ANÁLISE TRIBOLÓGICA DOS ÓLEOS LUBRIFICANTES

Os ensaios tribológicos foram realizados no tribômetro HFRR (High Frequency Reciprocating Rig). Esses testes tribológicos têm o objetivo principal analisar o desgaste, coeficiente de atrito e formação de filme nas condições de lubrificação limítrofe.

As nanopartículas de óxido de cobre e de zinco não apresentaram o mesmo comportamento quando adicionados aos diferentes óleos lubrificantes estudados. Os óxidos de cobre obtiveram mais afinidade com os óleos sintéticos, enquanto o zinco teve mais afinidade com os óleos minerais e os dois óxidos com óleos lubrificantes vegetais aumentaram atrito e desgaste. Associa-se esse comportamento devido à falta de sinergismo das nanopartículas de óxidos com os biolubrificantes.

Nos gráficos da figura 14 e 15 respectivamente pode-se observar os coeficientes de atrito e formação de filme nos primeiros ensaios entre os óleos bases com as nanopartículas de óxido e os biolubrificantes puros para verificar a eficiência destes sem aditivos:

Figura 14: Coeficientes de atrito em funções do tempo lubrificados com óleo de bases diferentes com e sem aditivo de nanopartículas: a) óleo mineral básico; b) óleo sintético básico;

c) óleo de soja; d) óleo de girassol.

a) b)

c) d)

Os coeficientes de atrito de todos os lubrificantes foram apresentados na fig. 14a-d. O desempenho do lubrificante mineral e sintético sem aditivo apresenta um valor alto, enquanto que, com a adição de nanopartículas de CuO e ZnO, o coeficiente de atrito tem uma diminuição significativa, porém, as nanopartículas de CuO tiveram melhor afinidade com o óleo sintético melhorando suas propriedades de lubrificação,

enquanto nos óleos minerais, o que teve melhor sinergismo e valorizando as propriedades de lubrificação foram as nanopartículas de ZnO apresentados nas Fig, 14a e 14b). No entanto, este comportamento não foi observado para os óleos de bases vegetais (Fig, 14c e 14d), que a adição de nanopartículas proporcionou um pequeno aumento do coeficiente de atrito. Nestes casos, as nanopartículas não atuaram como aditivo anti-atrito. Assim, o desempenho de nanopartículas de CuO e ZnO estão relacionados com o óleo de base e nos vegetais entra a questão da polaridade dos óleos.

De acordo com Chiñas e Spikes (2000), as nanopartículas penetram na zona de contato e, em seguida, depositam-se sobre esta zona, devido eles serem menor ou semelhante em tamanho com a película lubrificante. Por outro lado, as nanopartículas em alguns casos podem aumentar o atrito ou desgaste assim foi observado para a mistura de óleos vegetais e nanopartículas.

Para o percentual de filme formado pode-se observar nos gráficos (Fig. 15a-d):

Figura 15: Formação de Filme nos lubrificantes estudados: a) mineral básico; b) sintético básico; c) óleo de soja; d) óleo de girassol.

c) d)

O comportamento de atrito apresenta uma resposta que corresponde à formação da película entre os contatos, de acordo com as condições de lubrificação limite. A figura 15 apresenta o comportamento de formação de filme dos lubrificantes estudados. A formação de filme é fortemente influenciada pela óleo base e aditivos EP. Quando a óleo base sem aditivo foi utilizado houve formação de filme. Em uma porcentagem não muito expressiva, o óleo sintético e o óleo mineral também formaram uma película protetora, porém em todos os óleos báses apresentaram algumas oscilações de formação de filme durante o ensaio. O que aconteceu foi que ocorreu a formação de filme, mas, também a remoção desse filme durante o movimento relativo (reciprocating). Há a hipótese que quando ocorre o movimento, ida ou volta das superfícies em contato, forma o filme fino protegendo as superfícies e em seguida, quando a película é rompida ocorre contato direto dessas superfícies causando um desgaste abrasivo. A película isolante foi mais significativa para os óleos sintéticos e minerais quando CuO e ZnO foram adicionados, respectivamente. Por outro lado, os óleos de girassol e de soja puros apresentaram uma ótima formação de filme. Óleo vegetal, naturalmente, contêm espécies moleculares com propriedades de lubrificação limite (como, ácido oleico) o que explica Hutching (2000).

Quanto ao número de ciclos, que é o deslocamento que ocorre nono movimento alternado, ou seja, 1 ida e 1 volta durante o ensaio no equipamento HFRR forma um ciclo, observou-se que a partir de 30x103 ciclos há mudanças significativas na diminuição do coeficiente de atrito e aumento da formação de filme.

As Figuras 16 e 17 apresentam as micrografias de MEV das superfícies do disco usado sob condições de lubrificação diferentes e o valor de WSD (diâmetro do

desgaste da esfera). Com essas imagens é possível avaliar a capacidade anti-atrito das nanopartículas com óleo base. A superfície desgastada para óleos vegetais puros (Fig. 16a-b) apresentam quase nenhum sinal de ranhuras graves e que é mais liso e plano do que a superfície desgastada para óleos minerais e sintéticos (Fig. 17a-b). No entanto, quando as nanopartículas de CuO e ZnO foram adicionados a óleos vegetais (Fig.16c-f) é possível observar pequenos sinais de desgaste abrasivo na direção de deslizamento. Este resultado mostra que nanopartículas de CuO e ZnO não apresentam uma boa capacidade antidesgaste quando combinados com lubrificantes vegetais, ao contrário, estas partículas aumentam o desgaste. Comparando o efeito dos CuO e ZnO, é possível concluir que, para ambos os óleos de girassol e de soja epoxidado, as nanopartículas de ZnO mostram menor afinidade com a superfície com pequenos riscos e, consequentemente, maior desgaste. Este fato de maior desgaste é confirmado pela observação clara do WSD, que foram verificadas para óleo vegetal adicionado com nanopartículas de ZnO. O óleo vegetal epoxidado sem aditivos apresentaram menores diâmetros de desgaste da esfera.

