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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-11052021-094704
Document
Auteur
Nom complet
Michell Felipe Cano Ordoñez
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2021
Directeur
Jury
Souza, Roberto Martins de (Président)
Alves, Salete Martins
Machado, Izabel Fernanda
Mello, José Daniel Biasoli de
Santos, Sydney Ferreira
Titre en portugais
Desenvolvimento de compósitos sinterizados de matriz ferrosa com reforço mecânico e aditivos auto-lubrificantes para aplicações tribológicas.
Mots-clés en portugais
Lubrificante sólido
Materiais compósitos
Reforço mecânico
Sinterização
Resumé en portugais
Esta tese propõe o estudo das propriedades mecânicas e comportamento tribológico de compósitos de matriz ferrosa com adição de diferentes partículas, sinterizados por meio da técnica de spark plasma (SPS). A matriz consiste em um pó pré-ligado de Fe-C-085Mo que apresenta uma microestrutura ferrítica-perlítica obtida após resfriamento no SPS. Corpos de prova com cada aditivo (WC, MoS2, grafite e MoS2/grafite) foram fabricados para relacionar o efeito de cada um na microestrutura, nas propriedades mecânicas e comportamento tribológico. A microestrutura dos compósitos foi analisada por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS). e difração de raios-X (DRX). A composição química das fases foi determinada por espectroscopia de raios-X de dispersão de comprimento de onda (WDS). A dureza e o modulo de Young dos compósitos foram determinados por ensaios de indentação instrumentada (EII), e o comportamento tribológico foi estudado por meio de ensaios de esfera-sobre-disco a seco em diferentes níveis de carga normal (5,10,15 e 20) N. As superfícies desgastadas foram analisadas por meio de perfilometria 3D, MEV e EDS. A microestrutura subsuperficial foi analisada por meio de microscopia de feixe de íons focalizado (FIB), para determinar o efeito da carga aplicada, na deformação subsuperficial da matriz, no suporte da carga pelas partículas de reforço e na extrusão dos lubrificantes sólidos. Ensaios de riscamento foram realizados para estudar a capacidade dos lubrificantes sólidos para se espalhar e formar um tribofilme. A composição química e distribuição elementar dos produtos de desgaste e tribofilmes foi analisada por meio de análises por espectroscopia Raman. Ensaios tribológicos adicionais com observação in situ foram realizados para analisar os fluxos de partículas de terceiro corpo dentro da interface de contato, e seu efeito no coeficiente de atrito para os diferentes materiais. Os resultados mostraram a versatilidade da técnica SPS para fabricação de compósitos com adição de diferentes reforços, e que permitem a obtenção de materiais com diferentes níveis de atrito e desgaste. A adição de partículas duras de WC aumentou a resistência ao desgaste e a dureza do aço, mas com as maiores cargas as partículas duras aumentaram o desgaste abrasivo e o atrito. A maior capacidade das partículas de carbono para formação de um tribofilme protetivo de carbono no compósito com adição de grafite resultou nos menores valores de atrito e desgaste. No entanto, para o compósito com adição de MoS2 as partículas de lubrificante sofreram decomposição para formação de FeS, que aumentou a dureza da matriz, mas o destacamento destas fases aumentou o coeficiente de atrito com a maior carga normal. Por fim, o compósito com adição dos de grafite + MoS2 produziu os maiores valores de dureza e com um coeficiente de atrito baixo, que aumentou gradualmente pela formação de uma camada de óxido mista.
Titre en anglais
Development of ferrous matrix sintered composites with mechanical reinforcement and self-lubricating additives for tribological applications.
Mots-clés en anglais
Composites
Friction
Mechanical reinforcement
Powder mixtures
Solid lubricant
SPS
Wear
Resumé en anglais
This work is dedicated to the study of the mechanical properties and tribological behavior of iron-matrix composites with addition of different powders, which were sintered by means of spark plasma sintering (SPS). Fe-C-085Mo prealloyed powder evolves in a ferritic-pearlitic microstructure after sintering and free-cooling in the SPS chamber. To analyze the effect of each individual additive (WC, MoS2, grafite and MoS2/grafite) on the microstructure, mechanical properties and tribological behavior, the different sintered samples were fabricated and characterized. The materials obtained with these different sintering conditions were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive Xray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The chemical composition of the matrix and secondary phases was determined by means of Wavelength-dispersive X-ray spectroscopy (WDS). The mechanical properties were measured with instrumented indentation testing (IIT) and the tribological behavior was evaluated with ball-on-disc tests at different normal loads. The wear and friction coefficient were reported and related with the performance of each composite. After each tribological test, the wear tracks were analyzed by means of 3D profilometry, SEM and EDS. Focus ion beam (FIB) images were obtained to analyze subsuperficial deformation of the iron-matrix, load carrying capacity of the carbide particles, as well as solid lubricant extrusion mechanisms. Scratch tests were conducted to study the solid lubricant capacity to spread on the surface and form a tribofilm. The chemical composition of the wear products and transferred layer on the worn surface was obtained using Raman spectroscopy. Additional tribological tests with in situ observation were carried out to analyze the flow of particles from the third body within the contact interface, and their effect on the friction coefficient for the different materials. Results indicated the versatility of the SPS technique for production of composites with the addition of different reinforcements, which allow obtaining materials with different levels of friction and wear. The addition of WC hard particles increased the wear resistance and hardness of the steel, but with the higher loads the hard abrasive particles lead to more abrasive wear and the higher friction values. The higher capacity of the carbon particles to be transferred and the formation of a protective carbon tribofilm in the composite with the addition of graphite resulted in the lowest friction and wear values. On the contrary, the MoS2 particles underwent decomposition to form iron sulfide particles that increased the matrix hardness, but the more intense detachment of these phases increased the friction coefficient with the highest normal load. Finally, the composite with the addition of both graphite + MoS2 solid lubricants produced the highest hardness values with low friction coefficients that gradually increased by the formation of a mixed oxide layer.
 
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Date de Publication
2021-07-28
 
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