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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-03032020-135653
Documento
Autor
Nome completo
Dinecio dos Santos Filho
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Goldenstein, Helio (Presidente)
Franco, Luiz Alberto Pereira das Neves
Nunes, Eduardo
Pintaúde, Giuseppe
Vatavuk, Jan
Título em inglês
On the plasma-assisted modifications of pre-textured surfaces: shallow depth nitriding in cast iron, topography and instrumented sclerometry test response.
Palavras-chave em inglês
Gray cast iron
Heat treatment
Internal combustion engine
Machine elements
Wear
Resumo em inglês
A concept of plasma treatment for enhancing pre-textured surfaces of components made in pearlitic gray cast iron is proposed. It consists of a plasma nitriding at low temperatures and short times, in order to increase the hardness of the surface by means of a shallow depth nitride formation in the surface of the iron. As a result, the roughness pattern of a previously textured surface is preserved after the treatment. A review on the wear of internal combustion engine cylinders along with background research was conducted, which consisted in the description of cylinder bore wear features observed experimentally. The background research substantiated the significance of initiatives to enhance wear and friction response of pre-textured surfaces made of cast iron, such as the internal combustion engine cylinders. A series of plasma nitriding experiments was run on specimens extracted from engine cylinders. Flat specimens, obtained from blanks extracted from the cylinder wall of an engine cylinder block, were textured in laboratory in order to emulate the typical roughness distribution of an ordinary cylinder bore plateau honing process. Complementarily, a case-study experiment was performed in a honed sample of an internal combustion engine cylinder, whose surface in its original form (cylindrical) has been textured through industrial honing operations. Therefore, one among the potential applications of the research has been assessed. 3-D interference roughness measurements were performed before and after the plasma treatment to assess topographic stability of the textured surfaces. epsilon-Iron nitride (Fe3N) formation was identified via X-ray diffraction analysis. In addition, nitrogen concentration profile was quantitatively evaluated using wavelength-dispersive (X-ray) spectroscopy microanalysis, substantiating the nitride formation at shallow depth. Microhardness measurements and instrumented linear sclerometry test ('scratch test') results indicated that epsilon-iron nitride formation and solid solution hardening could provide enhanced properties to the surface of general pearlitic cast iron components, such as increase of wear resistance, and decrease of apparent coefficient of friction, in the assessed conditions. The results demonstrated that the roughness texture pattern was satisfactorily preserved after the treatment, which was supported by direct observation of the surfaces via scanning electronic microscopy.
Título em português
Sobre modificações de superfícies pré-texturizadas assistidas por plasma: nitretação de baixa profundidade em ferro fundido, resposta de topografia e teste de esclerometria instrumentada.
Palavras-chave em português
Desgaste
Elementos de máquinas
Ferro fundido cinzento
Motores de combustão interna
Tratamento térmico
Resumo em português
Um conceito de tratamento por plasma para beneficiamento de superfícies previamente texturizadas de componentes produzidos em ferro fundido cinzento perlítico é proposto. Consiste de uma nitretação a plasma a baixas temperaturas e tempos curtos, de forma a aumentar a dureza da superfície através da formação de nitretos a profundidades rasas da superfície do ferro fundido. Como resultado, o padrão de rugosidade da superfície previamente texturizada é preservado após o tratamento. Uma revisão sobre desgaste de cilindros de motor de combustão interna em conjunto com pesquisa de base foi conduzida, a qual consistiu em uma descrição de características de desgaste observadas experimentalmente. A pesquisa de base reafirmou a relevância de iniciativas para melhoramento da resposta ao desgaste e atrito de superfícies pré-texturizadas produzidas em ferro fundido, tais quais são os cilindros do motor de combustão interna. Uma série de experimentos de nitretação a plasma foi realizada em amostras extraídas de cilindros de motor de combustão interna. Amostras planas, obtidas a partir de frações de material extraídas da parede de um cilindro de bloco de motor, foram texturizadas em laboratório de forma a emular a distribuição de rugosidade típica de um processo regular de brunimento de cilindro do tipo platô (plateau honing). Complementarmente, um experimento tipo estudo de caso foi conduzido em uma amostra brunida de um cilindro de motor de combustão interna, cuja superfície em sua forma original (cilíndrica) foi previamente texturizada através de operações industriais de brunimento. Desta forma, uma entre as potenciais aplicações da pesquisa foi avaliada. Medições de rugosidade por interferometria 3-D foram conduzidas antes e após o tratamento por plasma, para avaliar a estabilidade topográfica das superfícies texturizadas. A formação de nitreto de ferro-epsilon (Fe3N) foi identificada via análise por difração de raios-X. Adicionalmente, o perfil de concentração de nitrogênio foi avaliado quantitativamente usando microanálise por espectroscopia (raios-X) por comprimento de onda dispersivo, fundamentando a formação de nitreto em profundidade rasa. Medições de microdureza e resultados do teste de esclerometria linear instrumentada indicaram que a formação de nitreto de ferro-epsilon e endurecimento por solução sólida podem prover propriedades melhoradas à superfície de componentes gerais produzidos em ferro fundido de matriz perlítica, tais quais o aumento da resistência ao desgaste e diminuição do coeficiente de atrito aparente, nas condições avaliadas. Os resultados demonstraram que o padrão de textura de rugosidade foi satisfatoriamente preservado após o tratamento, o que foi suportado pela observação direta das superfícies via microscopia eletrônica de varredura.
 
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Data de Publicação
2020-03-03
 
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