-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
1/109
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ
PR-REITORIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA, INOVAO E MODELAGEM
EM MATERIAIS - PROCIMM.
ESTUDOS DE APLICA O DE REVESTIMENTOS TERMODIFUNDIDOS E
DE DIAMANTE AMORFO EM DESFIBRADORES NA INDSTRIA
SUCROALCOOLEIRA
HERICK SANTOS PEREIRA
ILHUS, AGOSTO DE 2012.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
2/109
P436 Pereira, Herick SantosEstudos de aplicao de revestimentos termodifun-
didos e de diamante amorfo em desfibradores naindstria sucroalcooleira/ Herick Santos Pereira. Ilhus, BA: UESC, 2012.
112 f.: il.
Orientador: Danilo Maciel Barquete.Dissertao (Mestrado) Universidade Estadual de
Santa Cruz. Programa de ps-graduao em Cincia,Inovao e Modelagem em materiais.
Inclui bibliografia.
1. lcool como combustvel. 2. lcool comocombustvel - Indstria. 3. Cana de - acar -Derivados. 4. Termodinmica. I. Ttulo.
CDD 662.6
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
3/109
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ
PR-REITORIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA, INOVAO E MODELAGEM
EM MATERIAIS - PROCIMM.
ESTUDOS DE APLICA O DE REVESTIMENTOS TERMODIFUNDIDOS E
DE DIAMANTE AMORFO EM DESFIBRADORES NA INDSTRIA
SUCROALCOOLEIRA
Discente: Herick Santos Pereira
ILHUS, AGOSTO DE 2012.
Dissertao apresentada ao Mestrado em
Cincia, Inovao e Modelagem em Materiais,
para obteno do ttulo de Mestre em Cinciados Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Danilo Maciel Barquete
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
4/109
DEDICATRIA
Dedico essa dissertao a minha me, pois mesmo no entendendo o que isso representa de fato, sempre buscou me apoiar em todas as decises da
minha vida.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
5/109
[...] Andei. Por caminhos difceis, eu sei. Mas olhando o cho sob meus ps, vejo a
vida correr.
E, assim, cada passo que der, tentarei fazer o melhor que puder. Aprendi. No tanto
quanto quis, mas vi que, conhecendo o universo ao meu redor, aprendo a me
conhecer melhor, e assim escutarei o tempo, que ensinar a tomar a deciso certa
em cada momento.E partirei, em busca de muitos ideais.
Mas sei que hoje se encontram meu passado, futuro e presente.
Hoje sinto em mim a emoo da despedida.
Hoje um ponto de chegada e, ao mesmo tempo, ponto de partida. [...]
Fernando Sabino
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
6/109
Alice: Poderia me dizer, por favor,
que caminho devo tomar para sair daqui?
Isso depende bastante de onde
voc quer chegar, disse o gato de Chesire.
O lugar no me importa muito...,
disse Alice.
Ento no importa que caminho voc
vai tomar, disse o Gato.
(Excerto de Alice no Pas das Maravilhas)
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
7/109
6
AGRADECIMENTOS
Deus, que se mostrou criador, que foi criativo. Seu flego de vida em mim me
sustentou e me deu coragem para questionar realidades e propor sempre um novo mundo
de possibilidades.
Ao Professor Danilo Barquete, no s pela orientao, pelo contnuo incentivo e pelo
apoio durante a realizao dos experimentos e durante a escrita dessa dissertao.
Professora rica Almeida pelas sempre palavras de incentivo e por sempre
acreditar em mim, mas tambm por ser esse ser humano maravilhoso, suas palavras de
carinho sempre sero lembradas. Professora Cludia Miranda, por sempre estar disposta a ajudar com palavras de
incentivo, com palavras de carinho e afeto, sempre buscando o melhor para o meu
trabalho.
Ao Leonardo Iusuti, ao qual tive o prazer de conhecer desde a minha primeira
viagem ao INPE, at sua efetivao na UESC, sempre disposto a me ajudar, sem medir
esforo algum, agradeo muito seu apoio e sua amizade.
Nila Lopes, por estar sempre preocupada com meu trabalho e com meusresultados, obrigada por tudo.
Ao pessoal do INPE, principalmente ao Guilherme Faria, Vagner Caetano e a
Patrcia Silva, pois sem o apoio e o esforo de vocs, meu trabalho todo e sacrifcio teriam
sido em vo, no tenho palavras para expressar a gratido.
FAVORIT METAIS, que me enviou sem custo algum, amostras dos seus aos
para realizao desse trabalho.
A USINA de SANTA MARIA, localizada no municpio de Medeiros Neto-BA, porpermitir o acesso a seus equipamentos, assim permitindo que esse trabalho pudesse ser
realizado.
Ao INPE, na pessoa do Prof. Evaldo Jos Corat, por permitir usar as dependncias
do INPE e seus laboratrios.
Ao Gil Capote por me ajudar em minhas amostras.
Lcia, pelas imagens de MEV.
Ao Peixoto por sempre estar disposto a ajudar em sua oficina.
Ao Lus da oficina, por sempre estar disponvel parando seu trabalho para cortar as
minhas amostras.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
8/109
7
A Prof. Josanne Francisca Morais Bezerra e ao Prof. Luiz Henrique dos Santos
Blume, respectivamente diretora e vice-diretor do DFCH, pelo constante apoio,
preocupao ao me disponibilizar a viagem ao INPE, para que pudesse realizar os
experimentos, o meu muito obrigado.
Aos Colegas de trabalho do DFCH, Cristiano Rocha, Berenaldo Neto, Acioli
Rodrigues e Leandro Silva, pelos incentivos e momentos de descontrao.
banca examinadora: Professora Claudia Renata Borges Miranda e ao Professor
Jos Evaldo Corat agradeo imensamente pelas contribuies e sugestes que vieram
solidificar esse trabalho.
Aos Colegas do PROCIMM, obrigado pela convivncia e pelas reflexes propiciadas
nos trabalhos em grupo.Aos meus amigos da tutoria: Flvio, Fbio, Climrio, Marcelo Cassiano, Hudson,
Danilo Sande, Aylana e Talita, pelas diversas horas de descontrao, apoio, conselhos,
almoos, brigas, atrasos de bolsas, de dirias, que s ns que estamos no processo de
aprendizagem distncia conhecemos.
Aos meus familiares: Franscilan Monteiro, Cssia Monteiro, Adriana dos Santos,
Leandro da Silva, Alex dos Santos, Dbora Tas, Julia Maria e Neusa Ribeiro pelos
momentos felizes. minha me e minha Sogra, pelo afeto, amor, preocupao e carinho constantes.
Ao meu irmo, que mesmo estando longe, me faz sentir de perto seu carinho e
preocupao.
minha irm por sempre se fazer presente com palavras de apoio e carinho.
Ao meu pai e meu sogro, sempre presentes.
minha amada esposa pelo carinho, amor e pacincia e por sempre me apoiar nos
momentos mais difceis, durante essa caminhada.A todos aqueles que de alguma forma estiveram e esto prximos de mim, fazendo
esta vida valer cada vez mais a pena.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
9/109
8
Esta dissertao foi julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em
Cincia dos Materiais e aprovada em sua forma final, pelo Orientador e pela Banca
Examinadora do Curso de Ps-Graduao em Cincia, Inovao e Modelagem de
Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Danilo Maciel Barquete
Banca Examinadora:
____________________________________________________
Prof. Dr. Danilo Maciel Barquete (UESC-ILHUS-BA)
_____________________________________________________
Prof. Dr. rica Cristina Almeida. (UESC-ILHUS-BA)
______________________________________________________
Prof. Dr. Claudia Renata Borges Miranda. (UESC-ILHUS-BA)
______________________________________________________
Prof. Dr. Jos Evaldo Corat-INPE-SO JOS DOS CAMPOS-SP
ILHUS-BA, AGOSTO 2012.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
10/109
9
HERICK SANTOS PEREIRA
ESTUDOS DE APL ICA O DE REVESTIMENTOS
TERMODIFUNDIDOS E DE DIAMANTE AMORFO EM DESFIBRADORES
NA INDSTRIA SUCROALCOOLEIRA
ILHUS-BA, AGOSTO 2012.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
11/109
10
RESUMO
Nos ltimos anos tem-se observado uma grande expanso do setor sucroalcooleiro
no Brasil. Isso se deve ao surgimento dos veculos bicombustvel, da adio de lcool
anidro na gasolina, da substituio gradual do diesel pelo biodiesel, que requer no
processo qumico, a adio de lcool na proporo de 20%, e do aumento das
exportaes, tanto de acar, quanto de lcool. Nesse processo de fabricao tanto do
lcool quanto do acar, envolve diversas ferramentas. As facas, seguidas dos martelos
desfibradores, so as primeiras ferramentas a entrarem em contato com a cana-de-acar
durante a preparao as impurezas presentes no processo, principalmente grnulos de
areia oriundos do solo que trazido junto com a cana-de-acar, produzem elevadas taxas
de desgaste nos martelos e facas desfibradoras. O processo de troca ou recuperao, com
as paradas de produo resultantes, representa parcela importante no custo final do lcool
produzido.
Para aumentar o tempo entre reparos dos martelos e facas desfibradoras so
utilizados revestimentos duros, normalmente aplicados por processo de soldagem. Neste
trabalho so propostos dois tipos de revestimentos duros para aumentar a vida destasferramentas, um de carboneto de vandio produzido atravs do processo de termodifuso,
aplicado em substratos de ao D2 e outro de diamante amorfo (DLC-Diamond Like-
Carbon), aplicado sobre substratos de aos AISI 1020, AISI 1045 e D2. Para a avaliao
da resistncia ao degaste destes revestimentos utilizou-se um dispositivo projetado e
desenvolvido especificamente para esse fim. A caracterizao dos revestimentos
produzidos e dos desgastes resultantes dos ensaios foi feita por microscopia eletrnica de
varredura, perfilometria ptica, difrao de raios X e espectroscopia Raman. Os corpos deprova com os revestimentos propostos nesse trabalho mostraram uma perda de massa
menor para as mesmas condies de teste em comparao ao material que atualmente
utilizado pela indstria de lcool que foi objeto deste estudo.
