Influência de Carbonetos no Desgaste do PEEK

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INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CARBONETOS NO COMPORTAMENTO AO 
DESGASTE DO PEEK 
 
 
 
L.C.Casteletti1; R.G.Pereira1; F.A.P.Fernandes1; S.C.Heck1; J.Gallego2 
Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística – Av. 
Trabalhador São carlense, 400, CEP:13560-970, São Carlos. 
 castelet@sc.usp.br 
1Escola de Engenharia de São Carlos – EESC-USP, São Carlos – SP; 
2UNESP – Campus Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecânica 
 
 
 
 
RESUMO 
O PEEK (Poli-Éter-Éter-Cetona) é um dos polímeros de engenharia de alto 
desempenho cada vez mais usado como material para mancal e deslizamento em 
aplicações industriais, devido à sua excelente estabilidade térmica e química, baixo 
atrito e boa resistência ao desgaste. Visando atender a demanda da engenharia e 
projetos direcionados por razões econômicas e ambientais, o uso de revestimentos 
de PEEK sobre metais leves tornou-se uma opção altamente atraente. A 
incorporação de agentes reforçadores constitui-se num procedimento adotado para 
o aumento da resistência mecânica e ao desgaste de materiais poliméricos. Neste 
trabalho, visando-se melhorar o desempenho ao desgaste de revestimentos de 
PEEK em chapas de alumínio, foram efetuadas adições variáveis de carbonetos de 
silício a esse polímero. O ensaio de desgaste usado foi do tipo micro-desgaste, sem 
o uso de abrasivo. A adição de 3% de SiC foi efetiva para a melhora da resistência 
ao desgaste, enquanto teores acima de 5% a prejudicaram. 
 
 
Palavras-chave: PEEK, Carbonetos, desgaste, microabrasivo. 
 
INTRODUÇÃO 
Redução do atrito e do desgaste constituem-se em crescentes desafios nas 
modernas aplicações industriais. A fim de se melhorar o desempenho tribológico de 
superfície, têm sido aplicados revestimentos de PEEK (poli-éter-éter-cetona), que 
podem ser depositados a partir de uma variedade de técnicas [1], tais como 
aspersão, aspersão com chama e High Velocity Oxigen Fuel (HVOF) [1,2,5]. PEEK é 
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um polímero termoplástico de engenharia avançado com excelentes propriedades 
mecânicas, estabilidade térmica, química e propriedades elétricas, resistência ao 
impacto e baixa taxa de desgaste e coeficiente de atrito, e está se tornando um dos 
materiais poliméricos mais atraentes, sendo cada vez mais utilizado como 
revestimento para aplicações industriais. O uso do PEEK em peças maciças tem 
sido limitada devido ao seu custo elevado [3]. No entanto, estudos recentes 
indicaram que PEEK constitui-se de uma alternativa promissora, quando utilizado 
como revestimento fino para as ligas metálicas [3]. 
Em muitas situações industriais, quando o contato ocorre por deslizamento 
entre as superfícies metálicas, a lubrificação é necessária. A carga aplicada e a 
velocidade de deslizamento são de grande importância para o comportamento 
tribológico e mecanismo de desgaste [4]. Este pode não ser o caso do contato 
deslizante metal-polímero, devido às características auto-lubrificantes de alguns 
polímeros. Um baixo coeficiente de atrito, juntamente com alta resistência ao 
desgaste, pode ser obtido em sistemas polímero-metal sem o uso de um lubrificante 
externo [6]. O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades de desgaste de 
revestimentos de PEEK sobre um substrato de alumínio, onde as camadas de PEEK 
continham adições de Carboneto de Silício para avaliar a eficiência desta adição nas 
propriedades de desgaste, quando comparado ao PEEK puro. 
 
