No presente trabalho são relatados os resultados obtidos através de tratamentos térmicos e de ensaios de abrasão, em uma liga de ferro fundido branco alto cromo contendo nióbio, obtida por fundição. Os tratamentos térmicos de têmpera foram efetuados nas temperaturas de 950, 1000, 1050 e 1100ºC e o meio de resfriamento utilizado foi o ar soprado. Os tratamentos de revenidos foram efetuados nas temperaturas de 450, 500 e 550ºC. A liga no estado termicamente tratado foi comparada, nos ensaios de abrasão, com ligas comerciais utilizadas como revestimento duro por soldagem em peças desgastadas. Os ensaios de abrasão do tipo pino sobre lixa. Adicionalmente, também foram efetuados estudos de caracterização microestrutural para a identificação das diferentes fases presentes nas ligas. De maneira geral, a liga estudada apresentou as melhores taxas de desgaste para os tratamentos térmicos que resultaram em maiores durezas e o seu desempenho foi superior ao das ligas comerciais. / This work presents the heat treatments and abrasion tests results of a wnite cast iron with niobium alloy. The hardening heat treatment were made from 950, 1000, 1050 and 1100°C temperatures cooled by forced air. The tempering treatment were made at 450, 500 and 550°C temperatures. The heat treating alloy were compared, in the abrasive tests, with commercial alloys used as hardfacing by welding process in wear pieces. The abrasion tests was realized in pin on disk test. Additional tests were carried out for microstructural characterization to identify the differents phases presents in the alloys. In a general way, the alloy studied showed the best wear rate for the heat treatments that resulted in higher hardness. Its performance was superior than that of the commercial alloys.

Neste trabalho, estudou-se a viabilidade da aplicação de revestimentos de ferro fundido branco multicomponente (FFBMC) pelo processo de aspersão térmica por chama hipersônica (HVOF). A melhor condição de aspersão, variando-se a vazão e razão dos gases oxigênio e propano, a distância de aspersão e a granulometria do pó, foi utilizada para aplicação dos revestimentos em substratos de aço e de FFBMC com e sem preaquecimento. Caracterizaramse os revestimentos de FFBMC em relação ao teor de carbono, temperatura final, espessura, porosidade, dureza, aderência, perda de massa, coeficiente de atrito e mecanismo de desgaste abrasivo. Os revestimentos com menor porosidade e maior dureza foram aqueles depositados com razão oxigênio/propano de 4,6, 200 mm de distância de aspersão e granulometria entre 20 e 45 μm. Com esses parâmetros obtiveram-se revestimentos com aderência de 84 MPa, em substratos de aço sem preaquecimento e temperatura final de 200 °C, sendo que o fator mais importante no valor da aderência foi a temperatura final do revestimento. Além disso, a perda de massa foi semelhante aos valores obtidos para amostras de FFBMC fundidas, temperadas e revenidas. Os fatores responsáveis por estes valores foram a eliminação da austenita retida e a sinterização das partículas do revestimento quando as amostras foram temperadas e revenidas. O mecanismo de desgaste predominante foi o microcorte associado à fratura das lamelas próximas das partículas não fundidas, poros de aspersão e dos vazios formados no processo de desgaste. Considerando os níveis de aderência e perda de massa obtidas neste trabalho é viável a aplicação de FFBM por aspersão térmica HVOF. / In this work, the viability of the application of multicomponent white cast iron coatings was studied using high velocity oxygen fuel thermal spray process. The best spray condition, varying the oxygen and propane flow rate, the oxygen/propane ratio, the spraying distance and the powder size, was used for the application of coatings in steel and multicomponent white cast iron substrates with and without preheating. Carbon content, final temperature, thickness, porosity, hardness, adherence, mass loss, friction coefficient and abrasive wear mechanism of the coatings were characterized. The coatings that presented lower porosity and greater hardness were those deposited with oxygen/propane ratio of 4.6, spraying distance of 200 mm and powder size between 20 and 45 μm. With these parameters, coatings with adherence of 84 MPa in steel substrate, without preheating and final temperature of 200 °C, were obtained. The final temperature was identified as the most important factor for the adherence value. Moreover, the coating mass loss was similar to the multi-component white cast iron substrate tempered and annealed. The factors responsible for the high adherence and lower mass loss were the elimination of the retained austenite and the sintering of particles of the coating when the samples were tempered and annealed. The predominant wear mechanism was microcutting associated with the fracture of the lamellae near to unmelted particles, pores of spraying process and the voids formed in the wear process. Considering the levels of adherence and mass loss verified in this work, the application of multicomponent white cast iron coatings using high velocity oxygen fuel thermal spray process is viable.

