary loading. Overlap correction was proposed and applied in order to obtain reliable values for K. Low cycle fatigue experiments of peened and unpeened specimens of Waspaloy were performed under displacement control and four point bend. A microstructural evaluation by optical and electron microscopy was done in order to find the causes of intergranular fracture at room temperature.

Tem-se na indústria da fundição de metais ferrosos o desafio de se produzir diferentes ligas de aço e ferro fundido com composições químicas diversas. As empresas possuem uma gama ampla de sucatas e adições disponíveis para realizar seus processos, e diversas composições de escórias são possíveis de serem alcançadas, diversificando as eficiências metálicas a cada corrida. O presente trabalho objetiva desenvolver três modelos inéditos, a saber, de rendimento metálico, de carregamento do forno e de otimização da composição química final do banho, com a intenção de auxiliar no planejamento de corridas. Também são apresentados indicadores de custo-benefício e de capacidade de suprimento de elementos de liga para fornecer critérios práticos às tomadas de decisão envolvendo as etapas de produção. Com os modelos desenvolvidos, foram obtidos resultados de eficiência metálica com patamares similares às estimativas de eficiência da prática na indústria. Os resultados de carregamento se mostraram melhores em termos econômicos, e tanto este modelo quanto o de otimização da composição resultaram em corridas tecnicamente equivalentes às práticas encontradas na indústria. / The challenge of producing different steel alloys and cast iron in various chemical compositions is verified in the foundry industry. Companies have a wide range of scraps and additions available to perform their processes, and various slag compositions are possible to be achieved, diversifying the metallic efficiencies in each tap. This work intends to develop three unpublished models, namely metallic yield, furnace loading and optimization of the final chemical composition, aiming to assist the planning of foundry process. Indicators of cost-effective and supply capacity of alloying elements are also presented to provide practical criteria for decision making involving their steps. Results were obtained with efficiencies similar to estimates of metallic efficiency in the practice of the industry. Its charging results proved best in economic terms, and both this model and the optimization of the composition resulted in taps technically equivalent to the practices found in the industry.

Tem-se na indústria da fundição de metais ferrosos o desafio de se produzir diferentes ligas de aço e ferro fundido com composições químicas diversas. As empresas possuem uma gama ampla de sucatas e adições disponíveis para realizar seus processos, e diversas composições de escórias são possíveis de serem alcançadas, diversificando as eficiências metálicas a cada corrida. O presente trabalho objetiva desenvolver três modelos inéditos, a saber, de rendimento metálico, de carregamento do forno e de otimização da composição química final do banho, com a intenção de auxiliar no planejamento de corridas. Também são apresentados indicadores de custo-benefício e de capacidade de suprimento de elementos de liga para fornecer critérios práticos às tomadas de decisão envolvendo as etapas de produção. Com os modelos desenvolvidos, foram obtidos resultados de eficiência metálica com patamares similares às estimativas de eficiência da prática na indústria. Os resultados de carregamento se mostraram melhores em termos econômicos, e tanto este modelo quanto o de otimização da composição resultaram em corridas tecnicamente equivalentes às práticas encontradas na indústria. / The challenge of producing different steel alloys and cast iron in various chemical compositions is verified in the foundry industry. Companies have a wide range of scraps and additions available to perform their processes, and various slag compositions are possible to be achieved, diversifying the metallic efficiencies in each tap. This work intends to develop three unpublished models, namely metallic yield, furnace loading and optimization of the final chemical composition, aiming to assist the planning of foundry process. Indicators of cost-effective and supply capacity of alloying elements are also presented to provide practical criteria for decision making involving their steps. Results were obtained with efficiencies similar to estimates of metallic efficiency in the practice of the industry. Its charging results proved best in economic terms, and both this model and the optimization of the composition resulted in taps technically equivalent to the practices found in the industry.

