Submitted by Elizabete Silva (elizabete.silva@ufes.br) on 2015-12-02T19:36:19Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) TRIBOLOGIA DE CERÂMICOS DISSIMILARES NO.pdf: 7403196 bytes, checksum: 22b2132478934764c9aa01e05e7a0198 (MD5) / Approved for entry into archive by Morgana Andrade (morgana.andrade@ufes.br) on 2015-12-30T10:46:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) TRIBOLOGIA DE CERÂMICOS DISSIMILARES NO.pdf: 7403196 bytes, checksum: 22b2132478934764c9aa01e05e7a0198 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-12-30T10:46:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) TRIBOLOGIA DE CERÂMICOS DISSIMILARES NO.pdf: 7403196 bytes, checksum: 22b2132478934764c9aa01e05e7a0198 (MD5) Previous issue date: 2015 / 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. / Under certain conditions, the sliding of ceramic materials under water lubrication shows ultra-low friction coefficient (μ<0,01), which characterizes a state of superlubricity. The high load capacity and energetic efficiency of these tribosystems, together with its reduced ambiental impact, are superior characteristics if compared to the traditional oil-lubricated metallic tribological pairs. Similar pairs of silicon nitride (Si3N4) or silicon carbide (SiC) were widely studied and are pointed as having the greatest tribological performance, while similar pairs of oxide ceramics, such as alumina (Al2O3) and zirconia (ZrO2), usually show poor performance (low load capacity and high friction coefficient) in water-lubricated conditions. Literature is scarce concerning to dissimilar ceramic pairs sliding in water and in explanations about the nature of the superlubricity phenomenon. In that context, an investigation of the tribological behavior of seven different combinations of dissimilar ceramic materials, oxide (Al2O3, ZrO2 and zirconia-toughened alumina – ZTA) and non-oxide (Si3N4 and SiC), using ballon- disc test configuration was performed with the objective of identifying pair of materials and operational conditions where superlubricity occurs as well as to determine present wear mechanisms and lubrication regimes. In the study of lubrication, an experimental verification of a model that incorporates effects from surface topography and electrical double layer forces was done. Of the seven studied pairs, five showed superlubricity (Si3N4-SiC, Si3N4- Al2O3, Si3N4-ZTA, Al2O3-SiC and ZrO2-SiC), noting that for the last three listed there were no previous reports in the literature. For a wide range of normal loads and sliding speeds, the other two pairs (ZrO2-Al2O3 and ZrO2-ZTA) showed transitions between mild and severe wear regimes, with respective transitions on frictional behavior. Regarding to mean contact pressure, a parameter that can be interpreted as the load capacity of a bearing, the pair ZrO2-SiC was superior, with the magnitude at least two times greater than the others. From the verification of the lubrication model, the conclusion was that every pair that showed superlubricity operated at a regime of mixed lubrication. In a general way, hydrodynamic pressure, assisted by effects of the surface topography, was important in determining the load capacity of the lubricating fluid film, while electrokinetic forces were negligible. For these pairs, tribochemical wear mechanisms led to the formation of tribofilms on the sliding surfaces. Maintaining ultra-low friction coefficients, even in mixed lubrication regime, support the idea that the tribofilms are vital for the occurrence of the phenomenon.

Foram realizados ensaios tribológicos de deslizamento do par Si3N4-Al2O3, lubrificado com água, na configuração esfera contra disco, sendo a esfera de nitreto de silício e o disco de alumina para investigar a influência da velocidade de deslizamento, da carga aplicada e da temperatura no coeficiente de atrito. As esferas de nitreto de silício e os discos de alumina foram caracterizados determinando-se: densidades, dureza Vickers, módulo de elasticidade e tenacidade à fratura. Os ensaios foram realizados com rugosidade inicial nos discos de Rrms = 352 nm. O regime de ultra baixo coeficiente de atrito (UBCA, &#956; < 0,01) foi atingido após um período de running-in de aproximadamente uma hora e o coeficiente de atrito ficou na faixa de &#956; = 0,008 a &#956; = 0,002. Os resultados mostraram que este sistema deslizante tem características hidrodinâmicas, pois o coeficiente de atrito diminuiu com o aumento da velocidade de deslizamento. Uma variação suave da carga aplicada fez com que o coeficiente de atrito permanecesse no regime de UBCA, com a carga aplicada variando de 54 N até 94 N. Em temperaturas menores ou iguais a 11°C o sistema não atingiu o regime de UBCA e o coeficiente de atrito final ficou da ordem de centésimos. Foi observado o fenômeno de UBCA em temperaturas de 30 e 40°C. No entanto, nestas temperaturas, a baixa viscosidade da água não deveria permitir que o sistema atingisse o regime de UBCA. A análise dos dados possibilitou inferir que durante o regime de UBCA o sistema desliza num regime de lubrificação mista, sendo lubrificação hidrodinâmica, devido ao filme de água, somada a lubrificação limite, devido às camadas