Este trabalho apresenta uma metodologia experimental para investigar a relação entre taxas de desgaste abrasivo e dureza. Investigam-se os regimes moderado e severo de desgaste abrasivo em função da razão entre a dureza do abrasivo (HA) e a dureza do material desgastado (H). Foram realizados ensaios pino contra lixa, utilizando vidro como abrasivo em dois tamanhos, grana #80 e grana #240, e pinos com 3 mm de diâmetro sob força de 20 N. Os materiais ensaiados foram os aços AISI 1006 e AISI 52100, este último em diferentes condições metalúrgicas, e um ferro fundido branco de alto cromo, de composição eutética e matriz perlítica. Três tipos de resposta do sistema tribológico foram utilizadas para avaliar os regimes de desgaste: perda de massa, coeficiente de atrito e força de penetração do abrasivo. Determinaram-se as perdas de massa ao longo dos ensaios; o coeficiente de atrito medido por meio de célula de carga e a força de penetração com o uso de ensaios instrumentados de dureza estimando-se a profundidade máxima de penetração com base no parâmetro Rz. A partir das medidas de dureza, foi utilizado um parâmetro para incorporar os efeitos do comportamento elasto-plástico dos materiais, que considera a morfologia de impressão de dureza. Com este parâmetro, foi possível obter uma dureza denominada \"verdadeira\", que incorpora os efeitos de formação de bordas ou retração dos materiais. Verificou-se que os valores de resistência ao desgaste relativa não dependem do tamanho do abrasivo, mas que os valores de coeficiente de atrito dependem, sob regime severo de desgaste. Por sua vez, no regime moderado, os valores de coeficiente de atrito são independentes do tamanho do abrasivo. / This work presents an experimental methodology to investigate the relationship between abrasive wear rates and hardness. The mild and severe abrasive wear regimes are investigated in relation to the abrasive hardness-to-worn material hardness ratio (HA/H). Pin-against-paper tests were performed, using glass as abrasive material in two grain sizes, grit #80 and grit #240, and 3-mm diameter pins under 20 N of applied load. The tested materials were AISI 1006 e AISI 52100 steels, the last one in different metallurgical conditions, and a high-chromium white cast iron, with eutetic composition and pearlitic matrix. Three kinds of tribological system responses were used to evaluate the wear regimes: mass loss, friction coefficient and load of penetration of abrasive. Mass losses were determined along testing time; friction coefficient was determined by means of load cell and the load of penetration using instrumented hardness test, selecting the maximum depth penetration based on the Rz roughness parameter. From hardness measurements, a parameter was used to incorporate the elastic-plastic behavior of materials, which consider the indentation hardness morphology. Using this parameter, it was possible to obtain a kind of hardness called \"true\", which incorporate the pilling-up and sinking-in effects. It has been demonstrated that the relative abrasive resistance is not dependent of the abrasive particle size, but the friction coefficient values change, under severe wear regime. On the other hand, under mild regime, the friction coefficient values are independent of the abrasive particle size.

Tratamentos termoquímicos são processos utilizados pela indústria em componentes de sistemas mecânicos com o intuito de melhorar as suas propriedades superficiais, em especial o desempenho em desgaste. Esses sistemas são utilizados em conjunto com lubrificantes em máquinas e equipamentos dos mais variados tipos. Normalmente os lubrificantes mais usados em função do seu bom desempenho, são de base mineral. Entretanto, há vários estudos propondo o uso de lubrificantes de base vegetal mas pouco se conhece da interação da superfície com esses biofluidos. Sendo assim é importante se identificar como uma superfície tratada ou não, irá interagir com os diferentes tipos de lubrificantes. Dentro deste escopo, este trabalho se propõe a comparar a resposta tribológica de superfícies tratadas termoquimicamente ou não quando lubrificada com biofluidos e com óleos derivados de petróleo. O estudo foi realizado por meio do método \"ball-cratering test\". Como corpos de prova, foram utilizados pastilhas de aço AISI 4140 submetidas aos tratamentos termoquímicos de nitretação e nitrocementação e também sem tratamento além de partilhas de aço LN28 cementadas, como contracorpo foi utilizado uma esfera de aço AISI 52100 adquiridas comercialmente. Três tipos de óleos lubrificantes foram utilizados: óleo mineral, óleo de mamona e óleo de soja epoxidado. Com intuito de analisar os resultados obtidos nestes ensaios, foi calculado o volume desgastado de material nas amostras, e após a realização destes ensaios foi analisada a superfície dos corpos de prova em microscópio óptico, MEV e AFM. Foi medida também a molhabilidade dos lubrificantes nas superfícies estudadas. Os materiais submetidos a tratamento termoquímico apresentaram um