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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-07072021-135503
Documento
Autor
Nome completo
Gustavo Siebert
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Sinatora, Amilton (Presidente)
Cousseau, Tiago
Goldenstein, Helio
Murray, Henara Lillian Costa
Scandian, Cherlio
Título em português
Caracterização do desempenho tribológico de ferros fundidos utilizados na fabricação de blocos de motores de combustão interna.
Palavras-chave em português
Ferro fundido cinzento
Ferro fundido vermicular
Grafita
MoDTC
Motores de combustão interna
Tribofilme
Triboteste
Resumo em português
Este trabalho se propõe, principalmente, a avaliar as diferenças de desempenho tribológico entre ferro fundido cinzento e ferro fundido vermicular em tribotestes que simulam o ponto morto superior de um motor de combustão interna e determinar qual deles tem o melhor desempenho tribológico. Para isto, foram utilizados um ferro fundido cinzento (FC) classe ASTM 25 e um ferro fundido vermicular (FV) classe ISO GJV 450. As amostras utilizadas nos tribotestes foram retiradas de blocos de motores e possuem a superfície gerada por brunimento de platô. Estas amostras foram submetidas a ensaios em tribômetro (SRV-4) que simularam o ponto morto superior de um motor de combustão interna em condição de abundância de óleo (amostras submersas) e de quantidade limitada de óleo (ensaios com apenas uma gota). Foram utilizadas técnicas de interferometria ótica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia Raman e microdureza Vickers para caracterizar as superfícies das amostras antes e depois dos ensaios com o objetivo de determinar as diferenças entre os materiais e descrever alguns dos fenômenos tribológicos que envolvem o sistema anel/cilindro. Os resultados mostraram que quando as amostras são ensaiadas completamente submersas em óleo, fazendo com o que o tribossistema tenha uma oferta de aditivos praticamente ilimitada, a influência do tipo de ferro fundido no desempenho do tribossistema é indetectável pelos métodos utilizados neste trabalho. Isto ocorre porque o tribofilme gerado a partir dos aditivos do óleo é que determina o desempenho do tribossistema e não foram detectadas diferenças entre o tribofilme gerado na trilha de desgaste das amostras de FC e FV. Em ambas as amostras foi formado um filme de ZDDP (dialquilditiofosfato de zinco) recoberto com MoS2, que é resultado da ativação do MoDTC (Dialquiditiocarbamato de Molibdênio). Quando as amostras foram avaliadas com apenas uma gota de óleo, aumentando a severidade do ensaio para avaliar a resistência ao "scuffing" do tribossistema, as amostras de ferro fundido cinzento não suportaram o ensaio de uma hora enquanto as amostras de ferro fundido vermicular chegaram até o final do v ensaio, mostrando que o segundo possui maior resistência ao "scuffing" que o primeiro. O comportamento do coeficiente de atrito foi bastante diferente do observado nos ensaios realizados com a amostra submersa em óleo e não houve ativação do MoDTC (dialquilditiocarbamato de molibdênio) nos ensaios com apenas uma gota de óleo, mostrando que a quantidade de óleo tem influência na formação do tribofilme. A grafita teve papel fundamental nesta condição de ensaio com apenas uma gota de óleo. Ela atuou antes que os aditivos do óleo reagissem com a superfície e formassem um tribofilme e quando a quantidade de aditivos foi pequena ela foi a grande responsável pela resistência ao scuffing do tribossistema. A grafita vermicular, devido a sua morfologia e a forma como é extrudada para a superfície, proporciona um tribofilme com maior capacidade de carga e durabilidade do que o gerado pela grafita lamelar. Por isto, o ferro fundido vermicular apresenta maior resistência ao scuffing do que o cinzento e pode ser considerado como tendo maior potencial para aplicação e motores de combustão interna, principalmente naqueles que possuem pressão de combustão elevada.
Título em inglês
Tribological performance characterization of cast irons used in cylinder blocks of internal combustion engines.
Palavras-chave em inglês
Compacted graphite iron
Graphite
Gray cast iron
MoDTC
Tribofilm
Tribotest
Resumo em inglês
This work aims to study the performance differences between gray cast iron and compacted graphite iron when submitted to tribotests that simulate the top dead center of an internal combustion engine and to define which one has the best tribological performance. To execute this study a gray cast iron (FC), class ASTM 25, and a compacted graphite iron (FV), class ISO GJV 450, were used. The samples used for the tribotests were cut from cylinder blocks and their surfaces are plateau honed. These samples were tested in tribometer (SRV-4) that simulates the top dead center of an internal combustion engine in lubrication conditions of fully flooded (samples submerged in oil) and starvation (only one drop of oil on the surface). The samples were characterized using laser interferometry, scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy and Vickers microhardness tests before and after the tribotest to define the differences between the cast irons and describe some tribological phenomena of the cylinder/ring tribosystem. The results revealed that tribofilm, formed from the oil additives, rules the tribological behavior of the tribosystem when the samples were tested fully flooded and the tribofilm formed on the gray cast iron is the same of the one formed on compacted graphite iron samples. As a result, the type of the cast iron has no influence on the tribological performance in this condition. The tribofilm of both type of samples is constituted of a ZDDP (Zinc Dialkyl Dithiophosphate) film covered by MoS2, which is the result of MoDTC (molybdenum dithiocarbamate) activation. On the other hand, when the samples were tested with only one drop of oil to evaluate its resistance to scuffing, the gray cast iron didn't withstand the test of one hour, but the compacted graphite iron samples achieved the end of the test with no scuffing occurrence. It means that compacted graphite iron has better scuffing resistance than gray cast iron in the tested conditions. The friction coefficient behavior was also different between the tests fully flooded and those with only one drop of oil, mostly because in the second condition there wasn't MoDTC activation. It shows that the amount of oil has great vii influence in the tribofilm formation from oil additives. The graphite has great importance in a starvation condition of lubrication condition, being the main responsible for scuffing resistance. The compacted graphite, due to its morphology and extrusion behavior, provides a tribofilm with greater load capacity and durability than the tribofilm provided by lamellar graphite. Consequently, the compacted graphite iron has greater scuffing resistance than the gray cast iron and can be considered a better choice for cylinder blocks of internal combustion engines, especially for those with high combustion pressure.
 
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Data de Publicação
2021-07-07
 
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