MATERIAIS E METODOS 
 
Preparação das amostras 
 
Amostras de alumínio foram revestidas com uma solução de PEEK, a qual foi 
misturada diferentes quantidades de Carboneto de Silício (SiC) por aspersão, até 
obtenção de uma camada uniforme. As partículas de SiC utilizadas tinham 
granulometria média de 13 micrometros. Foram produzidas amostras recobertas 
com PEEK puro e com adições de 3, 5 e 7% de SiC. 
Após a aplicação das camadas de PEEK ao substrato de alumínio, as mesmas 
foram aquecidas em estufa a uma temperatura de 120ºC, durante 10 minutos para 
evaporação do solvente e depois polimerizadas a uma temperatura de 398ºC, 
durante15 minutos, para promover o endurecimento da camada polimérica. 
 
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Teste de micro-desgaste 
 
O teste de micro-desgaste foi realizado em equipamento de esfera fixa tipo 
“calotest”, onde uma esfera gira em contato com a amostra, exercendo uma pressão 
de contato capaz de produzir sulcos na forma de calotas esféricas na superfície do 
material. As esferas usadas possuem 25,4mm de diâmetro e são de aço AISI 52100 
(100Cr6), com dureza de 63±3HRc. A velocidade de rotação da esfera utilizada foi 
de 24m/min. A carga aplicada foi de 18,26N para todas as amostras, produzindo-se 
sulcos para os tempos de 10, 15, 20 e 30 minutos de ensaio. 
O volume de material removido (V) de cada calota foi calculado de acordo com 
a Eq. (A) [7,8] 
 
R
bV
⋅
⋅
≈
64
4π , for Rb << (A) 
 
Onde b é o diâmetro da calota e R é o raio da esfera. 
 
A Fig. 1 mostra o esquema do equipamento para ensaio de micro desgaste 
(Fig. 1a), e o procedimento para medir o diâmetro da calota (Fig. 1b) o volume de 
material removido da calota foi obtido de acordo com a Eq. (A). 
 
Fig. 1: Esquema do equipamento usado para teste de micro desgaste. 
 
A superfície dos sulcos gerados durante o ensaio de micro desgaste foi 
analisada por um perfilometro ótico Veeco WYKO NT 1100. 
 
RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
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Na Fig. 2 são apresentados os gráficos referentes ao desgaste das amostras 
analisadas por meio dos ensaios de micro desgaste. 
 
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Vo
lu
m
e 
R
em
ov
id
o 
(m
m
3 )
Distância percorrida (m)
 PEEK puro
 PEEK+7iC
 PEEK+5iC
 PEEK+3iC
 
Figura 2: Gráfico de desgaste das amostras 
 
Verificou-se que a adição de 3% de SiC foi efetivo no aumento da resistência 
ao desgaste da camada. Adições em maiores teores prejudicaram o desempenho da 
camada de PEEK, devido ao colapso da junção entre o polímero e o carboneto de 
silício. Tal evento promoveu o aparecimento de partículas com elevado poder 
abrasivo, cujo efeito foi bastante proeminente nas amostras ensaiadas durante 30 
minutos. Com o auxílio do perfilometro verificou-se que nas amostras com adição de 
SiC o mecanismo predominante de desgaste foi o abrasivo, caracterizado pelos 
riscos presentes na superfície desgastada, como mostram as imagens mostradas na 
Fig. 3. Este comportamento corrobora os resultados obtidos por Wang et al [9], em 
um ensaio de bloco-sobre-disco de uma amostra maciça, no qual se verificou que a 
adição de 2,5% de SiC ao PEEK diminuiu o coeficiente de desgaste, para várias 
cargas de ensaio. 
 
CONCLUSÕES 
 
A adição de carboneto de silício SiC ao PEEK, visando o melhoramento da 
resistência ao desgaste, foi mais eficiente na proporção de 3%. Acima desses 
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valores ocorreu mais intensamente o descolamento das partículas em relação ao 
filme polimérico, o que provocou um nível de desgaste muito superior ao verificado 
na camada sem adição de carboneto. 
A deposição de camadas de PEEK, aditivadas com quantidades adequadas de 
SiC, pode se tornar interessantes revestimentos metal-polímero onde se requerem 
tanto alta resistência à corrosão quanto boa resistência ao desgaste, aliadas à 
resistência mecânica de um substrato metálico leve e resistente. 
 
