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Evaluation of the Tribological Properties of Nickel-Phosphorus Coating
No full textRevestimentos de níquel-fósforo são amplamente utilizados na indústria automotiva, de microeletrônica, entre outras, por apresentar alta dureza e propriedades de resistência ao desgaste. Como o atrito é um fator crítico associado ao bom funcionamento de montagens mecânicas o presente trabalho tem como objetivo estudar as propriedades tribológicas do revestimento de Ni-P, com diferentes tratamentos térmicos. Para a avaliação do coeficiente de atrito e dos mecanismos de desgaste, amostras de aço revestidas de Ni-P foram atritadas contra esferas de zircônia através de ensaios do tipo esfera-sobre-disco em tribômetro, com parâmetros definidos de força, 50 N, velocidade, 0,1 m/s e duração do ensaio de 1000s. Os mecanismos de desgaste foram analisados através de microscopia óptica e a verificação de rompimento do filme de Ni-P através de MEV/EDS. As amostras estudadas foram caracterizadas como: revestida com Ni-P sem tratamento térmico e revestidas com tratamento térmico de 300, 450 e 550ºC/1h. Dentre todas as análises realizadas percebeu-se que o tratamento térmico a 450 e 550ºC/1h proporciona um aumento de dureza das amostras, como também uma diminuição do coeficiente de atrito. O mecanismo de desgaste predominante nos ensaios foi o abrasivo, que esteve presente em todas as amostras testadas. Os resultados apontaram que, para a amostra revestida e tratada termicamente a 550ºC, não houve rompimento do filme de Ni-P, se mostrando mais resistente que a amostra sem tratamento térmico. Todos os dados obtidos puderam ser comparados com literaturas anteriores.Nickel-Phosphorus coatings are widely used in the automotive, microelectronics and other industries, because they have high hardness and wear resistance properties. As the friction is a critical factor associated to the good functioning of mechanical assemblies, the present work has the objective of studying the tribological properties of the Ni-P coating, with different thermal treatments. For the evaluation of the friction coefficient and the wear mechanisms, Ni-P coated steel samples were rubbed against zirconia spheres by means of ball-on-disc tests with defined parameters of force, 50 N, speed, 0.1 m/s and duration of the test of 1000s. The mechanisms of wear were analyzed by optical microscopy and the verification of Ni-P film rupture through MEV/EDS. The samples studied were characterized as: Ni-P coated without heat treatment and coated with heat treatments of 300, 450 and 550ºC/1h. Among all the analyzes, it was noticed that the thermal treatment at 450 and 550ºC/1h provide an increase in the hardness of the samples, as well as a decrease in the coefficient of friction. The predominant wear mechanism observed in the tests was abrasion, which was present in all samples tested. The results indicated that, for the sample coated and thermally treated at 550ºC, there was no rupture of the Ni-P film. All the data obtained were compared with previous literatures
Mathematical routine for analysis of vehicular hydraulic brakes accounting for aerodynamic forces and rolling resistance
No full textO presente estudo descreve uma rotina matemática programada em MATLAB para análise e dimensionamento de sistemas de freios hidráulicos manuais. São considerados os efeitos de resistência aerodinâmica, sustentação aerodinâmica e resistência ao rolamento para aprimoramento dos resultados. Como exemplo de uso, é analisado o sistema de freios de um protótipo WEC Hypercar. A rotina é dividida em três partes: efeitos externos ao sistema de freios, análise de sistema de freios hidráulico manual e dinâmica de frenagem em linha reta e superfície não inclinada. São obtidos resultados sobre a desaceleração instantânea do veículo, carregamentos dinâmicos dos eixos, forças de frenagens ótimas e calculadas, ocorrência de travamento dos eixos e eficiência de frenagem.The present study describes a mathematical routine programmed on MATLAB for analysis and dimensioning of manual hydraulic braking systems. The effects of aerodynamic drag, aerodynamic lift, and rolling resistance are taken into account to improve the results. As a use case, the braking system of a WEC Hypercar prototype is analyzed. The routine is divided into three stages: external effects to the braking system, manual hydraulic brake system analysis, and braking dynamics on straight line and flat surface. Results are obtained regarding vehicle deceleration, dynamic axle loads, optimum and calculated braking forces, axle lockup, and braking efficiency. Based on the achieved results, it’s concluded that the routine achieved the proposed objective
