Estudo do desempenho tribológico de vedantes mecânicos recobertos por diamante CVD - Tomé, Marcelo Augusto Martins (2012)
O objectivo fundamental do presente trabalho é a produção e caracterização do comportamento tribológico de novos sistemas vedantes de anéis cerâmicos de nitreto de silício (Si3N4) recobertos com diamante CVD (“Chemical Vapour Deposition”). Os anéis de empanque asseguram a vedação de veios em sistemas de circulação de fluidos de natureza diversa sendo sujeitos a solicitações tribológicas drásticas de natureza mecânica e/ou química. Os materiais cerâmicos são por isso uma classe em desenvolvimento para este tipo de aplicação. O Si3N4, de entre os cerâmicos técnicos, é um dos materiais com melhores propriedades mecânicas. Por sua vez, o diamante é um material inexcedível quanto à dureza e inércia química. Em estudos publicados sobre a potencial utilização do diamante CVD em sistemas vedantes, verificou-se que a baixa adesão a substratos convencionais de metal duro constituía o principal factor limitativo do tempo de vida, inviabilizando esta aplicação. No entanto, trabalhos anteriores do grupo de investigação em que se insere esta dissertação comprovaram a elevada adesão dos filmes de diamante CVD ao Si3N4. Por outro lado, há uma capacidade adquirida no fabrico de protótipos de anéis vedantes deste cerâmico. Com base nesta conjugação de experiência e perspectiva da excelência do sistema, procurou-se neste trabalho optimizar a espessura e rugosidade do revestimento de diamante CVD com vista ao estabelecimento da função vedante pretendida. Para além dos materiais envolvidos, é também um ponto inovador a realização de ensaios tribológicos em protótipos de sistemas vedantes mecânicos dinâmicos. Os ensaios tribológicos foram efectuados num tribómetro rotativo controlado por microprocessador, na configuração anel/anel, equipamento que simula, pela forma dos provetes, fluido de trabalho e parâmetros de operação, as condições de serviço dos sistemas de anéis vedantes. Testaram-se pares homólogos de anéis revestidos. Os parâmetros de ensaio situaram-se na gama de velocidade de rotação 500 - 2000 r.p.m. e carga normal total aplicada entre 0,3 e ≈1,0 kN, sob uma pressão de 2 bar de água destilada, à temperatura ambiente. Os ensaios tribológicos forneceram, em primeiro lugar, uma indicação do comportamento vedante em rodagem e no estado estacionário. Permitiram ainda a determinação do coeficiente de atrito bem como do produto pressão×velocidade (PV) mínimo e máximo de vedação, para cada par testado. O melhor sistema de vedação foi alcançado pelo par de anéis revestidos a diamante CVD com tamanho de grão mais fino (2 μm) garantido plena vedação para um intervalo PV entre 2,1 e 4,3 MPa⋅ms-1. O tempo cumulativo de funcionamento deste sistema atingiu cerca de 430 horas, correspondendo a uma distância total de deslizamento de aproximadamente 5730 km, sem quaisquer eventos indicadores de danificação das superfícies, isto é, sem desgaste mensurável. O coeficiente de atrito manteve-se baixo e em regime estacionário com um valor de 0,05. A ausência de vibrações ou picos instantâneos de atrito corroboram o excelente comportamento e estabilidade vedante deste novo tribosistema.