Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:08:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2016 / A transformação direta de polímeros precursores em cerâmicas covalentes, via termólise no estado sólido, foi proposta há mais de 30 anos e desde então permitiu avanços tecnológicos significativos na ciência e tecnologia cerâmica. Entre eles, a redução do coeficiente de atrito (µ) de substratos metálicos e cerâmicos com o uso de revestimentos amorfos de carbonitreto de silício (SiCN), produzidos por meio de cerâmicas derivadas de polímeros (PDC). Porém, através de rotas de processamento tecnologicamente sofisticadas, enquanto neste trabalho a viabilidade de processamento desses revestimentos sobre um aço baixa liga sinterizado, por pulverização de suspensões e pirólise em forno, foi explorada. Para compensar a retração do polímero precursor, evitar a formação de trincas e produzir revestimentos auto-lubrificantes para avaliações tribológicas de deslizamento alternado a seco, cargas inertes foram adicionadas a solução do poli(organo)silazano, especificamente nitreto de silício (Si3N4, 30 ou 65% em volume) e nitreto de boro hexagonal (h-BN, 9% em volume). O Si3N4 em pó foi utilizado para reforçar a matriz (SiCN) e reduzir o desgaste, pela formação de uma rede agregada pela fase do ligante precursor e, h-BN para gerar um efeito lubrificante na interface reduzindo o atrito, o desgaste e o aquecimento por atrito. A fim de acomodar as diferenças de propriedades, originadas pela natureza das ligações químicas do substrato metálico e revestimento cerâmico, a tecnologia de plasma de corrente contínua (DC) foi utilizada para modificar as superfícies do aço sinterizado. A nitretação ou o enriquecimento de superfície com Mo seguido de nitretação, tinham o intuito de gerar uma camada de compostos na superfície do substrato com uma zona de difusão gradiente abaixo, de modo a aumentar o suporte de carga e evitar a fratura do revestimento pelo carregamento do contra corpo. A nitretação resultou em um aumento na dureza da superfície (600HV) do aço por precipitação de nitretos de ferro metaestáveis, enquanto o enriquecimento com Mo resultou em carbetos (Fe3Mo3C) dispersos na superfície do substrato. Os últimos, durante a nitretação evoluem para uma camada descontínua de carbonitreto (Fe3Mo3(C,N)), que contribuíram para o aumento da dureza na superfície (800HV). Foi possível produzir revestimentos PDC em amostras sinterizadas com espessura de até 10µm e com adequado preenchimento dos poros na superfície, independente dos teores de carga avaliada (39 ou 74 vol.%). Além disso, a combinação de 65% em volume de Si3N4 e 9% em volume de h-BN resultou em revestimentos cerâmicos homogêneos, sem macro trincas ou falhas coesivas após o processamento sobre o aço sinterizado, independente das modificações de superfície. Conforme projetado para o estudo, após o tratamento térmico de pirólise os precipitados Fe3Mo3(C,N) não foram totalmente decompostos como os nitretos de ferro, apesar da ausência do endurecimento de superfície. O controle da microestrutura e composição química finais são vantagens inerentes aos processos de manufatura utilizados e foram explorados para projetar a microestrutura final dos compósitos. Porém, apesar da utilização de um teor aumentado de cargas passivas ter possibilitado a obtenção de revestimentos cerâmicos sem trincas sobre substratos sinterizados, os compósitos não apresentaram uma resposta tribológica satisfatória, quando avaliados nas condições testadas. No regime permanente, o coeficiente de atrito médio (0,4 a 0,5) dos compósitos permaneceu acima do regime de lubricidade (µ<0,2), independente da composição do revestimento ou modificação de superfície. A pressão máxima de contato (0,53GPa) causou a falha dos revestimentos, que foram sequencialmente deformados, cominuídos e oxidados pelo substrato e contra corpo durante o deslizamento, revelando um desgaste de caráter tribo-químico. A principal contribuição para o comportamento do coeficiente de atrito foi do substrato, mas controlado pela tribocamada formada, composta de oxigênio e elementos químicos do substrato, revestimentos e contra corpo. A presença dessa tribocamada, indiretamente indicada pela resistência elétrica de contato, aumentou a taxa de desgaste dos compósitos (1,5 a 4,2x10-4.mm3.N-1.m-1) e contra corpos (7,0 a 8,7x10-5.mm3.N-1.m-1) em relação ao aço sinterizado e sem revestimento (1 e 0,1x10-4.mm3.N-1.m-1 respectivamente) ensaiado nas mesmas condições. As taxas de desgaste dos compósitos foram ainda aumentadas com o aumento do teor de Si3N4 na composição do revestimento e com a presença de carbonitretos ternários e duros na superfície do substrato.