Neste trabalho, foi investigado o efeito do tamanho do abrasivo na resistência ao desgaste de cinco ligas metálicas. Foi usado, para este estudo, o equipamento pino contra lixa e alumina como abrasivo, com tamanho médio entre 16 µm e 192 µm. A microestrutura das ligas metálicas foi caracterizada com microscopia ótica e os mecanismos de desgaste abrasivo e os microcavacos (partículas de desgaste) foram caracterizados usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). Em uma primeira série de experimentos, foi usado ferro fundido mesclado com carbonetos M3C (temperado e revenido a temperaturas entre 300 e 600°C). Para abrasivos pequenos, a perda de massa elevou-se com o aumento do tamanho do abrasivo. Entretanto, para abrasivos grandes, a perda de massa aumenta com inclinação menor e o mecanismo prevalente de desgaste é o microcorte. Para abrasivos maiores, o mecanismo prevalente de desgaste é microsulcamento. Em uma segunda série de experimentos, foi usado ferro fundido branco (FFB), com matrizes austenítica e martensítica. O FFB com matriz austenítica apresentou um tamanho crítico de abrasivo (TCA) de 36 µm e, para o ferro fundido martensítico, foi aproximadamente de 116 µm. A perda de massa do ferro fundido com matriz austenítica aumentou linearmente com o aumento do tamanho dos abrasivos, após o TCA a perda de massa aumenta com inclinação menor. O FFB martensítico, com menores tamanhos do abrasivo, apresentou um comportamento linear. Existe, porém, uma região de transição não-linear e achatada, quando o tamanho de partícula crítico é atingido, tornando-se independente do tamanho do abrasivo. Antes do TCA, o micromecanismo prevalente de desgaste foi microcorte e a lixa apresentou cavacos contínuos e finos e, após o TCA, o mecanismo prevalente de desgaste foi microsulcamento e apresentou cavacos descontínuos e deformados. O efeito do tamanho de abrasivo observado na perda de massa foi apresentado na energia especifica de corte e no coeficiente de atrito. Em uma terceira série de experimentos, foi usado alumínio e aço AISI 1045. O alumínio (estrutura cristalina cúbica de fase centrada) apresentou um comportamento similar ao observado no FFB com matriz austenítica, e o aço AISI 1045 apresentou um comportamento similar ao FFB com matriz martensítica. Verificou-se que, no alumínio e no aço AISI 1045, também se apresenta mudança na morfologia dos cavacos e nos micromecanismos de desgaste, observados nos materiais com segunda fase dura. Em uma quarta série de experimentos, foi usado o ferro fundido cinzento para corroborar a mudança dos micromecanismos de desgaste abrasivo e dos microcavacos com o TCA. O ferro fundido cinzento não apresentou uma transição (TCA) na curva de tamanho de abrasivo contra perda de massa. A morfologia dos cavacos foi similar para os diferentes tamanhos de abrasivos (descontínua). Para abrasivos menores, porém, apresentaram-se alguns cavacos contínuos e finos. O micromecanismo prevalente de desgaste abrasivo foi de microcorte para os diferentes abrasivos usados. Portanto, nesta pesquisa, foi demonstrado que o tamanho crítico de abrasivo está relacionado com os micromecanismos de desgaste e com a morfologia dos microcavacos. / In this research, the effect of abrasive size on the wear resistance of five metallic materials was investigated. Abrasive wear tests using a pin test on alumina paper were carried out using abrasive sizes between 16 µm and 192 µm. The wear surface of the specimens was examined by scanning electron microscopy for identifying the wear micromechanism and the type of microchips formed on the abrasive paper (wear debris). In a first series of experiments mottled cast iron samples with M 3 C carbides were tested. The samples were quenched and tempered in temperatures ranging from 300°C to 600°C. For small abrasive particles, the wear mass loss increased linearly with the increase of particle size. However, for higher abrasive sizes the wear mass loss increased much more slowly. For lower abrasive sizes the main wear mechanism was microcutting. For higher abrasive sizes, the main wear mechanism was microploughing. In a second series of experiments white cast iron with M 3 C carbide with austenitic and martensitic matrix were tested. The results show that the mass loss for cast irons with austenitic and martensitic matrices increases linearly with the increase of particle size until the critical particle size is reached. The cast iron with austenitic matrix presented a critical abrasive size of 36 µm and for the martensitic cast iron, the critical particle size was about 116 µm. After the critical particle size is reached, the rate of mass loss of the cast iron with austenitic matrix diminishes to a lower linear rate, and for cast irons with martensitic matrix the curve of mass loss is non-linear and flattens when the critical particle size is reached. It becomes, then, constant, independent of additional size increases. The abrasive paper in contact with the iron of both austenitic and martensitic matrices presents fine continuous microchips and the main wear mechanism was microcutting before reaching critical particle size, and after that it presents deformed discontinuous microchips and the main wear mechanism was microploughing. This behavior of change in rates after reaching a critical size happened not only for mass loss versus abrasive size, but it was also observed both in curves of friction coefficient and specific cutting energy versus abrasive size. In a third series of experiments aluminum and AISI 1045 steel were tested. The first (FCC structure) showed similar behavior to that observed in the white cast iron with austenitic matrix and the latter showed similar behavior to that observed in white cast iron with martensitic matrix. Both aluminum and AISI 1045 steel show similar changes in the microchips morphology and in the wear micromechanisms, something that had been observed before in materials with hard second phase. In a fourth series of experiments gray cast iron was tested in order to demonstrate the relationship between the abrasive wear micromechanisms and the type of microchips, before and after achieving critical abrasive size. The grey cast iron did not show a transition in the curve of abrasive size against mass loss. The morphology of the chips was similar for the different sizes of abrasive (discontinuous). However, smaller abrasive sizes some thin continuous microchips were formed. The main abrasive wear micromechanism was microcutting for the different abrasives sizes tested. Therefore, it was shown that the critical abrasive size is related to the wear micromechanisms and the microchips morphology.

