Estudo da calibração e da lubrificação fluida nas propriedades tribológicas de compósitos autolubrificantes produzidos via metalurgia do pó

Abstract

Grande parte da energia consumida no mundo é proveniente de contatos tribológicos e esta poderia ser reduzida se perdas por atrito fossem evitadas por meio do estudo e uso de novos materiais, superfícies e tecnologias de lubrificação, o que favorece o aumento da eficiência de sistemas mecânicos. O uso de compósitos autolubrificantes a seco produzidos por metalurgia do pó, com lubrificantes sólidos dispersos no volume de uma matriz metálica tem-se mostrado promissor, pois consegue aliar propriedades mecânicas e tribológicas satisfatórias para aquelas que são requisitadas em projetos mecânicos com baixo custo associado, além de apresentar alta tolerância dimensional, mínimo desperdício de matéria-prima e projeto microestrutural definido. A calibração é um processo de baixo custo comumente realizada para garantir tolerâncias dimensionais e acabamento superficial de componentes sinterizados. No entanto, a calibração de compósitos autolubrificantes pode induzir o fechamento de reservatórios de lubrificante e, consequentemente, afetar seu desempenho tribológico. Além disso, uma combinação de lubrificação sólida e fluida pode ter um efeito sinérgico benéfico no desempenho de atrito e desgaste das superfícies deslizantes. Este trabalho tem como objetivo investigar a influência do processo de calibração e o impacto da lubrificação fluida no comportamento tribológico de compósitos autolubrificantes à base de ferro. Para isso, amostras de geometria cilíndrica oca foram produzidas por metalurgia do pó, utilizando uma liga à base de ferro com incorporação de lubrificantes sólidos (grafite e hBN). A calibração pós-sinterização foi realizada em uma matriz de prensa hidráulica em três diferentes pressões: 160, 320 e 480 MPa. O comportamento tribológico dos sistemas foi caracterizado por ensaios de deslizamento alternado a seco com carga variando 7 N a cada 10 min para avaliar a durabilidade do regime de lubrificação sólida. Também foram realizados ensaios com carga constante (7 N por 120 min) para avaliar a taxa de desgaste específica e o coeficiente de atrito dos compósitos, os quais foram realizados a seco e com o lubrificante fluido linear alquilbenzeno ISO 5. Os resultados mostram que a calibração resultou em um efeito de fechamento gradual da porosidade e dos reservatórios dos estoques de lubrificantes e ainda no endurecimento da matriz metálica superficial (até 98 %). A durabilidade foi reduzida em 72 % em pressões de calibração mais altas devido à menor disponibilidade de reservatórios de lubrificantes sólidos na superfície para manter a tribocamada. Além disso, um efeito prejudicial na resistência ao desgaste foi observado para o corpo de prova calibrado a uma pressão mais alta (480 MPa), o que mostra a importância de definir a pressão de calibração para melhorar o comportamento tribológico de compósitos autolubrificantes sinterizados. Dentre todas as amostras, a calibrada com 320 MPa e ensaiada a seco apresentou menor taxa de desgaste específica, o que pode ser atribuído ao melhor acabamento superficial, maior dureza da matriz metálica e presença de carbono, cuja estrutura resultante foi mais ordenada quando comparada com as amostras ensaiadas com lubrificante fluido.

Abstract: Much of the energy consumed worldwide originates from tribological contacts. This could be reduced if friction losses were avoided through the study and use of new materials, surfaces and lubrication technologies, increasing the efficiency of mechanical systems. The use of dry self-lubricating composites produced by powder metallurgy, with solid lubricants dispersed in the volume of a metallic matrix proved to be promising, as it can combine satisfactory mechanical and tribological properties with an associated low cost. Additionally, it offers high dimensional tolerance, minimal waste of raw materials, and a defined microstructural design. Sizing is a low-cost process commonly performed after sintering to ensure dimensional tolerances and surface finishing of sintered components. However, this post-sintering process may induce the sealing of lubricant reservoirs in self-lubricating composites and, consequently, affect their tribological performance. Furthermore, the combination of solid and liquid lubrication may have a beneficial synergistic effect on the friction and the wear performance of sliding surfaces. This work investigates the effect of the sizing process and the impact of fluid lubrication on the tribological performance of self-lubricating iron-based composites. For this, hollow cylindrical specimens simulating the geometry of bearings were produced by powder metallurgy, with an iron-based matrix containing embedded solid lubricants (graphite and hBN). Sizing was performed by repressing the as-sintered specimens in a hydraulic press die at three different pressures: 160, 320, and 480 MPa. The tribological characterization was performed by reciprocating dry and low-viscosity lubricant sliding tests using a ball-on-cylinder configuration. Variable load tests were performed to evaluate the scuffing resistance. In contrast, constant load tests were used to assess the tribosystems wear rate and friction coefficient. The results show a gradual sealing effect of porosity and lubricants reservoirs and the hardening of the surface metallic matrix (up to 98 %). The scuffing resistance was reduced by 72 % at higher sizing pressures due to the lower availability of solid lubricants on the surface to maintain the tribolayer. The improved surface finishing and metallic matrix hardness reduced up to 70 % of the tribosystem?s wear rate at 320 MPa of sizing pressure. Furthermore, a detrimental effect on the wear resistance was noticed for the specimen sized at a higher sizing pressure (480 MPa), showing the importance of optimizing the sizing pressure to improve the tribological behaviour of sintered self-lubricating composites.