melhor desempenho tribológico na maioria dos testes. Assim também, o óleo mineral, que apesar de possuir uma viscosidade inferior aos óleos vegetais utilizados, apresentou um melhor desempenho devido as propriedades inerentes a este tipo de lubrificante. / Thermochemical processes are used in the industry to improve the surface properties of the components of mechanical systems. In such systems lubrication are very important as well. Most common lubricants are mineral oil based but there are several studies analyzing performance of lubricants formulated from vegetable oils. However there are few studies about the interaction between surface and biofluids. It is important to know the behavior of the modified surface by thermochemical treatments interacting with different lubricants. In order to address this subject this study proposed to compare tribological behavior of surfaces modified by thermochemically and not modified when different lubricants are acting in the surface. Lubricants used were vegetable based (castor oil and epoxidized soybean oil) and mineral based (paraffinic oil). Tribological studies were performed by ball cratering test using samples from SAE 4140 submitted to nitriding and nitrocarburizing against AISI 52100 spheres. It was also tested samples from carburized LN 28 steel. Worn volume were calculated and characterization of the crater after test were made using SEM and AFM. Wetting was also measured for the different surface condition and lubricants. Results showed better performance of the modified surfaces using mineral oil as lubricant despite their lower viscosities.

A indústria automotiva exige produtos que trabalhem em condições extremas. O desenvolvimento de componentes é uma ação de aperfeiçoar os motores de combustão interna para que atinjam a vida requerida com níveis de desgaste aceitáveis, respeitando os limites legais de operação, como por exemplo, valores de emissões de poluentes. Diante dessas exigências, se faz necessário estudar componentes considerados críticos que conhecidamente influenciam no desempenho do motor. A tribologia do par válvula e sede de válvula de admissão é um importante conjunto que se deve ter atenção quanto ao seu desgaste, visto que pode influenciar na degradação do motor quanto aos parâmetros de emissões de poluentes e requisitos operacionais de manutenção e de vida do produto. O objetivo foi avaliar o comportamento do par tribológico, válvula e sede de válvula de admissão, submetidos a ensaios em dinamômetro e veiculares (condições reais de operação), quanto ao nível e tipo de desgaste ocorrido no par. Os resultados obtidos foram correlacionados com os requisitos de desempenho legais e operacionais de um motor ciclo diesel, como também foi realizada a caracterização do tipo de desgaste ocorrido no par tribológico e comparada com a literatura específica. Com base nos resultados, concluiu-se que ocorreu uma excelente compatibilidade entre a válvula e a sede da válvula de admissão; o nível de desgaste não prejudicou o desempenho do motor e as emissões de poluentes; o par tribológico atendeu aos requisitos de trabalho extremos, como operação em altas temperaturas e pressão de combustão com baixas taxas de desgaste; e os tipos de desgastes observados foram classificados como desgaste adesivo e sinais de deformação plástica. / Automotive industry demands products that work under extreme conditions. The development of components for internal combustion engines is an action to improve this product, so that it reaches the required life with acceptable levels of wear and respecting the legal operating limits, such as values of emission pollutants. In view of these requirements, it is necessary to study components considered critical, which are known to influence the performance of the engine. So within this universe the tribology of the intake valve and valve seat insert is an important set, that must receive attention to its wear and consequently its influence to the engine degradation in the parameters of emission pollutants and performance related to the operational maintenance requirements and life of the product. The aim of this work is to evaluate the behavior of the tribological intake pair, valve and valve seat insert, submitted to dynamometer and vehicular tests (real operating conditions), regarding the level and type of wear occurred in the pair. The results were compared with legal and operational performance requirements of a diesel cycle engine, as well as the characterization of the wear type occurred in the tribological pair, with the related literature. Based on the results it was concluded that there was excellent compatibility between the valve and the valve seat material; the wear level did not impar the engine performance and emissions of pollutants; the tribological pair meeting extreme work requirements, such as high temperature operation and combustion pressure while maintaining low wear rates. The wear types observed were classified as adhesive wear and slight signs of shear strain wear.

