texturização por laser nd:yag e comportamento tribológico

11REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(1): 11-18, jan. mar. 2004

Juliano A. Araujo et al.

ResumoCom o intuito de melhorar a condição de lubrifica-

ção na superfície de recobrimentos de cromo eletrodepo-sitado em aços-carbono, elaborou-se uma rede regular defuros utilizando um Laser Nd:YAG pulsado. Essa rede defuros foi projetada de modo que cada furo individual fun-cionasse como reservatório adicional de óleo em condi-ções limítrofes de lubrificação.

Técnicas de análise metalográfica e dimensional fo-ram utilizadas para a caracterização das superfícies estu-dadas. Complementarmente, com o auxílio de uma inter-pretação analítica da condição limítrofe de lubrificação,foi possível descrever o comportamento tribológico dosrecobrimentos texturizado e convencional, quando estesforam ensaiados no teste de pino-sobre-disco.

A texturização do recobrimento de cromo levou-o aum significativo aumento da resistência ao “scuffing”,sendo até três vezes maior que o recobrimento de cromoconvencional, e a um melhor comportamento em relaçãoao desgaste (perda de massa).

Palavras-chave: Laser Nd:YAG, revestimento eletrodepo-sitado, teste pino-sobre-disco, engripamento.

AbstractA regular spaced array (texture) consisting of

holes produced by pulsed Nd:YAG laser was designedin order to improve lubricant conditions of chromiumeletro deposited layer upon mild steel. This surfacetextured was designed so that any hole behaves as anadditional lubricant reservoir in boundary lubricantconditions.

Metallographic and topographic analysis wereperformed and an analitical interpretation wasproposed to describe tribological behaviour of this laserpatterned (regular holes distribuition) andconventional (no laser treated) coatings. Tribologicaltests were performed accordingly to pin-on-discprocedure.

A relevant increase in scuffing resistance wasobserved for texture coating: three times compared withconventional eletro deposited chromium layer. Betterbehaviour in wear tests (loss of mass) was also observed.

Keywords: Nd: YAG laser, chromium eletro-depositedlayer, pin-on-disc test, scuffing.

Metalurgia & Materiais

Texturização por Laser ND:YAG ecomportamento tribológico de um

recobrimento de cromoJuliano A. Araujo

Eng. Met.; M. Sc.; Mahle Metal Leve S. A. São Paulo - SPE-mail: [email protected]

Flávio S. L. CassinoEng. Met.; D. Sc.; Universidade Federal de Ouro Preto

Departamento de Física - Ouro Preto - MGE-mail: [email protected]

Adilson R. da CostaEng. Met; D. Sc.; Universidade Federal de Ouro Preto - Escola de Minas

Departamento de Eng. Metalúrgica e de Materiais/REDEMAT - Ouro Preto - MGE-mail: [email protected]

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(1): 11-18, jan. mar. 200412

Texturização por Laser ND:YAG e comportamento tribológico de um recobrimento de cromo

1. IntroduçãoO processo usual de elaboração do

recobrimento de cromo conduz a umatextura final, lisa, pouco adequada à re-tenção de óleo lubrificante durante osperíodos de lubrificação marginal [1].Grande atenção tem sido dada ao tipo detextura superficial de componentes cro-mados, impondo-lhes tratamentos super-ficiais adicionais visando à retenção deóleo lubrificante nas suas superfíciesdurante o período de condição limítrofede lubrificação.

Como em qualquer sistema mecâni-co, a durabilidade desse recobrimentodepende fortemente da espessura míni-ma de filme de óleo lubrificante. Inúme-ros são os processos para obtenção deuma superfície mais rugosa, permitindoincorporar "reservatórios" de óleo lubri-ficante em diversos sistemas mecânicos,como, por exemplo, cilindros de lamina-ção, mancais, anéis de pistão, etc.

Nos últimos anos, a texturização porlaser tem se apresentado como uma op-ção competitiva para a produção de fu-ros e ou alteração da textura superficialprévia [2]. Exemplos estão presentes naindústria aeronáutica, que tem emprega-do essa técnica em componentes de tur-bina (aletas), na câmara de combustão[3],e em microtecnologia, onde os proble-mas de lubrificação permanente de com-ponentes miniaturizados, devido à míni-ma quantidade de lubrificante e à dificul-dade de confiná-lo nas superfícies emcontato constituem um desafio[4, 5].

