DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
ENGENHARIA MECÂNICA
CAIO AUGUSTO GARCIA SAMPAIO VALENTE
AVALIAÇÃO TRIBOLÓGICA DE COMPÓSITOS DE PTFE EM
ENSAIOS TIPO PINO SOBRE DISCO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
(TCC 2 – Número de Inscrição – 52)
CURITIBA
2016
AVALIAÇÃO TRIBOLÓGICA DE COMPÓSITOS DE PTFE EM
ENSAIOS TIPO PINO SOBRE DISCO
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclu-são de Curso 2, do Curso de Engenharia Mecâ-nica do Departamento Acadêmico de MecâMecâ-nica - DAMEC - da Universidade Tecnológica Fede-ral do Paraná - UTFPR, como requisito parcial para a aprovação na disciplina.
Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique da Silva
CURITIBA
2016
Por meio deste termo, aprovamos o Projeto de Pesquisa “Avaliação Tribológica de Compósitos de PTFE em Ensaios Tipo Pino Sobre Disco”, realizado pelo aluno Caio Augusto G. S. Valente, como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
———————————————– Prof. Dr. Carlos Henrique da Silva
Departamento Acadêmico de Mecânica, UTFPR. Orientador
———————————————– Prof. Dr. Carlos Marcus G. da Silva Cruz
Departamento Acadêmico de Química e Biologia, UTFPR. Avaliador
———————————————– Prof. Dr. Rodrigo Lupinacci Villanova
Departamento Acadêmico de Mecânica, UTFPR. Avaliador
Agradeço à minha amada mãe, Donaide Valente, e ao meu querido pai, Arnaldo Va-lente, pelo apoio e carinho em todos os momentos e por me proporcionar a oportunidade de alcançar meus objetivos.
Ao professor Carlos Henrique, pela disponibilidade e presteza em todos os momentos que necessitei de orientação.
Aos apoiadores deste projeto, coletivamente financiado por: Josenair Gloor, Vitor Ber-nardi, Paulo Klaine, Amanda Valente, Greicy Klaar, Alessandro Massa, Jéssica Santo, Bernardo Villarinho, Bruna Borges, Luiz Fofano, Thaís Dotto e tantos outros que, mesmo não podendo auxiliar financeiramente, ajudaram com palavras e gestos de apoio.
Ao Instituto Federal do Paraná, por ceder suas instalações para confecção dos corpos de prova e contra-corpos utilizados neste trabalho; bem como ao professor Rogerio Gomes e à professora Danniella Rosa desta mesma instituição, que prestaram, respectivamente, auxílio nas etapas de usinagem e na obtenção das imagens térmicas.
Aos estagiários e servidores da UTFPR, em especial o técnico de laboratório Alexandre Gonçalves por um ótimo trabalho na captura das imagens do MEV e aos estagiários Diego Car-rillo e Guilherme Fernandes pelo importante auxílio em realizar as medições no interferômetro de luz branca.
Por fim, aos demais amigos e familiares pelo constante apoio e pela presença inestimá-vel em minha vida.
VALENTE, C. A. G. S. Avaliação Tribológica de Compósitos de PTFE em Ensaios Tipo Pino
Sobre Disco. Trabalho de conclusão de curso, 2016.
Estudos recentes do Laboratório de Análise de Superfícies e Contato (LASC) da UTFPR ava-liaram as propriedades tribológicas do politetrafluoretileno puro (PTFE) contra aço inoxidável, sem lubrificação, em ensaio pino sobre disco. Dando continuidade a este trabalho, buscou-se demonstrar qual é a variação nas propriedades tribológicas ao se adicionar partículas de grafite ou de bronze a este polímero. Para isso foi realizado o mesmo tipo de ensaio, pino sobre disco, sob as mesmas condições experimentais. As análises posteriores incluíram: a avaliação topo-gráfica das superfícies antes e após o desgaste, utilizando micrografias obtidas em microscópio eletrônico de varredura bem como medições em interferômetro de luz branca; a determinação do coeficiente de atrito cinético em função da força normal; a determinação da taxa de desgaste em função do nível de carregamento; e as variações a nível molecular nas cadeias poliméricas, por meio de análise de espectroscopia de infravermelho. Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios. A superfície apresentou sinais de desgaste por mecanismos de transferência de filme e também por abrasão, em menor intensidade. O coeficiente de atrito cinético foi menor no compósito de PTFE+Grafite, e o bronze não afetou positiva ou negativamente no atrito, tendo resultados estatisticamente iguais aos do PTFE sem reforço. As taxas de desgaste observadas fo-ram quatro a cinco vezes menores nos compósitos, quando comparadas ao mesmo ensaio com PTFE puro, comprovando a eficiência da utilização de reforços. As contribuições do grafite e do bronze para a resistência ao desgaste foram estatisticamente iguais entre si. Por fim, não foram encontradas alterações moleculares na superfície desgastada dos pinos.
VALENTE, C. A. G. S. Avaliação Tribológica de Compósitos de PTFE em Ensaios Tipo Pino
Sobre Disco. BSc. Eng. Thesis, 2016.