hidratadas formadas nas superfícies das cerâmicas. Os resultados mostraram que a temperatura influencia no desgaste das cerâmicas. A determinação do volume desgastado possibilitou observar que durante os ensaios a alumina sofre menos desgaste que o nitreto de silício e que o desgaste de ambas cerâmicas aumenta com o aumento da temperatura. / Tribological tests were conducted in a ball on disk setup, using water as lubricant. Were used a silicon nitride ball and alumina disk. The tests were conducted to investigate the effects of sliding speed, applied load and temperature on friction coefficient. The silicon nitride balls and alumina disks were characterized by determining density, Vickers hardness, elastic modulus and fracture toughness. The tests were conducted with initial roughness on the disk surface of 352 nm. The ultra low friction coefficient regime (ULFC, &#956; < 0.01) was reached after a running-in period of approximately one hour and the friction coefficient remains in the range of &#956; = 0.008 a &#956; = 0.002 during this steady state regime. The results showed that this sliding system has hydrodynamic characteristics, because the friction coefficient decreased with increasing of the sliding speed. With an smooth variation of the applied load the system remained in the ULFC regime, when the applied load varied from 54 N up to 94 N. At temperatures below or equal to 11°C the system did not reach the ULFC regime and the final friction coefficient was the order of hundredths. We observed the ULFC phenomenon at temperatures of 30 and 40°C. However, at these temperatures, the water viscosity is low and should not allow the system to reach the ULFC regime. The data analysis allowed infer that during the ULFC regime the system slides with a mixed lubrication regime, hydrodynamic plus limitrofe, the first due to water film and the second due to the hydrated layer formed on the ceramics surfaces. The results showed a influences of temperature in the ceramics wear. The results of the worn volume allowed to observe that during the tests alumina suffers less wear than the silicon nitride, and the ceramics wear increases with increasing temperature.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:08:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Roberto Balarini Junior - Parte 1.pdf: 4732272 bytes, checksum: 0c0798e2e5b19f7834c4ce1d56156d8f (MD5) Previous issue date: 2013-11-27 / Este trabalho é uma investigação tribológica envolvendo o par cerâmico composto por esferas de nitreto de silício (Si3N4) deslizando contra discos de óxido de alumínio (Al2O3) em água. No total, dez ensaios foram conduzidos com a intenção de reproduzir o fenômeno de Ultra Baixo Coeficiente de Atrito (UBCA) em laboratório, o qual é caracterizado pela obtenção de valores de coeficiente de atrito (&#956;) da ordem dos milésimos (&#956; < 0,01) no regime estacionário. Uma vez alcançado os valores de UBCA, o objetivo principal deste trabalho foi o de investigar o período de running-in, através de uma série de análises em relação ao comportamento do coeficiente de atrito durante o regime transitório, incluindo correlações com algumas variáveis, como rugosidade superficial, erros de batimento axial, íons formados durante o deslizamento e desgaste das cerâmicas. Para isto, as curvas de coeficiente de atrito por tempo foram expandidas para intervalos de tempos pré-determinados e o comportamento de &#956; em cada um destes intervalos foi investigado e comparado entre os ensaios realizados, sendo que o caráter oscilatório do coeficiente de atrito foi inserido nas análises do período transitório. Em geral, foi comprovado que maiores valores de rugosidade superficial resultaram em maiores períodos de running-in e que existe uma tendência de aumento de desgaste com o aumento do tempo de transição. Para todos os ensaios, a taxa de desgaste das esferas de Si3N4 foi superior à dos discos de Al2O3. Em adição, através de comparações entre a medida da soma das rugosidades das superfícies desgastadas com a espessura mínima do filme lubrificante, este trabalho confirma a hipótese de que é necessário um regime de lubrificação misto (hidrodinâmico e limítrofe) para a obtenção do regime de UBCA, sendo que, para a eficácia do modo de lubrificação esperado, estima-se que é necessário concentrações de íons de silício (Si) superiores a 1,3 mg/l, aproximadamente. Esta quantidade de íons Si é supostamente a mínima necessária para a formação de uma camada de sílica adequada para conferir a parcela de lubrificação limítrofe necessária para a obtenção do regime de UBCA / This work is a tribological investigation involving the ceramic pair composed by balls of silicon nitride (Si3N4) sliding against disks of aluminum oxide (Al2O3) under water. A total of ten tests were conducted in order to reproduce the phenomenon of Ultra Low Friction Coefficient (ULFC) in laboratory, which is characterized by obtaining values of friction coefficient (&#956;) below of 0,01 in the steady state. Once reached these values, the main objective of this study was to investigate the running-in period by a series of analyses in relation to the behavior of the friction coefficient during the running-in