O presente trabalho apresenta a avaliação comparativa do comportamento ao desgaste adesivo das ligas metálicas Stellite 6 e Colmonoy 56, aplicadas como revestimento resistente ao desgaste em diferentes combinações nos pares de corpos-de-prova ensaiados em laboratório segundo a norma técnica ASTM G-77. Procurou-se assim simular a condição mais crítica de operação, a qual um mancal dianteiro de deslizamento instalado internamente em uma extrusora monorosca está submetido, ou seja, contato metal-metal sem lubrificação. Uma vez que os resultados obtidos em laboratório indicaram o par com melhor desempenho em resposta às solicitações de desgaste adesivo, foram então, revestidas as superfícies das peças de um mancal de deslizamento e instaladas em uma extrusora monorosca para execução do teste de campo em condições normais de operação. A liga Colmonoy 56 utilizada em conjunto com a liga Stellite 6 mostrou ter uma vida útil maior ao desgaste por deslizamento do que o par de ligas Stellite 6 / Stellite 6. Os resultados indicaram ainda que quando o mecanismo predominante de desgaste por deslizamento é o adesivo, a compatibilidade metalúrgica entre as ligas metálicas que se atritam é um fator que influencia fortemente a resistência ao desgaste das superfícies em contato. Assim sendo, o par Colmonoy 56 / Stellite 6 apresentou uma menor compatibilidade metalúrgica (menor solubilidade mútua) melhorando o deslizamento devido a menor adesão entre as ligas. Outro fator que pôde ser constatado como de influência para a diminuição da taxa de desgaste foi à presença de alta concentração de cristais de boretos de cromo, que possuem dureza semelhante à do diamante, e também a presença de outros constituintes duros como carbonetos de cromo distribuídos na microestrutura do Colmonoy 56. Nos testes de campo, foi confirmado um significativo aumento da durabilidade do mancal em operação substituindo o par tribológico Stellite 6 / Stellite 6 pelo par Colmonoy 56 / Stellite 6. / This work shows a comparative evaluation of the adhesive wear behavior of metallic alloys Stellite 6 and Colmonoy 56 applied as a wear resistant coating in different combinations in pairs of specimens tested in the laboratory according to technical standard ASTM G-77. We attempted to simulate then the most critical operating condition to which a sliding front bearing installed internally in a single screw extruder is subjected, i.e., metal to metal contact without lubrication. Since the results obtained in the laboratory indicated the par with the best performance in terms of response to adhesive wear were then coated surfaces of the parts of a sliding front bearing and after they were installed in a single screw extruder for run the field test in normal operation. The alloy Colmonoy 56 used in conjunction with alloy Stellite 6 proved to have a longer life than the pair of alloy Stellite 6 / Stellite 6 to sliding wear. The results also indicated that when the predominant mechanism of sliding wear is the adhesive, the metallurgical compatibility between the metal alloys that are rubbing each other is a factor that strongly influences the wear resistance of the surfaces in contact. Thus, the pair Colmonoy 56 / Stellite 6 demonstrated a lower metallurgical compatibility (mutual solubility smaller), improving the sliding between the alloys due to the lower adhesion between the alloy. Another factor found to influence to decrease the wear rate was the presence of high concentrations of crystals of borides of chromium, which have similar hardness to diamond and also the presence of other hard constituents, such as chromium carbides distributed in the microstructure of the Colmonoy 56. In field tests, it was confirmed a significant increase in the durability of the bearing under normal operation replacing the tribological pair Stellite 6 / Stellite 6 by tribological pair Colmonoy 56 / Stellite 6.