Recent studies in the laboratory of Surface and Contact Analysis in the UTFPR evaluated the tribological properties of pure polytetrafluoroethylene (PTFE) versus stainless steel, without lu-brication, on pin-on-disc tests. On the continuation of this project, the changes on tribological properties were demonstrated, when particles of graphite or bronze are added to this polymer. Further analysis included: evaluation of surface topography before and after wear using SEM micrographs and white-light interferometer measurements; determination of the coefficient of friction as a function of normal force; determination of wear rate as a function of loading level; and the molecular variation on polymer chains, from the FTIR analysis. The results were satis-factory. Signs of transfer film wear mechanisms were detected, as well as abrasion mechanisms in a lesser degree. Coefficient of friction was found to be smaller in the graphite-filled composite. Bronze did not affect the coefficient of friction, either positively or negatively, as bronze-filled PTFE composite showed statistically equal friction results compared to pure PTFE. Wear rates on composites were four to five times lower than pure PTFE rates, proving the effectiveness of fillers. Graphite and bronze contributions on PTFE wear resistance are similar, as the effects of both on wear are statistically equivalent. Lastly, molecular alterations were not found on the surface of pins.
Figura 2.1 – Reconstituição da descoberta do PTFE pelo Dr. Roy Plunkett ... 14
Figura 2.2 – Representação em bola e bastão da geometria molecular de um segmento de molécula de PTFE ... 15
Figura 2.3 – Formação do filme de PTFE no atrito contra superfície metálica ... 16
Figura 2.4 – Formação do filme de PTFE para os casos de superfície com baixa ativi-dade química e alta ativiativi-dade química... 17
Figura 2.5 – Comparativo entre o coeficiente de atrito cinético obtido com acabamento polido (Ra entre 0,1 e 0,2 µm) e espelhado (Ra entre 0,02 e 0,08 µm) ... 18
Figura 2.6 – Esquema mostrando a estrutura atômica hexagonal do grafite ... 20
Figura 2.7 – Imagens da máquina de atrito cinético tipo mancal sobre eixo ... 22
Figura 3.1 – Corpo de prova para ensaio pino sobre disco ... 26
Figura 3.2 – Contra-corpo para ensaio pino sobre disco ... 27
Figura 3.3 – Planejamento das pistas de deslizamento para os ensaios (dimensões em mm) ... 27
Figura 3.4 – Tribômetro Bruker CETR-UMT... 29
Figura 3.5 – Porta-amostras para fixação dos corpos de prova, à direita. À esquerda, pinça para fixação do porta-amostras à célula de carga... 29
Figura 3.6 – Esquema do ensaio pino-sobre-disco utilizado neste trabalho ... 30
Figura 3.7 – Montagem final do tribossistema e câmera termográfica... 30
Figura 4.1 – Representação da nomenclatura codificada utilizada para nomear as amos-tras ... 34
Figura 4.2 – Gráfico indicando a variação da temperatura conforme o avanço do tempo do ensaio preliminar. ... 36
Figura 4.3 – Micrografia dos compósitos de PTFE+Grafite e PTFE+Bronze em estado de fornecimento... 37
Figura 4.4 – Micrografia eletrônica da estrutura do compósito PTFE+Grafite ... 38
Figura 4.5 – Imagem mostrando as diferentes colorações das regiões do núcleo e da borda do compósito de PTFE+Bronze após corte transversal... 39
Figura 4.6 – Micrografia eletrônica da estrutura do compósito PTFE+Bronze no es-tado de fornecimento ... 39
Figura 4.7 – Coeficiente de atrito cinético em função do tempo de ensaio para os di-ferentes níveis de carregamento para o compósito de PTFE+Grafite ... 41
Figura 4.8 – Coeficiente de atrito cinético em função do tempo de ensaio para os di-ferentes níveis de carregamento para o compósito de PTFE+Bronze... 41
Figura 4.9 – Imagens térmicas antes e após aplicação da carga, antes do início da ro-tação do disco, evidenciando o aquecimento por deformação plástica ... 42
Figura 4.10 – Gráfico comparando os coeficientes de atrito cinético encontrados nos diferentes materiais... 43
Figura 4.11 – Gráfico do coeficiente de atrito cinético em função da carga normal aplicada ... 44
Figura 4.12 – Representação da termografia, mostrando as regiões relevantes para a análise... 44
Figura 4.13 – Gráficos da evolução da temperatura no contato para os quatro níveis de carregamento no compósito de PTFE+Grafite ... 45
Figura 4.14 – Gráficos da evolução da temperatura no contato para os quatro níveis de carregamento no compósito de PTFE+Bronze... 46
Figura 4.16 – Gráficos da temperatura no contato com diferentes ordens de ensaio ... 47 Figura 4.17 – Gráficos das perdas de massa observadas nas amostras de PTFE+Grafite
e PTFE+Bronze após 500m de deslizamento sobre aço inoxidável AISI 304 .. 48 Figura 4.18 – Gráficos das perdas de massa para PTFE+Grafite, PTFE+Bronze e PTFE
puro utilizando o parâmetro 4 de carregamento ... 49 Figura 4.19 – Fotografia dos pinos de PTFE+Bronze e PTFE+Grafite após 500m de