Palavras-Chave: lcool, Desfibradores, DLC, carboneto de vandio, termodifuso,
desgaste abrasivo.
ABSTRACT
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
12/109
11
In recent years, there has been a great expansion of this sector in Brazil. This is due
to the emergence of biofuel vehicles, the addition of anhydrous ethanol in gasoline, the
gradual replacement of diesel by biodiesel, which requires a chemical process, the addition
of alcohol in the proportion of 20% and increased exports, both sugar, as alcohol. In this
manufacturing process so as sugar alcohol, it involves various tools. Knives, hammers
followed shredders are the first tools to get in touch with cane sugar during preparation The
impurities present in the process, mainly sand granules from soil that is brought along with
cane sugar, produce high rates of wear on the hammers or knives shredders. The exchange
process or recovery, with the resulting production shutdowns, represents important part inthe final cost of the alcohol produced.
To increase the time between repairs of hammers and knives are used shredders
hard coatings normally applied by the welding process. In this study are proposed two types
of hard coatings to extend the life of these tools, a vanadium carbide produced by
thermodiffusion process, applied to steel substrates D2 and another of amorphous diamond
(DLC Diamond-Like-Carbon) is applied over substrates AISI 1020, AISI 1045 and D2. To
assess resistance to wear these coatings used an apparatus designed and developedspecifically for this purpose, designated testing device abrasion. The characterization of the
coatings produced and the resulting wear testing was done by scanning electron
microscopy, optical profilometry, X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The
specimens with the coating proposed in this work showed a loss of weight and volume and
a shorter time to first wear compared to the current industrial alcohol used in our study,
however, so that it becomes an extremely viable alternative makes become necessary to
greater insights of studies and tests with such coatings in real operation
Keywords: Alcohol, Shredders, diamond-like carbon, vanadium carbide, thermodiffusion,
abrasive wear.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
13/109
12
SUMRIO
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ................................................................... 14
1.INTRODUO ....................................................................................................... 20
2.FUNDAMENTAO TERICA ............................................................................. 27
2.1.BREVEINTRODUOHISTRICA ................................................................... 27
2.2.PRINCIPAISMECANISMOSDEDESGASTENAIND.SUCROALCOOLEIR......29
2.2.1 .DESGASTE ADESIVO .................................................................................... 29
2.2.2.DESGASTE EROSIVO..................................................................................... 31
2.2.3.DESGASTE CORROSIVO ............................................................................... 31
2.2.4.DESGASTE POR FADIGA SUPERFICIAL ...................................................... 32
2.2.5.DESGASTE ABRASIVO ................................................................................... 33
2.3.REVESTIMENTOSDECARBONETODEVANDIO(VC) ................................ 37
2.3.1. INTRODUO ................................................................................................ 37
2.3.2.REVESTIMENTOS DE VC PARA APLICAO TRIBOLGICA. .................... 38
2.4.REVESTIMENTODEFILMESDEDLC(DIAMOND-LIKECARBON) ............... 40
2.4.1. PROCESSOS DE DEPOSIO DOS FILMES DE DLC ................................. 41
2.4.2. PROPRIEDADES E APLICAES DO DLC .................................................. 422.5.REVEST.DEFILMESFINOSDEDLCPARAAPLICAOTRIBOLGICA......43
2.5.1. DESENVOLVIMENTO HISTRICO ................................................................ 43
2.6.PROCESSODETERMODIFUSO .................................................................... 45
2.6.1. CARACTERSTICAS DO PROCESSO DE TERMODIFUSO ....................... 46
2.6.2. PROCEDIMENTOS E MECANISMOS NA FORMAO DE REVEST ........... 47
2.6.3 PROCESSOS DE TERMODIFUSO DO CARBONETO DE VANDIO .......... 48
3. TCNICAS DE CARACTERIZAO ................................................................... 493.1DISPOSITIVOSDEENSAIODEDESGASTEPORABRASO- ......................... 49
3.2.ESPECTROSCOPIA DEESPALHAMENTO RAMAN......................................... 54
3.3.MICROSCOPIAELETRNICADEVARREDURA-MEV..................................... 56
3.4.PERFILOMETRIAPTICA................................................................................. 59
4. MATERIAIS E MTODOS .................................................................................... 62
4.1MATERIAIS ......................................................................................................... 62
4.1.1 SUBSTRATOS ................................................................................................. 62
4.1.2 PREP. DEPOSIO DOS REVEST. DE DLC E VC TERMODIFUNDIDO ...... 63
4.1.3 DEPOSIO DE DLC ...................................................................................... 65
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
14/109
13
4.1.4. REAGENTES DO PROCESSO DE TD DE CARBONETO DE VANDIO. ..... 69
4.1.5 EQUIPAMENTOS PARA TERMODIFUSO .................................................... 70
4.1.6. PROCESSO DE TERMODIFUSO NOS AOS ............................................ 71
4.2. CARACTERIZAODOSREVESTIMENTOS ................................................. 73
5. RESULTADOS E DISCUSSO ............................................................................ 76
5.1AVALIAODARESISTNCIAAODESGASTEDOSREVESTIMENTOS....... 76
5.1.1. DESGASTE DOS SUBSTRATOS REVESTIDOS COM VC ............................ 77
5.1.2. DESGASTE DOS SUBSTRATOS REVESTIDOS COM DLC ......................... 82
5.1.3 AVALIAO DO REVEST. DA USINA EM RELAO AO DLC E AO VC. ..... 91
6. CONCLUSO ..................................................................................................... 100
7. CONSIDERAES PARA TRABALHOS FUTUROS. ....................................... 1038. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................... 104
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
15/109
14
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
2D - Duas dimenses
3D - Trs dimenses
C - Grau Celsius
a-C:H - Carbono Amorfo Hidrogenado
AFM - Microscopia de Fora Atmica
C6H14 - Hexano
CI - Circuito Impresso
CH4 - Metano
DC - Descarga em corrente contnua
DIMARE - Grupo de Diamantes e Materiais Relacionados
DLC - Diamond Like Carbon (Carbono tipo diamante)
PECVD -Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (Deposio Qumica a partirda Fase Vapor Assistida por Plasma)
LAS -Laboratrio de Sensores e Materiais
RF - Radiofrequncia
SiH4 - Silano
ta-C - Carbono amorfo tetradrico no hidrogenado
ta-C:H - Carbono amorfo tetradrico hidrogenado
VC - Vanadium Carbide (Carboneto de Vandio)
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
16/109
15
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Evoluo das Vendas de Etanol Hidratado nas Grandes Regies -2000-2009.
......................................................................................................................................... 21
Figura 2-Vendas de Etanol e Gasolina no Brasil de 2000-2009. Fonte: ANP (2010) ...... 22
Figura 3-Causas de falha e sua perda relativa sobre a economia................................ 23
Figura 4- Desfibrador sem desgaste. Fonte: Usina de Santa Maria-Medeiros Neto-
BA/2011............................................................................................................................ 24
Figura 5-Desfibrador com desgaste severo. Fonte: Usina de Santa Maria-Medeiros Neto-BA/2011............................................................................................................................ 24
Figura 6-Desfibrador da Usina de lcool Santa Maria. .................................................... 25
Figura7-Experimento Tribolgicos sugerido por Leonardo da Vinci (Frene
et.al,1990).a)Dispositivos para o estudo do atrito; b)Dispositivo para diminuio do atrito.
......................................................................................................................................... 28
Figura 8- Os quatro principais processos de desgaste - Fonte (Zum-Gahr, 1987, p.85). 29
Figura 9-Tribosistemas envolvidos em desgaste adesivo Fonte: Zum-Gahr, 1987, p.86.......................................................................................................................................... 30
Figura 10-Desgaste Erosivo devido a partculas duras (slica) no desfibrador. ............... 31
Figura 11-Processo de Corroso em um desfibrador. ..................................................... 32
Figura 12-Ciclo de um desgaste por fadiga. Fonte: Stachowiak, pg. 75 ........................ 33
Figura 13-Sistemas tribolgico envolvidos em desgaste abrasivo. Fonte: Zum-Gahr, 1987,
p. 93.- ............................................................................................................................... 34
Figura 14-Mecanismos de desgaste envolvidos em desgaste abrasivo - Fonte (Zum-Gahr,
1987, p.96) ....................................................................................................................... 35
Figura 15-Micrografias da superfcie dos slidos que sofreram desgaste abrasivo
a)Microsulcamento, b) microcorte e c) microlascamento Fonte: Zum-Gahr, 1987, p.95.
......................................................................................................................................... 35
Figura 16-Relao entre ngulo de ataque e os mecanismos de desgaste abrasivo pro
microsulcamento e microcorte - Fonte (Zum-Gahr, 1987, p.98). ...................................... 36
Figura 17-Micrografia da seo transversal de um ao 1045 com um filme fino de VC.
Fonte: (SATO, 1992) ........................................................................................................ 38
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
17/109
16
Figura 18-Ilustrao esquemtica mostrando os passos durante a nucleao e os
primeiros estgios do crescimento do filme (WANG, et al,1989,pag 5). .......................... 39
Figura 19-- Ligaes hibridizadas do Carbono. Fonte: Roberston (2002) ....................... 40
Figura 20-Representao esquemtica do arranjo atmico dos tomos de carbono. ..... 41
Figura 21-Diagrama ternrio de fases para vrios filmes DLC com relao sua sp2, sp3
e contedo de hidrognio. Fonte: Adaptao (Erdemir et al,2008,pag.5) ........................ 44
Figura 22-Uma representao esquemtica de dureza e coeficientes de atrito (COF) de
revestimentos base de carbono e outros. Fonte: Adaptao (Erdemir e Donnet, 2008) 45
Figura 23-Esquema do ciclo trmico do processamento TRD. Fonte: Adaptado de ARAI
(1991). .............................................................................................................................. 47
Figura 24-Dureza de superfcie de camadas de metal duro pelo processo TRD em relaoa outros processos de endurecimento de superfcie. Fonte: ARAI (1991). ...................... 48
Figura 25-Diagrama de energia livre de formao de carbonetos em funo da energia
livre de formao de xidos atravs de sais fundentes com brax. Fonte: Adaptada de
Barquete (2002) ............................................................................................................... 49
Figura 26-Etapas do Projeto de Construo do dispositivo de ensaios. .......................... 49
Figura 27-Ilustrao inicial feita em CAD da montagem do dispositivo, em trs vistas (A)
frente, (B) Lateral e (C) superior. ...................................................................................... 50Figura 28-Dispositivo em vista lateral com suporte de amostras inicial. .......................... 51
Figura 29- Vista lateral do dispositivo com suporte definitivo de amostras. .................... 51
Figura 30- Vista superior do dispositivo com amostra fixada........................................... 51
Figura 31-Motor de parabrisa, usado no dispositivo. ....................................................... 52
Figura 32-rebolo de esmeril. ............................................................................................ 53
Figura 33-Fonte de Computador utilizada no dispositivo. ................................................ 53
Figura 34-Primeiro suporte de amostras, (A) vista externa, (B) vista interna do espaoreservado das amostras. . ................................................................................................ 54
Figura 35-(A) Brao-Suporte definitivo das amostras; (B) modelo inicial do suporte.