De acordo com a Figura 1, que re-presenta a resistência ao desgaste dosprincipais recobrimentos utilizados emcomponentes da indústria automobilís-tica, destaca-se o recobrimento de cro-mo eletrodepositado pela sua resistên-cia ao desgaste. Contudo esse recobri-mento tem uma limitação: não retém óleoem sua superfície e, em períodos de faltaou deficiência de lubrificação, o desgas-te adesivo e, posteriormente, "scuffing"podem ocorrer (Figura 2).

Entende-se por "scuffing" o des-gaste adesivo severo com transferênciade material.

No esforço de melhorar a lubrifica-ção localizada na superfície do recobri-

mento de cromo, concebeu-se uma rederegular de furos utilizando um laserNd:YAG pulsado. Essa texturização pro-piciou uma contínua e eficaz lubrifica-ção por (i) servir como um reservatórioque aumenta a disponibilidade de lubri-ficante e (ii) manter o lubrificante nos lo-cais desejados.

2. Método experimentalO equipamento utilizado é um laser

Nd:YAG Q-switched, que emite pulsosde energia de 240 a 550 mJ com compri-mento de onda do infravermelho próxi-mo (1,064µm) e perfil de distribuição deenergia supergaussiano.

Para traçarmos a rede de furos noscorpos de prova, utilizamos uma mesa

XY encarregada de movimentá-losconforme rotina predefinida garantin-do, assim, ao processo, a reprodutibili-dade desejada.

Os parâmetros operacionais do la-ser usados nesse trabalho e que têm re-levância para a texturização de materiaissão: o comprimento de onda do laser,fixado em 1,064µm, a velocidade de var-redura da mesa, a distribuição de ener-gia dos pulsos e a desfocalização do fei-xe. A Tabela 1 mostra as principais espe-cificações técnicas do laser utilizado nes-se trabalho.

Para a realização dos ensaios detexturização nos corpos de prova comrecobrimento de cromo, as amostras sãodeslocadas em relação ao feixe de laserque é fixo.

Figura 1 - Desgaste para diferentes tratamentos de superfície. Motor a gasolina.Fonte: Nippon Piston Rings - Catálogo/90.

Resistência ao Desgaste

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Mo Plasma Cromo Duro Cermet Plasma HVOF Nitretação PVD

(mic

rons

/100

h)

Figura 2 - Resistência ao "Scuffing" de diferentes tratamentos e coberturas. "CameronPlint - teste de scuffing em anéis". Fonte: SAE 2002-01-0489 (Federal Mogul BurscheidGmbH).

Resistência ao Scuffing

185

190

195

200

205

210

215

220

225

Mo Plasma Cromo Cerâmico HVOF PVD

Car

ga [K

N]



A Figura 3 mostra um desenho es-quemático do processo desenvolvidopara executar o deslocamento da amos-tra plana em relação ao feixe de laser.

A Figura 4 mostra os furos circula-res com diâmetros e espaçamentos re-gulares, obtidos segundo a técnica de-senvolvida.

Nesse trabalho, foram realizadosdois padrões de textura diferenciadospelo diâmetro e espaçamento dos furos.Os parâmetros de operação do laser, doprograma de varredura da mesa, junta-mente com os diâmetros dos furos e osespaçamentos alcançados na texturiza-ção, encontram-se na Tabela 2. A partirdesses dados, observa-se, também, que,para uma mesma freqüência, quanto me-nor a velocidade de deslocamento damesa, menor é o espaçamento entre osfuros e, para um valor de desfocalizaçãomaior, como na textura 2, o diâmetro defuro é, conseqüentemente, maior.

Segundo o modelo matemático pro-posto por Etsion [7], em superfícies tex-turizadas com uma estrutura regular defuros circulares, com diâmetros varian-do de 5 a 200 micrômetros e a porcenta-gem de área ocupada pelos furos entre2,5 a 20%, foi mostrado que a melhorperformance em termos de menores coe-ficientes de atrito pode ser alcançada

Tabela 1 - Principais especificações técnicas do laser [6].