deslizamento sobre disco de aço inox. ... 50 Figura 4.20 – Micrografia eletrônica da borda dos pinos após 500m de deslizamento .. 51 Figura 4.21 – Micrografia eletrônica dos pinos de PTFE+Grafite após 500m de
desli-zamento, mostrando a formação de fibrilas ... 52 Figura 4.22 – Micrografia eletrônica de um pino de PTFE+Bronze após 500m de
des-lizamento, mostrando a formação de fibrilas... 53 Figura 4.23 – Micrografia eletrônica evidenciando os riscos dos pinos de PTFE+Grafite
após 500m de deslizamento... 54 Figura 4.24 – Micrografias eletrônicas comparando a superfície do pino de PTFE+Bronze
após 500m de deslizamento com o material em estado de fornecimento ... 55 Figura 4.25 – Discos após o ensaio de desgaste, evidenciando a região de medição
utilizada no interferômetro de luz branca ... 55 Figura 4.26 – Perfil de rugosidades tridimensional e bidimensional da região das
pis-tas indicada na Figura 4.25... 56 Figura 4.27 – Microscopias eletrônicas de varredura da superfície dos discos após
500m de deslizamento ... 56 Figura 4.28 – Perfis de rugosidades tridimensionais das pistas antes e após o ensaio ... 57 Figura 4.29 – Gráfico das rugosidades encontradas em cada pista dos discos em que
houve e que não houve adesão do filme de compósito ... 58 Figura 4.30 – Gráfico da transmitância em função do número de onda obtido por meio
Tabela 1 – Elementos químicos presentes no aço inoxidável AISI 304. ... 22 Tabela 2 – Resultados de coeficiente de atrito cinético, temperatura média de contato
ao final do deslizamento e taxa de desgaste média obtidos em trabalhos an-teriores ... 23 Tabela 3 – Planejamento dos ensaios de mancal sobre eixo... 24 Tabela 4 – Avanços a serem utilizados no faceamento dos corpos de prova e
contra-corpos. ... 28 Tabela 5 – Parâmetros utilizados para cada nível de força normal. ... 33 Tabela 6 – Comparação entre densidade linear das barras de 2” e 3.1/4” de aço
inoxi-dável AISI 304. ... 35 Tabela 7 – Resultado dos testes preliminares de equivalência de pistas do contra-corpo. 37 Tabela 8 – Composição química da liga de bronze encontrada nas partículas do
com-pósito. ... 38 Tabela 9 – Taxas de desgaste médias para os quatro parâmetros de carregamento de
PTFE+Grafite e PTFE+Bronze ... 49 Tabela 10 – Desgastes médios nas superfícies com aderência e sem aderência de filme. 58
EDS Espectroscopia por Dispersão de Energia
FTIR Espectrometria de Infravermelho por Transformada de Fourier IDLB Interferômetro de Luz Branca
LASC Laboratório de Superfícies e Contato da UTFPR LDPE Polietileno de baixa densidade
MEV Microscópio eletrônico de varredura PA-6 Poliamida-6
PPP Proposta de Projeto de Pesquisa PP Projeto de Pesquisa
PTFE Politetrafluoretileno
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
1 INTRODUÇÃO... 11 1.1 OBJETIVOS ... 11 1.2 JUSTIFICATIVA ... 12 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 14 2.1 POLITETRAFLUORETILENO (PTFE) ... 14 2.2 BRONZE... 18 2.3 GRAFITE ... 20
2.4 AÇO INOXIDÁVEL AISI 304... 21
2.5 REVISÃO DOS TRABALHOS ANTERIORES... 22
3 METODOLOGIA... 25 3.1 MATERIAIS ... 25 3.1.1 Corpo de Prova ... 25 3.1.2 Contra-Corpo ... 26 3.2 EQUIPAMENTOS ... 28 3.2.1 Microscópio ótico ... 28
3.2.2 Máquinas e equipamentos de usinagem ... 28
3.2.3 Tribômetro ... 29
3.2.4 Balança... 30
3.2.5 Câmera termográfica ... 30
3.2.6 Interferômetro de luz branca (IDLB) ... 31
3.2.7 Microscópio eletrônico de varredura (MEV) ... 31
3.2.8 Espectrômetro de infravermelho (FTIR) ... 31
3.3 PARÂMETROS DE ENSAIO ... 32
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 34
4.1 USINAGEM DOS CORPOS DE PROVA E CONTRA-CORPOS ... 34
4.2 TESTES PRELIMINARES ... 36
4.3 AVALIAÇÃO DA MICROESTRUTURA DOS COMPÓSITOS... 37
4.4 ENSAIO PINO SOBRE DISCO ... 40
4.4.1 Atrito ... 40 4.4.2 Análise térmica ... 44 4.4.3 Desgaste... 48 4.5 ALTERAÇÕES TOPOGRÁFICAS ... 50 4.5.1 Corpos de prova ... 50 4.5.2 Contra-corpos... 55
4.6 ALTERAÇÕES NA ESTRUTURA MOLECULAR... 59
5 CONCLUSÕES... 61
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 62
APÊNDICES
67
APÊNDICE A – INFORMAÇÕES TÉRMICAS ... 68APÊNDICE B – PERFIS TOPOGRÁFICOS... 78 APÊNDICE C – MICROSCOPIAS ELETRÔNICAS DE VARREDURA 81
1 INTRODUÇÃO
Materiais compósitos vêm sendo cada vez mais utilizados para diversos fins, seja para peças estruturais, para elementos de máquinas e até mesmo como material alternativo para a construção civil. Grande atenção está sendo dada a alguns polímeros por suas propriedades tri-bológicas, os quais apresentam coeficientes de atrito muito baixos mesmo sem a utilização de lubrificação externa (UNAL et al., 2004). Utilizam-se ainda diversos reforços (materiais dis-persos na matriz polimérica) com a finalidade de melhorar algumas das propriedades destes polímeros, como a resistência ao desgaste, a máxima temperatura de trabalho e a resistência mecânica.