Os avanços na engenharia de materiais têm aumentado a busca por materiais com atividade antimicrobiana para aplicação em áreas da saúde. Neste contexto, a presente pesquisa desenvolveu materiais para revestir bráquetes metálicos utilizados no tratamento ortodôntico. As sínteses de hidroxiuretanos (HU) foram realizadas empregando-se bis(ciclocarbonatos) derivados de epóxidos com segmentos siloxânicos por reação de aminólise. Dois ciclocarbonatos (CC) foram sintetizados, a partir da reação de cicloadição de CO2 ao anel epóxi do 1,3-bis(3-glicidiloxipropil)tetrametildisiloxano e do polidimetilsiloxano diglicidil éter catalisada pelo brometo de hexadeciltrimetilamônio. Os CCs obtidos foram denominados de CCMDMS e CCPDMS. Para aumentar o tamanho dos HUs e, consequentemente proporcionar um ganho nas propriedades mecânicas, realizou-se um processo de extensão pela reação da 3-(aminometil)-3,5,5-trimetilcicloexilamina com os CCs (CC-HUMDMS e CC-HUPDMS). O processo de finalização dos HUs foi realizado através da reação do CC-HUMDS com a 3-trietoxisililpropilamina e, o CC-HUPDMS com a 3-trietoxisililpropilamina e N-aminoetil-3-trimetoxisililpropilamina. Os HUs sintetizados foram chamados de HUMDMS, HUPDMS e HUPDMS2. Para elevar o caráter antibiofilme do HUMDMS, HUPDMS e HUPDMS2 foram incorporadas nanopartículas a suas estruturas por dois métodos. O primeiro, método coloidal, consistiu na redução dos cátions Ag+ em etanol misturados com os HUs, sendo os produtos denominados de HUMDMSCol, HUPDMSCol e HUPDMS2Col. O segundo, método fotoassistido, baseou-se na adição de nanopartículas de óxido de zinco (nanoZnO), nesta etapa, os HUs foram chamados de HUMDMSZnO, HUPDMSZnO e HUPDMS2ZnO, seguido pela imersão em solução aquosa de nitrato de prata e, posterior, redução com luz ultravioleta, os materiais obtidos foram chamados de HUMDMSIrr, HUPDMSIrr e HUPDMS2Irr. Os materiais foram caracterizados quanto à sua estrutura química, para tanto, utilizou-se técnicas espectroscópicas de infravermelho com reflexão total atenuada, ressonânciamagnética nuclear e fotoelétrons excitados por raios-X. A morfologia foi analisada por microscopia de transmissão eletrônica e difração de raios-X, avaliou-se a estabilidade térmica por análise termogravimétrica e a energia superficial por medidas de ângulo de contato. As técnicas de espectroscopia no ultravioleta e visível e espectrometria de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente foram utilizadas para observar a banda plasmônica das nanopartículas e a sorção/dessorção de cátions, respectivamente. As nanoAg apresentaram absorção plasmônica em 415 e 440 nm para os métodos coloidal e fotoassistido, respectivamente. O valor de pH satisfatório para sorção de Ag+ foi observado entre 7 e 8, com a seguinte ordem de sorção HUPDMS2 > HUMDMS > HUPDMS. As isotermas de sorção mostraram que o modelo de Sips justifica satisfatoriamente o processo de sorção dos cátions Ag+ pelos HUs. Os materiais foram termicamente estáveis para temperaturas inferiores a 200 °C. A resistência abrasiva dos HUs foi avaliada com base em ensaios de fricção utilizando-se escova e creme dental. Os filmes de HUPDMS apresentaram maior fragilidade, mesmo com aumento da resistência devido adição de nanoZnO. Todos os filmes apresentaram energia superficial inferior a 25 mN/m, indicando assim, resistência à formação de biofilme. A atividade antibiofilme dos materiais híbridos foi testada para as bactérias Escherichia coli, Enterococos feacalis e Estreptococos mutans, bem como, para o fungo Candida albicans. O processo de dessorção dos cátions Ag+ nos filmes com nanoAg potencializou a eficácia contra a formação de biofilme. / Advances in material engineering have increased the search for materials with antimicrobial activity for application in health areas. In this context, the present research developed materials to coat metallic brackets used in orthodontic treatment. The synthesis of hydroxyurethanes (HU) was carried out using bis(cyclocarbonates) derived from epoxides with siloxane segments by aminolysis reaction. Two cyclocarbonates (CC) were synthesized by cycloaddition reaction of CO2 to the epoxy ring of 1,3-bis(3-glycidyloxypropyl) tetramethyldisiloxane and the polydimethylsiloxane diglycidyl ether catalyzed by hexadecyltrimethylammonium bromide. The obtained CCs were called CCMDMS and CCPDMS. To increase the size of the HUs and consequently provide a gain in the mechanical properties, a process of extension was carried out by the reaction of 3-(aminomethyl)-3,5,5-trimethylcyclohexylamine with the CCs (CC-HUMDMS and CC-HUPDMS). The HU-termination process was performed by reacting CC-HUMDS with 3-triethoxysilylpropylamine and CC-HUPDMS with 3-triethoxysilylpropylamine and N-aminoethyl-3-trimethoxysilylpropylamine. The HUs synthesized were called HUMDMS, HUPDMS and HUPDMS2. To raise the antibiofilm character of the HUMDMS, HUPDMS and HUPDMS2 nanoparticles were incorporated into their structures by two methods. The first, colloidal method consisted in the reduction of the Ag+ cations in ethanol mixed with the HUs, the products being called HUMDMSCol, HUPDMSCol and HUPDMS2Col. The second, photo-assisted method was based on the addition of nanoparticles of zinc oxide (nanoZnO), at this stage the HUs were called HUMDMSZnO, HUPDMSZnO and HUPDMS2ZnO, followed by immersion in aqueous solution of silver nitrate and subsequent reduction by ultraviolet light, the obtained materials were called HUMDMSIrr, HUPDMSIrr and HUPDMS2Irr. The materials were characterized in terms of their chemical structure, using infrared spectroscopy techniques with attenuated total reflection, nuclear magnetic resonance and X-ray excited photoelectrons, the morphology was analyzed by transmission electron microscopy and X-ray diffraction, the thermal stability was evaluated by thermogravimetric analysis and the surface energy by contact angle measurements. Ultraviolet and visible spectroscopy techniques and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry were used to observe the plasmon band of nanoparticles and cation sorption/desorption, respectively. The nanoAg presented plasmid absorption at 415 and 440 nm for the colloidal and photoassayed methods, respectively. The pH value satisfactory for Ag+ sorption was observed between 7 and 8, with the following sorption order HUPDMS2 > HUMDMS > HUPDMS. The sorption isotherms showed that the Sips model satisfactorily justifies the sorption process of the Ag+ cations by HUs. The materials were thermally stable at temperatures below 200 °C. The abrasive strength of the HUs were evaluated based on friction tests using brush and toothpaste. The films of HUPDMS presented greater fragility, even with increased resistance due to the addition of nanoZnO. All films presented surface energy lower than 25 mN/m, thus indicating resistance to biofilm formation. The antibiofilm activity of the hybrid materials was tested for Escherichia coli, Enterococos feacalis and Streptococcus mutans strains, as well as for Candida albicans fungus. The desorption process of Ag+ cations in films with nanoAg enhanced the antibiofilm efficacy.