Embreagens de prensas mecânicas, principalmente as de forja a quente se caracterizam por um intenso regime de trabalho com espaços muito curtos entre acionamentos. Muitas das embreagens apresentam desgaste acentuado obrigando a paradas frequentes para manutenção. Neste trabalho são discutidos os princípios de funcionamento de prensas excêntricas e os parâmetros de projeto de embreagens e freios. Pontos importantes são: o balanço entre torque de operação, número de inserções por minuto e a dissipação de calor. É feita uma breve revisão da literatura sobre compósitos, lonas e seu comportamento. Discute-se a diferença das premissas de projeto de uma lona automotiva e a lona para uso industrial com alto número de aplicações por minuto. Apresenta-se um pressuposto quanto ao processo de transmissão de calor na embreagem e o que influência no desgaste da mesma, relacionando-o com a pressão de contato. Nas manutenções se verificam resíduos (debris) diferentes sugerindo regimes diferentes de desgaste. Há um resíduo preto que caracteriza um regime severo de desgaste. Pode-se associar esse resíduo ao fenômeno da degradação da base polimérica que compõe a lona. A degradação da base polimérica é causada pela alta temperatura de operação dessas embreagens. Em ensaios simples de pino e disco consegue-se reproduzir desgaste das lonas, que comprova o observado na prática e as condições que isso ocorre. Finalmente são apresentadas sugestões para o dimensionamento das embreagens e cuidados necessários no projeto de freios e embreagens. / Mechanical press clutches, especially clutches for hot forging presses have a hard working cycle with a little time between engagements. Many of those clutches present a severe lining wear, needing frequent maintenance stops. This work is discusse, the basics of eccentric presses and the clutch design parameters. Important points are: the balance between operation torque, engagements per minute and heat dissipation. This also presents a short literature review regarding composites and linings. It is discussed the design baselines differences between automotive linings and this specific case. It is presented a hypothesis about the heat transfer process in the clutch and how its related with wear, associating it with the contact pressure. In maintenance it is found different kinds of wear debris, suggesting more than one wear regime. The black debris indicates a severe wear regime. This debris can be associated to the lining polymeric matrix degradation. The polymeric matrix degradation is caused by the high op eration temperatures in these clutches. Based on simple pin-on-disc tests can be obtained results that show what is practical observed and the conditions this occurs, proving the hypothesis. Finally are presented suggestions for clutch dimensioning and necessary project cares.

Three different fine-particles (lanthanum fluoride nanoparticles, cerium oxide nanoparticles and zinc borate submicron particles) were modified and tested on the purpose of study the effects of surface modified fine-particles when they used as lubricant additives in liquid paraffin. The modified fine-particles were examined and characterised by a FT-IR spectroscopy and a zeta-potential measurer. The tribological performances of surface modified fine-particles were invalided by a pin-on-disc test rig under various experimental environments. The worn surfaces on post-tested pin were analysed by AFM, SEM and a nano-indentation tester. The results indicated Hexadecyltrimethoxysilane (HS) modified lanthanum fluoride nanoparticles and HS modified cerium oxide nanoparticles all shown better dispersibility than unmodified lanthanum fluoride nanoparticles and unmodified cerium oxide nanoparticles in liquid paraffin (LP). HS modified lanthanum fluoride nanoparticles and HS modified cerium oxide nanoparticles also have been approved that they can improve the tribological properties of LP significantly under various working conditions. The formation of tribo-films on the worn scar is the key mechanism of friction and wear reduction. On the other hand, surface modified zinc borate submicron particles have not demonstrated great potential as an oil lubricant additive under various working conditions. HS, as a particle surface modifier, could improve the performance of fine-particle oil lubricant additives impressively. The positive effects of HS on both dispersibility and tribological performance of surface modified fine-particles were observed.