Artigos recentes expõem a importância de estudos nessa área, mais precisamente no estudo de determinadas combinações de polímeros e reforços. Li et al. (2015) estudam as pro-priedades tribológicas do politetrafluoroetileno (PTFE) com reforço de cobre em partículas de 1 a 3𝜇m, encontrando ótimos resultados ao avaliar o filme transferido para um contra-corpo metá-lico. Em contrapartida, Shen et al. (2015) utilizam PTFE como reforço juntamente com SiO2em
resina epoxy, encontrando baixíssimos coeficientes de atrito em conjunto com reduzidas taxas de desgaste. Os pesquisadores Kumar et al. (2015) fazem uso de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) reforçado com nanotubos de carbono de alta razão de aspecto. Enquanto isso, Campo, Jiménez-Suárez e Ureña (2015) e Vaisakh et al. (2015) utilizam-se de resina epoxy. Estes, com reforço de nanotubos de carbono de múltiplas paredes; e aqueles, com reforço de na-noestruturas cerâmicas bidimensionais. Ambos utilizam nanotecnologia para a obter compósitos com propriedades tribológicas muito interessantes.
Em todos os casos anteriores, a lubrificação é realizada pelas próprias partículas ge-radas no desgaste ou pelo filme que se deposita no material mais resistente. Utilizando esta propriedade, a chamada auto-lubrificação, Boutin e Rocha (2015) estudaram o comportamento tribológico de PTFE contra aço inoxidável, trazendo resultados interessantes que instigaram a continuidade desta pesquisa neste atual trabalho de conclusão de curso. Desta vez, busca-se comparar a influência de determinados tipos de reforços nas propriedades tribológicas dos polí-meros, em especial o PTFE. O Laboratório de Superfícies e Contato (LASC) da UTFPR ainda tem desenvolvido outros trabalhos com este tipo de material. Wandembruck e Barioni (2015), por exemplo, utilizaram PTFE com reforços de grafite e de bronze, mas em condições de des-lizamento em teste tipo mancal sobre eixo. Busca-se então evoluir estes trabalhos de modo a expandir os conhecimentos acerca da tribologia de compósitos poliméricos.
1.1 OBJETIVOS
a) Determinar as propriedades tribológicas de compósitos de PTFE com reforços de bronze e de grafite, contra aço inoxidável AISI 304, sem lubrificação, por meio de ensaio pino sobre disco.
b) Comparar os resultados obtidos aos trabalhos anteriores de Wandembruck e Barioni (2015), e Boutin e Rocha (2015).
Os objetivos específicos, por sua vez, incluem:
a) Determinar o coeficiente de atrito cinético dos pares tribológicos PTFE+Grafite contra aço inoxidável AISI 304 e PTFE+Bronze contra aço inoxidável AISI 304 para quatro níveis de carregamento, realizando a comparação ao valor encontrado por Boutin e Rocha (2015) para o PTFE sem reforço;
b) Analisar as curvas típicas da variação do coeficiente de atrito cinético destes pares tri-bológicos em função da distância de deslizamento, determinando seu comportamento de
running-ine sua estabilização;
c) Determinar valores médios de perda mássica dos compósitos de PTFE, em mg, para os quatro níveis de carregamento. Estabelecer a relação entre o carregamento e a taxa de desgaste e realizar as comparações com os resultados observados por Boutin e Rocha (2015) para o PTFE puro;
d) Identificar as mudanças na morfologia e topografia das amostras (pinos e discos) após o ensaio pino-sobre-disco; e
e) Avaliar as alterações químicas nas amostras após o ensaio pino-sobre-disco. 1.2 JUSTIFICATIVA
Materiais poliméricos apresentam propriedades muito úteis para diversas áreas. Com-pósitos obtidos a partir de polímeros possuem menor peso e inércia, por exemplo, tornando-os fortes candidatos a aplicações nas indústrias automotiva e aeroespacial (VAISAKH et al., 2015). Sua boa resistência a corrosão, liberdade de forma devido à facilidade de conformação, e a não necessidade de lubrificação tornam possível sua utilização em implantes ortopédicos (KUMAR
et al., 2015). A ausência de óleo lubrificante também permite aplicações na indústria têxtil e no
ramo alimentício, onde a resistência a corrosão também é importante (MAO, 2007). Máquinas como impressoras ou terminais de auto-atendimento bancário também utilizam engrenagens de polímeros e compósitos poliméricos, pois há uma redução no ruído em relação às suas corres-pondentes metálicas (WRIGHT; KUKUREKA, 2001).
Tudo isso, aliado às propriedades tribológicas de alguns polímeros, como o PTFE, torna necessária uma investigação mais profunda acerca do comportamento destes materiais. Dados
obtidos neste trabalho poderão ser utilizados para projeto de elementos com novos materiais, trazendo a possibilidade de melhorar processos, aumentar a qualidade de produtos disponíveis e até mesmo proporcionar melhorias na qualidade de vida das pessoas.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para este trabalho, diversos conceitos são fundamentais para a compreensão dos fenô-menos tribológicos. Entre eles, destaca-se o estudo da estrutura molecular do politetrafluoreti-leno, importante para determinar as propriedades deste polímero. Além disso, deve-se estudar as propriedades dos demais materiais utilizados no experimento, como o aço inoxidável, o bronze e o grafite. Procura-se detalhar, também, os mecanismos envolvidos na lubrificação sólida e no desgaste do par tribológico, buscando explicar os fenômenos que ocorrem no contato.
2.1 POLITETRAFLUORETILENO (PTFE)
O politetrafluoretileno, ou PTFE, foi descoberto por acidente em 1938 pelo Dr. Roy Plunkett (Figura 2.1), químico da DuPont Company (EBNESAJJAD, 2000).
Figura 2.1 – Reconstituição da descoberta do PTFE pelo Dr. Roy Plunkett (à direita) (EB-NESAJJAD, 2000).