O presente trabalho apresenta a avaliação comparativa do comportamento ao desgaste adesivo das ligas metálicas Stellite 6 e Colmonoy 56, aplicadas como revestimento resistente ao desgaste em diferentes combinações nos pares de corpos-de-prova ensaiados em laboratório segundo a norma técnica ASTM G-77. Procurou-se assim simular a condição mais crítica de operação, a qual um mancal dianteiro de deslizamento instalado internamente em uma extrusora monorosca está submetido, ou seja, contato metal-metal sem lubrificação. Uma vez que os resultados obtidos em laboratório indicaram o par com melhor desempenho em resposta às solicitações de desgaste adesivo, foram então, revestidas as superfícies das peças de um mancal de deslizamento e instaladas em uma extrusora monorosca para execução do teste de campo em condições normais de operação. A liga Colmonoy 56 utilizada em conjunto com a liga Stellite 6 mostrou ter uma vida útil maior ao desgaste por deslizamento do que o par de ligas Stellite 6 / Stellite 6. Os resultados indicaram ainda que quando o mecanismo predominante de desgaste por deslizamento é o adesivo, a compatibilidade metalúrgica entre as ligas metálicas que se atritam é um fator que influencia fortemente a resistência ao desgaste das superfícies em contato. Assim sendo, o par Colmonoy 56 / Stellite 6 apresentou uma menor compatibilidade metalúrgica (menor solubilidade mútua) melhorando o deslizamento devido a menor adesão entre as ligas. Outro fator que pôde ser constatado como de influência para a diminuição da taxa de desgaste foi à presença de alta concentração de cristais de boretos de cromo, que possuem dureza semelhante à do diamante, e também a presença de outros constituintes duros como carbonetos de cromo distribuídos na microestrutura do Colmonoy 56. Nos testes de campo, foi confirmado um significativo aumento da durabilidade do mancal em operação substituindo o par tribológico Stellite 6 / Stellite 6 pelo par Colmonoy 56 / Stellite 6. / This work shows a comparative evaluation of the adhesive wear behavior of metallic alloys Stellite 6 and Colmonoy 56 applied as a wear resistant coating in different combinations in pairs of specimens tested in the laboratory according to technical standard ASTM G-77. We attempted to simulate then the most critical operating condition to which a sliding front bearing installed internally in a single screw extruder is subjected, i.e., metal to metal contact without lubrication. Since the results obtained in the laboratory indicated the par with the best performance in terms of response to adhesive wear were then coated surfaces of the parts of a sliding front bearing and after they were installed in a single screw extruder for run the field test in normal operation. The alloy Colmonoy 56 used in conjunction with alloy Stellite 6 proved to have a longer life than the pair of alloy Stellite 6 / Stellite 6 to sliding wear. The results also indicated that when the predominant mechanism of sliding wear is the adhesive, the metallurgical compatibility between the metal alloys that are rubbing each other is a factor that strongly influences the wear resistance of the surfaces in contact. Thus, the pair Colmonoy 56 / Stellite 6 demonstrated a lower metallurgical compatibility (mutual solubility smaller), improving the sliding between the alloys due to the lower adhesion between the alloy. Another factor found to influence to decrease the wear rate was the presence of high concentrations of crystals of borides of chromium, which have similar hardness to diamond and also the presence of other hard constituents, such as chromium carbides distributed in the microstructure of the Colmonoy 56. In field tests, it was confirmed a significant increase in the durability of the bearing under normal operation replacing the tribological pair Stellite 6 / Stellite 6 by tribological pair Colmonoy 56 / Stellite 6.

Tem-se na indústria da fundição de metais ferrosos o desafio de se produzir diferentes ligas de aço e ferro fundido com composições químicas diversas. As empresas possuem uma gama ampla de sucatas e adições disponíveis para realizar seus processos, e diversas composições de escórias são possíveis de serem alcançadas, diversificando as eficiências metálicas a cada corrida. O presente trabalho objetiva desenvolver três modelos inéditos, a saber, de rendimento metálico, de carregamento do forno e de otimização da composição química final do banho, com a intenção de auxiliar no planejamento de corridas. Também são apresentados indicadores de custo-benefício e de capacidade de suprimento de elementos de liga para fornecer critérios práticos às tomadas de decisão envolvendo as etapas de produção. Com os modelos desenvolvidos, foram obtidos resultados de eficiência metálica com patamares similares às estimativas de eficiência da prática na indústria. Os resultados de carregamento se mostraram melhores em termos econômicos, e tanto este modelo quanto o de otimização da composição resultaram em corridas tecnicamente equivalentes às práticas encontradas na indústria. / The challenge of producing different steel alloys and cast iron in various chemical compositions is verified in the foundry industry. Companies have a wide range of scraps and additions available to perform their processes, and various slag compositions are possible to be achieved, diversifying the metallic efficiencies in each tap. This work intends to develop three unpublished models, namely metallic yield, furnace loading and optimization of the final chemical composition, aiming to assist the planning of foundry process. Indicators of cost-effective and supply capacity of alloying elements are also presented to provide practical criteria for decision making involving their steps. Results were obtained with efficiencies similar to estimates of metallic efficiency in the practice of the industry. Its charging results proved best in economic terms, and both this model and the optimization of the composition resulted in taps technically equivalent to the practices found in the industry.