 
 
 
Fig. 3: Aspecto do sulco provocado pelo ensaio de micro desgastecom esfera de 
aço durante 30 minutos. a) PEEK puro, b) PEEK com 3% SiC, c) PEEK com 5% SiC, 
d) PEEK com 7% de SiC. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem as bolsas concedidas pela CAPES (R.G.P., F.A.P.F. e 
S.C.H.) e pelo CNPq (L.C.C. e J.G.) durante o desenvolvimento deste trabalho. 
 
REFERÊNCIAS 
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1 ZANG, G., LI, W.-Y., CHERIGUI, M., ZANG, C., LIAO, H., BORDES, J.-M., 
CODDET, C. Structures and tribological performances of PEEK (poly-ether-ether-
ketone)-based coating designed for tribological application. Progress in Organic 
Coating, v.60, p. 39-44, 2007. 
2 DAVIM, J.P., CARDOSO, R. Effect of the reinforcement (carbon or glass fibres) 
on firction and wear behavior of the PEEK against steel surface at long dry sliding. 
Wear, v. 266, p. 795-799, 2009. 
3 CANSADO, I.P.P., GONÇALVES, F.A.M.M., NABAIS, J.M.V., RIBEIRO 
CARROTT, M.M.L., CARROTT, P.J.M. PEEK: An excellent precursor for 
activated carbon production for temperature application, Fuel processing 
Technology, v. 90, p. 232-236, 2009. 
4 ZANG, G., ZANG, C., NARDIN, P., LI, W.-Y., LIAO, H., CODDET, C. Effect of 
sliding velocity and applied load on the tribological mechanism of amorphous 
poly-ether-ether-ketone (PEEK), Tribology International, v.41, p. 79-86, 2008. 
5 ZANG, G., LIAO, H., CODDET, C. Friction and wear behavior of PEEK and its 
composite coating, Tribology and Interface Engeneering Series, v.55. Chapter 19, 
p.458-482, 2008. 
6 BAHADUR, S., SCHAWARTZ, C.J. The influence of nanoparticle fillers in polymer 
matrices on the formation and stability of transfer film during wear, Tribology and 
Inteface Engeneering Series, v.55, Chapter 2, p. 17-34, 2008. 
7 RUTHERFORD, K.L; HUTCHINGS, I.M. Theory and application of a micro-scale 
abrasive wear test. Journal of Testing and Evaluation, v.25, n.2, p.250, 1997. 
8 RUTHERFORD, K.L; HUTCHINGS, I.M. A micro-abrasive wear test, with 
particular application to coated systems. Surface and Coatings Technology, v. 79, 
p. 231-239, 1996. 
9 QI-H.W.; JINFEN X.; WEICHANG S.; QUNJI X. The effect of nanometer SiC filler 
on the tribological behavior of PEEK. Wear, v. 209, p. 316-321, 1997 
 
 
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INFLUENCE OF ADDITION OF CARBIDE IN THE WEAR BEHAVIOR OF PEEK 
 
ABSTRACT 
 
PEEK is a polymer of high performance engineering increasingly used as 
materials for sliding bearings and industrial applications due to its excellent thermal 
and chemical stability, low friction and good wear resistance. Aiming to meet the 
demands of engineering and projects focused on economic and environmental 
reasons, the use of PEEK coatings on light metals has become a highly attractive 
option. The incorporation of reinforcing agents but it is a procedure used to increase 
the mechanical strength and wear resistance of polymeric materials. In this paper, 
aiming at improving the wear performance of PEEK coatings on aluminum sheets, 
were made varying additions of silicon carbide in this polymer. The wear test used 
was the type micro-wear, without the use of abrasive. The addition of 3% SiC was 
effective to improve the wear resistance and levels above 5% damaged. 
 
 
 
Key-words: PEEK, carbides, wear, micro wear 
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