Os aços ultra-resistentes e os sinterizados estão bem estabelecidos tecnologicamente, sendo utilizados nas mais variadas aplicações. Entretanto para certas situações, como é o caso de componentes sujeitos aos desgaste severo, existe a necessidade de se melhorar suas propriedades superficiais. Dentre as técnicas de endurecimento superficial, a nitretação iônica se apresenta como uma boa alternativa para o tratamento desses aços, uma vez que as peças ficam menos suscetíveis a empenamentos e distorções, como ocorre em outros tratamentos superficiais convencionais e permite o controle adequado da camada produzida. O presente trabalho tem por objetivo estudar o efeito do silício em aços ultra-resistentes com relação ao tratamento térmico bem como a influência desse elemento na nitretação e conseqüentemente no desgaste abrasivo e verificar a influência do V sobre essas mesmas características no caso de aços sinterizados. Foram utilizadas oito ligas, com diferentes teores de silício e vanádio, que foram nitretados ionicamente em diferentes condições de temperatura e/ou tempo. As camadas nitretadas obtidas foram avaliadas por meio de ensaios de microdureza na superfície e na seção transversal, microscopia ótica e eletrônica de varredura, com microssonda (EDX), análise por difração de raios X e ensaios de abrasão do tipo \"pino-sobre-disco\". Observou-se que, com o aumento do teor de silício, nas ligas ultra-resistentes aumentou a dureza após o revenido e que a presença desse elemento aumenta consideravelmente a dureza da camada nitretada. O aumento do teor de silício produziu camadas de compostos menos espessas e de alta dureza, que apresentaram as melhores resistência ao desgaste abrasivo. As análises superficiais por meio de raio X demonstraram que essas camadas são formadas por uma mistura de nitretos &#947\'-Fe4N, &#949Fe2-3N, CrN, MoN e Si3N4, que variam suas proporções com as condições de nitretação. Nas ligas sinterizadas as durezas das camadas aumentaram consideravelmente depois da nitretação iônica, devido a formação de VN. No ensaio de desgaste abrasivo verificou-se que tal aumento de dureza resultou em uma menor perda de massa, quando a camada de compostos é constituída significativamente de VN e &#947\'- Fe4N. O incremento do tempo de tratamento não influenciou na forma e tamanho dos carbonetos presentes nesses aços. / The ultra-strength and sintered steels are technologically very established, being used in the most varied applications. In the cases where the main selection requirements are the mechanical resistance and the cost of the material, those steels are an interesting option. However for certain applications, as it is the case of components subject to the severe wear, the need exists of improving its surface properties. Among the techniques of superficial hardening, the ion nitriding present it self as a good alternative for the treatment of those steels, once the specimen are less susceptible to the warpage and distortions, as it happens in another conventional superficial treatments. The objective of the present work is to study the effect of the Si in ultra-strength steels relating it to the heat treatment as well as the abrasive wear resistance of the same and of sintered tool steels with variable content of V, after ion nitriding. Eight alloys were used with different content of Si and V. The alloys were ion nitrided in different conditions of temperature and/or time. The nitrided layers obtained were appraised by means of microhardness test in the surface and in the cross section of the layers, optical and scanning electron microscopy (SEM), with energy dispersive spectrometry (EDS), analysis for X-ray diffraction and \"Pin-on-Disc\" type abrasion test. It was observed that with the increase of the content of Si in the ultra-resistant alloys, increased the hardness after the tempering and the presence of that element it increases the hardness of the nitrided layer considerably. The increase of the content of Si produced smaller compound layers and of high hardness, that presented the best resistance to the abrasive wear. The superficial analysis by means of X-ray has shown that the compound layers are formed by a mixture of &#947\'-Fe4N, e-Fe2-3N, CrN, MoN and Si3N4, nitrides that vary its proportions with the nitriding conditions. In the sintered alloys the hardness of the layers increased considerably after the ion nitriding, due to formation of VN. In the test of abrasive wear it was verified that such increase of hardness results in a smaller mass loss, when the compound layer is constituted of VN and &#947\'-Fe4N phase. The increase of time of treatment did not influence in the shape and size of the present carbides in the steels.