O presente trabalho apresenta a avaliação comparativa do comportamento ao desgaste adesivo das ligas metálicas Stellite 6 e Colmonoy 56, aplicadas como revestimento resistente ao desgaste em diferentes combinações nos pares de corpos-de-prova ensaiados em laboratório segundo a norma técnica ASTM G-77. Procurou-se assim simular a condição mais crítica de operação, a qual um mancal dianteiro de deslizamento instalado internamente em uma extrusora monorosca está submetido, ou seja, contato metal-metal sem lubrificação. Uma vez que os resultados obtidos em laboratório indicaram o par com melhor desempenho em resposta às solicitações de desgaste adesivo, foram então, revestidas as superfícies das peças de um mancal de deslizamento e instaladas em uma extrusora monorosca para execução do teste de campo em condições normais de operação. A liga Colmonoy 56 utilizada em conjunto com a liga Stellite 6 mostrou ter uma vida útil maior ao desgaste por deslizamento do que o par de ligas Stellite 6 / Stellite 6. Os resultados indicaram ainda que quando o mecanismo predominante de desgaste por deslizamento é o adesivo, a compatibilidade metalúrgica entre as ligas metálicas que se atritam é um fator que influencia fortemente a resistência ao desgaste das superfícies em contato. Assim sendo, o par Colmonoy 56 / Stellite 6 apresentou uma menor compatibilidade metalúrgica (menor solubilidade mútua) melhorando o deslizamento devido a menor adesão entre as ligas. Outro fator que pôde ser constatado como de influência para a diminuição da taxa de desgaste foi à presença de alta concentração de cristais de boretos de cromo, que possuem dureza semelhante à do diamante, e também a presença de outros constituintes duros como carbonetos de cromo distribuídos na microestrutura do Colmonoy 56. Nos testes de campo, foi confirmado um significativo aumento da durabilidade do mancal em operação substituindo o par tribológico Stellite 6 / Stellite 6 pelo par Colmonoy 56 / Stellite 6. / This work shows a comparative evaluation of the adhesive wear behavior of metallic alloys Stellite 6 and Colmonoy 56 applied as a wear resistant coating in different combinations in pairs of specimens tested in the laboratory according to technical standard ASTM G-77. We attempted to simulate then the most critical operating condition to which a sliding front bearing installed internally in a single screw extruder is subjected, i.e., metal to metal contact without lubrication. Since the results obtained in the laboratory indicated the par with the best performance in terms of response to adhesive wear were then coated surfaces of the parts of a sliding front bearing and after they were installed in a single screw extruder for run the field test in normal operation. The alloy Colmonoy 56 used in conjunction with alloy Stellite 6 proved to have a longer life than the pair of alloy Stellite 6 / Stellite 6 to sliding wear. The results also indicated that when the predominant mechanism of sliding wear is the adhesive, the metallurgical compatibility between the metal alloys that are rubbing each other is a factor that strongly influences the wear resistance of the surfaces in contact. Thus, the pair Colmonoy 56 / Stellite 6 demonstrated a lower metallurgical compatibility (mutual solubility smaller), improving the sliding between the alloys due to the lower adhesion between the alloy. Another factor found to influence to decrease the wear rate was the presence of high concentrations of crystals of borides of chromium, which have similar hardness to diamond and also the presence of other hard constituents, such as chromium carbides distributed in the microstructure of the Colmonoy 56. In field tests, it was confirmed a significant increase in the durability of the bearing under normal operation replacing the tribological pair Stellite 6 / Stellite 6 by tribological pair Colmonoy 56 / Stellite 6.