Figura 16: Micrografias das superfícies desgastadas lubrificados com: a) óleo de girassol; b) óleo de soja; c) óleo de girassol + CuO; d) óleo de soja + CuO; e) o óleo de girassol + ZnO; f)

óleo de soja + ZnO.

a) WSD = μm b) WSD = , μm

c) WSD = μm d) WSD = μm

O diferente comportamento tribológico é verificado com óleo básico - mineral e sintético - (Fig. 17), as superfícies de desgaste após ensaios com óleo mineral e sintético puro possuem maiores ranhuras em comparação com os óleos vegetais. Quando o CuO e ZnO foram adicionados, a superfície desgastada ficou relativamente suave e com apenas ligeiros sinais de desgaste. No entanto, é evidente que as nanopartículas têm um desempenho diferente dependendo óleo base. Para o óleo de base sintética, a nanopartícula mais adequada é CuO resultando em menor desgaste e menor desgaste do diâmetro da esfera - WSD. Hernández Battez et al (2007), conclui que adicionando nanopartículas de CuO em óleo sintético (PAO) apresenta melhor comportamento EP com menor WSD. Por outro lado, o óleo mineral apresentou melhor desempenho quando ZnO foi adicionado, neste caso, menor WSD foram verificadas. Além disso, a combinação de óleo de WSD e nanopartículas confirmam os resultados do coeficiente de atrito.

Figura 17: Micrografias das superfícies desgastadas lubrificados com: a) o óleo sintético; b) óleo mineral; c) óleos sintéticos + CuO; d) óleo mineral + CuO; e) o óleo sintético + ZnO e f)

óleo mineral + ZnO.

a) WSD = , μm

c) WSD = , μm d) WSD = , μm

e) WSD = μm f) WSD = μm

A fim de avaliar a formação de filme sobre a superfície desgastada, foi importante realizar análise de EDS, como se apresenta na fig. 17. Esta figura apresenta a análise química elementar das regiões de contato lubrificadas com diferentes lubrificantes contendo nanopartículas de CuO ou ZnO. Além disso, os EDS apresentam os elementos químicos presentes nas áreas indicadas na fig. 16 e 17. Com base na fig. 17(a-d) foi possível avaliar o efeito de CuO sobre a redução do desgaste. O maior teor de Cu foi encontrado quando o óleo sintético foi o lubrificante de base. Como foi mencionado acima, o melhor desempenho para o óleo sintético é obtido com nanopartículas de CuO, este fato foi comprovado através do espectro EDS. Para o óleo de girassol e o mineral, o percentual de Cu foi menor, indicando menor deposição de CuO sobre a superfície desgastada. Curioso é o espectro de óleo de soja, Cu não está identificado na superfície desgastada e, consequentemente, nenhuma película CuO foi formada. Outra importante observação é o teor mais elevado de carbono (C) na superfície desgastada lubrificada com óleo de girassol + CuO em comparação com as

outras superfícies. O elemento carbono possivelmente deriva da composição do óleo, devido à sua maior polaridade, que ajuda a adesão do material na superfície.

Figura 18: Análise de EDS da superfície desgastada de disco de aço por: o óleo de soja a) óleo de girassol + CuO, b) + CuO, c) óleos sintéticos + CuO, d) óleo mineral + CuO, e) o óleo de

girassol + ZnO, f) o óleo de soja + ZnO, g) de óleo sintético e ZnO, h) óleo mineral + ZnO.

Analisando o conteúdo de zinco (Zn) nos espectros da EDS (Fig. 17(e-h)) verificou-se que o Zn está presente em toda a superfície desgastada em menor concentração do aditivo nos óleos: sintético e soja epoxidado, indicando uma menor deposição na superfície gasta. Por outro lado, observou-se um maior teor de Zn na superfície desgastada para o óleo mineral, a formação do filme mostrado foi mais eficaz com ZnO. Esta observação pode ser confirmada pelas imagens de MEV e percentagem de película formada, a superfície desgastada (Fig. 18f) é mais lisa do que a superfície desgastada para o óleo mineral puro (Fig. 18b), através da Fig. 15a, o ZnO melhora a formação do filme de óleo mineral. O mecanismo pelo qual as nanopartículas de CuO e ZnO reduz o atrito e desgaste é explicado pela formação de uma película de nanopartículas. No entanto três processos diferentes pode ter lugar: as nanopartículas podem ser fundidas e soldadas sobre a superfície de corte (o que não é possível para esta pesquisa, devido aos pontos de fusão das nanopartículas estudados, entre 1326 e 2700 ºC); reagiu com a superfície do metal a formou uma camada de proteção (isto é improvável devido à natureza de nanopartículas de óxido de metal), ou nanopartículas

são depositadas sobre a superfície e formar um tribofilme físico que compensa a perda de massa. Esta última opção também foi verificados por Choi et al (2009). Nanopartículas no óleo lubrificante podem preencher as ranhuras da superfície de atrito. Ao mesmo tempo, o filme por adsorção fisica é formado com as nanopartículas. Quando existe uma boa deposição de nanopartículas, o resultado é uma redução da força de atrito e uma superfície plana e lisa, como observado no óleo mineral adicionado com ZnO (Fig. 17d).