Investigação do comportamento tribológico do revestimento WC-CoCr/HVOF aplicado a componentes hidráulicos sob princípios da Green Tribology

Abstract

A busca por eficientes técnicas para tratamentos de superfícies e o uso de lubrificantes ecológicos têm sido objetos de pesquisa no mundo inteiro, devido à necessidade de redução do consumo de energia e os danos ambientais gerados pela indústria. As energias de atrito e desgaste, assim como a lubrificação biodegradável, ainda são temas a serem explorados. A hipótese dessa tese é que os revestimentos de aspersão térmica HVOF, seguido de tratamento à laser, sejam técnicas eficientes para melhorar o desempenho de superfícies de componentes hidráulicos. O objetivo principal deste estudo foi avaliar o potencial da liga WC-CoCr, como opção aos revestimentos de cromo duro e testar o desempenho das superfícies revestidas, em condições a seco e lubrificadas, após o processo de refusão a laser. Caracterizou-se os revestimentos, quanto a microdureza, microestrutura, resistência a flexão e desempenho tribológico. Posteriormente, os óleos hidráulicos biodegradáveis HEES e HEPR foram selecionados e comparados com o óleo mineral HLP, em diferentes regimes de lubrificação. Em seguida, novas amostras revestidas foram tratadas à laser com densidades de energia de 33,3 e 150 J/mm2, e novamente submetidas a testes tribológicos, estimando-se as eficiências energéticas das superfícies. Os resultados demonstram boas características do revestimento de WC-CoCr para melhoria das superfícies. Mesmo com maior dureza, uma menor densidade de trincas foi observada para a liga WC-CoCr, comparada ao cromo duro. Usando o conceito de Abbott-Firestone, a rugosidade Rmr diminui de 90,57 para 80,29 % na superfície revestida, resultado que foi atribuído à combinação entre dureza, resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito (COF). O óleo biodegradável HEPR promoveu uma maior estabilidade do COF, para as diferentes pressões de contato. Os resultados de desgaste e atrito confirmaram as diferenças dos coeficientes de pressão-viscosidade e da concentração inferior de aditivos anti-desgaste para o óleo HEES. A amostras tratadas à laser com 33,3 J/mm2, mostraram que a distribuição adequada das fases W2C e Co3W3C, a concentração de CrC e a densificação na camada do revestimento, reduziram o atrito, a dissipação de calor e o desgaste na superfície, proporcionando a esta, maior eficiência energética. A falta de homogeneização, com acúmulos de debris no disco, promoveram o fenômeno de adesão na amostra não refundida. A baixa adesão e os mecanismos de desgaste das superfícies, indicaram que o óleo HEPR não conseguiu prevenir totalmente o desgaste, porém reduziu 50 % do COF. Este estudo mostra que é possível melhorar a eficiência energética e ambiental dos sistemas hidráulicos, além de incentivar o desenvolvimento da Green Tribology.

The search for efficient techniques for surface treatments and the use of eco-friendly lubricants has been the subject of worldwide research, because of the need to reduce energy consumption and environmental harm caused by industry. Frictional and wear energies, along with biodegradable lubrication, remain to be explored. The hypothesis of this PhD thesis is that HVOF thermal spray coatings, followed by laser treatment, are effective techniques to improve the performance of surfaces of hydraulic components. The main objective of this study was to evaluate the potential of WC-CoCr alloy as an alternative to hard chromium coatings, and to test the performance of sprayed surfaces, under dry and lubricated conditions, following the laser remelting process. The coatings were characterized for concerning the microstructure microhardness, bending strength and tribological performance. Subsequently, HEES and HEPR biodegradable oils were selected and compared to HLP mineral oil under different lubrication regimes. Following this comparison, new sprayed samples were laser-treated at energy densities of 33.3 and 150 J/mm2, and again subjected to tribological tests, estimating surfaces' energy efficiency. The results demonstrate good features of the WC-CoCr coating to improve the surfaces of the hydraulic components. Even with greater hardness, a lower crack density was observed for WC-CoCr compared to hard chromium. Using the Abbott-Firestone concept, the Rmr roughness decreases from 90.57 to 80.29 % on the pulverized surface, result attributed to combining hardness, wear resistance and low coefficient of friction (COF). The biodegradable HEPR oil promoted the stability of the COF at different contact pressures. The wear and friction results confirmed the differences between the pressure-viscosity coefficients and the lowest anti-wear concentration for HEES oil. Laser-treated samples with 33.3 J/mm2 showed that the proper distribution of phases W2C and Co3W3C, the concentration of CrC and the densification of the coating layer contributed to the reduction of friction, heat dissipation and wear on the surface, resulting in greater energy efficiency. The lack of homogenization, with accumulation of debris on the disc, promoted the phenomenon of adhesion in the non-remelted sample. The low adhesion and surface wear mechanisms indicated that the HEPR oil could not completely prevent wear but reduced the COF by 50 %. This study shows that it is possible to improve the energy and environmental efficiency of hydraulic systems, in addition to promoting the development of Green Tribology.