Surface analysis of automotive brake discs during braking
No full textEste trabalho tem como objetivo avaliar o depósito do terceiro corpo (também chamado de filme) ao longo de frenagens em disco de freio automotivo. Para tanto, foi desenvolvida uma metodologia capaz de quantificar o depósito deste terceiro corpo através de micrografias ao longo do raio do disco bem como sua evolução em ensaios com parâmetros diversos. Estes ensaios foram realizados no tribômetro do Laboratório de Tribologia (LATRIB) da UFRGS, utilizando dois tipos de pastilhas distintas: Orgânica (NAO) e Semi-metálica (SM). Três métodos foram utilizados para avaliar o depósito de filme: Método visual, média e desvios padrão das intensidades e análise via programa computacional. Os três métodos mostraram-se eficientes para esta avaliação do filme, levando a resultados semelhantes. Verificou-se que pastilhas de freio NAO formam filme mais heterogêneo ao longo do raio do disco, enquanto que pastilhas SM apontaram o contrário, levando a uma distribuição mais uniforme. O aumento da força normal levou a um aumento no depósito de filme para os ensaios com a pastilha NAO, e o contrário ocorreu para a pastilha SM. Observou-se uma correlação moderada entre a distribuição de temperatura radial do disco, obtida por termografia, e a distribuição radial do filme.This study aims evaluate the deposit of third-body (also known as film) in automotive disc brake system during braking. Therefore, was developed a methodology able to quantify the deposit of the third-body with micrography along the disc's radius and its evolution in tests with several parameters. These tests were realized in the tribometer of the Laboratory of Tribology of UFRGS, using two different types of pads. Three methods were used to evaluate the film deposit: Visual method, mean and standard deviation of intensity and analysis by software. The three methods were effective for this assessment of film, showing similar results. It was found that NAO pads formed heterogeneous film along the disc’s radius, while SM pads show the opposite, with an uniform distribution. The increase in normal force led to an increase in the film deposit for the NAO pads tests, and the opposite occurred in the SM pads tests. There was a moderate correlation between the radial temperature distribution, obtained by thermography, and the radial distribution of the film on the disk
Análise da influência da temperatura sobre o limite pressão-velocidade (PV) do poliacetal copolímero com aditivo negro-de-fumo
No full textNo presente trabalho buscou-se avaliar o limite PV de um polímero comercial (POM-C) aditivado com negro-de-fumo em faixas de temperatura distintas, quando atritado em um contracorpo de ferro fundido cinzento. O ensaio de desgaste foi executado em um tribômetro tipo pino-sobre-disco, variando-se a velocidade de deslizamento e a temperatura inicial dos testes. Foram utilizados dois lotes diferentes do mesmo polímero durante os ensaios, sendo que um deles possuía histórico térmico, originado por utilização prévia em ensaios de desgaste. Foi identificado o limite PV para as temperaturas iniciais de 30 ºC, 55 ºC e 85 ºC. Para as temperaturas de 30 ºC 55 ºC verificou-se dois limites PV distintos na mesma temperatura. Os ensaios do lote de amostras que havia sido afetado pelo histórico térmico, realizados nas temperaturas de 55 ºC e 85 ºC, apresentaram um comportamento fortemente influenciado pela temperatura, exibindo falha térmica localizada em algumas velocidades. Observou-se que as amostras testadas no presente estudo não apresentaram efeito de variação do atrito na condição de atingimento do limite PV. Em mais alta temperatura, formou-se mais filme no disco, reduzindo o desgaste em relação aos ensaios de mais baixa temperatura.The present paper aimed to evaluate the PV limit of a commercial polymer (POM-C) filled with carbon black in different temperature ranges when rubbed against a gray cast iron counterpart. The wear test was carried out through a pin-on-disk tribometer, varying the sliding speed and the initial temperature of the tests. Two different batches of the same polymer were used during the tests. One of the batches had a thermal history, originated by previous use in wear tests. The PV limit was identified for the initial temperatures of 30 ºC, 55 ºC and 85 ºC. For the temperatures of 30 °C 55 °C two distinct PV limits were found in the same temperature. The tests from the batch of samples which had been affected by the thermal history, performed at the temperature of 55 ºC and 85 ºC, presented a behavior strongly influenced by the temperature, showing localized thermal failure at some speeds. It was observed that the samples tested in the present study showed no effect of friction variation on the condition where the PV limit was reached. At higher temperature, more film formed on the disc, reducing wear compared to lower temperature tests