Dados Unidade EspecificaçãoComprimento de onda nm 1064

Duração do pulso ns 3 a 5

Energia do pulso mJ 550

Estabilidade da energia do pulso (90% dos pulsos) - 2%

Taxa de repetição Hz 10 (e 10/N)

Polarização - Vertical

Vida útil da lâmpada Pulsos > 10^6

Consumo de água (20 Co) l/min 8

Perfil de intensidade de energia - Supergaussiano

Divergência do feixe mr < 0,7

Dimensões mm 455 x 105 x 120

Figura 3 - Desenho esquemático mostrando a trajetória impostapelo programa de varredura da mesa onde são apoiadas asamostras. As setas indicam a direção e o sentido das trajetórias.

Y

X

Y

X

Figura 4 - Vista em detalhe da superfície texturizada.

com a seleção apropriada do diâmetrodos furos e a porcentagem de área ocu-pada. Nesse caso, o valor ideal de áreaocupada por furos foi da ordem de 20%.Valores menores, implicam queda nosíndices de melhoria.

O tamanho ótimo dos furos depen-de da viscosidade, da pressão de con-tato entre as superfícies atritantes e daproporção da área ocupada por eles. Emgeral, o diâmetro ótimo de furo decres-

ce com a diminuição da viscosidade,com o aumento da pressão de contato ecom o aumento da proporção da áreaocupada pelos furos.

Referindo-se ainda ao modelo pro-posto por Etsion, para as duas texturasapresentadas na Tabela 2, a textura 1 se-ria a mais otimizada em relação ao coefi-ciente de atrito, por apresentar um me-nor diâmetro de furo e uma razão de áreaocupada por furos maior.



3. Resultadosexperimentais

Ensaios de pino-sobre-disco fo-ram realizados de modo a permitir aavaliação da resistência ao desgaste eao "scuffing" de amostras texturizadaspor laser.

No teste de "scuffing" definido,verificou-se a capacidade de carga daamostra ensaiada. A Figura 5 mostra acarga para a qual ocorreu engripamentopara os diferentes recobrimentos textu-rizados e o rcobrimento convencional.Para esse teste, o cromo texturizado 1suporta um carregamento três vezesmaior do que o cromo convencional.

Para o cromo texturizado 2, temosum comportamento duas vezes melhor,sob o ponto de vista da carga suportadae que é justificado por, basicamente, doismotivos:• Aumento da espessura do filme de

óleo lubrificante em condições limítro-fes de lubrificação [5, 8].

• O fato de os furos atuarem como re-servatórios de lubrificante [4, 5, 9].

Segundo Osborne Reynolds [10],"duas superfícies paralelas podem des-lizar uma sobre a outra com baixo coefi-ciente de atrito, até mesmo sob alta pres-são normal, contanto que um filme defluido viscoso seja mantido entre elas".O problema é que, em casos práticos,isto não é efetuado automaticamentequando há um aumento da pressão exer-cida sobre as placas. Ainda segundo omesmo pesquisador, consegue-se a ma-nutenção do filme lubrificante quando adisposição da superfície das placas fortal, que o espaçamento entre as duassuperfícies seja variável, levando a umatendência do movimento relativo do flui-do arrastar continuamente uma provisãodo lubrificante da porção mais abundan-te para a mais escassa.

Essa situação é a proposta da tex-turização por laser na superfície do reco-brimento de cromo e é o que, de fato,ocorre.

Para descrevermos, qualitativamen-te, o contínuo movimento do fluido dedentro do furo para a área de interfaceentre o disco e o corpo de prova, sãoutilizadas algumas ferramentas analíticas.

Tabela 2 - Parâmetros do Programa ACSPL e do laser Nd:YAG para a texturização doscorpos de prova.

Figura 5 - Carga específica para o engripamento - Valor médio com o desvio-padrãoda amostragem.

