Atrito

O coeficiente de atrito cinético medido pelo equipamento está mostrado nas Figuras 4.7 e 4.8. Pode-se notar que em todas as repetições realizadas de um mesmo parâmetro para um mesmo material há resultados bastante próximos. A tendência geral, para o bronze, é o início com baixo atrito (tendendo a zero) que se eleva rapidamente nos primeiros segundos de ensaio para atingir um valor máximo, em seguida caindo e atingindo uma estabilização em torno de 80s para o parâmetro 1, 100s para os parâmetros 2 e 3 e 150s para o parâmetro 4. No compósito de grafite, no entanto, observa-se um coeficiente de atrito máximo no início do desgaste, caindo nos primeiros 60s de ensaio até atingir um valor estável que se mantém até a parada do experimento. Estes formatos de curva de running-in são observados em atrito de metal contra metal, segundo Blau (1995), quando há uma elevada taxa de desgaste inicial que se desenvolve até que as asperezas mais pontiagudas sejam desgastadas e a superfície se torne mais suave. No caso dos compósitos estudados neste trabalho, cujas durezas e módulos de elasticidade são muito inferiores aos do contra-corpo, considera-se que esta etapa transiente seja devido à impressão das asperezas do disco na superfície do pino, já que os maiores picos de aspereza do pino já seriam conformados no momento da aplicação da carga. A deformação plástica da superfície do pino pôde ser visualizada no momento da aplicação da carga através das imagens térmicas, conforme mostra a Figura 4.9. Antes do contato a temperatura do pino é aproximadamente um grau centígrado menor do que após a aplicação da carga.

Blau (1995) afirma que uma variação no carregamento pode mudar o aspecto da curva por conta da mudança nos processos da interface. Assim, pode-se afirmar que para os valo- res de carregamento e velocidade utilizados neste trabalho, os processos que ocorrem no con- tato são os mesmos, com certa variação entre os mecanismos dos compósitos PTFE+Bronze e

Figura 4.7 – Coeficiente de atrito cinético em função do tempo de ensaio para os diferentes níveis de carregamento para o compósito de PTFE+Grafite. a) Parâmetro 1; b) Parâmetro 2; c) Parâmetro 3; e d) Parâmetro 4

Figura 4.8 – Coeficiente de atrito cinético em função do tempo de ensaio para os diferentes níveis de carregamento para o compósito de PTFE+Bronze. a) Parâmetro 1; b) Parâmetro 2; c) Parâmetro 3; e d) Parâmetro 4

Figura 4.9 – Imagens térmicas antes (a) e após (b) aplicação da carga, antes do início da rotação do disco, evidenciando o aquecimento por deformação plástica.

PTFE+Grafite, pois não aparecem mudanças na aparência da curva de running in para o mesmo material.

Para o compósito de grafite observa-se a redução do coeficiente de atrito por conta do desenvolvimento do filme na superfície do disco, fenômeno que poderia ser efetivamente pro- vado com a realização de ensaios com o compósito sobre o filme já formado. Estes ensaios não foram realizados pois fogem ao escopo deste trabalho. Para o PTFE+Bronze, o formato da curva pode ser explicado pela forma como as partículas de bronze são desgastadas, primeiramente com a quebra dos óxidos superficiais – aumentando o coeficiente de atrito – e depois com a formação do filme polimérico, que reduz novamente o atrito. Esta discussão está aprofundada na Seção 4.5, onde se analisa o aspecto topográfico dos pinos de PTFE+Bronze.

Analisando os gráficos das Figuras 4.7 e 4.8 pode-se obter valores médios do coefici- ente de atrito após a estabilização, bem como o desvio padrão em relação à média. Para isso foram avaliados os últimos 200s de ensaio, realizando a média aritmética dos valores medidos pelo equipamento. Como resultado obteve-se o gráfico apresentado na Figura 4.10. Nota-se que, comparando aos resultados de Boutin e Rocha (2015), o compósito de PTFE+Grafite apresen- tou menor coeficiente de atrito cinético, ao mesmo tempo em que o compósito de PTFE+Bronze demonstrou um ligeiro aumento neste coeficiente. Isso pode ser explicado pela natureza do gra- fite, que é extensamente usado como lubrificante sólido em diversas aplicações. Os bronzes e as ligas de cobre em geral, no entanto, apresentam maiores valores de atrito, e são utilizados em deslizamento contra aços por conta de sua baixa afinidade química com o ferro.