Analysis of the tribological behavior of copper and brass
No full textEste trabalho tem como objetivo analisar o comportamento tribológico de amostras de cobre ensaiadas contra discos de aço SAE 1020, e também fazer uma comparação do comportamento do cobre e do latão quando atritados contra um disco de ferro fundido cinzento. Para que fosse possível realizar as análises, foi empregada uma metodologia que variava a pressão de contato (2,55 MPa, 1,91 MPa, e 1,27 MPa) e a velocidade de deslizamento (0,395 m/s, 0,317 m/s, e 0,235 m/s) dos ensaios, enquanto que a distância de deslizamento permaneceu fixa em 395 m. Foram quantificados resultados de coeficiente de atrito (COF), desgaste dos pinos e dos discos, e resíduo resultante dos testes. Para os ensaios de cobre contra disco de aço, foi possível perceber uma elevada sensibilidade destes resultados com a pressão de contato exercida, enquanto foi observada uma baixa sensibilidade dos mesmos com relação à velocidade de deslizamento. Com o auxílio da literatura, foi possível perceber que existe um limiar de pressão de contato mínima para a ocorrência de elevadas deformações plásticas, que levaram a formação de cascas nos pinos de cobre. Ao comparar o comportamento do cobre e do latão quando ensaiados contra disco de ferro fundido cinzento, foi possível notar a influência que a presença de zinco no pino de latão teve nos resultados de desgaste e COF. Os ensaios envolvendo latão apresentaram desgaste bem menos severo do que os ensaios envolvendo cobre, sendo possível notar a presença de sulcos no disco ensaiado contra cobre (arrancamento de material), enquanto a superfície atritada contra latão não apresentou tais sulcos. Os resultados obtidos puderam ser justificados com conclusões de estudos anteriores, que propunham que o mecanismo de desgaste muda conforme a presença de zinco se altera na composição química do cobre.The present study aims to analyze the tribological behavior of copper rubbed against SAE 1020 steel discs, and perform a comparison of friction and wear of copper and brass when rubbed against a gray cast iron disc. To make the analysis possible, it was employed a methodology that varied the contact pressure (2,55 MPa, 1,91 MPa, and 1,27 MPa) and the sliding velocity (0,395 m/s, 0,317 m/s, and 0,235 m/s) of the tests, while a fixed sliding distance of 395 m was employed. It was quantified results of coefficient of friction (COF), wear of the pins and discs, and debris released during the tests. For the tests performed with copper against steel disc, it was possible to notice a high sensibility of those results with the contact pressure, while it was observed a low sensibility with the sliding speed. With the assistance of the literature, it was possible to notice a threshold of minimum contact pressure for the occurrence of high plastic deformation on the pins selected in this study, which led to the formation of “peels” in the copper pins. When comparing the behavior of copper and brass when tested against gray cast iron disc, it was possible to notice the influence of the presence of zinc in the brass pin, which affected the results of wear and COF. The brass showed less severe wear than copper, being possible to notice the presence of deep grooves on the disc surface when it was tested against copper. The disc surface rubbed against brass did not show those grooves. The results obtained could be justified with conclusions of previous studies, that which proposed that the wear mechanism is sensitive to the presence of zinc in the chemical composition of the copper
Avaliação da abrasão de pisos residenciais por meio de abrasímetro com plataforma rotativa