Lubricants oils play an important role in a wide range of industrial and mechanical processes, where they are used to reduce both the friction and wear between interacting moving surfaces. The current understanding of lubrication is mainly based on empirical evidence, obtained from experiment. In this work, computer simulations are used to gain insight into the microscopic processes that lead to the modification of friction and wear by additive molecules adsorbed on sheared surfaces lubricated by thin liquid films. The specific area of application under consideration is the lubrication of automotive engine parts. The interactions between additive molecules are first determined using density-functional theory calculations. The interactions are then validated against available experimental data, and incorporated in to large-scale molecular-dynamics (MD) simulations, which are used to explore the structure and frictional properties of lubricated surfaces. The surfaces considered are alumina and iron oxide. The lubricating oils are squalane and hexadecane, which are representative of automotive lubricants, and the additive molecules are stearic acid, oleic acid and various oleamides. MD simulations are performed over wide ranges of the relevant physical conditions, namely pressure, temperature, and shear rate. The additives adsorb on to the surfaces and provide a physical connection between the surfaces and the lubricating liquid. The structures of adsorbed films are analysed in microscopic detail using functions of atomic positions and molecular geometry. Several important trends are identified, linking molecular isomerism and architecture with the structure and stability of the adsorbed film. In addition, the simulation results are used to gain insight on recent experimental measurements of film structure. The friction coefficients in various situations are computed and analysed with reference to the structures of the adsorbed films. The synthesis of these data and observed trends yields new insights on the intimate link between the molecular properties of lubricants, and the macroscopic frictional properties of macroscopic lubricated engine parts.

Este trabalho apresenta uma metodologia experimental para investigar a relação entre taxas de desgaste abrasivo e dureza. Investigam-se os regimes moderado e severo de desgaste abrasivo em função da razão entre a dureza do abrasivo (HA) e a dureza do material desgastado (H). Foram realizados ensaios pino contra lixa, utilizando vidro como abrasivo em dois tamanhos, grana #80 e grana #240, e pinos com 3 mm de diâmetro sob força de 20 N. Os materiais ensaiados foram os aços AISI 1006 e AISI 52100, este último em diferentes condições metalúrgicas, e um ferro fundido branco de alto cromo, de composição eutética e matriz perlítica. Três tipos de resposta do sistema tribológico foram utilizadas para avaliar os regimes de desgaste: perda de massa, coeficiente de atrito e força de penetração do abrasivo. Determinaram-se as perdas de massa ao longo dos ensaios; o coeficiente de atrito medido por meio de célula de carga e a força de penetração com o uso de ensaios instrumentados de dureza estimando-se a profundidade máxima de penetração com base no parâmetro Rz. A partir das medidas de dureza, foi utilizado um parâmetro para incorporar os efeitos do comportamento elasto-plástico dos materiais, que considera a morfologia de impressão de dureza. Com este parâmetro, foi possível obter uma dureza denominada \"verdadeira\", que incorpora os efeitos de formação de bordas ou retração dos materiais. Verificou-se que os valores de resistência ao desgaste relativa não dependem do tamanho do abrasivo, mas que os valores de coeficiente de atrito dependem, sob regime severo de desgaste. Por sua vez, no regime moderado, os valores de coeficiente de atrito são independentes do tamanho do abrasivo. / This work presents an experimental methodology to investigate the relationship between abrasive wear rates and hardness. The mild and severe abrasive wear regimes are investigated in relation to the abrasive hardness-to-worn material hardness ratio (HA/H). Pin-against-paper tests were performed, using glass as abrasive material in two grain sizes, grit #80 and grit #240, and 3-mm diameter pins under 20 N of applied load. The tested materials were AISI 1006 e AISI 52100 steels, the last one in different metallurgical conditions, and a high-chromium white cast iron, with eutetic composition and pearlitic matrix. Three kinds of tribological system responses were used to evaluate the wear regimes: mass loss, friction coefficient and load of penetration of abrasive. Mass losses were determined along testing time; friction coefficient was determined by means of load cell and the load of penetration using instrumented hardness test, selecting the maximum depth penetration based on the Rz roughness parameter. From hardness measurements, a parameter was used to incorporate the elastic-plastic behavior of materials, which consider the indentation hardness morphology. Using this parameter, it was possible to obtain a kind of hardness called \"true\", which incorporate the pilling-up and sinking-in effects. It has been demonstrated that the relative abrasive resistance is not dependent of the abrasive particle size, but the friction coefficient values change, under severe wear regime. On the other hand, under mild regime, the friction coefficient values are independent of the abrasive particle size.