Na tentativa de sintetizar um fluido refrigerante CClF2-CHF2 a partir de
tetrafluoreti-leno (TFE), Plunkett armazenava este componente em cilindros pressurizados. No entanto, no dia 6 de abril de 1938, um desses cilindros apresentou uma queda de pressão sem redução em sua massa. O químico cuidadosamente removeu a válvula deste cilindro e percebeu a presença de alguns gramas de um pó branco, que ele viria a identificar como o primeiro politetrafluoretileno sintetizado. Este pó não podia ser dissolvido em solventes, ácidos ou bases. Além disso, ao ser aquecido até o ponto de fusão, formava um gel firme que não fluía. Isso o tornava um material de propriedades muito interessantes, mas com difícil processamento. A DuPont possui a patente deste material, sob o nome pelo qual o PTFE ficou conhecido popularmente – Teflon○R. Mais
PTFE. Na época, o Projeto Manhattan buscava novos materiais resistentes à corrosão para veda-ções e para revestimentos destinados à manipulação de UF6(hexafluoreto de urânio), e o PTFE
foi utilizado como alternativa mais viável. Com isso, este material ganhou espaço e ajudou a indústria dos polímeros a crescer, tornando possíveis usos para os quais nenhum outro material tinha aplicabilidade.
Quanto à estrutura polimérica, o PTFE é constituído apenas por uma cadeia de car-bonos, ligados cada um a dois átomos de flúor (Figura 2.2). Suas principais propriedades nas-cem das caracteristicas dos átomos de carbono e flúor e da natureza das ligações covalentes que existem entre eles. Essas ligações C–C e C–F são extremamente fortes, com 607kJ mol−1
e 552kJ mol−1 respectivamente (EBNESAJJAD, 2000). Isso gera uma estrutura semelhante a
um bastão de carbono completamente envolto por uma “capa” de átomos de flúor, fornecendo uma proteção contra ataques químicos que dá origem à enorme resistência à corrosão encon-trada neste polímero (GANGAL, 1994 apud EBNESAJJAD, 2000). Esse revestimento também propicia uma baixa energia de superfície, na ordem de 18dyn/cm (ZISMAN, 1965 apud EBNE-SAJJAD, 2000), o que explica suas propriedades antiaderentes e o baixo coeficiente de atrito.
Figura 2.2 – Representação em bola e bastão da geometria molecular de um segmento de molécula de PTFE (VAROTTO et al., 2008).
Eletricamente, a molécula de PTFE é apolar, e a exposição à campos elétricos a polariza apenas parcialmente, fazendo com que o PTFE apresente alta resistividade. Como propriedades interessantes do PTFE, pode-se citar o alto ponto de amolecimento (342∘C), a alta estabilidade
térmica, a manutenção das propriedades mecânicas em baixas e altas temperaturas, a insolubili-dade, a estabilidade química, o baixo coeficiente de atrito, baixa absorção e adsorção de água, a resistência a propagação de chama e a alta pureza (EBNESAJJAD, 2000). No entanto, o polite-trafluoretileno apresenta baixa condutividade térmica, na ordem de 16,2W/(K · m) e densidade de 2,2g cm−3(CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
O desgaste em PTFE ocorre pela transferência de um filme polimérico para a super-fície do contra-corpo metálico. Isso ocorre, segundo Deli, Qunji e Hongli (1991a apud STA-CHOWIAK; BATCHELOR, 2013) e Buckley (1981 apud STASTA-CHOWIAK; BATCHELOR, 2013),
porque há uma força de ligação maior entre o metal e o PTFE, causada por uma interação de in-terface entre flúor e carbono do polímero e a superfície metálica do contra-corpo. Além disso, a característica linear da cadeia de PTFE, sem ramificações e com baixa interação entre os átomos de flúor de cadeias vizinhas, favorece a movimentação relativa das moléculas com baixo esforço cisalhante. Com isso, ao aplicar um esforço no deslizamento do polímero, ocorre a adesão à su-perfície metálica e o desprendimento das cadeias poliméricas da susu-perfície do PTFE, conforme Figura 2.3.
Figura 2.3 – Formação do filme de PTFE no atrito contra superfície metálica. Adaptado de Stachowiak e Batchelor (2013).
Nota-se que existe uma ligação mais forte entre metal e polímero do que entre as mo-léculas de PTFE. As lamelas cristalinas de PTFE são tracionadas e deformadas de modo a se depositarem na forma de filme sobre o substrato, independentemente de sua orientação origi-nal. Deli, Qunji e Hongli (1991b) propõem dois modelos para explicar a formação do filme e o desgaste sofrido pelo PTFE, um deles para o caso de alta atividade química na interface e outro para o caso de baixa atividade química. Em ambos, há três fases distintas, mostradas na Figura 2.4: I) Início da transferência de material para o substrato; II) Crescimento do filme de PTFE no substrato; e III) Remoção das maiores protuberâncias do substrato, gerando detritos.
Na fase I, em ambos os modelos, pequenas lamelas de PTFE de 0,3µm de compri-mento e 20–30nm de espessura são desprendidas e aderem ao substrato, iniciando o processo de desgaste. Para substratos com baixa atividade química, há a movimentação dessas lamelas para preencher as depressões na rugosidade do substrato, juntamente com a deposição de novas lamelas, passando para a fase II. Quando há alta atividade química, este movimento não ocorre e há o crescimento do filme como um todo, pois na fase III não ocorre a expulsão significativa de material em contato com o substrato, mas de camadas intermediárias no filme transferido. Quando o filme não se adere fortemente ao substrato, há um arrancamento do filme pela ação
Figura 2.4 – Formação do filme de PTFE para os casos de superfície com baixa atividade química (a) e alta atividade química (b) (DELI; QUNJI; HONGLI, 1991b).
da força de deslizamento sobre ele. Em ambos os modelos, como compara a Figura 2.4, a taxa de desgaste é semelhante, apenas variando a posição da qual saem os detritos.