Neste trabalho, foi investigado o efeito do tamanho do abrasivo na resistência ao desgaste de cinco ligas metálicas. Foi usado, para este estudo, o equipamento pino contra lixa e alumina como abrasivo, com tamanho médio entre 16 µm e 192 µm. A microestrutura das ligas metálicas foi caracterizada com microscopia ótica e os mecanismos de desgaste abrasivo e os microcavacos (partículas de desgaste) foram caracterizados usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). Em uma primeira série de experimentos, foi usado ferro fundido mesclado com carbonetos M3C (temperado e revenido a temperaturas entre 300 e 600°C). Para abrasivos pequenos, a perda de massa elevou-se com o aumento do tamanho do abrasivo. Entretanto, para abrasivos grandes, a perda de massa aumenta com inclinação menor e o mecanismo prevalente de desgaste é o microcorte. Para abrasivos maiores, o mecanismo prevalente de desgaste é microsulcamento. Em uma segunda série de experimentos, foi usado ferro fundido branco (FFB), com matrizes austenítica e martensítica. O FFB com matriz austenítica apresentou um tamanho crítico de abrasivo (TCA) de 36 µm e, para o ferro fundido martensítico, foi aproximadamente de 116 µm. A perda de massa do ferro fundido com matriz austenítica aumentou linearmente com o aumento do tamanho dos abrasivos, após o TCA a perda de massa aumenta com inclinação menor. O FFB martensítico, com menores tamanhos do abrasivo, apresentou um comportamento linear. Existe, porém, uma região de transição não-linear e achatada, quando o tamanho de partícula crítico é atingido, tornando-se independente do tamanho do abrasivo. Antes do TCA, o micromecanismo prevalente de desgaste foi microcorte e a lixa apresentou cavacos contínuos e finos e, após o TCA, o mecanismo prevalente de desgaste foi microsulcamento e apresentou cavacos descontínuos e deformados. O efeito do tamanho de abrasivo observado na perda de massa foi apresentado na energia especifica de corte e no coeficiente de atrito. Em uma terceira série de experimentos, foi usado alumínio e aço AISI 1045. O alumínio (estrutura cristalina cúbica de fase centrada) apresentou um comportamento similar ao observado no FFB com matriz austenítica, e o aço AISI 1045 apresentou um comportamento similar ao FFB com matriz martensítica. Verificou-se que, no alumínio e no aço AISI 1045, também se apresenta mudança na morfologia dos cavacos e nos micromecanismos de desgaste, observados nos materiais com segunda fase dura. Em uma quarta série de experimentos, foi usado o ferro fundido cinzento para corroborar a mudança dos micromecanismos de desgaste abrasivo e dos microcavacos com o TCA. O ferro fundido cinzento não apresentou uma transição (TCA) na curva de tamanho de abrasivo contra perda de massa. A morfologia dos cavacos foi similar para os diferentes tamanhos de abrasivos (descontínua). Para abrasivos menores, porém, apresentaram-se alguns cavacos contínuos e finos. O micromecanismo prevalente de desgaste abrasivo foi de microcorte para os diferentes abrasivos usados. Portanto, nesta pesquisa, foi demonstrado que o tamanho crítico de abrasivo está relacionado com os micromecanismos de desgaste e com a morfologia dos microcavacos. / In this research, the effect of abrasive size on the wear resistance of five metallic materials was investigated. Abrasive wear tests using a pin test on alumina paper were carried out using abrasive sizes between 16 µm and 192 µm. The wear surface of the specimens was examined by scanning electron microscopy for identifying the wear micromechanism and the type of microchips formed on the abrasive paper (wear debris). In a first series of experiments mottled cast iron samples with M 3 C carbides were tested. The samples were quenched and tempered in temperatures ranging from 300°C to 600°C. For small abrasive particles, the wear mass loss increased linearly with the increase of particle size. However, for higher abrasive sizes the wear mass loss increased much more slowly. For lower abrasive sizes the main wear mechanism was microcutting. For higher abrasive sizes, the main wear mechanism was microploughing. In a second series of experiments white cast iron with M 3 C carbide with austenitic and martensitic matrix were tested. The results show that the mass loss for cast irons with austenitic and martensitic matrices increases linearly with the increase of particle size until the critical particle size is reached. The cast iron with austenitic matrix presented a critical abrasive size of 36 µm and for the martensitic cast iron, the critical particle size was about 116 µm. After the critical particle size is reached, the rate of mass loss of the cast iron with austenitic matrix diminishes to a lower linear rate, and for cast irons with martensitic matrix the curve of mass loss is non-linear and flattens when the critical particle size is reached. It becomes, then, constant, independent of additional size increases. The abrasive paper in contact with the iron of both austenitic and martensitic matrices presents fine continuous microchips and the main wear mechanism was microcutting before reaching critical particle size, and after that it presents deformed discontinuous microchips and the main wear mechanism was microploughing. This behavior of change in rates after reaching a critical size happened not only for mass loss versus abrasive size, but it was also observed both in curves of friction coefficient and specific cutting energy versus abrasive size. In a third series of experiments aluminum and AISI 1045 steel were tested. The first (FCC structure) showed similar behavior to that observed in the white cast iron with austenitic matrix and the latter showed similar behavior to that observed in white cast iron with martensitic matrix. Both aluminum and AISI 1045 steel show similar changes in the microchips morphology and in the wear micromechanisms, something that had been observed before in materials with hard second phase. In a fourth series of experiments gray cast iron was tested in order to demonstrate the relationship between the abrasive wear micromechanisms and the type of microchips, before and after achieving critical abrasive size. The grey cast iron did not show a transition in the curve of abrasive size against mass loss. The morphology of the chips was similar for the different sizes of abrasive (discontinuous). However, smaller abrasive sizes some thin continuous microchips were formed. The main abrasive wear micromechanism was microcutting for the different abrasives sizes tested. Therefore, it was shown that the critical abrasive size is related to the wear micromechanisms and the microchips morphology.

