Regimes de lubrificação

Quando duas superfícies em contato deslizam uma sobre a outra, a interação entre suas asperezas é responsável por gerar as forças de contato que se opõem ao movimento (conhecidas como forças de atrito), que têm, então, parte de suas energias dissipadas na forma de calor, ruído e desgaste dos materiais envolvidos no contato. Se entre as superfícies houver um material servindo de interface entre o contato das superfícies e agindo de modo a diminuir estas forças de atrito, diz-se que o deslizamento é lubrificado.

O material lubrificante caracteriza-se por ter uma tensão de cisalhamento menor que a dos materiais das superfícies envolvidas e sua presença faz com que haja um afastamento entre elas, de modo que a combinação destes dois fatores evita a deformação plástica das asperezas seguida por cisalhamento, que seria a responsável por um desgaste acentuado das superfícies e um elevado coeficiente de atrito entre elas. Mesmo em casos onde a espessura da camada do lubrificante

não é capaz de evitar o contato entre as asperezas, este ainda provê proteção, pois suas moléculas podem ser adsorvidas pelas superfícies fazendo com que os fenômenos de adesão (junção molecular de asperezas) não ocorram (HUTCHINGS, 1992).

Em função de parâmetros tais como velocidade do deslizamento (U), carga normal por unidade de comprimento aplicada sobre as superfícies7 (W) e viscosidade dinâmica do lubrificante (η), pode-se ter uma estimativa do comportamento do coeficiente de atrito (μ) entre as superfícies e se haverá ou não o contato entre as asperezas. O gráfico da Figura 2.14, também conhecido com Curva de Stribeck, mostra este comportamento e classifica o deslizamento lubrificado em três regimes de lubrificação de acordo com a relação existente entre a espessura do filme de óleo (h) e a rugosidade superficial das áreas em contato (R).

Figura 2.14 - Proporcionalidade do coeficiente de atrito em um deslizamento lubrificado em função dos parâmetros combinados de viscosidade, velocidade de deslizamento e carga

normal aplicada (HUTCHINGS, 1992).

7 O equacionamento da Curva de Stribeck é proveniente de estudos de lubrificação em mancais de deslizamento, onde a carga aplicada é associada à largura do mancal. O parâmetro W neste estudo tem unidade de força por unidade comprimento ( [M][T]-2 ).

Nas condições onde a relação entre a velocidade de deslizamento entre as superfícies e a carga normal aplicada é alta o suficiente para que seja formado um filme de lubrificante capaz de separar inteiramente as duas superfícies a ponto de não haver contato entre as asperezas (h >> R), diz que o regime de lubrificação é hidrodinâmico (HD). Nele a viscosidade do lubrificante é um parâmetro importante, pois define a velocidade a partir da qual a completa separação das superfícies pelo filme começa a ocorrer e, também, a taxa de aumento no coeficiente de atrito em razão do aumento das forças hidrodinâmicas opostas ao movimento (HUTCHINGS, 1992).

Em casos onde a pressão na zona de contato é maior devido à geometria das superfícies, o filme de lubrificante torna-se menos espesso podendo chegar a dimensões da ordem da rugosidade superficial (h ≅ R), fazendo com que as asperezas se toquem e deformem elasticamente (HUTCHINGS, 1992). Tal tipo de regime de lubrificação é chamado de elasto-hidrodinâmico (EHD) e, pelo gráfico, nota-se que nele há um comportamento transitório do coeficiente de atrito: quando a relação U/W é baixa, as forças de atrito são provenientes das deformações elásticas sofridas pelas asperezas, portanto altas; com o aumento desta relação elas tendem a baixar devido ao distanciamento das superfícies provocado pelo aumento de espessura do filme de lubrificante, porém com tendência de aumentarem gradativamente em razão das forças hidrodinâmicas começarem a ser significativas.

O terceiro tipo de lubrificação ocorre nas situações onde as cargas aplicadas são altas e combinadas com baixas velocidades de deslocamento, impossibilitando a manutenção de um fino filme de lubrificação elasto-hidrodinâmica entre as superfícies. A proteção ao desgaste se dá pela adsorção molecular do lubrificante pelas superfícies, e é dependente das forças de repulsão entre as moléculas para suportar o carregamento. A este regime dá-se o nome de lubrificação por camada limite.

2.3.1.1.1 Lubrificação por camada limite

A adsorção de um filme molecular na superfície de um metal, característica da lubrificação por camada limite, ocorre devido à polaridade dos compostos do

lubrificante. Em um lubrificante comum, estes compostos normalmente são formados por longas cadeias de ácidos carboxílicos [R-C(=O)OH], sendo que a extremidade que contém o grupo carboxila tem maior polaridade, fazendo-a aderir ao metal ou, se existir, à camada de óxido situada em sua superfície. Como a cadeia molecular destes componentes costuma ser longa e, visto que a polaridade do radicais é a mesma, as moléculas se alinham perpendicularmente à superfície do metal, como mostra a Figura 2.15. A força de repulsão entre elas fará com que a carga normal aplicada sobre as superfícies em contato seja suportada pelas cadeias hidrocarbônicas, diminuindo a força de atrito que resultaria do movimento caso não houvesse este fenômeno de adsorção (HUTCHINGS, 1992).

Figura 2.15 - Representação do regime de lubrificação por camada limite mostrando os grupos polares das moléculas adsorvidos na superfície do metal (STACHOWIAK, 2001).

Moléculas de outros grupos químicos que contenham oxigênio (O), nitrogênio (N) ou o grupo hidroxila (OH) em uma de suas extremidades também são altamente polares (LUDEMA, 1996) e, visto que a interação entre os hidrocarbonetos saturados dos óleos minerais e os metais ou seus óxidos é fraca (dependente apenas de forças intermoleculares, como de Van der Waals, o que leva a uma baixa energia de ligação entre substrato e adsorvido), estes precisam ser aditivados com substâncias contendo tais grupos para que tenham sua capacidade de lubrificação por camada limite melhorada (PERSSON, 1998).