Teste de Scuffing

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

Cr Texturizado 1 Cr Texturizado 2 Cr Convencional

Car

ga E

spec

ífica

(M

Pa)

Textura 1 Textura 2

Velocidade do eixo X e Y (mm/s) 2,30 2,50

Espaçamento em Y (mm) 0,23 0,30

Vazão do gás (PSI) 0,4 0,4

Freqüência dos pulsos (Hertz) 10,00 10,00

Valor de tensão (V) 1500 1600

Desfocalização (mm) 0,5 2,5

Diâmetro do furo (mícrons) 96,0 +-3,0 124,0 +-3,0

Espaçamento eixo X (mícrons) 220,5 +- 20,0 262,0 +- 11,0

Espaçamento eixo Y (mícrons) 213,0 +- 22,0 256,0 +- 15,0

Área ocupada por furos (%) 27,3 +-1,5 17,9 +-2,0

Parâmetros

ACSPL

Laser Nd:YAG Pulsado

Característica Texturização



Um desenho esquemático do furogerado pela texturização a laser (Figura6) nos dá uma visão realista das propor-ções do furo em relação à espessura dofilme de óleo na condição mista de lubri-ficação, ou seja, espessura de filme deóleo variando de uma a três vezes a ru-gosidade combinada. Define-se essagrandeza de acordo com a expressão:

Rugosidade Combinada = (Rq12 + Rq2

2 )1/2

na qual Rq é o valor médio quadrático detodos os desvios do perfil de rugosida-de da reta média dentro do comprimentode medição realizado. Sendo,

Rq1 = Rq do disco => 0,11 a 0,14 micrô-metros.

Rq2 = Rq do corpo de prova => 0,12 a0,14 micrômetros, tem-se:

Rugosidade Combinada ≈ 0,16 a 0,20 mi-crômetros [11].

Landau [12], propõe uma soluçãoanalítica de fluxo de fluidos viscosos emcanais convergentes e divergentes.

Basicamente, ele analisa um fluxode líquido viscoso entre dois planos en-contrando-se no ponto 0 com um ângu-lo α (Figura 7a); o fluxo de fluido passa

pela linha de interseção de dois planos:situação análoga à do nosso problema(Figura 7b).

Quando o fluxo é convergente, te-mos a distribuição de velocidade con-forme mostra a Figura 8a. Para o casodos testes realizados nesse trabalho, te-

mos que um dos planos é o disco e estáem movimento. Diante disso, pela equa-ção de Reynolds para fluidos viscosos,a velocidade do fluido na superfície dodisco é a mesma deste. A Figura 8b mos-tra a adaptação, para a nossa realidade,do esquema feito por Landau.

Figura 6 - Esquema das proporções dofuro no recobrimento de cromo em relaçãoà espessura de filme de óleo na condiçãolimítrofe de lubrificação.

vDISCO

FURO

Figura 9 - Fluxo em canal divergente: (a) Distribuição de velocidade em planos fixos;(b) Distribuição de velocidades considerando o movimento do disco.

(a) (b)

LATERAL DO FURO

DISCO

Figura 8 - Fluxo em canal convergente: (a) Distribuição de velocidade em planos fixos;(b) Distribuição de velocidades considerando o movimento do disco.

(b)(a)

Figura 7 - (a) Desenho esquemático para solução da equação de movimento de umfluido viscoso em canais divergentes e convergentes; (b) vista da borda do furo e dasuperfície do disco, tendo como intersecção a camada de filme lubrificante.

LATERAL DO FURO

DISCO(b)(a)



Quando o fluxo é divergente, temos a distribuição de ve-locidade conforme mostra a Figura 9a. Como uma das placasestá em movimento, temos, conforme mostrado na Figura 9b,um vetor-velocidade diferente de zero na superfície da placa,ou seja, do disco.

Os perfis de velocidade para um fluido viscoso, deslo-cando em um canal convergente e num canal divergente con-forme determinados por Landau, podem ser combinados nosistema tribológico estudado: recobrimento de cromo texturi-zado - disco, conforme ilustrado na Figura 10.