As ligas de ferro fundido branco alto cromo (FFBAC) da norma ASTM A-532 são comumente utilizadas em peças que necessitam de elevada resistência ao desgaste. Tal escolha acontece devido à elevada dureza apresentada por tais materiais, o que propicia maior vida útil dos componentes. Entretanto, uma vez que o teor de cromo utilizado nos FFBAC possui grande influência no custo das peças, é importante garantir que os tratamentos térmicos (TOTO’s) aplicados estejam otimizados para cada composição de liga. Buscando atuar nesse sentido, esta dissertação analisou a utilização de diferentes tempos e temperaturas de patamar em TOTO’s de desestabilização da austenita para duas ligas da norma ASTM A-532 (ligas com 20% e 25%Cr). Após tais procedimentos, foram estudadas a dureza e a resistência ao desgaste, tanto para algumas das amostras tratadas quanto para seis amostras de FFBAC fornecidas por diversas fundições nacionais. Os resultados demonstraram a existência de uma temperatura que otimiza a dureza da liga, possibilitando incrementos desta propriedade nas amostras tratadas em valores de até 37% (considerando a dureza inicial na condição “bruto de fusão”). Com relação ao tempo de patamar, verificou-se que o mesmo apresentou pouca influência no incremento de dureza, apresentando variações máximas inferiores à 4% para tratamentos variando entre 30 minutos à 6 horas de duração, resultado que destoou daquele indicado pela literatura. Além disso, verificou-se que uma liga com 19,6 %Cr pode apresentar uma dureza até 11% maior do que o verificado para ligas comerciais Nesta comparação, apesar da liga comercial possuir menor teor de carbono, ficou evidenciado o indicativo de que as peças consideradas neste estudo e oriundas de fundições nacionais não otimizam os resultados de seus TOTO’s. A resistência ao desgaste, por sua vez, demonstrou não depender apenas da macrodureza das amostras, mas também de outras características como tamanho, distância e continuidade dos carbonetos primários, o que explica a obtenção de resultados similares de perda de massa no ensaio abrasivo para amostras que possuem durezas diferindo em cerca de 12% porém possuindo tamanho de microconstituintes similares. Por fim, observou-se que ligas com maiores teores de cromo e menores teores de carbono apresentam menores valores de dureza e resistência ao desgaste, o que viabiliza uma aplicação com maior vida útil e menor custo. / The high chromium white cast iron alloys from ASTM A-532 are commonly used in parts which wear resistance are required. This choice happens due the great hardness showed by these alloys, what propitiates a higher lifetime for the components. However, since chromium content has great influence in the cost of the parts, it is important ensure that the apply heat treatments are optimized for each alloy composition. Thus this dissertation analyzed the application of different heat treatment cycles on the austenite destabilization for two ASTM A-532 alloys (20%Cr and 25%Cr). After the heat treatment, hardness, wear resistance and microstructure were analyzed, both for some of the treated samples as for six samples provided by different manufactures in Brazil. The results showed the existence of a temperature that optimizes the alloy hardness, allowing increases on this property in values up to 37% (considering the initial hardness of the “as cast” condition) Concerning the time of heat treatment, was verified that this parameter has low influence in the increase on hardness, showing maximum variations lower than 4% in treatments with times coming from thirty minutes until six hours, results that does not match that one’s indicated by the literature. Besides that, it was verified that an alloy with 19,6%Cr can present a hardness 11% greater than that verified in commercial. In this comparation, although the commercial alloy having lower carbon content, was evidenced that the parts from the Brazilians companies which were considered in this study, does not have an optimum heat treatment. The wear resistance was not only depend of the sample hardness, but also of other characteristics as size, distance and continuity of the primary carbides, which explain the results of similar mass loss in the abrasive test for samples with hardness differing about 12%, but with similar size of microconstituents. Finally, it was observed that alloys with higher chromium and low carbon content shows lower hardness and wear resistance values than alloys with low percentages of chromium, what enable an application with larger lifetime and lower cost.