LAS/INPE (2012) .............................................................................................................. 54
Figura 36-Espectro Raman de um filme de DLC obtido pela tcnica de PECVD em um
plasma de metano. Fonte: (Robson, 2002) ...................................................................... 55
Figura 37-Espectro Raman de Filmes DLC em aos AISI 1020,1045 e D2. ................... 55
Figura 38-Sistema para medies de espectroscopia Raman LAS/INPE (2012). ........... 56
Figura 39-Representao do funcionamento e componentes de um microscpio eletrnico
de varredura. Fonte: Costa (2010) ................................................................................... 57
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
18/109
17
Figura 40-Microscpio Eletrnico de Varredura- MEV. . ................................................. 57
Figura 41-Representao esquemtica dos feixes de eltrons de alta energia sobre a
amostra. ........................................................................................................................... 59
Figura 42-Esquema do Interfermetro de Michelson. Fonte: Costa (2010) ..................... 60
Figura 43-Perfilmetro ptico do LAS/INPE.................................................................... 61
Figura 44-Modelo do Substrato na forma de disco. ......................................................... 63
Figura 45-Lixamento das Amostras de Aos. .................................................................. 64
Figura 46-Amostra de Ao 1045 aps o lixamento e polimento. ..................................... 65
Figura 47-Cmara de deposio de DLC. . ..................................................................... 66
Figura 48-Painel eletrnico do controle dos gases. ......................................................... 66
Figura 49-Plasma na Deposio de filmes DLC em substratos de aos AISI 1020, 1045 eD2. .................................................................................................................................... 67
Figura 50-Deposio de filmes DLC em substratos de ao.. ........................................... 67
Figura 51-Substratos com deposio de DLC de 3m. ................................................... 68
Figura 52-Substratos com deposio de DLC com 4m. ................................................ 68
Figura 53-Forno EDG Modelo 3000. ............................................................................... 70
Figura 54-Forno MUFLA da Quimis, usado na segunda operao de termodifuso. ...... 70
Figura 55-Desenho do cadinho utilizado na termodifuso, com suas dimenses. .......... 71Figura 56-Cadinho e amostra logo aps a retirada do forno de termodifuso. ................ 72
Figura 57-Segundo Lote de Termodifuso de VC a 950 C, com vrios cadinhos. ......... 73
Figura 58-Picos caractersticos de uma amostra de ao D2 com revestimento de VC. .. 73
Figura 59-Espectro de raios X de uma amostra de Ao D2 aps termodifuso,
evidenciando picos de VC na amostra. ............................................................................ 74
Figura 60-MEV de uma amostra de ao D2 do primeiro lote. .......................................... 74
Figura 61-MEV de uma amostra de ao D2 do segundo lote. ......................................... 75
Figura 62-Espectros Raman dos Aos 1045, D2 e 1020 aps a deposio de DLC. ...... 75
Figura 63-Filme de VC depositado em ao AISI D2. LAS/INPE-2012) ............................ 77
Figura 64- MEV do primeiro lote de ao D2 com VC (A) e do segundo lote (B). ............. 78
Figura 65-Perfil de rugosidade de uma amostra de ao D2 do segundo lote com filme de
VC em 3D, antes do desgaste. ......................................................................................... 79
Figura 66-Perfil de rugosidade em 2D de uma amostra de ao D2- do segundo lote com
filme de VC, depois do desgaste. ..................................................................................... 80
Figura 67-Imagem 3D do desgaste do ao D2 do segundo lote sem revestimento. ....... 81
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
19/109
18
Figura 68-Imagem 3D do desgaste do ao1-D2 do segundo lote com revestimento de VC.
......................................................................................................................................... 81
Figura 69-Degaste do ao D2-L2 sem o revestimento de VC (a) e com o revestimento (b).
......................................................................................................................................... 82
Figura 70-Teste de riscamento para verificar a aderncia do filme de DLC, em aos
1020(A), 1045(B) e D2 (C). . ............................................................................................ 83
Figura 71-Imagens MEV das amostras 2-1020-L1 (A) e 1-1045-L1(B) com revestimento
DLC. ................................................................................................................................. 85
Figura 72-Perfilometria 3D do ao 2-1020-L1.................................................................. 86
Figura 73-Perfilometria 3D do ao 1-1045-L1. ................................................................ 86
Figura 74-Perfilometria 3D do Ao 2-D2-L2. ................................................................... 87
Figura 75-Perfilometria da amostra 1-D2-L1. . ................................................................ 89
Figura 76-Perfilometria da amostra 1-D2-L2. . ................................................................ 90
Figura 77-Comparao das imagens de MEV das amostras 1-D2-L1 (a) e 1-D2-L2 (B). 90
Figura 78-Revestimento do desfibrador. ......................................................................... 93
Figura 79-Martelos e facas desfibradores, com a presena de trincas e slica (areia) logo
aps a deposio, preparado para entrar em operao. Fonte: Usina de Santa Maria-
Medeiros Neto-BA (2011). ................................................................................................ 93Figura 80-Perfilometria 3D do revestimento industrial de martelos e facas desfibradores
aps ensaio de desgaste. ................................................................................................ 94
Figura 81-Perfilometria 3D do Ao D2 com Revestimento DLC. ..................................... 95
Figura 82-Perfilometria 3D do Ao 1045 com Revestimento DLC. .................................. 95
Figura 83-Perfilometria 3D de ao D2 com revestimento de VC (carboneto de vandio) 96
Figura 84-Perfilometria de Ao 1020 sem revestimento superficial. ................................ 98
Figura 85-Perfilometria de Ao 1045 sem revestimento superficial. ................................ 98
Figura 86-Perfilometria de Ao D2 sem revestimento superficial. ................................... 99
Figura 87-Conjunto de desfibradores com o revestimento de carboneto de cromo. ..... 100
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
20/109
19
LISTAS DE TABELAS
Tabela 1-Especificaes do Motor. Fonte: Bosch do Brasil S.A. ..................................... 52Tabela 2-Composio qumica mdia dos aos para substratos avaliados neste trabalho
(% em massa) .................................................................................................................. 62
Tabela 3-Composio para o banho de sais fundentes. Fonte: Barquete (2002) ............ 69
Tabela 4-Composio do sal de vanadizao para o segundo lote de amostras ............ 72
Tabela 5-Dados obtidos com revestimentos de VC ......................................................... 78
Tabela 6-Perda de massa nos ensaios de desgaste para o primeiro lote de revestimentos
de DLC ............................................................................................................................. 84
Tabela 7- Perda de massa nos ensaios de desgaste para o segundo lote de revestimentos
de DLC ............................................................................................................................. 88
Tabela 8-Variao da perda de massa entre os primeiro e segundo lotes. ..................... 88
Tabela 9-Perda de massa por desgaste da amostra com o revestimento do desfibrador 91
Tabela 10-Relao entre as perdas de massa-mdias-entre o carboneto de cromo, DLC e
VC. ................................................................................................................................... 92
Tabela 11-Anlise Qumica quantitativa do metal depositado no substrato (%) .............. 94
Tabela 12- Resumo dos resultados de desgaste, para todos os substratos com e sem
revestimento (%). ............................................................................................................. 97
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
21/109
20
1 INTRODUO
Em 1975, o governo brasileiro criou o Programa Nacional do lcool (Prolcool), que
diversificou a atuao da indstria aucareira atravs de grandes investimentos apoiados
pelo Banco Mundial, possibilitando a ampliao da rea plantada com cana-de-acar e a
implantao de destilarias de etanol. A experincia serviu como alternativa para diminuir a
vulnerabilidade energtica do Pas, devido crise mundial do petrleo. O desenvolvimento
da engenharia nacional, aps o segundo choque do petrleo em 1979, permitiu o
surgimento de motores especialmente desenvolvidos para funcionar com etanol hidratado.
Em 1984, os carros a etanol passaram a responder por 94,4% da produo das
montadoras instaladas no Brasil, segundo Brandim et all,2002.A partir de 1986, a reduo do impacto da crise do petrleo e os planos econmicos
internos para combater a inflao estimularam uma curva descendente na produo de
carros a etanol, que culminou com a crise de abastecimento de 1989. Com isso, a
participao anual dos veculos a etanol caiu para 1,02% na frota nacional, em 2001, de
acordo com a UNICA-Unio das Indstrias de Cana-de-acar. Essa queda ento s foi
estabilizada com maior concentrao do uso do etanol anidro, misturado gasolina que
inicialmente era de 5% em 1981, atingindo o nvel atual, que de 20% e 25 % em 2013,para conter a alta dos preos nas distribuidoras (NICA 2011).
Nova retomada na utilizao de etanol hidratado como fonte de energia em
automveis ocorreu em 2003 (Figura 1 e 2), como lanamento dos motores flex, onde os
consumidores podem abastecer tanto com lcool ou gasolina ou a mistura de ambos. Com
essa nova demanda pelo etanol, observa-se uma grande expanso do setor
sucroalcooleiro no Brasil, que nos trs primeiros meses de 2011 apresentou um aumento
de 26,2% (21,6 mil toneladas) no volume de exportaes de etanol, em comparao com
o mesmo perodo do ano anterior. Na mesma comparao e perodo, as exportaes de
acar cresceram 14% (491 mil toneladas).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
22/109
21
Figura 1 - Evoluo das Vendas de Etanol Hidratado nas Grandes Regies -2000-2009.Fonte: ANP (2010).