No full textEste trabalho tem como objetivo analisar o comportamento de pisos residenciais de madeira maciça (Garapeira e Cumaru), vinílico e laminado, avaliando sua abrasividade por meio de um abrasímetro com plataforma rotativa, da marca Taber 5155. Para este estudo, os ensaios foram baseados em alguns parâmetros das normas ASTM C1353 e a ASTM D4060. Buscando padronizar os dois ensaios realizados, utilizou-se rolos abrasivos H-18 com uma massa aplicada de 1000 g e empregou-se a velocidade do corpo de prova de 72 ciclos/minuto. No primeiro teste foi utilizado 1000 ciclos ininterruptos. Já no segundo teste foi utilizado 500 ciclos com limpeza a cada 250 ciclos dos rolos abrasivos. No total foram testados 24 corpos de prova, 3 para cada material de piso, repetidos em cada norma. Foram quantificados a taxa de desgaste em perda de massa por 100 ciclos. As taxas de desgaste variaram dentro da faixa de 16,50 mg/100ciclos e 29,87 mg/100ciclos para todos os pisos. O ensaio 1 apresentou uma maior resistência a abrasão da Garapeira, apresentando 18,34 mg/100ciclos e as outras espécies não apresentaram diferenças significativas entre si. O ensaio 2 apresentou uma maior resistência do piso vinílico, apresentando 16,50 mg/100ciclos e as demais espécies não apresentaram diferenças significativas.The objective of this work is to analyze the behavior of residential floors made of solid wood (Garapeira and Cumaru), vinyl and laminate, evaluating their abrasiveness using a Taber 5155 rotary platform abraser. For this study, the tests were based on some parameters of ASTM C1353 and ASTM D4060 standards. To standardize the two tests performed, H18 abrasive rollers with an applied mass of 1000 g and speed of 72 cycles / minute was used. In the first test, 1000 continuous cycles were used. In the second test, 500 cycles were used with cleaning every 250 cycles of the abrasive roller. In total 24 specimens were tested, 3 for each floor material repeated in each standard. The wear rate was quantified in terms of in mass loss per 100 cycles. Wear rates varied within the range of 16.50 mg / 100cycles and 29.87 mg / 100cycles for all floors. Test 1 exhibited a higher abrasion resistance for Garapeira, showing 18.34 mg / 100cycles, and the other species did not show significant differences between them. Test 2 presented a higher resistance for the vinyl floor, presenting 16.50 mg / 100 cycles, and the other species showed no significant differences
Tribological performance analysis of automotive lubricants in a metalto-metal slip test
No full textA escolha do lubrificante é um dos pontos de maior importância no projeto de uma máquina, pois ele é o responsável por diminuir o atrito entre os componentes, a temperatura, aumentar a eficiência e a vida útil do sistema. O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento de três lubrificantes comerciais aplicados em veículos automotores, avaliando os resultados de atrito e desgaste levando em consideração a diferença de viscosidade entre os óleos. Para realização dos ensaios de desgaste e obtenção dos dados de atrito foi utilizado um tribômetro, aplicando um ensaio pino sobre disco com lubrificação inicial, sendo ainda avaliado qualitativamente a superfície dos materiais atritados após o ensaio. Após análise dos coeficientes de atrito medidos e das superfícies desgastadas dos pinos e discos, concluiu-se que o óleo de menor viscosidade apresentou maior retentividade que o de maior viscosidade à temperatura ambiente. A hipótese levantada é de uma lubrificação não homogênea ao longo do ensaio como causa, sendo ela mais evidente no óleo de maior viscosidade, por apresentar maior dificuldade para o lubrificante retornar à região de contato do que o de menor viscosidade, esse com maior fluidez.Lubricant’s choice is one of the most important aspects in machine’s design, as it is responsiblle for reducing the friction between components, temperature, increasing the efficiency and system’s life cycle. The objective of this work is to analyze the behavior of three commercial lubricants applied to engine vehicles, evaluating the results of friction and wear taking into account the difference in viscosity between the oils. To carry out the wear tests and obtain the friction data, a tribometer was used, applying a pin-on-disc test with initial lubrication, being qualitatively evaluated the surface of the rubbed materials after the test. After analyzing the friction coefficients found and the worn surfaces of the pins and discs, it was concluded that the oil with lower viscosity showed greater wear resistance than the one with higher viscosity at room temperature. The hypothesis raised is a non-homogeneous lubrication throughout the test as a cause, which is more evident in the oil of higher viscosity, as it presents greater difficulty for the lubricant to return to the contact region than the one of lower viscosity, this one with greater fluidity