Segundo Bruce (2010), os filmes transferidos aumentam de espessura conforme au-menta a velocidade de deslizamento. Além disso, um aumento exagerado na velocidade pode causar o sobreaquecimento da interface com amolecimento do polímero, gerando um grande crescimento da taxa de desgaste. Este crescimento não necessariamente ocorre à temperatura de fusão ou amolecimento do polímero, e muitas vezes essa transição ocorre bem abaixo desta temperatura. Isso é especialmente válido quando as velocidades de deslizamento são baixas e os carregamentos são elevados (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2013). É importante, então, a utilização de um parâmetro para quantificar a severidade do contato, dependente tanto do car-regamento quanto da velocidade de deslizamento. Para isso pode-se utilizar o parâmetro PV, o produto da pressão aparente de contato pela velocidade de deslizamento. Segundo Vale (2014), pode-se associar um PV limite ao ponto no qual ocorre o aumento rápido na taxa de desgaste com a degradação das propriedades tribológicas do material.
A rugosidade do contra-corpo influencia o atrito e o desgaste do PTFE. Ao contrário do que se pensava anteriormente, explicam Stachowiak e Batchelor (2013), uma menor rugosidade nem sempre é melhor – existe para cada polímero uma rugosidade ótima na qual há a menor taxa de desgaste. O mecanismo de desgaste afetado pela rugosidade é o abrasivo. Ou seja, o desgaste formado pelo arrancamento de material polimérico pelas imperfeições agudas e duras presentes na superfície do contra-corpo. Este mecanismo é mais importante no início do desgaste, quando os sulcos da superfície metálica serão preenchidos com o filme transferido do PTFE. Após esta etapa, o desgaste abrasivo reduz consideravelmente. Caso a rugosidade seja muito baixa, haverá excessiva adesão na interface e pouco travamento mecânico das partículas ou filme transferido,
gerando mais detritos de polímero e consequentemente maior desgaste. Uma menor rugosidade, conforme mostra a Figura 2.5, tende também a reduzir o coeficiente de atrito cinético (𝜇) tanto em PTFE como em UHMWPE.
Figura 2.5 – Comparativo entre o coeficiente de atrito cinético obtido com acabamento po-lido (Ra entre 0,1 e 0,2µm) e espelhado (Ra entre 0,02 e 0,08 µm) (QUAGLINI
et al., 2009).
2.2 BRONZE
Bronzes são ligas metálicas constituídas principalmente por cobre e estanho, além de pequenas quantidades de outros elementos de liga como alumínio, antimônio, chumbo, fósforo, níquel e zinco, dentre outros. Historicamente o bronze substituiu as ferramentas de pedra, dando início à Idade do Bronze por volta de 4500 a.C. Após se difundir pela Ásia, África e Europa por mais de 2000 anos, o bronze se tornou um material popular com o qual se produziam armas e armaduras (FOKKENS; HARDING, 2013). No entanto, com o desenvolvimento das ligas ferrosas, o bronze foi substituído nessas aplicações. Por ser resistente à corrosão, todavia, ele foi adotado como o metal de preferência em embarcações gregas e romanas, por volta de 800 a.C. Cerca de 1600 anos depois, com a invenção da pólvora na China, o bronze foi utilizado para a fabricação de canhões, principalmente por causa de seu baixo atrito com o aço usado na munição. Atualmente o bronze é utilizado em uma vasta gama de aplicações, desde instrumentos musicais (historicamente na fabricação de sinos, por exemplo), passando por martelos e marretas e até mancais de deslizamento e rolamento. De acordo com a Davis (1998), os bronzes são divididos em bronzes de estanho (comercialmente conhecidos como bronzes de fósforo), de alumínio, de silício e de manganês.
Os bronzes de estanho possuem boas propriedades contra corrosão e desgaste, além de alta resistência (SMITH, 1981). Podem ser divididos em dois grupos: conformados e fundidos. Os primeiros contêm de 1,25 a 10% de estanho, e são usualmente chamados “bronzes de fósforo” pois possuem até 0,1% P em sua composição. Este fósforo é adicionado para remover óxidos e melhorar o processo de fundição. Qualquer fósforo em excesso forma o composto de alta dureza Cu3P que melhora a resistência e dureza do bronze. Os bronzes de estanho fundidos, por sua
vez, possuem mais que 10% Sn em sua composição, o que reduz sua capacidade de trabalho a quente ou a frio. Por este motivo eles são fundidos em suas formas quase finais e submetidos normalmente apenas a processos de usinagem. Muitas vezes, portanto, é adicionado chumbo em quantidades de 1 a 6% para melhorar a usinabilidade destes materiais.
Bronzes de alumínio possuem grande resistência à corrosão, pela presença do filme superficial de óxido de alumínio, e podem apresentar fase 𝛽 quando há mais de 8% de alumínio na liga. Logo, bronzes de alumínio também se dividem em dois grupos: bronzes de alumínio-𝛼 e bronzes de alumínio complexos. Os bronzes Cu-Al-𝛼 apresentam microestrutura simples, consistindo em apenas uma fase, e possuem de 5 a 8% de Al. Estes bronzes apresentam boa resistência e tenacidade, além de boa conformabilidade a frio e resistência à corrosão. Os bronzes de alumínio complexos possuem mais de 8% de alumínio, apresentando a fase 𝛽 e transformação eutetóide a 565∘C. Isso possibilita a realização de têmpera semelhante à realizada em aços com
obtenção de martensita, uma fase metaestável 𝛽′de estrutura tetragonal.