Notando-se essa expanso, o Brasil visa implantar em mdia uma nova usina de
lcool e acar por ms nos prximos seis anos. Hoje com 336 unidades, deve chegar a
409 at o final da safra 2012/2013. Para isso, investidores brasileiros e estrangeiros
devero aplicar US$ 14,6 bilhes no perodo. Este levantamento da UNICA, associao
dos usineiros, baseia-se na contabilidade de usinas em construo e naquelas que j
iniciaram investimentos agrcolas, como a formao das primeiras reas de cana-de-
acar e a produo de mudas. Alm das 73 usinas confirmadas, h hoje no Brasil 189
consultas em andamento, tanto para construo como para ampliao de unidades, de
acordo com a Dedini S.A. Indstrias de Base, que detm 50% das vendas de equipamentos
para usinas de acar e etanol e que atingiu a marca do R$ 1 bilho de receitas no ano
passado. (Bah, 2009).
O setor sucroalcooleiro vem promovendo uma revoluo na rea de
biocombustveis, no s pela produo de lcool e acar, mas tambm na fabricao de
materiais biodegradveis, como biopolietileno, biopolipropileno e bioPET, a partir da cana
de acar.
importante considerar os benefcios ambientais do etanol de cana-de-acar
brasileiro para a produo de biopolmeros para embalagens, especialmente no que serefere reduo das emisses de gases que degradam a camada de oznio e produzem
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
23/109
22
o efeito estufa. (Szwarc, 2011).
Figura 2-Vendas de Etanol e Gasolina no Brasil de 2000-2009. Fonte: ANP (2010)
O desenvolvimento de produtos com baixo consumo energtico e descarte
consciente um dos setores com perspectivas de franco crescimento para os prximos
anos. Esta uma das principais estratgias de mercado das grandes empresas e, para
isso h a necessidade de desenvolvimentos tecnolgicos que resultem em melhoria de
produtividade e reduzam os custos de produo e manuteno do setor.
Embora se observe a expanso do setor sucroalcooleiro, nota-se uma falta de
investimento em mtodos e tcnicas de gesto na melhoria dos processos produtivos de
forma a minimizar os custos.
Uma dessas melhorias o desgaste em peas e equipamentos, que representa nas
industriais, um dos principais fatores de depreciao de capital e uma significativa fonte de
despesas com manuteno. Estudos realizados pela American Society for Mechanical
Engineers (ASME) nos Estados Unidos apontam uma perda econmica de 1% a 2,5% do
produto interno bruto do pas devido ao desgaste. Na Alemanha uma pesquisa da dcada
de 80 revela que desgaste e corroso juntos contribuem com a perda de 4,5% do produto
interno bruto. (Zhum-Gahr, 1987).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
24/109
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
25/109
24
Figura 4- Desfibrador sem desgaste. Fonte: Usina de Santa Maria-Medeiros Neto-BA/2011.
Figura 5-Desfibrador com desgaste severo. Fonte: Usina de Santa Maria-Medeiros Neto-BA/2011.
Nas usinas sucroalcooleiras o desgaste de componentes tem impacto expressivo
nas fases iniciais do processo de fabricao do etanol e do acar. As facas, seguidas dosmartelos, que compem os desfibradores, so as primeiras partes a entrar em contato com
os agentes agressivos presentes no processo, como areia, pedras, etc., que so levados
junto com o processo de colheita. O bagao da cana exerce intensa ao abrasiva, alm
do alto teor corrosivo do caldo. Estes componentes possuem a funo de cortar e desfibrar
as clulas da cana-de-acar para possibilitar a maior eficincia na extrao da sacarose
nas moendas, estgio seguinte. (Paranhos, 2006).
Com isso temos severas preocupaes em relao aos custos, tanto de ferramentasquanto de mo de obra, levando assim a preocupaes tribolgicas relativas
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
26/109
25
necessidade de se controlar o desgaste, reduzir a necessidades de paradas para
manuteno, a reduo dos estoques de componentes de reposio e a necessidade de
aumentar a produtividade por meio do aumento das velocidades das mquinas (ou o
processo). Os aumentos dos custos de mo de obra associados a um aumento nos
requisitos de preciso dos componentes mecnicos, tm levado necessidade de
sistemas automatizados, onde a compreenso do atrito essencial para o estabelecimento
das estratgias de planejamento e controle da produo.
Este trabalho se prope a analisar e caracterizar o comportamento diversos tipos de
revestimentos com potencial de melhorar o desgaste desses desfibradores, figura 6, - facas
e martelos, no processo de moagem da cana-de-acar. Para tanto foram avaliados
revestimentos termodifundidos de Carboneto de Vandio (VC) e filmes de diamante amorfo(DLC, do Ingls - Diamond Like-Carbon), em comparao com atuais revestimentos duros
de liga ferro-cromo-carbono (Fe-Cr-C), onde utilizado um tipo de eletrodo revestido
disponvel comercialmente para esta finalidade sobre o metal base destas ferramentas que
o ao SAE 1020.
Figura 6-Desfibrador da Usina de lcool Santa Maria.Fonte: Usina de Santa Maria-Medeiros Neto-BA (2011)
Foram tambm avaliadas alternativas para o material do substrato, como a
alterao do tipo de ao para um ao SAE 1045 e Ao AISI D2, que possuem
respectivamente 0,45% e 1,5%de carbono. Nesse quesito o ao AISI 1045 possui uma
vantagem, pois possui percentual de carbono acima de 0,3% em sua composio qumica
sendo adequado para aplicao de Carboneto de Vandio por processo de TRD
(thermoreactive deposistion diffusion) ou TD (Thermoreactive Diffusion).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
27/109
26
A avaliao do desgaste nos referidos revestimentos propostos foi feita utilizando
um dispositivo desenvolvido para esta finalidade especfica, que simula os efeitos dos
degastes por abraso nos corpos de provas. A seguir foi feita a anlise da superfcie com
a utilizao de perfilmetro ptico e de MEV (microscopia eletrnica de varredura), para
comparar com os desgastes no revestimento atual utilizado pela indstria sucroalcooleira.
A relevncia desta pesquisa consiste em propor um novo modelo de revestimento
que reduza a frequncia de paradas para manuteno nos processos de produo da
indstria sucroalcooleira, atravs do aumento da vida til das peas bem como a reduo
dos estoques de reposio.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
28/109
27
2 FUNDAMENTAO TERICA
Na reviso da literatura foram considerados inicialmente os vrios aspectos
relacionados com os tipos de desgaste tais como: relevncia histrica, definio e
classificaes e mecanismos de desgaste por abraso. De acordo com a literatura
desgaste por abraso predominante na rea deste estudo, sendo o fator principal do
desgaste em desfibradores.
Alm disso, foi realizado o estudo da arte dos processos de termodifuso para
deposio de revestimento de Carboneto de Vandio (VC) e revestimentos de filmes finos
de DLC (Diamond Like-Carbon), nas referidas literaturas j publicadas.
2.1 Breve Introduo histrica
O estudo do desgaste remota a perodos antigos, a cincia que estuda o atrito, a
frico e o desgaste denominada tribologia. Esta palavra que tem sua origem etimolgica
no grego ou 'tribo' significando 'esfregar, atritar, friccionar', e ou logos
significando 'estudo'. A tribologia envolve a investigao cientfica de todos os tipos de
frico, lubrificao e desgaste e tambm as aplicaes tcnicas do conhecimento
tribolgico (Zhum-Gahr, 1987).
Historicamente, Leonardo da Vinci (1452-1519) foi o primeiro a enunciar duas leis
de atrito (figura 7). De acordo com da Vinci, a resistncia ao atrito foi mesma para dois
objetos diferentes com o mesmo peso. Ele tambm observou que a fora necessria para
superar a frico dobrada quando o peso dobrado. Observaes semelhantes foram
feitas porCoulomb de Charles-Augustin (1736-1806).
O primeiro teste confivel sobre o desgaste por atrito foi realizada por Charles
Hatchett (1760-1820) usando uma mquina alternativa simples para avaliar o desgaste
de moedas de ouro. A decifrao da obra de Da Vinci levou vrios sculos, antes do
desenvolvimento deste ramo da cincia, hoje chamado de "tribologia".
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gregohttp://pt.wiktionary.org/wiki/en:%CF%84%CF%81%CE%AF%CE%B2%CF%89http://pt.wiktionary.org/wiki/pt:%CE%BB%CF%8C%CE%B3%CE%BF%CF%82http://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Leonardo_da_Vincihttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Charles-Augustin_de_Coulombhttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Charles_Hatchetthttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Charles_Hatchetthttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Gold_coinhttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Gold_coinhttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Charles_Hatchetthttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Charles_Hatchetthttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Charles-Augustin_de_Coulombhttp://www.truck.giftedamersexdating.com/p-Leonardo_da_Vincihttp://pt.wiktionary.org/wiki/pt:%CE%BB%CF%8C%CE%B3%CE%BF%CF%82http://pt.wiktionary.org/wiki/en:%CF%84%CF%81%CE%AF%CE%B2%CF%89http://pt.wikipedia.org/wiki/Grego -
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
29/109
28
Figura 7-Experimento Tribolgicos sugerido por Leonardo da Vinci (Frene et.al,1990).a)Dispositivos para oestudo do atrito; b)Dispositivo para diminuio do atrito.
Uma vez que frico a resistncia ao movimento e cresce com as interaes dos
slidos e com a real rea de contato. Frico e desgaste so respectivamente causas
srias de dissipao de energia e de material.
A definio de desgaste na literatura bastante ampla. Pra Zhum-Gahr, 1987,
desgaste a perda progressiva de matria de uma superfcie de um corpo em decorrncia
do movimento relativo com a superfcie. Entretanto, com a alta complexidade dos fatores
envolvidos no desgaste, procura-se estabelecer classificaes que facilitem o estudo do
fenmeno e a sua preveno.
O fenmeno do desgaste de maneira geral, o deslocamento de material causado
pela presena de partculas duras que esto entre ou embutidas em uma ou ambas as
superfcies em movimento relativo, (Dias & Gomes, 2003). Nos metais, esse processo pode
ocorrer pelo contato com outros metais, slidos no metlicos, lquidos em movimento, ou
ainda partculas slidas ou partculas de lquido transportadas em um fluxo gasoso
(Ramalho, 1997).