In this thesis, the behavior of pearlitic steel was characterized under controlled wear conditions in the laboratory and service conditions in two ore mining stages, comminution and transportation. The thesis consists in three experimental chapters, divided according to the tribosystems analyzed. On all the chapters Electro Microscopy techniques for the microstructural analysis were employed. Scanning Electron Microscopy (SEM), Focused Ion Beam (FIB-SEM), Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and Transmission Electron Microscopy (TEM) were used. The first experimental chapter shows the analysis of the pearlite under abrasive wear with loose abrasive particles in multi-events conditions. The sample was taken from Semi-Autogenous Grinding mills (SAG) and experimental simulation was carried out in laboratory using the Dry Sand Rubber Wheel Abrasion Test (DSRW). The results show a polycrystalline layer formation in both cases, characterized by ultra-fine grains of ferrite in the layer closer to the surface. It was also concluded that the DSRW can simulate the wear produced on field (superficial and microstructural features) in conditions of higher normal load than recommended by the ASTM Standard G65. The second experimental chapter explores the characterization of the microstructure after the indenter pass in scratch test using two conditions of normal load applied and five sequences of scratch. The microstructural analysis shows the formation of two subsuperficial layers identified by the level of the microstructural alterations. In the subsuperficial layer (close to the surface), the formation of new ultra-fine grains of ferrite was observed. A second layer was observed deeper in the sample and denominated as layer of the microstructure transition, characterized by the combination of deformed (reduction of the interlamellar spacing) and pearlite colonies not affected plastically by the mechanical loading. On this layer, the crystallographic texture in RD // in samples tested at 4 N (normal load) and one-pass scratch was determined. Later, on this chapter, the microstructure in a ground rail (industrial procedure characterized as a multi-event scratch test) was analyzed. Two grinding conditions were used for the analysis with variation of the grinding linear speed and load on the grinding stones (discs). The combination of low grinding speed and high load promotes a higher deformed layer formation beneath the patch zone and low randomized orientation of the pearlite colonies. Finally, in the third experimental chapter, the pearlitic characterization was concluded with the study of samples of railway wheel and rail under wear in service and Rolling Contact Fatigue (RCF) in laboratory. The laboratorial simulation was carried out using the twin-disc rolling contact tribometer with a variation of number of cycles. The characterization of railway wheel shows that the WEL is characterized by levels of breaking and aligned cementite and zones with dissolution of the carbon atom in the ferrite to form the supersaturated carbon ferrite. The polycrystalline ferrite formation (ultra-fine grains) in the sub-superficial layer and it was identified a preferential orientation of RD // in the layer of microstructural transition. The results of the laboratory test show surface crack nucleation and propagation at low angle in the more severe deformed layer. The microstructure of the layer consists in polycrystalline ferrite and the cementite dissolution. / Nesta tese foi caracterizado o comportamento do aço perlítico em condições controladas de desgaste em laboratório e em serviço em dois estágios do processo de mineração de minério, cominução e transporte ferroviário. A tese consiste em três capítulos experimentais divididos segundo o tribosistema analisado. Em todos os capítulos do trabalho foi utilizada a técnica de microscopia eletrônica para análise microestrutural. Foi utilizado Microscopia eletrônica de varredura (MEV), Focused Ion Beam (FIB-SEM), Electron Backscatter Diffraction (EBSD) e Microscopia eletrônica de transmissão (MET). O primeiro capítulo experimental mostra a análise da perlita in condições de desgaste abrasivo com partículas soltas em eventos múltiplos. As amostras foram tiradas de um moinho semi-autógeno (SAG) e realizada uma simulação experimental do desgaste em condições controladas usando o tribômetro de roda de borracha (RWAT). Os resultados mostraram a formação de camada branca em ambas as condições de análise, consistindo em uma camada poli cristalina caracterizada pela formação de grãos ultrafinos na camada mais próxima da superfície de desgaste. Também foi concluído que a roda de borracha pode simular o desgaste produzido nos moinhos SAG tanto nas características superficiais quanto microestruturais em condições de maior severidade as comumente utilizadas na norma ASTM G65 (procedimento B). O Segundo capítulo experimental explora a caracterização da microestrutura depois da passagem do endentador no ensaio de riscamento (scratch test) utilizando duas condições de carga normal aplicada e 5 sequências de riscamento. A análise microestrutural mostrou a formação de duas camadas subsuperficiais identificadas pelo nível de alteração microestrutural. Na camada mais próxima da superfície de desgaste foi observada a formação de grãos ultrafinos de ferrita. A segunda camada identificada mais profundamente na amostra, denominada como camada de transição, é caracterizada pela combinação de colônias deformadas (redução do espaçamento interlamelar) e camadas não afetadas pelos esforços produzidos no contato. Nesta camada foi determinada a texturização em direção RD // nas amostras testadas a 4 N (carga normal aplicada) e uma passada. Posteriormente à análise de riscamento foi caracterizada a microestrutura de uma amostra tirada de um trilho esmerilhado (processo industrial que pode ser considerado como aplicação do ensaio de riscamento). Foram consideradas duas condições de esmerilhamento com variação de velocidade de esmerilhamento (deslocamento linear do veículo esmerilhador) e potência dos motores dos rebolos usada no procedimento. A combinação de baixa velocidade de esmerilhamento e alta potência nos motores controladores dos rebolos promoveu uma grande deformação nas camadas subsuperficiais na região de contato e uma baixa aleatoriedade das orientações cristalográficas das colônias de perlita. Finalmente, no capítulo três, a caracterização da microestrutura perlitica foi finalizada com o estudo de amostras de roda e trilho em condições de desgaste em campo e de Rolling Contact Fatigue (RCF) em ensaios de laboratório. A simulação experimental foi realizada utilizando o tribômetro twin-disc rolling (configuração disco-disco) com variação do número de ciclos. A caracterização da roda ferroviária mostrou a formação da camada branca caracterizada por níveis de cementita fraturada e alinhada em direção do movimento de rolamento/deslizamento com áreas de dissolução do átomo de carbono na ferrita formando uma ferrita supersaturada. Foi identificado a formação de policristais de ferrita (grãos ultrafinos) na camada mais superficial e uma orientação preferencial RD // na camada de transição. Os resultados dos ensaios de laboratório mostraram a nucleação de trincas superficiais se propagando a baixo ângulo na camada branca. A transformação microestrutural dessa camada após ensaios de laboratório consiste em policristais de ferrita e dissolução da cementita.