As ligas de cobre e silício são chamadas bronzes de silício e possuem tipicamente cerca de 1 a 3% de silício em sua composição, além de pequenas quantidades de manganês e ferro para melhoria de suas propriedades. Segundo Smith (1981), os bronzes de silício encontram aplicações de engenharia por sua elevada resistência à corrosão e relativamente alta resistência e tenacidade quando comparados à aços de baixo teor de carbono. São alternativas de menor custo para os bronzes de estanho, pois, exceto pela resistência à cavitação, apresentam propriedades muito similares.
Um parâmetro importante para os reforços e para o PTFE é a condutividade térmica. Quanto mais alta, mais facilmente será dissipado o calor gerado pelo atrito no contato e menores as chances de ocorrer fusão do polímero na interface, com consequente aumento nas taxas de desgaste. Para bronzes de estanho, o valor de condutividade térmica é de 74W/(K · m)(COHEN, 1990), enquanto para bronzes de alumínio é 79,5W/(K · m) (ROBINSON, 1990).
Para a fabricação de pós de cobre e suas ligas, existem quatro métodos mais conhecidos, sendo que dois deles são mais comuns em larga escala no mercado norte-americano. Os métodos eletrolíticos e hidrometalúrgicos, segundo Klar e Berry (1990), não são realizados nos Estados Unidos desde o início da década de 1980. Os mais comuns, utilizados em larga escala, são a atomização (a água ou a gás) e a redução de óxido. O primeiro consiste na desintegração de um fluxo de metal líquido pelo choque com um jato de água ou gás, enquanto o segundo consiste na redução de óxido de cobre particulado, formando uma massa porosa de cobre que é triturada em moinho de bolas posteriormente.
No processo de atomização é possível controlar tamanho e forma de partícula alterando os parâmetros do processo, como velocidade do fluxo de fluido, ângulo de incidência do jato, tipo do fluido (água ou gás), entre outros. Por este processo é possível alcançar tamanhos médios de partícula menores que 325-mesh, equivalente a cerca de 45µm. O formato de partícula pode variar de próximo ao esférico até irregular, por meio da modificação da interação entre o fluxo de metal e o jato. Ainda segundo Klar e Berry (1990), a adição de elementos de liga que reduzem a tensão superficial do metal líquido possibilita a geração de partículas com maior irregularidade. Bronze atomizado não é muito utilizado na metalurgia do pó devido à tendência a aglomeração, mas encontra aplicações se misturado a pós de cobre irregulares e pós de cobre-fósforo – o que melhora a densidade a verde após o processo de compactação. Essa restrição não afeta a utilização deste pó pré-ligado na obtenção de um compósito de PTFE.
2.3 GRAFITE
O grafite é um material utilizado como lubrificante sólido para algumas aplicações onde óleos lubrificantes e graxas não são recomendados, bem como aditivo em algumas graxas denominadas grafitadas. O grafite se apresenta em uma estrutura hexagonal plana, em que várias camadas de grafeno são unidas por ligações relativamente fracas de Van der Waals, conforme mostra a Figura 2.6.
Figura 2.6 – Esquema mostrando a estrutura atômica hexagonal do grafite. (CALLIS-TER; RETHWISCH, 2012)
Quando há algum esforço de cisalhamento entre estas placas de grafeno, as ligações de Van der Waals facilmente se quebram e há o fácil deslizamento entre as placas. Isto gera um baixo coeficiente de atrito dinâmico que torna o grafite um bom lubrificante sólido. Este mesmo mecanismo é observado, por exemplo, em dissulfeto de molibdênio (𝑀𝑜𝑆2) – outro lubrificante
sólido muito utilizado.
em matrizes de poliamida-6 e poliestireno. Nestes materiais, houve redução de cerca de 30% do coeficiente de atrito com a adição de 30% de grafite, com ligeiro aumento no desgaste. Este teor de grafite na composição apresenta o valor ótimo para o coeficiente de atrito nos compósitos avaliados, com degradações tanto nesta propriedade quanto na taxa de desgaste ao aumentar a proporção. Ainda segundo o autor, observa-se que em compósitos com matriz de PTFE há a ocorrência de porosidade quando se utiliza mais de 30% em peso de grafite. Para PA-6 e LDPE, o tamanho das partículas utilizadas influencia tanto na dureza quanto no módulo de elasticidade dos compósitos, sendo que menores tamanhos geram maiores ganhos em ambas as propriedades. Em geral, a adição de grafite não afeta a tensão de escoamento mas reduz o alongamento destes compósitos. Wypych (2000) ainda comenta que o grafite ajuda a melhorar a condutividade térmica do material, em especial quando se utilizam pequenas partículas de alta cristalinidade – uma vez que a condutividade térmica do grafite está próxima de 93,5W/(K · m), a 400K(UHER, 1991).
2.4 AÇO INOXIDÁVEL AISI 304
Aços inoxidáveis recebem este nome pois têm grande resistência à corrosão, por conta da formação de uma camada de óxido de cromo em sua superfície. Esta camada protege o res-tante do material, gerando a chamada passivação. Ou seja, após a oxidação superficial de alguns nanômetros, há uma enorme redução na velocidade de corrosão decorrente das propriedades do óxido formado. Ao contrário dos óxidos de ferro, os óxidos de cromo se aderem fortemente ao substrato e sofrem pouco com a umidade, impedindo a geração da camada de óxidos popular-mente conhecida como “ferrugem” que acomete os aços comuns ao carbono, por exemplo. Esta camada passiva é o material que está efetivamente em contato com os compósitos estudados neste trabalho, uma vez que sua deterioração ocorre apenas em altas temperaturas.