Budinski (1987) faz a seguinte classificao dos tipos de desgaste: desgaste por
abraso, eroso, adeso ou frico e fadiga superficial. Entretanto ainda podemos dizer
que os metais so expostos a algum grau de corroso como consequncia das condies
ambientais, de maneira que pelculas ou produtos de corroso, invariavelmente,
modificaro o processo de desgaste, adicionando ento a lista de classificaes de
desgaste.
Em ambientes industriais, de uma forma geral, os tipos de desgaste apresentam-se
da seguinte forma: abraso (50%), adeso (15%), eroso (8%), frico (8%) e corroso(5%). Compreende-se, tambm, que a resistncia solicitao de desgaste no
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
30/109
29
propriedade intrnseca de um material, mas sim, caracterstica do sistema ou do
equipamento ao qual o componente est ligado mecanicamente e do seu meio operacional
(Eyre, 1991).
Sero apresentados conceitualmente, a seguir, os principais tipos de desgaste
(figura 8). Todavia, devido sua predominncia no desgaste dos equipamentos no setor
sucroalcooleiro, em especial nos de preparo do etanol, de maior interesse neste trabalho,
em sequncia dar-se- maior nfase apresentao e discusso do desgaste abrasivo.
Figura 8- Os quatro principais processos de desgaste - Fonte (Zhum-Gahr, 1987, p.85).
2.2 Principais mecanismos de desgaste na indstria sucroalcooleira
2.1.1 Desgaste adesivo
O termo desgaste adesivo usado algumas vezes, segundo HUTCHINGS (1992),
para descrever o desgaste por deslizamento (denominao preferida), mas seu uso pode
ser um equvoco. Adeso representa um importante papel nesse tipo de desgaste, mas
apenas um dos vrios processos fsicos e qumicos envolvidos. Dentre esses processos,
apesar de divergncias entre a denominao usada na Europa e nos EUA, citam-se o
desgaste por rolamento (Scuffing), o riscamento por atrito (Scoring) e a descamao(Galling).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
31/109
30
Para RABINOWICZ (1995), o desgaste adesivo ocorre quando dois corpos lisos
deslizam um sobre o outro e os fragmentos so retirados de uma superfcie aderindo em
outra. Posteriormente esses fragmentos podem se soltar da superfcie na qual so
formados e for transferido de volta para a superfcie original, ou ento formar partculas de
desgaste soltas.
O desgaste adesivo decorre de que a fora adesiva forte configura-se sempre que
os tomos entram em contato. Existe uma variedade de fatores que intervm quando dois
metais friccionam entre si, sendo os principais, a adeso e a delaminao. A adeso ocorre
quando os altos picos e asperezas de uma superfcie aparentemente polida entram em
contato entre si e se aderem. Por outro lado, a delaminao apresenta um mecanismo de
remoo diferente, apesar de serem produzidas tambm por contato entre as asperezas,no caso dos desfibradores essas asperezas so a presena de material duro presente na
cana como slica e pedras.
Nesse caso a frico repetida, principalmente entre metais similares, origina fissuras
e rupturas superficiais que, ao unirem-se umas s outras, fazem desprender pequenas
lminas de metal da superfcie.
O desgaste originado depender tanto da caracterstica dos metais a friccionar
quanto da capacidade de formar soldas localizadas. Nos metais que apresentam poucatendncia a aderir-se predominar a fadiga superficial como resultado de deformaes
elsticas e plsticas.
Figura 9-Tribosistemas envolvidos em desgaste adesivo Fonte: Zhum-Gahr, 1987, p.86.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
32/109
31
2.1.2 Desgaste erosivo
Segundo HUTCHINGS (1992) a eroso por partculas slidas ocorre quando
discretas partculas slidas golpeiam uma superfcie, sob a ao de diversas foras de
diferentes origens. Apesar da importncia da fora da gravidade, a fora dominante a
fora de contato exercida pela superfcie.
A extenso do desgaste depende da quantidade e da massa individual das
partculas, alm da sua velocidade de impacto. Para RABINOWICZ (1995) dois tipos de
eroso so encontrados principalmente, os de baixa velocidade de eroso e os de alta
velocidade da eroso. Estas duas formas de eroso produzem efeitos to distintos que so
considerados separadamente.
Figura 10-Desgaste Erosivo devido a partculas duras (slica) no desfibrador.Fonte: Usina de Santa Maria, Medeiros Neto-BA (2011).
2.1.3 Desgaste corrosivo
Corresponde degradao de material metlico ou at mesmo remoo de material
devido presena de agentes qumicos agressivos, podendo ser uma reao qumica ou
eletroqumica, facilitando a perda de material pela degradao do substrato exposto. Por
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
33/109
32
serem os primeiros componentes a entrar em contato direto com o caldo da cana os
desfibradores (martelos) sofrem com os agentes corrosivos do caldo, que extrado ao
esmagar a cana em pedaos menores para o processo seguinte. Do esmagamento da
cana obtm-se o caldo, que constitudo e: 78% a 86% de gua, 10% a 20% de sacarose,
0,1% a 2,0% de acares redutores, 0,3% a 0,5% de cinza, 0,5% a 1,0% de compostos
nitrogenados e PH entre 5,2 a 6,8 (LIMA et al., 2001).
DELGADO (1975) apresentou a seguinte constituio do caldo de cana: 75 a 82%
de gua e 18 a 25% de slidos totais dissolvidos, onde encontram-se os acares, tais
como sacarose (14,5 a 23,5%), glicose (0,2 a 1,0%) e frutose (0 a 0,5%), 0,8 a 1,5% de
no-acares orgnicos (protenas, amidas, aminocidos, ceras, pectinas, materiais
corantes) e 0,2 a 0,7% de compostos inorgnicos (K, P, Ca, Na, Mg, S, Fe, Al e Cl).A acidez aumenta nas canas queimadas, doentes, verdes (no maduras), atacadas
por insetos (diatrea, castnias), cortadas de vrios dias (acidez artificial e microbiana). A
presena de cidos e bases torna altamente corrosivo o meio no qual trabalham as
ferramentas as facas, resultando em desgaste dos metais inseridos neste meio.
Figura 11-Processo de Corroso em um desfibrador.Fonte: Usina de Santa Maria, Medeiros Neto-BA (2011).
2.2.4. Desgaste por fadiga superficial
Este desgaste causado por deformaes em componentes submetidos a
carregamentos cclicos, onde normalmente no h grandes perdas de material da
superfcie, entretando com o aumento das tenses locais so geradas trincas na superfciedo substrato.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
34/109
33
O desgaste nessas condies determinado pela mecnica de iniciao de trincas,
crescimento e fratura. Superfcies desgastadas contm altos nveis de deformao plstica
em comparao s superfcies no usadas. Esta morfologia e a consequente modificao
da microestrutura do material tm forte efeito sobre os processos de desgaste.
"Fadiga de contato ou fadiga de superfcie so os termos tcnicos comumente
utilizados na literatura para designar os danos superficiais causados por contacto repetido,
em geral resultantes de rolamentos. O dano inicial ocorre em uma superfcie lisa e mais
frequente em sistemas de rolamentos.
a) Rachadura de iniciao, como resultado processos de
fadiga. b) Propagao de trincas
c) Iniciao de Trincas Secundrias d) Propagao de trincas secundrias e formao departculas de desgaste
Figura 12-Ciclo de um desgaste por fadiga. Fonte: Stachowiak, pg. 75
2.2.5 Desgaste abrasivo
Desgaste abrasivo a retirada de material causada pela presena de
partculas duras, que podem estar aprisionadas na interface entre as duas
superfcies em movimento relativo, ou serem as protuberncias que fazem parte da
rugosidade de uma das superfcies. Uma partcula dura pode ser produto de um
processo - como slica, um fragmento desgastado ou eventuais partculas de fora do
sistema tribolgico, como sujeiras. A figura 13 a seguir mostra diferentes sistemas
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
35/109
34
nos quais o desgaste abrasivo o processo predominante. So exemplos: sistemas
hidrulicos com sujeira, extrusoras, cavidades de moldes, entre outros.
Figura 13-Sistemas tribolgico envolvidos em desgaste abrasivo. Fonte: Zhum-Gahr, 1987, p. 93. -
O desgaste abrasivo pode ocorrer em baixo ou alto nvel dependendo da razo entrea dureza da partcula e da superfcie (HUTCHINGS, 1992). O desgaste abrasivo est
relacionado a alguns mecanismos (figura 14), dentre eles os principais esto:
Microcorte;
Microsulcamento;
Microlascamento.
So diversas as nomenclaturas utilizadas para estes mecanismos de desgaste. Na
literatura podem ser encontradas denominaes tais como: microusinagem, riscagem,
descamao, microtrincamento, microfadiga, que so tentativas de aproximar melhor o
significado dos mecanismos que esto sendo observados nos experimentos (ZHUM-
GAHR, 1987).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
36/109
35
Figura 14-Mecanismos de desgaste envolvidos em desgaste abrasivo - Fonte (Zhum-Gahr, 1987, p.96)
O desgaste abrasivo pode ser classificado como de dois ou trs corpos. Na abraso
de dois corpos, as partculas abrasivas so movidas livremente sobre a superfcie do
material como areia nos desfibradores. No desgaste abrasivo de trs corpos, as partculas
abrasivas agem como elementos de interface entre o corpo slido e o contra corpo.
O desgaste quando envolve trs corpos cerca de duas a trs vezes menor do que
quando envolve dois corpos. No caso de trs corpos, devido variao no ngulo de
ataque, apenas uma pequena poro das partculas causam desgaste (ZHUM-GAHR,
1987).
Figura 15-Micrografias da superfcie dos slidos que sofreram desgaste abrasivo a) microsulcamento, b)microcorte e c) microlascamento Fonte: Zhum-Gahr, 1987, p.95.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
37/109
36
Microsulcamento e microcorte so mecanismos dominantes em materiais mais
dcteis, conforma apresentado na Figura 15. A ocorrncia de um deles vai depender do
ngulo de ataque das partculas abrasivas. O microcorte ocorre a partir de um ngulo de
ataque crtico. Este ngulo de ataque crtico funo do material que est sendo
desgastado e das condies de teste.