O coeficiente de atrito também possui uma tendência a diminuir conforme aumenta o carregamento. Este comportamento foi modelado por Archard segundo a relação expressa na Eq. 4.2, que considera o contato como o de uma única aspereza. Nesta relação, 𝐹𝑁 representa a

Figura 4.10 – Gráfico comparando os coeficientes de atrito cinéticos encontrados nos dife- rentes materiais.

força normal (carregamento) e k é um coeficiente com valor compreendido entre 1 4 e

1 3.

𝜇 ∝ 𝐹_𝑁−𝑘 (4.2)

Ajustou-se os dados obtidos a uma curva apropriada que segue a relação de Archard, representada na Figura 4.11. Percebe-se que as correlações são bastante representativas, com valores de 𝑅2_{maiores que 0.99. No entanto, o valor de 𝑘 para o compósito de PTFE+Grafite se}

apresenta maior que os limites propostos por Archard. Isso significa que o grafite age de forma mais intensa que o bronze nos compósitos de PTFE, fazendo-o se distanciar da modelagem do PTFE puro. Um valor maior de 𝑘 significa que o coeficiente de atrito está caindo mais rápido com o aumento da força normal. Espera-se, por isso, que compósitos de PTFE+Grafite possuam melhores características quando submetidos à maiores carregamentos, pelo menos do ponto de vista do coeficiente de atrito. Comparativamente, o valor de 𝑘 para o PTFE puro em ensaio pino sobre disco foi 0,23 (BOUTIN; ROCHA, 2015) – contra 0,29 para o compósito de bronze e 0,46 para o compósito de grafite.

Figura 4.11 – Gráfico do coeficiente de atrito cinético em função da carga normal aplicada.

4.4.2 Análise térmica

A partir das imagens térmicas obtidas durante o ensaio (Figura 4.12), avaliou-se a tem- peratura máxima registrada no entorno do contato utilizando as ferramentas do software FLIR Tools, disponibilizado pela fabricante da câmera termográfica. Também foram coletados dos metadados das imagens os tempos exatos de captura, fazendo-se então um cruzamento com o tempo de início do ensaio registrado pelo tribômetro. Assim pôde-se determinar o tempo de en- saio para cada termografia, gerando-se como resultados os gráficos como os vistos nas Figuras 4.13 e 4.14. Estes gráficos foram escolhidos para representar as situações típicas do ensaio. A totalidade dos gráficos gerados está reunida no Apêndice A para referência.

Figura 4.12 – Representação da termografia, mostrando as regiões relevantes para a aná- lise

Figura 4.13 – Gráficos da evolução da temperatura no contato para os quatro níveis de carregamento no compósito de PTFE+Grafite.

Observa-se que a temperatura atingida nos ensaios para o compósito de PTFE+Grafite nunca ultrapassou os 32,7∘_{C, enquanto a maior temperatura registrada para PTFE+Bronze foi de}

37,1∘_{C. Isso é explicado pela maior capacidade de dissipação térmica encontrada no grafite, cuja}

condutividade térmica é de aproximadamente 93,5W/(K · m) contra 74W/(K · m) para bron- zes de estanho. Isso vai de encontro ao senso comum, que considera que metais sempre possuem alta capacidade de dissipação térmica quando comparados à materiais não-metálicos. Em geral, isso é verdadeiro, mas para este caso especificamente tem-se o grafite 26% mais condutivo termi- camente que seu concorrente metálico, o que no compósito determinou uma diferença de cerca de cinco graus centígrados no contato. Esta discrepância de condutividades térmicas também fica evidente na Figura 4.15, onde a partir de duas termografias obteve-se a distribuição de tem- peraturas ao longo das linhas verticais representadas por “Li1”. A termografia superior esquerda corresponde a um ensaio com pino de PTFE+Grafite, enquanto a inferior corresponde ao ensaio de PTFE+Bronze; à direita, está representado um gráfico da razão da temperatura a cada ponto (𝑇 ) pela temperatura máxima (𝑇𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜) ao longo do pino para os dois materiais. Assim, o valor

1 significa que a temperatura é igual à temperatura no contato. Fica evidente que a temperatura está concentrada na ponta do pino de PTFE+Bronze, o que não acontece com o compósito de grafite. Neste, a distribuição é menos inclinada, levando à conclusão de que a temperatura é mais homogeneamente distribuída por conta de uma maior dissipação térmica.

