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 Estudo do desempenho tribológico de vedantes mecânicos recobertos por diamante CVD
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/4957

title: Estudo do desempenho tribológico de vedantes mecânicos recobertos por diamante CVD
authors: Tomé, Marcelo Augusto Martins
advisors: Silva, Rui Ramos Ferreira e
Carrapichano, João Miguel Maia
keywords: Engenharia de materiais
Tribologia
Vedantes mecânicos
Cerâmica
Filmes de diamante - Revestimentos
Deposição química de vapor
issue date: 2005
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: 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.

The main goal of the present work is the production and tribological behaviour characterization of a novel mechanical seal system based on CVD (Chemical Vapour Deposition) diamond coated silicon nitride (Si3N4) ceramic rings. Mechanical rings are used to seal rotating shafts of circulation systems of several distinct kinds of fluids, being submitted to drastic tribological solicitations, combining mechanical and chemical contributions. Ceramic materials are thus a class in development for this kind of application. Si3N4 is one of the technical ceramics with the best mechanical properties. On the other hand, diamond is the uppermost material concerning hardness and chemical inertness. In published works on the application of CVD diamond in sealing systems, its low adhesion to conventional hardmetal substrates was reported to be the main lifetime limiting factor, causing this application to be impracticable. Contrasting to this, previous works carried out by the hostage research group of the present dissertation, proved the high adhesion of CVD diamond films to Si3N4 substrates. Furthermore, there is an acquired know-how in the manufacturing of Si3N4 seal ring prototypes. Based on this experience and on the potential of the CVD diamond/Si3N4 system, the optimization of the thickness and roughness of the coating were selected as the main objectives of this work, seeking the intended sealing function. It was also an innovative point the accomplishment of tribological tests with mechanical seal prototypes. The tribological tests were carried out in a ring-onring microprocessor controlled rotary tribometer, with adequate sample geometries, working fluid and operation parameters, to simulate the field working behaviour. Homologous coated rings were tested. The experimental parameters were the following: rotational speed in the 500 - 2000 r.p.m. range; normal applied load between 0.3 and ≈1.0 kN; internal fluid (distilled water) pressure of 2 bar; room temperature. The tribological testing of the CVD diamond/Si3N4 mechanical seal system allowed the full characterisation of the running-in and stationary state regimes. Moreover, the friction coefficient was determined, as well as the minimum and maximum pressure×velocity product (PV), for each tested pair. The best sealing behaviour was found with the pair of Si3N4 coated rings with the finest grain (2 μm) polycrystalline diamond film. This system guaranteed a PV full sealing between 2.1 and 4.3 MPa⋅ms-1. The cumulative operation time of this system reached approximately 430 hours, corresponding to a total sliding distance of almost 5730 km, without any signs of surface damaging, i.e., no measurable wear. The stationary friction coefficient kept within a low value of 0.05. The absence of vibrations or instantaneous friction peaks corroborates the excellent behaviour and sealing stability of this new tribosystem.
description: Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/4957
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