A transio do mecanismo de microsulcamento para microcorte (figura 16) depende
tambm do coeficiente de atrito. Normalmente o mecanismo passa de microsulcamento
para microcorte com o aumento da dureza do material que est sendo desgastado.
Aumentos ainda maiores de dureza resultam na passagem de microcorte para
microtrincamento (Rabinowicz, Zhum-Gahr, et.al 1987).
Figura 16-Relao entre ngulo de ataque e os mecanismos de desgaste abrasivo pro microsulcamento emicrocorte - Fonte (Zhum-Gahr, 1987, p.98).
O microtrincamento pode ocorrer quando so impostas grandes tenses sobre as
partculas abrasivas, particularmente em superfcies de materiais frgeis. Neste caso,
grande quantidade de detrito retirada da superfcie devido formao e propagao de
trinca.
Para Zhum-Gahr (1987) partculas de menor ou igual dureza que a superfcie podem
tambm desgast-la. O ataque das partculas macias pode resultar em deformao
elstica e plstica, fadiga de superfcie e a superfcie pode ficar severamente danificada.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
38/109
37
2.3. Revestimentos de carboneto de vandio (VC)
2.3.1. Introduo
De acordo com Portolan (2009), tanto os nitretos quanto os carbonetos apresentam
elevada dureza, tornando-os muito atrativos para uso em engenharia de superfcie. Outros
revestimentos de nitretos como o nitreto de cromo, o nitreto de zircnio e o nitreto de titnio-
alumnio foram desenvolvidos.
Os carbonetos possuem dureza maior que os nitretos. Os filmes finos de carboneto
de vandio (VC) so produzidos comercialmente sobre ferramentas que contenham acima
de 0,3% de carbono em sua composio qumica. O processo realizado por
termodifuso, designado TD (Toyota diffusion) ou uma de suas variantes TRD (termo
reactive deposition diffusion). Dependendo do contedo de carbono no ao, a espessura
da camada varia de 5 a15 m. O processo de TD realizado em altas temperaturas em
banho de sais, portanto, maior ser a camada quanto mais rpida for difuso de carbono
e sua compatibilidade o substrato: aos para trabalho a frio, aos rpidos e aos para
trabalho a quente.O carboneto de vandio, com moderada espessura e depositados pelo processo de
TD, tem sido empregado com sucesso na indstria de forjaria e metal mecnica.
P a r a B a r qu e te ( 2 0 0 2 ) , a aplicao do processo de Termodifuso de VC em aos-
ferramenta temperveis ao ar, como os aos ABNT D2, extremamente conveniente, pois
o resfriamento a partir de temperaturas entre 850 a 1050C j produz no substrato durezas
de 56 a 58 HRC, suficientes para conferir sustentao para a camada de VC, alm da
excelente tenacidade resultante. Esta condio adequada para aplicaes emferramentas utilizadas em inmeros processos de conformao plstica de metais
Estes aos ferramenta revestidos com o carboneto de vandio apresentam em sua
superfcie carbonetos metlicos de transio que possuem elevada dureza, baixa
reatividade qumica e boa resistncia a corroso em altas temperaturas. Tambm possuem
boa resistncia trmica ao choque e boa condutividade trmica, o que favorece a
dissipao do calor na superfcie de trabalho da ferramenta. O VC possui boa resistncia
corroso, particularmente em moldes de alumnio.
Como os carbonetos possuem maior dureza em relao aos nitretos, o revestimento
de carboneto de vandio mostra algumas propriedades distintas na aplicao em
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
39/109
38
ferramentas de corte.
A aplicao desse tipo de revestimento em desfibradores utilizados na indstria
sucroalcooleira apresenta caractersticas potencialmente favorveis ao aumento da vida
til dessas peas, devido elevada resistncia ao desgaste e corroso. Para que este
tipo de revestimento possa ser utilizado necessrio alterar o material base dos
desfibradores, de ao ABNT 1020 para aos com teor de carbono acima de 0,3 %, ou seja
ao 1045 ou aos ferramenta da classe D2, D6 ou O1. Esta alterao do material do
substrato resultaria em elevao de custo, mas deve-se considerar o aumento da vida til
dos desfibradores e o aumento do perodo entre as paradas de produo para recuperao
dos mesmos. No h na literatura referncias sobre a utilizao de revestimentos
termodifundidos para a aplicao estudada neste trabalho.
2.3.2. Revestimentos de VC para aplicao tribolgica.
Os filmes finos (revestimentos) vm sendo amplamente aplicados em diversas reas
como: mecnica, eletrnica, decorao, ptica, entre outros. Uma das reas que tem mais
privilgios atravs destes revestimentos a da indstria metal mecnica, devido aos filmes
finos melhorarem as propriedades fsicas, qumicas e mecnicas das ferramentas,
incrementando a vida til destas (SATO, 1992). A Figura 17 a seguir apresenta mostra um
filme fino de VC depositado sobre um ao 1045.
Figura 17-Micrografia da seo transversal de um ao 1045 com um filme fino de VC. Fonte: (SATO, 1992)
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
40/109
39
Filmes finos so pelculas delgadas de um determinado material depositado sobre
um substrato. A espessura varia de alguns angstroms (10-10 m) at micrometros. No
somente a espessura que determina se o filme fino ou no, mas se deve levar em
considerao a razo entre espessura do filme com a espessura do substrato (WANG et.
al,1989).
Para a formao de um filme fino, existem duas etapas bsicas: a nucleao e o
crescimento. A Figura 18 a seguir mostra as etapas dos primeiros estgios da formao
de um filme.
Os primeiros ncleos correspondem resoluo do microscpio eletrnico de
transmisso. Aps um determinado tempo de deposio, os ncleos aumentam e atingem
valores de 1010
a 1012 ncleos/cm2. Posteriormente, os ncleos coalescem e as grandes
ilhas continuam crescendo e capturando os tomos adsorvidos formando um filme
semicontnuo comum a rede de canais e buracos, at a formao de um filme contnuo
(CHANG, et al,1988).
Figura 18-Ilustrao esquemtica mostrando os passos durante a nucleao e os primeiros estgios docrescimento do filme (WANG, et al,1989, pg. 5).
O emprego de filmes finos de carbonetos, como o VC, sobre a superfcie do
substrato reflete no aumento da dureza superficial e melhora das propriedades mecnicas.
Estes revestimentos so depositados na superfcie do substrato ou em alguns casos,difundidos para dentro do slido (Butler et al,1994).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
41/109
40
Atualmente, existem diversas tecnologias para a deposio de filmes finos, cada
uma com suas caractersticas particulares, sendo que neste trabalho sero utilizados os
processos PECVD e termodifuso.
2.4. Revestimento de filmes de DLC (Diamond Like-Carbon)
O DLC uma forma meta estvel de carbono amorfo que contm uma frao
significativa de ligaes do tipo sp3. (Robertson, 2002). O carbono forma uma grande
variedade de estruturas cristalinas e desordenadas, por apresentar trs diferentes
hibridizaes, sp3, sp2e sp1. A Figura 19 mostra uma representao esquemtica dasligaes hibridizadas do carbono.
Figura 19-- Ligaes hibridizadas do Carbono. Fonte: Robertson (2002)
Na configurao sp3, como no diamante, cada um dos quatro eltrons de valncia
do carbono est em um orbital sp3 tetragonalmente direcionado, fazendo uma forte ligao
com o tomo adjacente (ROBERTSON, 2002; CAPOTE, 2003). A configurao tpica do
grafite a sp2, que tem nmero de coordenao 3. Nela, trs dos quatro eltrons de
valncia esto em orbitais sp2 trigonalmente direcionados, formando ligaes com os
tomos de carbono no plano. O quarto eltron encontra-se em um orbital p, normal ao
plano das ligaes . Esse orbital forma ligaes fracas com um ou mais orbitais
vizinhos (Figura 20).
Na configurao sp
1
, dois eltrons de valncia esto em orbitais , cada umformando ligaes direcionadas ao longo do eixo x ( x). Os outros dois eltrons so
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
42/109
41
colocados em orbitais p, direcionados nos eixos ye z. O arranjo dos tomos de carbono
pode ser visualizado na Figura 20 a seguir.
Figura 20-Representao esquemtica do arranjo atmico dos tomos de carbono.
Os filmes de DLC contm uma parte significativa de ligaes sp3 e sp2, podendo
ser classificados em trs grupos (DECHANDT, 2005):
Amorfos hidrogenados (a-C: H), contendo menos de 50% de ligaes sp3com umapequena porcentagem de hidrognio;
Amorfos tetradricos no hidrogenados (ta-C), contendo alta porcentagem de
ligaes sp3(>70%) e um teor mnimo de hidrognio.
Amorfos tetradricos hidrogenados (ta-C:H), contm menos do que 70%de
ligaes sp3.
2.4.1. Processos de deposio dos filmes de DLC
A deposio de filmes de DLC tem como caracterstica comum, em alguns
processos, o bombardeamento de tomos com energias que variam de 20 a 500 ev. De
maneira geral, a diferena entre cada tcnica est relacionada com: tipos de descarga
eltrica, formato dos eletrodos, fonte de energia, temperatura do substrato e proporo
entre os gases precursores de deposio.
A superfcie que receber o bombardeamento dos ons deve ser cuidadosamentepreparada por processos de polimento e limpeza, e eventualmente a incluso de processos
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
43/109
42
de difuso.
As tcnicas Magnetron Sputtering (Yeldose e Ramamoorthy, 2008 apud Silva, 2011)
e as de deposio via plasma assistidas por PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition), IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) e RF-pulsado so amplamente usadas
na obteno dos filmes de DLC (ROBERTSON,1994; CAPOTE et al., 2006; BONETTI et
al., 2006; TRAVA-AIROLDI et al., 2007).
Utilizando o mtodo de PECVD, a estrutura dos filmes composta pelos
aglomerados de hibridizao sp2interconectados por carbonos com hibridizao sp3. Se
aceita geralmente que a adsoro qumica da superfcie dos radicais CH3 a forma
principal para o crescimento deste tipo de filmes (BONETTI et. al. 2006a;
DECHANDT2005).