A indústria automotiva exige produtos que trabalhem em condições extremas. O desenvolvimento de componentes é uma ação de aperfeiçoar os motores de combustão interna para que atinjam a vida requerida com níveis de desgaste aceitáveis, respeitando os limites legais de operação, como por exemplo, valores de emissões de poluentes. Diante dessas exigências, se faz necessário estudar componentes considerados críticos que conhecidamente influenciam no desempenho do motor. A tribologia do par válvula e sede de válvula de admissão é um importante conjunto que se deve ter atenção quanto ao seu desgaste, visto que pode influenciar na degradação do motor quanto aos parâmetros de emissões de poluentes e requisitos operacionais de manutenção e de vida do produto. O objetivo foi avaliar o comportamento do par tribológico, válvula e sede de válvula de admissão, submetidos a ensaios em dinamômetro e veiculares (condições reais de operação), quanto ao nível e tipo de desgaste ocorrido no par. Os resultados obtidos foram correlacionados com os requisitos de desempenho legais e operacionais de um motor ciclo diesel, como também foi realizada a caracterização do tipo de desgaste ocorrido no par tribológico e comparada com a literatura específica. Com base nos resultados, concluiu-se que ocorreu uma excelente compatibilidade entre a válvula e a sede da válvula de admissão; o nível de desgaste não prejudicou o desempenho do motor e as emissões de poluentes; o par tribológico atendeu aos requisitos de trabalho extremos, como operação em altas temperaturas e pressão de combustão com baixas taxas de desgaste; e os tipos de desgastes observados foram classificados como desgaste adesivo e sinais de deformação plástica. / Automotive industry demands products that work under extreme conditions. The development of components for internal combustion engines is an action to improve this product, so that it reaches the required life with acceptable levels of wear and respecting the legal operating limits, such as values of emission pollutants. In view of these requirements, it is necessary to study components considered critical, which are known to influence the performance of the engine. So within this universe the tribology of the intake valve and valve seat insert is an important set, that must receive attention to its wear and consequently its influence to the engine degradation in the parameters of emission pollutants and performance related to the operational maintenance requirements and life of the product. The aim of this work is to evaluate the behavior of the tribological intake pair, valve and valve seat insert, submitted to dynamometer and vehicular tests (real operating conditions), regarding the level and type of wear occurred in the pair. The results were compared with legal and operational performance requirements of a diesel cycle engine, as well as the characterization of the wear type occurred in the tribological pair, with the related literature. Based on the results it was concluded that there was excellent compatibility between the valve and the valve seat material; the wear level did not impar the engine performance and emissions of pollutants; the tribological pair meeting extreme work requirements, such as high temperature operation and combustion pressure while maintaining low wear rates. The wear types observed were classified as adhesive wear and slight signs of shear strain wear.

O presente trabalho aborda a modelagem unidimensional do regime misto de lubrificação para problemas caracterizados por condições genéricas de carga, velocidade e geometria. Tal modelagem foi desenvolvida a partir de modelos clássicos, tais como a equação de Reynolds relacionada com os fenômenos hidrodinâmicos, e as formulações de Greenwood & Williamson e Greenwood & Tripp utilizadas na descrição do contato de asperezas entre superfícies rugosas. A cavitação do fluido lubrificante foi considerada através dos modelos tradicionais de half-Sommerfeld e Swift-Steiber (Reynolds). Com relação à reologia do lubrificante, as possíveis variações de viscosidade devidas ao próprio campo de pressões hidrodinâmicas e às altas taxas de cisalhamento do fluido (\"shear-thinning\") foram também contempladas na modelagem proposta. Adicionalmente, quatro filtros não convencionais de rugosidade foram propostos e implementados com o objetivo de eliminar as distorções verificadas na definição do plano (ou linha) médio(a) de referência em topografias caracterizadas pela presença de vales profundos, tais como as obtidas após a aplicação da técnica de texturização a laser (LST). A definição adequada desse plano (ou linha) médio(a) de referência é imprescindível para a correta determinação dos parâmetros necessários para a utilização dos modelos de contato de Greenwood a partir das metodologias consideradas neste trabalho. Toda a modelagem unidimensional foi implementada em um programa computacional denominado VTL (\"Virtual Tribology Laboratory\"), cujo código fonte está disponível para qualquer usuário interessado em realizar simulações envolvendo sistemas lubrificados caracterizados por perfis com geometrias genéricas. A validação da modelagem unidimensional proposta foi verificada utilizando os resultados experimentais