Estudo da influência do roleteamento na superfície de um compósito autolubrificante sinterizado

Abstract

Estima-se que aproximadamente 1,7 trilhões de dólares poderiam ser economizados caso perdas por atrito fossem evitadas, portanto novos materiais e superfícies são estudados para aumentar a eficiência de sistemas mecânicos. A utilização de compósitos autolubrificantes sinterizados com lubrificantes sólidos dispersos em matriz metálica chama a atenção da comunidade acadêmica e da indústria por ser um material capaz de diminuir o atrito de componentes em contato e movimento relativo sem a utilização de lubrificantes fluidos. Além disto, essa classe de material consegue aliar boas propriedades mecânicas e tribológicas com custo atrativo de fabricação. Assim como o design microestrutural do material, as características da superfície de mancais autolubrificantes produzidos por tecnologia do pó são extremamente importantes para que o atrito e o desgaste desses sistemas sejam diminuídos, reduzindo o consumo de energia. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é entender a influência do roleteamento na obtenção de superfícies em materiais compósitos autolubrificantes de matriz metálica ferrosa produzidos por meio de tecnologia do pó para avaliar as características dimensionais, topográficas e tribológicas da superfície processada. Para isto, foram processadas superfícies de um compósito autolubrificante sinterizado desenvolvido no Laboratório de Materiais (LabMat) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) com uma ferramenta de roleteamento de múltiplos roletes. Na primeira etapa foram realizados testes preliminares para determinar os melhores parâmetros de processo, em que se variou a velocidade de processo (vp) (80, 120, 160 m/min), velocidade de processo (f) (0,05, 0,1, 0,15 mm/rolete) e presença de lubrificante a base de óleo hidráulico durante o roleteamento. A melhor resposta tribológica ocorreu sob condições de menor avanço (0,05 mm/rolete), maior velocidade de processo (160 m/min) e sem a presença de óleo, uma vez que esse retira lubrificante sólido da matriz, diminuindo a capacidade de lubrificação. A partir da definição dos valores de f, vp e da não presença de óleo, prosseguiu-se o estudo da influência da profundidade de trabalho (Pw) na superfície processada. Assim, variou-se a penetração da ferramenta em 5 níveis (30, 60, 90, 120 e 150 µm) e verificou-se que existe uma grande modificação da superfície processada, de modo que superfícies menos rugosas e com menor oferta de lubrificante sólido são obtidas sob condições mais severas de aplicação do roleteamento, cuja fração de apoio (Smr%) abaixo de 3 µm ficou acima de 90% em todos os casos. As características geométricas de conicidade, circularidade e cilindricidade melhoraram significativamente após o processamento com profundidade de trabalho de 30 µm, piorando com o aumento de Pw. A durabilidade do compósito após a aplicação do roleteamento com 30 µm de Pw não apresentou mudanças significativas, porém diminuiu com o aumento da severidade dos ensaios. Por outro lado, o desgaste do sistema diminuiu sob todas as condições de aplicação, atingindo os menores valores para profundidades de trabalho maiores. Por fim, foi comparada a capabilidade de obtenção de furos com características geométricas de conicidade, circularidade e cilindricidade dentro da tolerância para componentes antes e após o roleteamento com as melhores condições encontradas, apresentando melhora significativa para todos os casos em que o roleteamento foi aplicado.

Abstract: It is estimated that approximately 1.7 trillion dollars could be saved if friction losses were avoided, so new materials and surfaces are being studied to increase the efficiency of mechanical systems. The use of self-lubricating sintered composites with solid lubricants incorporated in a metallic matrix has been attracting the attention of the academic community and the industry since it is a material capable of reducing the friction of components in contact and relative movement without the use of fluid lubricants, this type of material manages to combine good mechanical and tribological properties with an attractive manufacturing cost. As well as the microstructural design of these materials, the surface of self-lubricating bearings produced by powder metallurgy is important for the decrease of friction and wear of these systems, reducing energy consumption. In this context, the goal of this study is to understand the influence of the burnishing process in self-lubricating metallic matrix composite surface produced through powder metallurgy, the intention is to improve the dimensioning tolerance, topographic and tribological characteristics of the processed surface. For that, holes were processed from a self-lubricating sintered composite sample developed at the materials laboratory (LabMat) of the Federal University of Santa Catarina (UFSC) with a multi-roller burnishing tool. In a first moment, preliminary tests were carried out to determine the best conditions for feed (f), process speed (Vp) and the presence of oil, the best tribological and topographic result occurred under conditions of lower feed (0,05 mm/roller) and higher process speed (160 m/min) and without the presence of oil during the process since it removes solid lubricant from the porosity, which decreases the lubrication capacity. From the determination of the values of f, Vp and the absence of oil, the next step of the study was to understand the influence of working depth (Pw) on the surface, the tool penetration varied in 5 levels (30, 60, 90, 120 and 150 µm), the process provoked a significant modification on the surface, more severe burnishing application conditions induce the formation of smoother surfaces with less solid lubricant availability, in all cases the fraction of support (Smr%) below 3 µm was above 90%. The geometric characteristics of conicity, circularity, and cylindricity improved significantly after processing with Pw of 30 µm, getting worse with the increase in Pw. The durability of the composite after the application of burnishing with 30 µm of Pw did not show significant changes, however, bigger Pw leads to worse results of durability, on the other hand, the wear of the system decreased under all application conditions, reaching the lowest values for greater working depths. Finally, the capability to produce holes with geometric characteristics of conicity, circularity, and cylindricity below a value determined in the design of the component was compared for the conditions before and after burnishing, showing significant improvement in all cases.