A deposio de filmes finos de DLC pela tcnica DC pulsado PECVD trata-se de
uma descarga em plasma de baixa presso utilizando uma fonte chaveada Pulsada para
a gerao do plasma e deposio dos filmes de DLC nos substratos (Capote et al,2006;
Trava-Airoldi, et al 2007).
2.4.2. Propriedades e aplicaes do DLC
O filme de DLC rene propriedades fsicas e qumicas muito atraentes para diversas
aplicaes industriais, tais como: elevada dureza mecnica, estabilidade qumica,
transparncia no visvel, baixo coeficiente de atrito e elevada resistncia ao desgaste
(ROBERTSON, 2002; TRAVA- AIROLDI ETAL, 2007b). Por esse motivo, tem sido
extensivamente estudado e aplicado como um revestimento tribolgico assim descrito em
artigos de reviso (GRILL, 1999; DONNET, 1998; GANGOPADHYAY ET AL, 1998;HOLMBERGET. AL., 2000) e est estabelecido tambm em diversas aplicaes industriais
(LETTINGTON et. al., 1997; BAKER ET. AL., 2007; TRAVA-AIROLDI ET. AL.2007c;
MARCIANO ET. AL.2008). Algumas das aplicaes desses filmes esto nas reas da
eletrnica e ptica (SPITSYN, 1994), alm de implantes e prteses mdicas e
odontolgicas (IANNO ET. AL. 1995; MARCIANO). (2008).
Como avano da tecnologia de materiais, muitas peas tm sido desenvolvidas para
trabalharem em ambientes que exigem grandes esforos tensivos e com condiesextremas de trabalho, como temperaturas elevadas, excesso de carga, alta velocidade de
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
44/109
43
rotao, ou seja, ambientes em que a diminuio de atrito tem papel fundamental na vida
til das peas, como caso dos desfibradores da indstria sucroalcooleira. Outro fator
relevante em relao diminuio de atrito a economia de combustvel, que est
diretamente relacionada a fatores econmicos e ambientais. Sistemas que apresentam
melhorias em termos tribolgicos tendem a ter uma diminuio na temperatura de trabalho
contribuindo assim, por exemplo, com a vida til de rolamentos de rotores e mancais,
intrinsecamente a isso se tm menores rudos, vibraes e frequncias de manuteno,
alm de um significativo aumento do limite de carga, contribuindo assim em melhorias de
rendimento, segundo Silva (2011). Como resposta a estes requisitos as excelentes
propriedades tribolgicas dos filmes de DLC determinam a importncia de pesquisas
tecnolgicas com o objetivo de viabilizar a aplicao deste revestimento em novosmateriais e condies de utilizao.
Alm disso, segundo Silva (2011), este revestimento tem apresentado menores
taxas de desgastes quando em contato com outra superfcie com baixo coeficiente de
atrito. Relacionado a este fato, existe o efeito de preveno de adeso de resduos
indesejveis na superfcie de trabalho devido ao baixo atrito.
O DLC aplicado como lubrificante slido se mostra como excelente alternativa de
revestimento de esferas de ao em mecanismos de rolamento de uso aeroespacial.Segundo Silva apud Vanhul et al.(2007), revestimentos de DLCaltamente hidrogenados
(~50%) foram analisados sobre substratos de ao em testes de coeficientes de atrito e
desgaste e demonstraram excelente desempenho tribolgicos em vcuo, simulando
ambientes espaciais.
Alm destes benefcios, segundo Silva (2011), o filme de DLC poderia substituir em
parte os revestimentos base de cromo.
2.5. Revestimentos de filmes finos de DLC para aplicao tribolgica.
2.5.1. Desenvolvimento histrico
O carbono um dos elementos mais notveis entre todos os outros na tabela
peridica. Ele existe em mais de 90% de todas as substncias qumicas conhecidas e tem
o maior nmero de elementos altropos. Materiais slidos a base de carbono exibem
excepcionais propriedades, como alta dureza e condutividade trmica, como no diamante,
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
45/109
44
ou maciez e lubricidade incomuns, como no grafite. Alm destes, o carbono o bloco de
construo de altropos baseados em carbono incluindo grafite, nanotubos, fulerenos,
entre e outros.
Durante as ltimas trs dcadas ou mais, o carbono tambm tem sido o elemento
chave na sntese de revestimentos finos de diamante, carbono tipo diamante (DLC), nitreto
de carbono, carboneto de boro e uma mirade de transio de carbonetos metlicos e de
nitreto de carbo-revestimentos.
Por causa de suas excepcionais propriedades mecnicas e tribolgicas, estes
revestimentos so agora usados em uma ampla gama de aplicaes de engenharia para
controlar o atrito e o desgaste. A Figura 21 apresenta um diagrama ternrio (proposto por
ROBERTSON E FERRARI, 2007), que ilustra domnios especficos de vriosrevestimentos base de carbono em relao aos seus orbitais sp2-sp3 e as caractersticas
do tipo de ligao.
A famlia de revestimentos DLC talvez a maior e representa um dos mais
estudados entre todos os outros revestimentos. Estes revestimentos foram descobertos no
incio dos anos 1950 por Schmellenmeier, mas no atraiu muita ateno at que o trabalho
de Eisenberg e Chabot, quase duas dcadas depois, o fizesse. Foi durante a dcada de
1990 que a pesquisa sobre filmes DLC ganhou impulso. (ERDEMIR ET AL, 2008).
Figura 21-Diagrama ternrio de fases para vrios filmes DLC com relao sua sp2, sp3 e contedo de
hidrognio. Fonte: Adaptao (Erdemir et al,2008, pag.5)Devido s suas prprias estruturas e propriedades nicas e atraentes caractersticas
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
46/109
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
47/109
46
para uma camada depositada que contm elementos formadores de carboneto ou de
nitreto, como vandio, nibio, cromo, molibdnio ou tungstnio. O carbono e o nitrognio
difundidos reagem com os elementos formadores de carboneto ou de nitreto na camada
depositada para formar uma camada de carboneto ou de nitreto, densa e metalurgicamente
ligada, na superfcie do substrato (ARAI 1991).
Ao contrrio dos mtodos convencionais de difuso, o mtodo TRD tambm resulta
em um acmulo intencional de um revestimento na superfcie do substrato. Estes
revestimentos TRD, que tm espessura da ordem de 5-15 m, tm aplicaes semelhantes
s de revestimentos produzidos por deposio qumica a partir da fase gasosa (CVD, do
Ingls Chemical Vapor Deposition) ou deposio fsica a partir da fase gasosa (PVD, do
Ingls Physical Vapor Deposition). As espessuras tpicas dos revestimentos CVD, PVDe TRD so semelhantes, geralmente inferiores a 25 m.
2.6.1. Caractersticas do processo de termodifuso
Os revestimentos de carbonetos, nitretos e carbonitretos termodifundidos so
aplicados sobre aos por meio de processamento em banho de sal ou sistemas de leitofluidizados. O mtodo de revestimento por carboneto por imerso em banho de sal foi
desenvolvido no Japo e tem sido utilizado industrialmente por quase 20 anos, sob o nome
de Toyota Diffusion (TD) coating process.
O mtodo TD utiliza brax fundido com adies de elementos formadores de
carbonetos como vandio, nibio, titnio, ou crmio, que combinam com o carbono do ao
para a produo das camadas de carboneto.
Como o crescimento das camadas dependente da difuso do carbono, o processorequer temperaturas relativamente altas, de 800 a 1250C, para manter taxas de
revestimento adequadas. Camadas de carbonetos de espessuras de 4-7 mm so
produzidas em 10 min a 8 h, dependendo da temperatura do banho e do tipo de ao.
Os aos revestidos podem ser resfriados e reaquecidos para serem temperados ou
a temperatura do banho pode ser selecionada para corresponder temperatura de
austenitizao do ao, permitindo que o ao seja temperado diretamente a partir da
temperatura de termodifuso.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
48/109
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
49/109
48
2.6.3 Processos de termodifuso do carboneto de vandio
Atravs do processo de Termodifuso, so obtidas camadas finas de carboneto de
vandio, extremamente duras de 3200 a 3800 HV, no porosas e com estrutura granular
extremamente fina, em torno 0,3 m, obtidas pelo processo de TD ou TRD. (Barbieri,
2006), a figura 24 apresenta as faixas de dureza resultantes de cada processo de
revestimento superficial.
A formao da camada termodifundida de carboneto de vandio s possvel se o
ao do substrato possuir teor de carbono superior a 0,3%, sendo recomendveis teores de
carbono superiores a 1%, o que justifica a escolha dos aos 1045 e AISI D2.
Figura 24-Dureza de superfcie de camadas de metal duro pelo processo TRD em relao a outrosprocessos de endurecimento de superfcie. Fonte: ARAI (1991).
Este processo baseado na formao do carboneto de vandio pela reao, na
superfcie do ao, de carbono que difunde do interior para a superfcie, com ons de
vandio livres em um banho de sais fundentes. Em particular, os fundentes so baseados
no brax. A Figura 25 apresenta o diagrama de energia livre de formao de carbonetos
em funo da energia livre de formao de xidos, no qual se podem verificar os diversos
materiais que formam carbonetos atravs de sais fundentes por brax. (Barbieri, 2007).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
50/109
49
Figura 25-Diagrama de energia livre de formao de carbonetos em funo da energia livre de formao dexidos atravs de sais fundentes com brax. Fonte: Adaptada de Barquete (2002)
3. TCNICAS DE CARACTERIZAONeste captulo so apresentadas as tcnicas utilizadas para a caracterizao das
amostras antes e aps os ensaios no dispositivo de desgaste por abraso, tanto com filmes
DLC, quanto queles submetidos termodifuso para formar o revestimento superficial de
carboneto de vandio.
3.1 Dispositivos de ensaio de desgaste por abraso
Considerando que os revestimentos sobre os substratos deveriam ter suas
propriedades mecnicas avaliadas por um dispositivo que verificasse a aderncia e a
resistncia dos filmes finos depositados, foi desenvolvido um dispositivo de ensaio de
desgaste por abraso, onde sero reproduzidas algumas das condies mais significativas
do regime de desgaste dos desfibradores em operao.