<br> / Abstract : The directly transformation of organosilicon polymers into covalent ceramics, via solid-state thermolysis, was proposed over 30 years ago, and since then enabled significant technological breakthroughs in ceramic science and technology. Among them, the friction coefficient (µ) reduction of metallic and ceramic substrates with use of amorphous silicon carbonitride (SiCN) coatings, produced by the polymer derived ceramic route (PDC). Nevertheless, technologically sophisticated processing steps are used to produce them, while in this work, the possibility to process such coatings onto sintered low alloy steel samples by simple spraying of poly(organo)silazane suspensions and oven pyrolysis was explored. In order to compensate the precursor shrinkage, avoid crack formation and produce hard and self-lubricating coatings for reciprocating dry sliding evaluations, inert fillers namely silicon nitride (30 or 65 vol.%) and hexagonal-boron nitride (9 vol.%) were added to the polymer precursor. Powdered Si3N4 was used to strengthen the matrix and reduce wear, by formation of a network aggregated by the precursor binder phase, and h-BN to generate a lubricating effect on the interface reducing friction, wear and friction heating. To accommodate dissimilarities of properties, originated from different chemical bonds of the metallic substrate and ceramic coating, the direct current (DC) plasma technology was utilized to modify the surface of the sintered steel. Nitriding or surface enrichment with Mo followed by nitriding was expected to generate a compound layer at the surface of the substrate with a gradient diffusion region below, in order to increase the load support and avoid coating fracture from the counterface load. Nitriding led to an increase in surface hardness of steel (600HV) due to precipitation of metastable iron nitrides, while surface enrichment resulted in dispersed carbides (Fe3Mo3C) onto the substrate surface. The latter evolved to a discontinuous carbonitride layer (Fe3Mo3(C,N)) during nitriding, which increased the surface hardness (800HV). It was possible to produce PDC coatings with thickness below 10µm and with proper filling into substrate surface pores, regardless of total filler amount evaluated (39 or 74 vol.%). Moreover, the combination of 65 vol.% of Si3N4 and 9vol% of h-BN resulted in homogeneous ceramic coatings, free of macro cracks and cohesive failure after processing onto sintered substrates, independent of surface modification. As desired for evaluating, after pyrolysis the Fe3Mo3(C,N) precipitates were not totally decomposed as the iron nitrides, despite the surface hardening absence. The high control of final microstructure and chemical composition are competitive advantages inherent to cited manufacturing processes, explored to project the final microstructures of the steel, interfaces and ceramic coatings involved. However; despite the use of an increased amount of filler (74 vol.%) allowed the successful obtainment of homogeneous and crack-free ceramic coatings, the composites did not presented a satisfactory tribological response when evaluated under tested conditions. The average steady state friction coefficient of composites (0.4 to 0.5) were above the lubricious regime (µ<0.2), regardless of coating composition or surface modification. The maximum contact pressure (0.53GPa) caused failure of coatings, which were in sequence deformed, comminuted and oxidized by substrate and counter-body during sliding, revealing a tribo-chemical wear character. The major contribution to the friction coefficient behavior was from the substrate but controlled by the formed third-body, composed of oxygen and chemical elements from substrate, coatings and counter-body. The third-body presence, indirectly indicated by the contact electrical resistance, increased the wear rates of composites (1.5 to 4.2x10-4.mm3.N-1.m-1) and counter-bodies (7.0 to 8.7x10-5.mm3.N-1.m-1) in relation to the sintered steel tested under same conditions (1 and 0.1x10-4.mm3.N-1.m-1 respectively). The wear rates of composites were further increased with the raise of Si3N4 amount in the coating composition, and with the presence of hard ternary carbonitrides at the substrate surface.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/176679 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Gonçalves, Priscila da Costa |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Klein, Aloisio Nelmo, Mello, José Daniel Biasoli de |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 119 p.| il., gráfs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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