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Medição de Desgaste In Situ em Alta Temperatura

MEDIÇÃO DE DESGASTE IN SITU EM ALTA TEMPERATURA

USANDO O TRIBÔMETRO

Tribômetro Aeroespacial do IN-SITU WEAR MEASUREMENT

Preparado por

Duanjie Li, PhD

INTRODUÇÃO

O Transformador Diferencial Linear Variável (LVDT) é um tipo de transformador elétrico robusto usado para medir o deslocamento linear. Tem sido amplamente utilizado em diversas aplicações industriais, incluindo turbinas de potência, hidráulica, automação, aeronaves, satélites, reatores nucleares, e muitas outras.

Neste estudo, apresentamos os add-ons de LVDT e módulos de alta temperatura do NANOVEA Tribômetro que permitem que a alteração da profundidade da trilha de desgaste da amostra testada seja medida durante o processo de desgaste em temperaturas elevadas. Isso permite aos usuários correlacionar diferentes estágios do processo de desgaste com a evolução do COF, o que é fundamental para melhorar a compreensão fundamental do mecanismo de desgaste e das características tribológicas dos materiais para aplicações em altas temperaturas.

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

Neste estudo, gostaríamos de mostrar a capacidade do Tribômetro NANOVEA T50 para monitorar in situ a evolução do processo de desgaste dos materiais a temperaturas elevadas.

O processo de desgaste da cerâmica de silicato de alumina a diferentes temperaturas é simulado de forma controlada e monitorada.

NANOVEA

T50

PROCEDIMENTO DE TESTE

O comportamento tribológico, por exemplo, coeficiente de atrito, COF e resistência ao desgaste das placas cerâmicas de silicato de alumina foi avaliado pelo Tribômetro NANOVEA. A placa cerâmica de silicato de alumina foi aquecida por um forno desde a temperatura ambiente, RT, até temperaturas elevadas (400°C e 800°C), seguido pelos testes de desgaste a tais temperaturas. 

Para comparação, os testes de desgaste foram realizados quando a amostra esfriou de 800°C para 400°C e depois para a temperatura ambiente. Uma ponta esférica AI2O3 (6mm de diâmetro, grau 100) foi aplicada contra as amostras testadas. O COF, a profundidade de desgaste e a temperatura foram monitorados in situ.

PARÂMETROS DE TESTE

da medição pin-on-disk

Tribômetro LVDT Amostra

A taxa de desgaste, K, foi avaliada usando a fórmula K=V/(Fxs)=A/(Fxn), onde V é o volume gasto, F é a carga normal, s é a distância de deslizamento, A é a área da seção transversal da pista de desgaste, e n é o número de revolução. A rugosidade da superfície e os perfis da pista de desgaste foram avaliados pelo Perfurador Óptico NANOVEA, e a morfologia da pista de desgaste foi examinada usando um microscópio ótico.

RESULTADOS & DISCUSSÃO

O COF e a profundidade da pista de desgaste registrados in situ são mostrados no FIGURA 1 e FIGURA 2, respectivamente. No FIGURA 1, "-I" indica o teste realizado quando a temperatura foi aumentada de RT para uma temperatura elevada. O "-D" representa a diminuição da temperatura a partir de uma temperatura mais alta de 800°C.

Como mostrado no FIGURA 1, as amostras testadas em diferentes temperaturas exibem um COF comparável de ~0,6 ao longo das medições. Um COF tão elevado leva a um processo de desgaste acelerado que cria uma quantidade substancial de detritos. A profundidade da pista de desgaste foi monitorada durante os testes de desgaste por LVDT, como mostrado na FIGURA 2. Os testes realizados à temperatura ambiente antes do aquecimento da amostra e após o resfriamento da amostra mostram que a placa cerâmica de silicato de alumina apresenta um processo de desgaste progressivo em RT, a profundidade da pista de desgaste aumenta gradualmente durante todo o teste de desgaste para ~170 e ~150 μm, respectivamente. 