Observando as Figuras 4.13 e 4.14, percebe-se um crescimento mais rápido da tempera- tura no início do ensaio, com uma diminuição da taxa de aquecimento por volta de 60s de ensaio para ambos os materiais. Isso pode ser explicado pelas maiores taxas de deformação no início

Figura 4.14 – Gráficos da evolução da temperatura no contato para os quatro níveis de carregamento no compósito de PTFE+Bronze.

do desgaste, o fenômeno de wear-in. A deformação plástica leva à geração de calor, e como no início do desgaste há maiores taxas de deformação, existem também maiores taxas de geração de calor. Além disso, no início do ensaio ambos os materiais apresentam maiores valores de atrito – o qual dissipa energia também na forma de calor – levando a um mais acelerado aquecimento. Este fato é apoiado pelo tempo no qual os fenômenos acontecem: tanto o atrito quanto a taxa de aumento da temperatura são maiores no primeiro minuto do ensaio.

Também deve ser levado em conta que o sistema aquece enquanto ainda não se atinge o estado estacionário das trocas térmicas. Enquanto as temperaturas são baixas, há pouca trans- ferência de calor para o ambiente, de modo que a temperatura no contato tende a subir. Con- forme esta temperatura aumenta, também aumenta a parcela de calor perdida para o ambiente, principalmente por convecção e por condução, cujos valores são proporcionais ao gradiente de temperatura observado. Quando esta taxa de transferência de calor se iguala à de geração de calor no contato, tem-se o estado estacionário no qual a temperatura de contato não mais varia. Este estado não ocorre para o valor de distância de deslizamento utilizado neste trabalho, sendo necessário mais tempo em deslizamento para que a temperatura atinja um patamar estável.

Deve-se notar, pelos gráficos apresentados no Apêndice A e mostrados parcialmente na Figura 4.16, que a ordem de realização dos ensaios influencia na temperatura de cada parâmetro. Isso ocorre pois os quatro parâmetros foram ensaiados sequencialmente em um mesmo disco. No primeiro ensaio a temperatura do disco é igual, aproximadamente, à temperatura ambiente. Para o segundo ensaio, no entanto, a temperatura é maior em decorrência do aquecimento provo-

Figura 4.15 – Representação do perfil térmico (direita) obtido a partir das termografias do ensaio de PTFE+Grafite (esquerda, superior) e PTFE+Bronze (esquerda, inferior).

cado pelo primeiro ensaio, e assim sucessivamente. Nas amostras de PTFE+Grafite, os ensaios foram realizados na ordem (1-3-2-4), enquanto que nas amostras de PTFE+Bronze não se seguiu ordem fixa para realização dos ensaios em cada disco. Como resultado, nas medidas de tempe- ratura do PTFE+Grafite observou-se forte tendência à temperatura mais alta ser a do parâmetro 4, seguida dos parâmetros 2, 3 e 1, nesta ordem. Para o PTFE+Bronze, no entanto, observou-se que o parâmetro com maior temperatura é, quase sempre, o que foi realizado por último, assim como a sequência crescente de temperaturas correspondeu à sequência dos ensaios realizados. Deste modo, deve-se admitir que, para se realizar uma comparação adequada entre as tempera- turas alcançadas para cada parâmetro, deve-se padronizar a temperatura inicial de cada ensaio – possivelmente realizando apenas um ensaio por disco, conforme sugerido na seção 4.1, ou aguardando até a estabilização da temperatura do disco com a temperatura ambiente.

4.4.3 Desgaste

Pôde-se avaliar a perda mássica sofrida pelas amostras nas diferentes condições para cada material, tendo-se reunido os resultados nos gráficos da Figura 4.17.

Figura 4.17 – Gráficos das perdas de massa observadas nas amostras de PTFE+Grafite (a) e PTFE+Bronze (b) após 500m de deslizamento sobre aço inoxidável AISI 304.

Observa-se que para o compósito de grafite há uma incerteza muito maior do que para o compósito de bronze. Como os ensaios foram realizados sob as mesmas condições, isso leva a entender que as partículas de grafite sofreram desgaste de maneira mais aleatória que as partí- culas de bronze, possivelmente desprendendo grandes quantidades de material de maneira des- contínua. O bronze, por outro lado, apresentou menores dispersões, indicando que seu desgaste ocorreu de forma mais contínua.