de um teste de atrito com movimento alternado (\"reciprocating test\") publicado na literatura. Como resultado, a correlação experimental dos resultados calculados com o programa VTL foi excelente. O programa VTL foi também utilizado para verificar a possibilidade da redução de atrito em sistemas lubrificados envolvendo superfícies planas texturizadas, como as obtidas utilizando a técnica de texturização a laser (LST). Devido à limitação unidimensional da modelagem proposta, as fileiras ortogonais de 7 micro-cavidades foram aproximadas como sendo ranhuras (\"grooves\") de dimensões fixas. Para tais situações, apesar da limitação comentada acima, a modelagem unidimensional proposta pode ser utilizada para analisar qualitativamente o mecanismo de micro-mancais responsável pela geração de pressão hidrodinâmica entre superfícies paralelas caracterizadas por esse tipo de micro-texturas. / This dissertation focuses on one dimensional modelling of the mixed lubrication regime for problems with general conditions of load, velocity and geometry. Such modelling was based on classical models, such as the Reynolds equation related to the hydrodynamic phenomena, and the Greenwood & Williamson and Greenwood & Tripp formulations for the description of the asperity contact between rough surfaces. Cavitation of the lubricant was considered adopting the well-known half-Sommerfeld and Swift-Steiber (Reynolds) models. As for the lubricant rheology, the viscosity-pressure dependence and viscosity-shear-thinning effects were considered. Furthermore, four non-conventional roughness filters were conceived and implemented in order to eliminate the distortions observed on the definition of the reference mean plane (or line) of topographies (or profiles) with deep valleys, such as those obtained with the laser surface texturing (LST) technique. The proper definition of the reference plane (or line) is indispensable for the calculation of the Greenwood\'s contact parameters according to the methodologies used in this work. The complete one dimensional modelling proposed was implemented as a computational program named Virtual Tribology Laboratory (VTL), an open source code available for any user interested in performing simulations of lubricated systems with generic profiles. In order to validate the one dimensional model, experimental results of a frictional reciprocating test published in the literature were considered for comparison. The correlations between the experimental and simulated results calculated with VTL were excellent. Simulations using the VTL program were also performed in order to evaluate the friction reduction potentialities of textured surfaces (LST). Due to the one dimensional model limitations, grooves were considered instead of micro-cavities (dimples). In such scenery, regardless the above mentioned limitations, the one dimensional modelling proposed yielded good qualitative descriptions of the micro-bearing mechanism that generates hydrodynamic load carrying capacity between parallel textured surfaces.

This thesis includes two parts. The first part reviews the history and fundamentals of surface science and tribology. The second part presents the major research outcomes and contributions. This research explores the aspects of friction, wear, and surface modification for tribological augmentation of surfaces. An effort has been made to study these aspects through gaining insights by fundamental studies leading to specific practical applications in railroads. The basic idea was to surface engineer metals for enhanced surface properties. A micro- and nano- scale experimental approach has been used to achieve these objectives. Novel principles of nano technology are incorporated into the experiments. Friction has the potential to generate sufficient energy to cause surface reactions through high flash temperatures at the interface of two materials moving in relative motion. This allows surface modifications which can be tailored to be tribologically beneficial through a controlled process. The present work developed a novel methodology to generate a functional tribofilm that has combined properties of high hardness and high wear resistance. A novel methodology was implemented to distinguish sliding/rolling contact modes during experiments. Using this method, a super hard high-performance functional tribofilm with “regenerative” properties was formed. The main instrument used in this research for laboratory experiments is a tribometer, using which friction, wear and phase transformation characteristics of railroad tribo-pairs have been experimentally studied. A variety of material characterization techniques have been used to study these characteristics at both micro and nano scale. Various characterization tools used include profilometer, scanning electron microscope, transmission electron microscope, atomic force microscope, X-ray diffractometer, nanoindenter, and X-ray photon spectroscope. The regenerative tribofilms promise exciting applications in areas like gas turbines, automotive industry, compressors, and heavy industrial equipment. The outcome of this technology will be an economical and more productive utilization of resources, and a higher end performance.