Comparison of the tribological behavior of polymeric materials fabricated by additive manufacturing
No full textA manufatura aditiva tem apresentado um crescimento exponencial nos últimos anos, gerando uma demanda cada vez maior de novos materiais e aplicações. Neste escopo, o estudo da tribologia de amostras impressas em 3D tem um potencial ainda pouco explorado. Portanto, objetivo deste trabalho consiste em caracterizar o comportamento tribológico de três materiais poliméricos diferentes: o ácido polilático (PLA), o poliuretano termoplástico (TPU) e um material composto de PLA e adição de pó de bronze (BRO) e impressos por fusão, para embasar futuras aplicações. O estudo foi feito a partir de ensaios de desgaste executados no tribômetro do LATRIB, para amostras de TPU, PLA e BRO, com três repetições para cada material. Ao fim, foram avaliados o atrito, perda de massa bem como a formação de filme, atrelado aos mecanismos de desgaste e observou se que, com relação ao atrito o que apresenta o menor coeficiente é o PLA. Já o BRO apresentou menor perda de massa e formação de filme homogêneo, ao contrário dos outros dois materiais, com formação de filme heterogêneo. Com relação aos mecanismos de desgaste, os mais relevantes foram adesão no PLA e abrasão no BRO.Additive manufacturing has shown exponential growth in recent years, generating an increasing demand for new materials and applications. In this scope, the study of the tribology of 3D printed samples has still little explored potential. Therefore, the objective of this work is to characterize the tribological behavior of three different polymeric materials, polylactic acid (PLA), thermoplastic polyurethane (TPU) and a third material composed of PLA and the addition of bronze powder (BRO), printed by fusion, to support future applications. The study was based on wear tests carried out on the LATRIB tribometer, for TPU, PLA and BRO samples, with three repetitions for each material. In the end, friction, mass loss as well as film formation were evaluated, linked to wear mechanisms and it was observed that, in relation to friction, the one with the lowest coefficient is PLA. BRO, on the other hand, showed less mass loss and homogeneous film formation, unlike the other two materials, with heterogeneous film formation. Regarding wear mechanisms, the most relevant were adhesion in PLA and abrasion in BRO
Estudo da influência do cobre no desempenho tribológico de pastilhas de freio automotivo
No full textEstudos recentes mostram que o cobre oriundo do desgaste de materiais de fricção de freio automotivo é a principal fonte do depósito deste metal em rios e lagos, afetando negativamente o meio ambiente. Consequentemente, novas legislações de agências governamentais internacionais têm imposto uma redução drástica da utilização do cobre em materiais de fricção nos próximos anos, sendo esta uma tendência a ser seguida por governos de todo o mundo. Embora o cobre seja largamente utilizado em materiais de fricção, a compreensão dos mecanismos de ação deste metal para esta aplicação ainda é bastante limitada. Este trabalho tem como intuito contribuir para uma melhor compreensão do papel do cobre em pastilhas de freio automotivo no que diz respeito ao coeficiente de atrito e ao desgaste. Ensaios de frenagens foram realizados no tribômetro do Laboratório de Tribologia da UFRGS, onde três tipos de pastilhas de freio (contendo 0%, 10% e 30% de cobre cada) foram testadas em diferentes temperaturas (100 ºC, 200 ºC e 300 ºC). Foram aplicados métodos para avaliar o coeficiente de atrito, desgaste de pastilha, desgaste de disco, parâmetros morfológicos de platôs de contato e depósito de filme no disco O material sem cobre em sua composição apresentou valores de coeficiente de atrito maiores do que os materiais com cobre para os três patamares de temperatura. O material com 10% de cobre apresentou maior sensibilidade do atrito em função da velocidade de deslizamento do que os outros dois materiais. Correlação inversa forte foi observada entre desgaste de pastilha e desgaste de disco. A quantidade de platôs de contato foi o parâmetro morfológico que mais se correlacionou com o coeficiente de atrito em diferentes temperaturas. Em alguns