O compósito que apresentou menores valores de perda mássica foi o PTFE+Bronze, porém por uma diferença muito pequena em relação ao material carregado com grafite. Estatis- ticamente, pode-se afirmar com 95% de certeza que as perdas mássicas dos dois materiais foram equivalentes. No entanto, na comparação com os resultados de Boutin e Rocha (2015), mostrada na Figura 4.18, pode-se verificar a grande diferença entre os desgastes observados. Enquanto o PTFE puro, no mesmo ensaio sob os mesmos parâmetros, apresentou média de 13mg de perda mássica, os compósitos estudados neste trabalho perderam apenas 2,6 a 3,1mg, em média. Isso comprova as hipóteses iniciais de que a utilização de outros materiais como reforço para o PTFE reduz em até uma ordem de grandeza os valores de desgaste.

Já as taxas de desgaste foram obtidas através da divisão da perda mássica pelo tempo de deslizamento de cada ensaio, conforme correlacionado na Tabela 9. Pode-se observar que os valores são muito próximos entre si. Ao realizar uma análise estatística de diferença de médias, constata-se que os quatro valores de taxa de desgaste são iguais, para cada material.

Isso se observa, nestes quatro ensaios, pois o parâmetro PV foi mantido constante. Isso quer dizer que os ensaios com maior carregamento foram realizados por um mais longo tempo,

Figura 4.18 – Gráficos das perdas de massa para PTFE+Grafite, PTFE+Bronze e PTFE puro (BOUTIN; ROCHA, 2015) utilizando o parâmetro 4 de carregamento.

Tabela 9 – Taxas de desgaste médias para os quatro parâmetros de carregamento de PTFE+Grafite e PTFE+Bronze

Material Parâmetro Tempo de ensaio [s] Taxa de desgaste média [g/h] PTFE+Grafite 1 593 0,019±0,004 2 764 0,021±0,010 3 928 0,016±0,006 4 1031 0,018±0,007 PTFE+Bronze 1 593 0,016±0,001 2 764 0,017±0,003 3 928 0,014±0,003 4 1031 0,016±0,002

pois suas velocidades eram menores. Este é um dado importante para o projeto de componentes, pois levando-se em conta a severidade no contato, expressa pelo parâmetro PV, pode-se estimar o tempo de vida em trabalho destes elementos. Trabalhos futuros podem, portanto, investigar a correlação entre PV e a taxa de desgaste.

4.5 ALTERAÇÕES TOPOGRÁFICAS

Conforme mostrado no Capítulo 3, várias ferramentas foram utilizadas para avaliar as superfícies dos corpos de prova e contra-corpos. Nas seguintes subseções serão mostrados e discutidos os dados obtidos por inspeção visual, microscopia eletrônica de varredura e interfe- rometria de luz branca para avaliar as mudanças topográficas após os ensaios.

4.5.1 Corpos de prova

A olho nu, conforme mostra a Figura 4.19, pode-se notar que os pinos sofreram desgaste de modo a imprimir sobre sua superfície um aspecto semelhante às rugosidades encontradas no contra-corpo, provenientes do processo de usinagem. Observando as mesmas superfícies ao MEV, foi possível verificar riscos e sulcamentos típicos do desgaste abrasivo, como mostram as Figuras 4.20 e 4.23.

Figura 4.19 – Fotografia dos pinos de PTFE+Bronze e PTFE+Grafite após 500m de desli- zamento sobre disco de aço inox. Parâmetros 1 a 4 da esquerda para a direita.

A Figura 4.20 mostra, também, a borda de saída do contato dos pinos. É possível per- ceber, para ambos os compósitos, um acúmulo de material nessa região, formado por lamelas de PTFE altamente deformado, evidenciado pela presença de fibrilas (Figura 4.21a). Estas fibrilas são pequenas fibras de diâmetro nanométrico que não podem ser vistas a partir de microscópio ótico, mas apenas por meio de microscópio eletrônico. Elas se formam, segundo Manrich (2005), a partir das regiões amorfas do polímero. O estiramento a frio causa a orientação das moléculas dessas regiões no sentido do puxamento, causando um aumento no grau de cristalinidade do material. As fibrilas também estão presentes na superfície desgastada dos pinos, como mostrado na Figura 4.21b. Nota-se nesta Figura, também, o desprendimento dos filmes da superfície, con- tribuindo para o entendimento de que os filmes se formam a partir de lamelas que se depositam no contra-corpo sucessivamente, criando várias camadas umas sobre as outras. No compósito de PTFE+Bronze também verificou-se a formação destas fibrilas, como mostrado na Figura 4.22.