period, including correlations with some variables such as surface roughness, axial parallelism errors, ions formed during the sliding and wear of samples. For this reason, the curves of friction coefficient versus time were expanded for some predetermined intervals and the behavior of &#956; for each one of these intervals was investigated and compared between themselves, and the oscillatory behavior of the friction coefficient was inserted into the analysis of the running-in period. In general, it was concluded that higher values of surface roughness resulted in longer periods of running-in and that there is a trend of increasing wear with increasing time of transition. For all tests, the wear rate of the silicon nitride balls was higher than alumina disks. In addition, by comparing the measure of the sum of the roughness of the worn surfaces with minimum thickness of the lubricant film, the present work confirms the hypothesis that it is necessary a mixed lubrication (hydrodynamic combined with boundary) to obtain the regime of ULFC and for effective lubrication expected mode it is estimated that is required an ions concentration of silicon (Si) higher than 1.3 mg/l approximately. This amount of ions Si is supposed to be the minimum necessary for the formation of a silica layer enable to confer the boundary lubrication participation for obtaining the ULFC

Foram realizados ensaios tribológicos de deslizamento do par Si3N4-Al2O3, lubrificado com água, na configuração esfera contra disco, sendo a esfera de nitreto de silício e o disco de alumina para investigar a influência da velocidade de deslizamento, da carga aplicada e da temperatura no coeficiente de atrito. As esferas de nitreto de silício e os discos de alumina foram caracterizados determinando-se: densidades, dureza Vickers, módulo de elasticidade e tenacidade à fratura. Os ensaios foram realizados com rugosidade inicial nos discos de Rrms = 352 nm. O regime de ultra baixo coeficiente de atrito (UBCA, &#956; < 0,01) foi atingido após um período de running-in de aproximadamente uma hora e o coeficiente de atrito ficou na faixa de &#956; = 0,008 a &#956; = 0,002. Os resultados mostraram que este sistema deslizante tem características hidrodinâmicas, pois o coeficiente de atrito diminuiu com o aumento da velocidade de deslizamento. Uma variação suave da carga aplicada fez com que o coeficiente de atrito permanecesse no regime de UBCA, com a carga aplicada variando de 54 N até 94 N. Em temperaturas menores ou iguais a 11°C o sistema não atingiu o regime de UBCA e o coeficiente de atrito final ficou da ordem de centésimos. Foi observado o fenômeno de UBCA em temperaturas de 30 e 40°C. No entanto, nestas temperaturas, a baixa viscosidade da água não deveria permitir que o sistema atingisse o regime de UBCA. A análise dos dados possibilitou inferir que durante o regime de UBCA o sistema desliza num regime de lubrificação mista, sendo lubrificação hidrodinâmica, devido ao filme de água, somada a lubrificação limite, devido às camadas hidratadas formadas nas superfícies das cerâmicas. Os resultados mostraram que a temperatura influencia no desgaste das cerâmicas. A determinação do volume desgastado possibilitou observar que durante os ensaios a alumina sofre menos desgaste que o nitreto de silício e que o desgaste de ambas cerâmicas aumenta com o aumento da temperatura. / Tribological tests were conducted in a ball on disk setup, using water as lubricant. Were used a silicon nitride ball and alumina disk. The tests were conducted to investigate the effects of sliding speed, applied load and temperature on friction coefficient. The silicon nitride balls and alumina disks were characterized by determining density, Vickers hardness, elastic modulus and fracture toughness. The tests were conducted with initial roughness on the disk surface of 352 nm. The ultra low friction coefficient regime (ULFC, &#956; < 0.01) was reached after a running-in period of approximately one hour and the friction coefficient remains in the range of &#956; = 0.008 a &#956; = 0.002 during this steady state regime. The results showed that this sliding system has hydrodynamic characteristics, because the friction coefficient decreased with increasing of the sliding speed. With an smooth variation of the applied load the system remained in the ULFC regime, when the applied load varied from 54 N up to 94 N. At temperatures below or equal to 11°C the system did not reach the ULFC regime and the final friction coefficient was the order of hundredths. We observed the ULFC phenomenon at temperatures of 30 and 40°C. However, at these temperatures, the water viscosity is low and should not allow the system to reach the ULFC regime. The data analysis allowed infer that during the ULFC regime the system slides with a mixed lubrication regime, hydrodynamic plus limitrofe, the first due to water film and the second due to the hydrated layer formed on the ceramics surfaces. The results showed a influences of temperature in the ceramics wear. The results of the worn volume allowed to observe that during the tests alumina suffers less wear than the silicon nitride, and the ceramics wear increases with increasing temperature.