Da combinação desses movimentos, resulta um perfil develocidades (linha pontilhada vermelha, Figura 10), que fazcom que as partículas de lubrificante no interior do furo sejamarrastadas para a interface disco-recobrimento por turbilhona-mento. Deste modo, o furo atua como "reservatório de óleo"para uma contínua provisão de lubrificante em condições limí-trofes de lubrificação.

Esse acréscimo de lubrificante no sistema prolonga a vidado recobrimento texturizado em condições de desgaste desli-zante sob crescente aumento da pressão normal, como mostrao gráfico da Figura 5 (análise do torque).

Evolução do Torque com o Tempo. Com o acréscimo decarga durante o teste, podemos acompanhar o aumento dotorque (força de atrito vezes a distância do centro do disco aocorpo de prova), até o momento em que este atinge o valor de0,6 N/m, caracterizando o "scuffing". A Figura 11 é um gráfico,representativo, da evolução do torque com o tempo para orecobrimento de cromo texturizado e o recobrimento de cromoconvencional.

Note-se que, as variações nos valores do torque parapequenas cargas são mais acentuadas para o cromo conven-cional e o valor médio do torque numa mesma carga é maiorpara os ensaios com esse recobrimento.

Segundo Masuda et all. [5] e Etsion [7], a espessura dofilme de óleo em superfícies texturizadas aumenta em relação ànão texturizada, chegando a ser 4 (quatro) vezes maior. Quan-do o recobrimento de cromo texturizado tem uma espessura defilme de óleo maior para uma mesma carga normal, a porcenta-gem de picos em contato rugoso é menor, justificando o com-portamento mostrado na Figura 11.

Para cargas próximas da condição de "scuffing", tanto orecobrimento texturizado, como o convencional apresentarammaiores variações no valor do torque, se comparado às cargasmenores, caracterizando condições de lubrificação limítrofe,representada pela curva de Stribeck (Figura 12).

Na condição de lubrificação limítrofe, a carga é suportadapelas asperezas existentes nessas superfícies. Com o rompi-mento do filme de óleo, a força tangencial para romper essasjunções (asperezas) é muito alta, levando a valores inaceitá-veis de atrito, desgaste e dano superficial.

Nessa condição limite, os furos na superfície do cromotexturizado funcionam como reservatórios de óleo, mantendo

Figura 11 - Gráfico de torque para o corpo de prova comrecobrimento texturizado e recobrimento convencional (nãotexturizado).

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

00:0

0:00

00:0

5:00

00:1

0:00

00:1

5:00

00:2

0:00

00:2

5:00

00:3

0:00

Tempo (horas)

Torq

ue (N

m)

Recobrimento TexturizadoRecobrimento Convencional

Figura 10 - Vista geral da região do furo do recobrimento decromo sob teste no Pino-sobre-disco, ilustrando os perfis develocidade e o movimento do fluido lubrificante dentro do furo.

vDISCO

FURO

Figura 12 - Curva de Stribeck em função de t (extraído de E.Tomanik - Tese de Doutorado [11]).

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Coef

icie

nte

de A

trito

Parâmetro de Filme( )t

Hidrodinâmico

Contatorugoso

separação das superf.rugosidade combinada

Misto

total

Limite

Hidrodinâmico0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Coef

icie

nte

de A

trito

Parâmetro de Filme( )t

Hidrodinâmico

Contatorugoso

separação das superf.rugosidade combinadaseparação das superf.rugosidade combinada

Misto

total

Limite

HidrodinâmicoHidrodinâmico



o filme a cargas de teste maiores e, assim, garantindo umasobrevida ao corpo de prova texturizado.

Evolução do Coeficiente de Atrito com o Tempo. Os reco-brimentos texturizados apresentaram comportamento da cur-va de coeficiente de atrito diferente do encontrado para o cro-mo convencional, que, seguindo a tendência do gráfico detorque, apresentou maior coeficiente de atrito para uma mes-ma carga e maior variação em cada ponto. Comportamentosimilar foi encontrado por Etsion [7, 13] e por Blatter et al. [4],justificado pela maior espessura de filme lubrificante no reco-brimento texturizado e provisão adicional de lubrificante emcondições limítrofes de lubrificação (Figura 13).