Neste trabalho foram produzidas camadas de boretos de elevadas durezas e resistências ao desgaste nos aços AISI H13 e AISI D2, por meio de tratamento termo-reativo em banho de bórax com adição de 10% de alumínio. Posteriormente foram realizados tratamentos pela técnica PVD sobre as camadas de boretos. As amostras foram caracterizadas por meio de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, ensaios de dureza e ensaios de micro desgaste abrasivo com esfera livre. Para ambos os materiais, os tempos de tratamento de boretação foram de 4 horas, seguido de resfriamento em óleo ou ao ar. As camadas produzidas por boretação no caso do aço AISI H13 apresentaram espessura média de 70 μm e para o aço AISI D2 espessura média de 100 μm. As durezas das camadas de boretos produzidas variaram de 1500 a 1700 HV. Os ensaios de micro desgaste abrasivos com esfera livre foram realizados com uso de solução abrasiva de carboneto de silício. Todas as camadas produzidas apresentaram resistências ao desgaste muito superiores as dos substratos. As amostras com tratamentos duplex boretação-PVD apresentaram os melhores desempenhos ao desgaste, seguidas pelo aço AISI D2 e AISI H13 boretados e por último os aços AISI D2 e AISI H13 temperados e revenidos. / Borides layers with high hardness and wear resistances were produced on AISI H13 and AISI D2 steels by thermo-reactive treatment in borax added with 10% of aluminum. Subsequently, treatments by the PVD technique were performed on the layers of borides. The samples were characterized using Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy, hardness testing and free-ball micro abrasive wear test. For both materials, the boriding treatment times were 4 hours long, followed by cooling in oil or air. In the case of AISI H13, the layers produced by boriding showed an average thickness of 70 μm while AISI D2 steel presented an average thickness of 100 μm. The hardness of the produced boride layers ranged from 1500 to 1700 HV. The micro abrasive wear tests were performed using abrasive solution of silicon carbide. All produced layers showed wear resistance much higher than the substrates. Samples with treatments duplex PVD-boriding presented the best wear performances, followed by AISI D2 and AISI H13 borated steels and finally, AISI D2 and AISI H13 steels quenched and tempered.

O presente trabalho trata do estudo do fatiamento de cristais de quartzo quanto as suas características e influências na fabricação de micro sistemas eletromecânicos (MEMS). A metodologia é iniciada pelo projeto estruturado de um MEMS, convergindo para um gerador energia elétrica do tipo energy harvest, capaz de gerar energia limpa, renovável, de escala reduzida (micro componente), de baixa potência e com vistas para aplicação comercial. Geração de energia tem se tornado um tema cada vez mais frequente, em especial energia para sistemas autônomos (wireless) aonde o uso de baterias é restritivo ou até mesmo inviável devido às dimensões e dificuldade de manutenção. A fabricação de MEMS é a etapa de maior investimento financeiro e por consequência, maior estudo. No caso do gerador de energia, a ênfase recai sobre os processos de corte, que consomem a maior parte do processo fabril. O objetivo do presente trabalho é avaliar o processo de corte abrasivo do quartzo e a influência dos defeitos impregnados pelo processo, sobre o desempenho de geradores de energia piezelétricos baseados em quartzo sintético e natural. Os processos de corte com uso de fita abrasiva (band saw) e disco abrasivo (dicing saw) se destacaram devido aos bons resultados, disponibilidade, produtividade e baixo custo. Procedimentos de corte também foram realizados em outros materiais - Alumina Policristalina 99,8% e Silício (111) - como estudo comparativo das características do mecanismo de remoção de material aplicado aos processos de corte abrasivos. Os parâmetros de corte foram trabalhados em busca de melhor qualidade, que significa redução da impregnação de falhas (principalmente, o chipping e backside chipping) e melhor acabamento das superfícies geradas pelo corte final. Foram obtidas peças nos planos AT, X, Y e Z, com espessuras a partir de 0,5 mm, segmentadas em larguras de 1 a 7 mm. / This work is a study of characteristics and influences of cutting process in manufacturing of microelectromechanical systems (MEMS) based on quartz single crystal. The methodology starts by the structured design of a MEMS device, converging to an electric power generator device, type energy harvest that generates clean energy, renewable, with small dimensions (micro component) and low power. Power generating has become a frequent topic, especially the power generation for wireless devices systems, which use of batteries can be restrictive or even impracticable because of dimensions and difficult of maintenance. The base of the study is the process manufacturing of MEMS, which is the major investment and because of this, the most studied stage. In the case of a power generator, the emphasis is on the cutting process that consumes most part of the work flow. The objective of this work is evaluate the abrasive cutting process of quartz and the influence of defects generated by the cutting process applied to the performance of piezoelectric power generators based on synthetic and natural quartz crystal. The abrasive cutting process of band saw and dicing saw were featured due availability and high productivity with low cost. Procedures of cutting were also applied in other materials - Alumina Polycrystalline 99,8% and Silicon (111) - as comparison for material removal mechanism in cutting process. The process parameters were optimized to reach better cutting quality, which means reduction in faults (mainly, chipping and backside chippings) and better surface finishing from cutting process. It was obtained pieces from AT, X, Y and Z cutting plans, with thickness starting from 0,5 mm and widths from 1 to 7 mm.