ensaios foi observada uma variação abrupta do coeficiente de atrito em determinadas frenagens dos materiais sem cobre e com 10% de cobre. Juntamente com esta variação, foi constatada uma perturbação do filme depositado sobre o disco, onde este é removido quando ocorre o aumento repentino do atrito. Entretanto, este fenômeno ocorreu apenas para a temperatura de 100 ºC, indicando que esta variação de atrito e perturbação do filme ocorre apenas em baixas temperaturas, e independente do percentual de cobre.Previous studies have shown that the copper originated from the wear of automotive brake friction materials is the main source of the deposit of this metal in rivers and lakes, leading to environmental impacts. As a result, recent legislations from international governmental agencies have forced a drastic reduction of the copper used in friction materials in next years, which is likely to be followed by other governments in the world. Although the copper is widely used in friction materials, the understanding of the action mechanisms of this metal in friction materials is quite limited. This work aims to contribute to a better understanding of the role of copper in automotive brake pads in terms of friction and wear. Tests were carried out in the tribometer of the Laboratory of Tribology of UFRGS, where three kinds of brake pads (with 0%, 10% and 30% of copper each) were subjected to different temperatures (100 ºC, 200 ºC e 300 ºC). Methodologies to evaluate friction, wear of brake pads, wear of discs, morphological parameters of contact plateaus and deposit of film on disc surface were used. The sample without copper presented higher friction than the samples with copper for the three temperature levels. The material with 10% of copper presented higher friction sensibility due the sliding speed than other samples. Strong inverse correlation between wear of brake pads and wear of discs was observed. Quantity of contact plateaus was the parameter that presented the higher correlation with the friction in different temperatures. An abrupted variation of friction was observed in some experiments for samples without copper and with 10% of copper. At the same time, it was observed a disturbance of the film deposited on the disc surface, where the film was removed when the sudden increase of the friction occurs. However, this phenomenon occurred only at 100 °C, indicating that the variation of friction and the disturbance of film occurs only at low temperatures, and seems to be regardless of percentage of copper
Tribological analisys of engineering plastics
No full textNeste trabalho são estudados três plásticos de engenharia, o polioximetileno (POM-C), a poliamida 6 (PA6) e o acrilonitrila butadieno estireno (ABS). São analisadas suas propriedades tribológicas através de ensaios do tipo pino-sobre-disco. Foram realizados ensaios stick-slip no POM-C e no PA6, utilizando contracorpo de aço SAE 1020 e contracorpo de ferro fundido cinzento para o PA6. Para a determinação do limite PV (produto entre pressão de contato e velocidade de deslizamento) do ABS foi utilizado um contracorpo de ferro fundido cinzento. O POM-C não apresentou a ocorrência do fenômeno stick-slip. O PA6 apresentou stick-slip em todas as condições de ensaio. O PA6 apresentou maior severidade de stick-slip quando atritado em um contracorpo de ferro fundido cinzento. O ABS mostrou valores de limite PV relativamente altos para combinações de pressão de contato e velocidade de deslizamento.In this paper the tribological properties of three engineering plastics are studied: polyoxymethylene (POM-C), polyamide 6 (PA6) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS). The experiments were carried out through a pin-on-disc tribometer. Stick-slip tests have been carried out in the POM-C and the PA6, using SAE 1020 steel counterpart for both polymers and gray cast iron counterpart for PA6. For determination of the PV limit (multiplication between contact pressure and slip velocity) of ABS a gray cast iron was used as counterpart. The POMC did not present the occurrence of the stick-slip phenomenon. The PA6 showed stick-slip in all tested conditions, for both counterpart materials. The stick-slip presented higher severity in case of PA6 rubbed against gray cast iron material. The ABS when rubbed on the gray cast iron showed relatively high PV limit values for applications of contact pressure and slip velocity combinations
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