Desgaste por adesão ou filme transferido

O desgaste adesivo ocorre devido à fratura das junções formadas, nos contatos, que falham devido ao movimento relativo das superfícies (KAR; BAHADUR, 1978). As forças entre as superfícies nos contatos metal-polímero são

da mesma natureza das presentes no material polimérico, e assim, as forças da interface são tão fortes quanto o do material, que pode sofrer cisalhamento durante o deslizamento (LUDEMA; TABOR, 1966). Conforme verificado na seção 2.2, o desgaste adesivo ocorre preferencialmente quando a superfície do contra-corpo é relativamente mais lisa, e o mecanismo de desgaste está associado à transferência de material para o contra-corpo devido à adesão.

Devido estas forças de adesão, ocorre uma série de modificações nas camadas superficiais dos materiais, quais sejam: a formação de novos grupos funcionais, a formação de novas ligações com presença de átomos insaturados, o alinhamento de átomos e moléculas causando mudança na flexibilidade e mobilidade de macromoléculas (BELYI et al., 1977). Não são raras alterações de ponto de fusão do material após o deslizamento, relacionadas tanto com mudanças morfológicas, como com a degradação do material. Em muitos casos, as camadas superficiais são submetidas a grandes variações de temperatura, e dependendo do tempo de deslizamento, o resultado é similar a um tratamento térmico (KAR; BAHADUR, 1978).

Estudos de Agarwal et al. (1989) mostram resultados de mudanças na morfologia e na cristalinidade de pinos de PTFE em deslizamento sobre discos de aço com carregamentos de 44 e 74N, e velocidades de deslizamento de 0,73 e 1,46 m/s. Análises das camadas transferidas, e das superfícies dos pinos, mostraram cristalinização e amorfização, respectivamente. O valor original de cristalinidade do material era 85%, sendo que após o ensaio, as superfícies dos pinos apresentaram índice de cristalinidade entre 65 e 81%, e a camadas transferidas apresentaram valores entre 85 e 91%.

Contudo, este mecanismo é diferente para os vários tipos de materiais poliméricos e depende da razão entre as forças coesivas e as forças das ligações do próprio material. As tensões causadas pela adesão, em muitos materiais poliméricos, causam a quebra das ligações da cadeia e há a formação de radicais livres (BELYI et al., 1977) e a geração de partículas está normalmente associada ao cisalhamento interlamelar (KAR; BAHADUR, 1978).

O PTFE, cuja estrutura é apresentada na seção 2.2.1.3, deslizando contra uma superfície mais dura resultará no desgaste do material através do desprendimento

de camadas que serão transferidas para o contra-corpo (STACHOVIAK; BATCHELOR, 2001). Neste caso, em particular, segmentos de cadeia do material são desprendidos sem serem quebrados (BELYI et al., 1977). O mecanismo de desgaste é apresentado na Figura 2.49.

Figura 2.49 - Mecanismo de formação, e transferência, de filme transferido do PTFE para o contra-corpo.

Fonte: Adaptado de Stachoviak e Batchelor (2001).

Segundo Stachoviak e Batchelor (2001), são poucos os polímeros que apresentam este tipo de mecanismo, sendo algumas exceções: o polietileno de alta densidade (HDPE) e o polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE). Estes polímeros apresentam estruturas lineares, sem ramificações e sem polaridade, dando baixa força de coesão intermolecular com um alto grau de cristalinidade e seu comportamento de formação de filmes é atribuído a suavidade e simetria das suas cadeias moleculares (HUTCHINGS, 1992).

A grande maioria dos polímeros apresenta mecanismos de transferência nas quais fragmentos, ou pedaços, de material são transferidos. Este fenômeno também é comumente conhecido como mecanismo de transferência normal e pode ser visualizado na Figura 2.50. Este mecanismo não apresenta vantagens para o atrito ou para a resistência ao desgaste, sendo a sua capacidade de absorver a carga normal pequena, principalmente devido à área de contato que permanece, diferentemente do filme transferido, pequena, pois os fragmentos apresentam diâmetro médio de 1 µm (STACHOVIAK; BATCHELOR, 2001).

É normalmente necessário um período após o início do movimento para alcançar o estado de estabilidade. A partir deste momento, a taxa de desgaste é

proporcional ao carregamento normal para uma ampla faixa, conforme pode ser visualizado na Figura 2.40 (HUTCHINGS, 1992).

Figura 2.50 - Mecanismo de transferência normal apresentado pela maioria dos polímeros. Fonte: Adaptado de Stachoviak e Batchelor (2001).

O desgaste é resultante da remoção de material devido a adesão, através de forças de Van Der Waals, do material do polímero com a superfície do contra-corpo. A junção entre polímero e contra-corpo é mais forte que as ligações dentro do próprio polímero, e a falha acontece deixando um fragmento transferido. Com a continuidade do deslizamento há um aumento da camada transferida a qual eventualmente se desprende. Nestas condições, também conhecida como transferência normal, o polímero é transferido para o contra-corpo sem degradação química ou formação de protuberâncias irregulares e a taxa de desgaste é ditada pela taxa de remoção do filme transferido, do que necessariamente, pela taxa de transferência do filme transferido para o contra-corpo. Há evidências que polímeros são relutantes para transferências adicionais em seus próprios filmes transferidos, e se o filme transferido adere fortemente ao contra-corpo então a taxa de desgaste é baixa (HUTCHINGS, 1992).

Contudo, a manutenção da condição de baixo atrito e desgaste é precária. O retorno para a condição de transferência normal ocorre com aumento da rugosidade ou aumento de velocidade. Contudo, a fina e orientada camada transferida pode ser estabilizada através do aumento da adesão entre a camada e o contra-corpo. Alguns enchimentos específicos podem fazer esta função sem significante mudança no coeficiente de atrito. Por exemplo, adição de chumbo e cobre no HDPE, prove um efetivo aumento na resistência ao desgaste no deslizamento contra aço. Enchimentos metálicos como bronze também contribuem para a melhora na adesão.

Ainda outros filtros, como partículas de carbono, são utilizados para reduzir taxas de desgaste, pois estas aderem fortemente às asperezas do contra-corpo, reduzindo a rugosidade da superfície e provendo uma superfície mais limpa, ambos os resultados tendem a aumentar a adesão do filme transferido (HUTCHINGS, 1992).