Figura 4.20 – Micrografia eletrônica da borda dos pinos após 500m de deslizamento. (a) a (d) - PTFE+Grafite e (e) a (h) - PTFE+Bronze (ambos em ordem crescente de carregamentos)

Figura 4.21 – Micrografia eletrônica dos pinos de PTFE+Grafite após 500m de desliza- mento, mostrando a formação de fibrilas. a) Borda do pino; b)Superfície do pino.

Figura 4.22 – Micrografia eletrônica de um pino de PTFE+Bronze após 500m de desliza- mento, mostrando a formação de fibrilas

.

Neste caso, é possível visualizar regiões com grande formação de fibrilas, em comparação com as fibrilas isoladas que podem ser verificadas no compósito de grafite. Além disso, não é possí- vel visualizar nestas regiões a presença de partículas de bronze. Isso pode indicar que o reforço estrutural destas partículas impede as altas deformações localizadas do polímero, e apenas com o desprendimento das partículas o material se deforma a ponto de formar as fibrilas.

Na Figura 4.23 pode-se visualizar dois tipos diferentes de riscos na superfície dos pinos de PTFE com reforço de grafite. Riscos mais profundos foram provenientes do mecanismo de microcorte, onde há maior remoção de material e, portanto, maior taxa de desgaste. O outro me- canismo, denominado microssulcamento, é caracterizado pela deformação superficial, levando ao levantamento das regiões adjacentes ao risco. Isso leva a uma menor taxa de remoção de material em relação ao outro mecanismo apresentado.

O desgaste abrasivo ocorreu pela elevada diferença de durezas entre o pino e o contra- corpo, e nota-se que os riscos e sulcamentos foram originados pelos picos de rugosidade do contra-corpo. Numa eventual redução da rugosidade do disco, como por um processo de poli- mento, espera-se haver redução no desgaste abrasivo dos compósitos de PTFE. Repara-se tam- bém que, com o aumento do carregamento há um aumento na severidade dos riscos encontrados na superfície da amostra. Na Figura 4.23a pode-se notar uma leve depressão na topologia da amostra, característica do microssulcamento, enquanto na Figura 4.23d pode-se ver um risco

Figura 4.23 – Micrografia eletrônica evidenciando os riscos dos pinos de PTFE+Grafite após 500m de deslizamento. a) Parâmetro 1; b)Parâmetro 2; c) Parâmetro 3; e d) Parâmetro 4.

profundo, com aparência de microcorte. Nas imagens dos parâmetros intermediários (Figura 4.23b/c) pode-se ver o aumento gradual dos sulcos para riscos.

Nas amostras de PTFE+Bronze verificou-se, também, a formação de riscos (Figura 4.24b). No entanto, comparativamente ao PTFE+Grafite estes riscos são menos acentuados, com características de microssulcamento. Nota-se nestas amostras muito mais facilmente o fenômeno de deformação da superfície, que leva ao desgaste adesivo. Verifica-se, na Figura 4.24, que as partículas de bronze se apresentam maiores. Isso acontece pois elas sofreram deformação no sentido do deslizamento, fazendo com que a superfície do pino fique coberta por placas de bronze deformado. No detalhe mostrado na figura, pode-se ver a sobreposição das placas, evidenciando este mecanismo.

Este resultado ajuda a explicar o fenômeno de running-in da curva do coeficiente de atrito apresentado na Seção 4.4. No início do deslizamento o contato é primariamente entre os óxidos superficiais do bronze e do aço inoxidável. Com a quebra destes óxidos no decorrer do ensaio, há o contato de metal contra metal – que apresenta maior coeficiente de atrito, devido às tendências de adesão das asperezas metálicas. Em seguida, há a deformação plástica do bronze com um encruamento e, consequentemente, o aumento da dureza deste material. Ao mesmo

Figura 4.24 – Micrografias eletrônicas comparando a superfície do pino de PTFE+Bronze após 500m de deslizamento com o material em estado de fornecimento. a) Material em estado de fornecimento; e b) Material após desgaste.

tempo, o filme de PTFE se desenvolve e há uma redução do coeficiente de atrito. 4.5.2 Contra-corpos

Os discos apresentaram, após o ensaio no tribômetro, filmes de compósitos visíveis