Em comparação, os testes de desgaste em temperaturas elevadas (400°C e 800°C) apresentam um comportamento de desgaste diferente - a profundidade da pista de desgaste aumenta prontamente no início do processo de desgaste, e diminui à medida que o teste continua. A profundidade da pista de desgaste para testes realizados em temperaturas 400°C-I, 800°C e 400°C-D é de ~140, ~350 e ~210 μm, respectivamente.

COF durante os testes pin-on-desk Testes em diferentes temperaturas

FIGURA 1. Coeficiente de Fricção durante os testes pin-on-disk a diferentes temperaturas

Desgaste da placa cerâmica de silicato de alumina a diferentes temperaturas

FIGURA 2. Evolução da profundidade da pista de desgaste da placa cerâmica de silicato de alumina a diferentes temperaturas

A taxa média de desgaste e a profundidade da pista de desgaste das placas cerâmicas de silicato de alumina em diferentes temperaturas foram medidas usando NANOVEA Profiler Óptico, conforme resumido em FIGURA 3. A profundidade da pista de desgaste está de acordo com o registrado usando LVDT. A placa cerâmica de silicato de alumina apresenta uma taxa de desgaste substancialmente aumentada de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, em comparação com as taxas de desgaste abaixo de 0,2 mm3/N a temperaturas abaixo de 400°C. A placa cerâmica de silicato de alumina não apresenta propriedades mecânicas/tribológicas significativamente melhoradas após o curto processo de aquecimento, possuindo uma taxa de desgaste comparável antes e depois do tratamento térmico.

A cerâmica de silicato de alumina, também conhecida como lava e pedra milagrosa, é macia e maquinável antes do tratamento térmico. Um longo processo de queima a temperaturas elevadas de até 1093°C pode aumentar substancialmente sua dureza e resistência, após o que é necessária a usinagem com diamante. Tal característica única torna a cerâmica de silicato de alumina um material ideal para escultura.

Neste estudo, mostramos que o tratamento térmico a uma temperatura mais baixa que o necessário para a queima (800°C vs 1093°C) em pouco tempo não melhora as características mecânicas e tribológicas da cerâmica de silicato de alumina, tornando a queima adequada um processo essencial para este material antes de sua utilização nas aplicações reais.

 
Taxa de desgaste e profundidade da pista de desgaste da amostra em diferentes temperaturas 1

FIGURA 3. Taxa de desgaste e profundidade da pista de desgaste da amostra em diferentes temperaturas

CONCLUSÃO

Com base na análise tribológica abrangente deste estudo, mostramos que a placa cerâmica de silicato de alumina apresenta coeficiente de atrito comparável em diferentes temperaturas desde a temperatura ambiente até 800°C. No entanto, mostra uma taxa de desgaste substancialmente aumentada de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, demonstrando a importância de um tratamento térmico adequado desta cerâmica.

Os Tribômetros NANOVEA são capazes de avaliar as propriedades tribológicas dos materiais para aplicações a altas temperaturas de até 1000°C. A função de medições in situ do COF e da profundidade da pista de desgaste permite aos usuários correlacionar diferentes estágios do processo de desgaste com a evolução do COF, o que é fundamental para melhorar a compreensão fundamental do mecanismo de desgaste e das características tribológicas dos materiais utilizados em temperaturas elevadas.

Os Tribômetros NANOVEA oferecem testes de desgaste e atrito precisos e repetíveis usando os modos rotativo e linear conforme ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste a alta temperatura, lubrificação e tribo-corrosão disponíveis em um sistema pré-integrado. A gama inigualável da NANOVEA é uma solução ideal para determinar a gama completa de propriedades tribológicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou grossos, macios ou duros.

Os perfis opcionais 3D sem contato estão disponíveis para imagens 3D de alta resolução de faixas de desgaste, além de outras medidas de superfície, tais como rugosidade.

MEDIÇÃO DO DESGASTE IN-SITU

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