O desenvolvimento do projeto seguiu a metodologia tradicional de desenvolvimento
de produtos para produo em pequena escala, desde a concepo realizao dos
ensaios, conforme esquema apresentado na figura 26 a seguir.
Figura 26-Etapas do Projeto de Construo do dispositivo de ensaios.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
51/109
50
A concepo do dispositivo buscou, desde seu incio pela facilidade em sua
fabricao at a questo da sua mobilidade, foram pr-selecionados materiais de baixo
custo e que pudessem ser adquiridos com a maior facilidade possvel.
A partir da anlise dos desfibradores foi proposto um dispositivo que apresentasse
um bom torque e que pudesse realizar o desgaste por abraso atravs de ciclos rotatrios,
no qual ento foi feita a seleo dos materiais.
Com a concepo dos materiais que iriam compor o dispositivo, foi necessria antes
da montagem a realizao de modelo computacional a fim de modelar o dispositivo antes
de sua montagem real.
A figura 27 a seguir apresenta todos os componentes que foram utilizados na
montagem do dispositivo e como seria sua disposio final, que foram a seguir:
1-Motor de para-brisa. 4-Rebolo de Esmeril.
3-Fixador de amostras. 5-Suporte Base de madeira 15x8cm.
2-Fonte de Computador
Figura 27-Ilustrao inicial feita em CAD da montagem do dispositivo, em trs vistas (A) frente, (B) Laterale (C) superior. (Fonte: UESC/2012)
Na figura 28, temos o dispositivo j montando mais ainda com o suporte de amostrasinicial e nas figuras 29 e 30 com seu suporte de amostras em alumnio definitivo.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
52/109
51
Figura 28-Dispositivo em vista lateral com suporte de amostras inicial. (Fonte: INPE/2012)
Figura 29- Vista lateral do dispositivo com suporte definitivo de amostras. (Fonte: INPE/2012)
Figura 30- Vista superior do dispositivo com amostra fixada. (Fonte: INPE/2012)
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
53/109
52
Cada material do dispositivo foi selecionado a partir de determinadas caractersticas
que melhor poderiam ser desenvolvidas a baixo custo e que apresentasse resultados
amplamente satisfatrios.
O motor de para-brisa de veculos automotores (Figura 31) possui essas condies,
e com as seguintes especificaes abaixo:
Tabela 1-Especificaes do Motor. Fonte: Bosch do Brasil S.A.
Figura 31-Motor de para-brisa, usado no dispositivo. (Fonte: UESC/2012)
A fim de realizar os degaste nas amostras com os revestimentos propostos no
trabalho e que assim pudesse modelar o desgaste por abraso sofrido pelos desfibradores
durante o processo de desfibramento da cana para a produo do lcool, foi implementado
no eixo rotatrio do motor de para-brisa um rebolo de esmeril (figura 32), de granulometria
120, para realizar a avaliao do degaste por abraso dos revestimentos.
Tenso dos Motores: 12 VCC
Consumo Nominal: 7,5 A
Torque/Opes: 48 Nm
Sentido de Giro: L/R
Velocidades: 1 ou 2
Rotaes mximas: 100 rpm
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
54/109
53
Figura 32-rebolo de esmeril. (Fonte: UESC/2012)
Para selecionar a fonte de alimentao do motor foram consideradas suas
especificaes de funcionamento de 12 V e corrente de 7,5 A e tambm o requisito de ser
um produto comercial, de fcil obteno e baixo custo. Aps pesquisa por fontes ou
baterias, o componente selecionado foi uma fonte padro de computador (Figura 33), que
possu sadas de corrente e tenso adequadas s especificaes do motor, alm de
permitir alimentao de 110V ou 220V.
Figura 33-Fonte de Computador utilizada no dispositivo. (Fonte: UESC/2012)
Para a fixao das amostras foi desenvolvido um suporte para sua fixao (figura
34), durante os primeiro testes o mesmo no se mostrou eficaz, devido s amostras no
permanecerem fixas, movimentando-se constantemente, no qual ento foi necessrio o
desenvolvimento de um brao que fixasse as amostras num ngulo fixo, sem nenhum
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
55/109
54
deslocamento e que suportasse com preciso necessria qualquer dimetro de amostras
sendo feito de alumnio e que buscasse representar o movimento dos desfibradores sobre
a cana (figura 35).
Figura 34-Primeiro suporte de amostras, (A) vista externa, (B) vista interna do espao reservado dasamostras. (Fonte: INPE/2012)
Figura 35-(A) Brao-Suporte definitivo das amostras; (B) modelo inicial do suporte. Fonte: LAS/INPE (2012)
3.2. Espectroscopia de espalhamento Raman
A espectroscopia Raman uma tcnica muito utilizada para obter informaes sobre
a estrutura de materiais como o DLC e tambm com relao ao seu grau de desordem
(TUINSTRA ET AL, 1970). Esta tcnica amplamente usada devido sua simplicidade,
por ser no destrutiva e por fornecer informao qualitativa sobre o material estudado
(ROBERTSON APUD MARCIANO, 2002).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
56/109
55
O diamante tem uma nica banda caracterstica centrada em 1332 cm -1 e o cristal
de grafite tem uma linha nica centrada em 1580 cm -1, denominada G (Robertson apud
Marciano). O grafite desordenado tem uma segunda banda ao redor de 1350 cm -1
chamada D que est relacionada desordem do material. Nos espectros Raman de
materiais de carbono amorfo observa-se duas bandas largas denominadas de G e D,
centradas por volta de 1560 cm-1 e 1350 cm-1, respectivamente. Na figura 36 mostrado
um espectro Raman de um filme de DLC obtido pela tcnica de PECVD em um plasma de
metano.
Figura 36-Espectro Raman de um filme de DLC obtido pela tcnica de PECVD em um plasma de metano.Fonte: (Robson, 2002)
Figura 37-Espectro Raman de Filmes DLC em aos AISI 1020,1045 e D2. (Fonte: INPE/2012)
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
57/109
56
A estrutura dos filmes de DLC foi estudada utilizando o equipamento de
espectroscopia de espalhamento Raman, a figura 37 mostra os espectros de DLC nos
substratos de aos AISI 1020,1045 e D2.
Para se obter os espectros foi utilizado um sistema Renishaw 2000 (Figura 38) com
um laser inico de Ar+, com comprimento de onda de 514,5 nm e geometria de retro
espalhamento. O deslocamento Raman foi calibrado utilizando o pico de um diamante
cristalino em 1332 cm-1.
Figura 38-Sistema para medies de espectroscopia Raman.Fonte: LAS/INPE (2012).
3.3. Microscopia eletrnica de varredura-MEV
Consiste na anlise da topografia da superfcie da amostra, com excelente resoluo
da imagem obtida. A imagem obtida por reflexo de feixe de eltrons pela superfcie da
amostra. A amostra deve ser condutora. As amostras de materiais no condutores
necessitam de recobrimento com uma fina camada de um metal condutor (0, a 5 nm) e
pouco suscetvel oxidao (geralmente ouro). A Figura 39 mostra a ilustrao do
funcionamento de um Microscpio Eletrnico de Varredura (MEV) e na figura 40 o MEV
disponvel no LAS/CTE/INPE.
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
58/109
57
Figura 39-Representao do funcionamento e componentes de um microscpio eletrnico de varredura.Fonte: Costa (2010)
Figura 40-Microscpio Eletrnico de Varredura- MEV. (Fonte: INPE/2012)
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
59/109
58
A microscopia eletrnica de varredura foi utilizada para a observao, com maiores
detalhes da microestrutura, buscando-se uma relao entre os microconstituintes e as
fases detectadas por difrao de raios X.
As imagens so formadas fundamentalmente do resultado da interao do feixe
eletrnico colimado de alta energia, aproximadamente de 25kV, com a superfcie da
amostra. A interao, produzida em todo o campo da amostra, decorrente da varredura
horizontal e vertical do feixe de eltrons. (BARBIERI, 2007)
O microscpio eletrnico de varredura (MEV) um dos instrumentos mais versteis
para investigar microestrutura de materiais metlicos. Comparado ao microscpio ptico,
sua expanso de resoluo bem maior que uma ordem de magnitude, pois permite
analisar com resoluo adequada objetos, de at, aproximadamente, 10 nm (100)(BARBIERI, 2007).
A principal vantagem dessa tcnica, alm da alta resoluo, imensa profundidade
de foco, que nos consiste obter imagens tridimensionais da amostra, muito teis para
examinar superfcies desgastas.
Quando um feixe de eltrons de alta energia incide sobre um material, d origem a
uma srie de sinais que podem ser captados em pulsos eltricos por meio de um sistema
eletrnico, sendo em seguida amplificados para, finalmente, serem transformados emimagem por meio de um sistema de visualizao. (BARBIERI, 2007).
Na microscopia eletrnica de varredura os sinais de maior interesse para a formao
da imagem so os eltrons secundrios e os retroespalhados. Os eltrons secundrios
fornecem imagem de topografia da superfcie da amostra e so os responsveis pela
obteno das imagens de alta resoluo. J os retroespalhados fornecem imagem
caracterstica de variao de composio. (COSTA, 2010)
Os eltrons retroespalhados (ERE) so eltrons do feixe primrio (EP) que, apschoques aproximadamente elsticos (interaes com mudana de direo sem perda
acentuada de energia) com o ncleo dos tomos da amostra, escaparam do material
(MALISKA, 2009).
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
60/109
-
7/28/2019 Dissertao Herick Santos Pereira-verso final
61/109
60
Figura 42-Esquema do Interfermetro de Michelson. Fonte: Costa (2010)
A diferena de caminho ptico entre os dois feixes e a mudana na frente de onda
ocasionada pelo contorno das superfcies de reflexo produz um padro de interferncia
que percebido pelo detector. O padro de interferncia est relacionado com as
informaes relativas altura da amostra. (COSTA, 2010)
O diferencial dessa metodologia em relao perfilometria de contato a maior
preciso e a leitura de uma rea mais representativa e no apenas de um ponto, e a
principal vantagem, quando comparado s demais tcnicas, que o instrumento no entra
em contato com a amostra, o que elimina a chance de danific-la.
Segundo Radi (2008), a perfilometria ptica uma tcnica de no contato que
permite