Ao colocar dois materiais sólidos em contato, e as superfícies desses corpos forem previamente cobertas com um material de baixa resistência ao cisalhamento (por exemplo: óleo), o processo de atrito tenderá a localizar-se neste material, e só afetará parcialmente os corpos em contato. Conforme Helman e Cetlin (1993), é esse material interposto que pode ser sólido, líquido ou gasoso que denomina-se “lubrificante”. Nessas circunstancias as forças de
atrito estão fundamentalmente determinadas pelas características mecânicas da película lubrificante.
Profito (2010) afirma que quando duas superfícies estão em contato, os carregamentos externos que atuam sobre as mesmas são suportados pela interação das diversas asperezas presentes na interface de contato, onde com essas condições a força tangencial necessária para proporcionar o movimento torna-se elevada, causando altos níveis de atrito, desgastes e danos superficiais. Para reduzir esses esforços resistentes ao movimento, lubrificantes (líquidos ou sólidos) são introduzidos na região de contato com o objetivo de evitar parcial ou completamente o contato das asperezas.
2.4.1 Características desejadas dos lubrificantes
Para que se obtenha uma boa eficiência no emprego de lubrificantes para controle do atrito na conformação de metais, é necessário analisar as características e o emprego de lubrificantes apropriados para cada aplicação.
Dieter (1981) afirma que ao selecionar um lubrificante, a peça, a matriz e o lubrificante devem ser considerados como um único sistema, que atendam algumas características e funções desejadas.
Dentre essas características, conforme Altan e Gebel (1999), espera-se que o lubrificante atenda pelo menos alguma, sendo as seguintes:
1. Reduzir o atrito de deslizamento entre matriz e a peça, sendo alcançado pelo uso de lubrificantes de alta “lubricidade”;
2. Agir como um agente de prevenção da aderência e soldagem da peça na matriz; 3. Possuir boas propriedades de isolamento, afim de reduzir perda de calor da peça
para a matriz;
4. Ser inerte para prevenir ou minimizar reações;
5. Não ser abrasivo para reduzir a erosão na superfície da matriz, evitando desgaste;
6. Ser livre de componentes poluidores ou venosos não produzindo gases perigosos ou de odor desagradável;
7. Ser facilmente aplicável e removível da peça e da matriz; 8. Ser comercialmente disponível a um custo razoável.
Da mesma forma, Dieter (1981) ainda cita que o lubrificante deve reduzir a carga de deformação, aumentar o limite de deformação que antecede a fratura e controlar o acabamento da superfície da peça.
2.4.2 Tipos de lubrificantes
Existem alguns elementos que são mais comumente encontrados atuando como lubrificantes no processamento mecânico. Helman e Cetlin (1993) descreve-os como sendo:
a. Água – apresenta alto calor específico e é o principal constituinte quando se deseja refrigerar e remover contaminadores simultaneamente;
b. Óleos minerais puros – geralmente pouco usados, sendo extensamente utilizados quando agregados a óleos e ácidos graxos;
c. Óleos e ácidos graxos – os ácidos graxos são os mais usados, formando sabões metálicos devido a ação química sobre o metal. Os óleos graxos são saponificados e combinados com óleos minerais, formando graxas.
d. Ceras – razoavelmente bons lubrificantes, conseguindo suportar altas pressões, principalmente quando combinadas a ácidos graxos ou sabões;
e. Sabão – sabão metálico em pó é frequentemente utilizado na estampagem profunda;
f. Sólidos minerais – podem ser constituídos de componentes ativos (usados para melhorar as propriedades lubrificantes sob alta pressão) e passivos (minerais inertes que melhoram a adesão ao metal e seu comportamento em condições críticas de trabalho);
g. Sólidos metálicos – metais duros podem ser cobertos por metais macios, tais como: chumbo, cobre, índio.
h. Vidros – usados como capa de baixo atrito em operações que alcançam temperaturas suficientemente altas para que o vidro se torne plástico.
i. Materiais sintéticos – formam uma proporção crescente de lubrificante para serem empregados na conformação mecânica de metais;
2.4.3 Regimes de lubrificação e Curva de Stribeck
Stoeteral (2004) afirma de forma geral que a lubrificação é dividida em cinco grandes áreas de estudo, as quais são:
• Lubrificação hidrodinâmica;
• Lubrificação elasto-hidrodinâmica;
• Lubrificação limite;
• Lubrificação sólida;
• Lubrificação hidrostática.
Contudo, Altan e Gebel (1999), Helman e Cetlin (1993) e Folle (2012) afirmam que basicamente três são os tipos de lubrificação que governam as condições de atrito em conformação de metais, sendo:
• Condição a “seco” ou “de contorno”, na qual não existe lubrificação na interface e há contato físico entre as superfícies que interagem. Neste caso o coeficiente de atrito é elevado e governado pelo contato entre os picos de rugosidade superficial, sendo uma situação desejada em apenas algumas condições particulares, como na laminação a quente de chapas por exemplo.
• Condição “hidrodinâmica” é quando uma espessa camada de lubrificante está presente entre a matriz e a peça. Esse assunto é tratado na mecânica dos fluidos onde as tensões geradas tem relação com a viscosidade do fluido. A viscosidade da maioria dos lubrificantes diminui rapidamente com o aumento da temperatura, consequentemente as condições hidrodinâmicas existem somente em determinados regimes de velocidades, na qual a temperatura na interface é relativamente baixa.
• Condição “mista” é quando um filme de lubrificante envolve todo o material a ser conformado, sendo uma situação intermediária entre a condição de “contorno” e a “hidrodinâmica”. É a situação mais amplamente encontrada na conformação de metais.
Segundo Folle (2012) em 1902, Stribeck foi o primeiro que relatou a dependência do coeficiente de atrito com uma análise da velocidade de eixo em mancais. Em seu trabalho ele apresentou uma curva com três regimes de lubrificação distintos, sendo batizada com o nome do próprio autor, curva de Stribeck.
Profito (2010) relata que a curva de Stribeck corresponde a uma relação gráfica muito útil onde é possível analisar as diferentes condições de lubrificação citadas anteriormente. A Figura 32 apresenta um exemplo ilustrativo da curva de Stribeck.
Figura 32 - Modelo de Curva de Stribeck
Fonte: Adaptado de Rodrigues (2005)
Nesse modelo a curva de Stribeck evidencia o regime de transição entre a lubrificação hidrodinâmica e a lubrificação de fronteira ou de contorno. A maioria dos processos de deformação plástica possui regimes de lubrificação situados no interior da região hachurada, conforme descreve Rodrigues (2005).
De forma simplificada, a curva de Stribeck mostra a relação entre a espessura do filme de lubrificante e o coeficiente de atrito, onde quanto menor for a lubrificação entre as superfícies de contato, maior será o coeficiente de atrito entre ambas. Contrariamente a essa análise, não necessariamente quanto maior a espessura do filme de lubrificante, menor será o coeficiente de atrito. Percebe-se na Figura 32 apresentada anteriormente que existe um certo limite de “lubrificação ideal”, que apresenta o menor coeficiente de atrito, sendo que essa região está entre o regime de lubrificação mista e lubrificação hidrodinâmica.
Para exemplificar alguns estudos de caso, Bay (1994) elabora um trabalho sobre a influência das condições de lubrificação no processo de forjamento, e sua variação em função do tipo e severidade do processo, apresentando de forma detalhada as recomendações de lubrificante.