Influence of microstructural parameters on the tribological behavior of multicomponent ferrous alloys

The aim of this work is to evaluate the effect of microstructural parameters (eutectic carbides and matrix hardness) of multi-component ferrous alloys on tribological behavior in sliding wear and micro-abrasive wear. The samples were two series of alloys with variable vanadium (V serie) and molybdenum (M serie) contents and fixed amounts of other elements. Each series includes an alloy free of carbides (matrix alloy) and alloys containing carbides (carbide rich alloys). Heat treatments of quenching and tempering were performed to obtain three different levels of metallic matrix hardness. The wear configuration was ball on plane reciprocating sliding tests. Load, speed and temperature were fixed. The apparent friction coeficient and wear rate were measured. Microabrasion wear test used free ballcratering with silica fine abrasives. The wear mechanisms of the types of tests were characterized by SEM and energy-dispersive X-ray (EDX). Friction was almost invariable with volumetric fraction of carbides and nominal matrix hardness. Increasing matrix hardness in alloys of V and M series was improved their wear resistance. The influence of carbide amount in wear rate was small effect in M serie alloys. In harder of the V series alloys the presence of carbides protected the 650 HV matrix. However the increase of the amount of carbides did not altere the wear rate. The following wear mechanisms occured different intensities on several alloys: pull-out of carbides, abrasion, and formation and break-down of tribochemical layers. In microabrasion, the relationship between microstructural parameters and abrasive wear coefficient was complex and not clear. The removal of matrix material due to abrasion with fine silica particles decreased the mechanical supporting of the carbides, which caused intense fracture and their pull-out.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDoutor em Engenharia MecânicaO objetivo deste trabalho foi estudar a influência de parâmetros microestruturais de ligas ferrosas multicomponentes no comportamento tribológico em desgaste oxidativo/deslizamento e microabrasão. As amostras para os ensaios consistiram de duas séries de ligas ferrosas multicomponentes ricas em vanádio e molibdênio e outros elementos de liga com quantidade fixas, livres (liga matriz) ou com presença de carbonetos (mais ricas em elementos de liga). Estas amostras sofreram tratamento térmico de têmpera e revenimento diversos, obtendo-se três níveis de dureza nominal na matriz metálica. Adotou-se o ensaio de desgaste por deslizamento, com configuração mecânica esfera sobre plano, com movimento alternado e sendo fixas a carga aplicada, a velocidade e a temperatura. Realizou-se medições do atrito aparente e da taxa de desgaste. A configuração dos testes de microabrasão foi a esfera livre, utilizando abrasivos finos de sílica. O mecanismo de desgaste obtido nas duas abordagens de testes deste trabalho foi analisado por microscopia eletrônica com auxílio de espectrometria de energia dispersiva de raios-X (EDS). O atrito mostrou-se independente da quantidade de carbonetos eutéticos e da dureza nominal da matriz. O aumento da dureza nominal da matriz nas ligas da família V e M diminuiu a taxa de desgaste. O efeito da quantidade de carbonetos sobre a taxa de desgaste nas ligas foi desprezível, tendo uma pequena influência nas ligas ricas de molibdênio. Nas ligas ricas em vanádio mais duras, a presença dos carbonetos protegeu a matriz metálica. Os mecanismos de desgaste obtidos no deslizamento foram fragmentação e arrancamento de carbonetos, formação e quebra da camada triboquímica, presentes em graus diversos nas diferentes ligas e durezas. No caso da microabrasão, a relação entre os parâmetros microestruturais e o coeficiente de desgaste abrasivo nos ensaios de microabrasão nas ligas ferrosas estudadas neste trabalho é complexa e não muito clara. A remoção de material das matrizes devido à ação abrasiva das partículas de sílica nos ensaios de microabrasão diminuiu a sustentação mecânica dos carbonetos, o que possibilitou a fratura e arrancamento destas microestruturas