Análise Metalográfica. Para a caracterização de "scu-ffing", realizou-se a análise das superfícies das amostras porperfilometria, tanto para o texturizado, como para o convenci-onal antes (Figura 14) e depois (Figura 15) dos testes. A trans-ferência de metal do disco para o recobrimento de cromo docorpo de prova ficou evidente.

Figura 13 - Gráfico do coeficiente de atrito para um corpo deprova com recobrimento texturizado e com recobrimentoconvencional (não texturizado).

00,0020,0040,0060,0080,01

0,0120,0140,0160,018

00:0

0:00

00:0

5:00

00:1

0:00

00:1

5:00

00:2

0:00

00:2

5:00

00:3

0:00

Tempo (horas)

Coe

f. de

Atr

ito

Recobrimento TexturizadoRecobrimento Convencional

Figura 15 - Perfilometria realizada na superfície do corpo deprova depois do teste de "scuffing".

Figura 14 - Perfilometria realizada na superfície do corpo deprova antes do teste de "scuffing".

Figura 16 - (a) Microscopia eletrônica de varredura na superfície do corpo de prova texturizado após o teste de Scuffing; (b)Detalhe - Foto de composição (imagem por elétrons retroespalhados); (c) Espectro com as raias típicas dos elementos Cr e Fe daregião onde ocorreu a transferência de material.



A Figura 16 mostra uma foto, obtida por microscopia ele-trônica de varredura da superfície do corpo de prova após oteste, juntamente com o espectro que comprova a afirmaçãode transferência de metal do disco (aço - 18% Cr) para o corpode prova.

Na Figura 17, obtida por microscopia eletrônica de varre-dura da transversal do corpo de prova ensaiado, observa-se: aincorporação de metal do disco (a) sobre recobrimento íntegro(b).

Ensaios de desgaste. A Figura 18 mostra, com 90% deconfiabilidade, que a média dos resultados dos ensaios dedesgaste realizados no teste pino-sobre-disco, para os reco-brimentos de cromo texturizado 1, cromo texturizado 2 e cromoconvencional, está sob a área hachurada. O recobrimento con-vencional de cromo apresentou maior desgaste (perda de mas-sa) em relação aos recobrimentos texturizados.

Como o teste de desgaste é realizado com uma mesmacarga, e essa carga é cinco vezes menor que o primeiro "step"colocado para o teste de "scuffing", é provável que desgastesignificativo só ocorra até que os picos mais salientes sejamarrancados ou se deformem plasticamente.

Segundo a literatura, a espessura de filme maior, numamesma condição de teste, para a superfície texturizada, dimi-nui a probabilidade de contato rugoso e, conseqüentemente,a taxa de desgaste.

4. ConclusõesA partir da criação de uma rede regular de furos na super-

fície de um recobrimento de cromo eletrodepositado sobre açovisando à melhoria das condições de lubrificação, pôde-seconcluir que:• O laser Nd:YAG pulsado é um equipamento confiável para

efetuar a texturização, com reprodutibilidade assegurada.• O recobrimento de cromo texturizado apresentou uma

resistência ao "scuffing" três vezes maior que aquela apre-sentada pelo recobrimento de cromo convencional.

• O comportamento do recobrimento texturizado, em relação aodesgaste, foi melhor que o do recobrimento convencional.

• A área do recobrimento ocupada por furos influi diretamen-te na sua resistência ao "scuffing".

5. AgradecimentosMahle Metal Leve S. A. e Laboratório de Engenharia de

Superfícies e Técnicas Afins. Escola de Minas/UFOP.

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Artigo recebido em 07/10/2003 e aprovado em 28/02/2004.

Figura 18 - Resultado dos testes de desgaste realizados noequipamento Pino-sobre-Disco.

Teste de Desgaste

00,05

0,10,15

0,20,25

0,3

Texture Cr 1 Texture Cr 2 CrConvencional

Perd

a de

Mas

sa (m

g)

Figura 17 - Corte transversal do corpo de prova após o teste de"scuffing".

texturização por laser nd:yag e comportamento tribológico

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