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Título: Effect of lubricant additives on the tribological performance of aluminum anodized layers
Título(s) alternativo(s): Efeito de aditivos de lubrificantes no desempenho tribológico de camadas anodizadas de alumínio
Autor(es): Vasco, Marina Cardozo
Orientador(es): Pintaúde, Giuseppe
Palavras-chave: Alumínio - Oxidação
Nanopartículas
Tribologia
Ligas de alumínio
Desgaste mecânico
Lubrificação e lubrificantes
Superfícies (Tecnologia)
Aluminum - Oxidation
Nanoparticles
Tribology
Aluminum alloys
Mechanical wear
Lubrication and lubricants
Surfaces (Technology)
Data do documento: 4-Ago-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: VASCO, Marina Cardozo.Efeito de aditivos de lubrificantes no desempenho tribológico de camadas anodizadas de Alumínio. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
Resumo: As ligas de alumínio são amplamente utilizadas em diversas indústrias devido ao seu comportamento mecânico e alta relação resistência / peso, permitindo melhorias no desempenho, economia de combustível e diminuição das emissões de gases de efeito estufa. No entanto, devido a sua baixa dureza, em geral as ligas de alumínio têm aplicação limitada em situações nas quais se exige alta resistência ao desgaste. A anodização em ligas de alumínio é um processo que produz um filme de alumina de dureza elevada que pode contribuir na redução do desgaste, interferindo positivamente no comportamento da interface tribológica. Além disso, os poros gerados, inerentes ao processo de anodização, podem atuar como reservatórios para a liberação gradual de lubrificantes em situações de desgaste. Os aditivos antidesgaste (AD) atuam por meio da formação de um tribofilme protetor na área de contato. Embora estudos em macro escala das propriedades AD de zincdialquiditiofosfatos (ZDDP) tenham sido relatados em ligas de alumínio, estudos sobre a presença de tribofilmes ZDDP em superfícies não-metálicas não-ferrosas são relativamente raros. Além disso, a adição de nano partículas, como nano alumina, pode melhorar ainda mais a resistência ao desgaste em várias aplicações. Este trabalho visa correlacionar a porosidade da superfície anodizada com formação do tribofilme, contribuindo para o entendimento do comportamento de superfícies porosas não metálicas em aplicações tribológicas. Para isso, a liga de alumínio comercial ALUMOLD®500, pertencente à família 7xxx, foi anodizada em banho de ácido sulfúrico a 5, 10 e 15% em volume durante 30, 45 e 60 minutos, com densidade de corrente constante de 45 mA/cm2, visando a produção de óxidos de alumínio anódico (AAOs) de diferentes espessuras e porosidades. Essas superfícies foram ensaiadas em riscamento e configuração tribológica esfera-plano em modo recíproco, com contra corpo esférico de alumina, na presença de óleos polialfaolefínicos (PAO) com e sem ZDDP. A interferência de partículas de desgaste no contato foi avaliada igualmente com a adição de nano partículas de alumina em determinadas condições de ensaio, para verificar um eventual efeito positivo de sua adição. A caracterização de AAOs antes e depois dos ensaios incluiu medições de rugosidade utilizando interferometria de luz branca, medições de nano dureza, microscopia óptica e imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Pistas de desgaste e tribofilmes foramanalisados qualitativamente por interferometria de luz branca e MEV. Observou-se que a compactação da camada de óxido aumenta com o tempo de anodização em concentrações de 5% e 10% de H2SO4, mas não se comporta linearmente com concentração de solução de 15% de H2SO4. Tempos de anodização mais longos não produzem camadas de AAO com maior resistência ao riscamento, especialmente com o aumento da concentração de ácido sulfúrico, o que pode ser explicado pelo crescimento competitivo e dissolução da AAO, inerentes ao processo de anodização. A adição de nanopartículas de alumina ao óleo lubrificante PAO6 resulta em valores de COF mais baixos, provavelmente devido à formação de um filme autolaminado, que pode levar ao micropolimento e pode autorreparar a superfície, diminuindo os poros da superfície anodizada.
Abstract: Aluminum alloys are widely used in various industries due to their mechanical behavior and high strength / weight ratio, allowing for improvements in performance, fuel economy and reduced greenhouse gas emissions. However, due to their low hardness, aluminum alloys generally have limited application in situations where high wear resistance is required. Anodizing in aluminum alloys is a surface modification process that produces a high hardness alumina film that can contribute to wear reduction, positively interfering in the behavior of the tribological interface. Furthermore, the pores generated, inherent to the anodizing process, can act as reservoirs for the gradual release of lubricants in situations of wear. Anti-wear additives (AW) act by forming a protective tribofilm in the contact area. Although macro-scale studies of the AW properties of zincdialkydithiophosphates (ZDDP) have been reported in aluminum alloys, studies on the formation of ZDDP tribofilms in non-ferrous metals are relatively rare, and the possible mechanisms of tribofilm growth are still under debate. Furthermore, the addition of nanoparticles, such as nanoalumina, can further improve wear resistance in various applications. This work aimed to correlate the porosity of the anodized surface with the formation of tribofilm, contributing to the understanding of the behavior of non-metallic porous surfaces in tribological applications. For this, specimens of ALUMOLD®500, a commercial aluminum alloy of the 7xxx family, were anodized in a sulfuric acid bath at 5, 10 and 15% by volume for 30, 45 and 60 minutes, with constant current density of 45 mA/cm2, aiming at the production of anodic aluminum oxides (AAOs) of different thicknesses and porosities. These surfaces were tested in scratching and a reciprocal sphere-plane tribological configuration, with a spherical alumina counter body, in the presence of polyalphaolefin oils (PAO) with and without ZDDP. The interference of wear particles on contact were also evaluated with the addition of alumina nanoparticles under certain test conditions, to confirm an eventual positive effect of the addition of nanoparticles. Characterization of AAOs before and after testing included roughness measurements using white light interferometry, nanohardness measurements, optical microscopy, and scanning electron microscopy (SEM) images. Wear tracks and tribofilms were analyzed qualitatively by white light interferometry and SEM. It was observed that the compaction of the oxide layer increases with anodization time at concentrations of5% and 10% H2SO4 but does not behave linearly with a solution concentration of 15% H2SO4. Longer anodizing times do not produce AAO layers with greater scratch resistance, especially with increasing sulfuric acid concentration, which can be explained by the competitive growth and dissolution of AAO, inherent in the anodizing process. The addition of alumina nanoparticles to the PAO6 lubricating oil results in lower COF values, probably due to the formation of a self-laminating film, which can lead to micropolishing and can self-repair the surface, decreasing the pores of the anodized surface.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33872
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