O aço inoxidável AISI 304 possui em sua composição os elementos dados na Tabela 1. Seu baixo teor de carbono faz-se necessário para evitar a formação de carbetos de cromo, causando a depleção deste elemento em solução, reduzindo assim a capacidade de resistência à corrosão da liga. Quando a peça necessitar de processo de soldagem, deve-se utilizar a variação AISI 304L, que possui ainda menos carbono – um máximo de 0,03%(m/m) – pois a precipitação de carbonetos é maior em altas temperaturas. Este problema é conhecido como sensitização, podendo causar corrosão intergranular e posteriormente falhas decorrentes da propagação de trincas por estas regiões fragilizadas.
A presença de níquel causa a estabilização da fase austenítica, que é a fase predominante no aço AISI 304. Por esse motivo, ele não é magnético e não pode ser temperado. O principal mecanismo de endurecimento para este aço é o trabalho a frio, que gera encruamento por movi-mentação de discordâncias e o consequente aumento nas propriedades mecânicas como tensão de escoamento, limite de ruptura e dureza. Além disso, a austenita pode, com a energia fornecida
Tabela 1 – Elementos químicos presentes no aço inoxidável AISI 304.
Elemento Mínimo [%(m/m)] Máximo [%(m/m)]
C – 0,08 Mn – 2,00 P – 0,045 S – 0,030 Si – 1,00 Cr 18 20,00 Ni 08 10,50
Fonte: ASTM International (2000)
pela deformação, ser capaz de se transformar em martensita do tipo 𝜖 (hexagonal compacta) ou 𝛼′(tetragonal de corpo centrado) (SANTOS; ANDRADE, 2008).
2.5 REVISÃO DOS TRABALHOS ANTERIORES
Vale (2014) estudou, em sua dissertação de mestrado, as propriedades tribológicas do PTFE puro em ensaio mancal sobre eixo (representado na Figura 2.7). Em seus estudos, o prof. Vale determina o coeficiente de atrito cinético do PTFE (mancal) contra aço inoxidável AISI 304 (eixo), bem como sua taxa de desgaste e a temperatura do contato, entre outros resultados. Estes valores estão reunidos na Tabela 2.
Figura 2.7 – Imagens da máquina de atrito cinético tipo mancal sobre eixo: (a) visão ge-ral (b) detalhe do sistema de medição da força transmitida à célula de carga. (VALE, 2014).
Os trabalhos de conclusão de curso de Boutin e Rocha (2015) e Wandembruck e Barioni (2015) deram sequência à esta linha de pesquisa, estudando, respectivamente, PTFE puro contra aço inoxidável em ensaio pino sobre disco sem lubrificação, e compostos de PTFE (reforços de grafite e de bronze) contra aço inoxidável em ensaio mancal sobre eixo. O presente trabalho,
por-tanto, visa realizar um fechamento destes estudos com os ensaios pino sobre disco dos mesmos compósitos contra aço inoxidável. No trabalho de Boutin e Rocha (2015), constatou-se que o en-saio pino sobre disco traz resultados diferentes em relação ao mancal sobre eixo, principalmente por conta da diferente dissipação térmica nos contatos. Comparando-se à tese de Vale (2014), as temperaturas no contato são cerca de 50∘Cmais baixas, o que ocasiona certas diferenças nos
mecanismos de desgaste e, consequentemente, divergências nas taxas encontradas.
Tabela 2 – Resultados de coeficiente de atrito cinético, temperatura média de contato ao final do deslizamento e taxa de desgaste média obtidos em trabalhos anteriores
Parâmetro Tipo
Material Coeficiente Temperatura (∘C) Taxa de
de de de atrito desgaste
Carregamento Ensaio (-) (g h−1)
1
P/D PTFE Puro 0,321±0,007 28 (aprox.) 0,080±0,009
M/E PTFE Puro 0,304±0,02 71±4 0,22±0,04
M/E PTFE+Grafite 0,25±0,02 48±15
-M/E PTFE+Bronze 0,32±0,06 41±6
-2
P/D PTFE Puro 0,307±0,006 29 (aprox.) 0,083±0,003
M/E PTFE Puro 0,250±0,015 76±3 0,26±0,05
M/E PTFE+Grafite 0,23±0,02 74±4
-M/E PTFE+Bronze 0,27±0,04 65±9
-3
P/D PTFE Puro 0,292±0,004 29,5 (aprox.) 0,078±0,006
M/E PTFE Puro 0,235±0,008 82±6 0,30±0,05
M/E PTFE+Grafite 0,20±0,03 86±11
-M/E PTFE+Bronze 0,26±0,04 92±10
-4
P/D PTFE Puro 0,283±0,004 30 (aprox.) 0,084±0,005
M/E PTFE Puro 0,204±0,008 81±4 0,32±0,05
M/E PTFE+Grafite 0,18±0,002 85±3
-M/E PTFE+Bronze 0,20±0,02 89±4
-Legenda: P/D: Pino sobre disco; M/E: Mancal sobre eixo.
Tabela adaptada de Vale (2014), Boutin e Rocha (2015) e Wandembruck e Barioni (2015).
Deve-se ressaltar que os parâmetros utilizados por Vale (2014) e Wandembruck e Bari-oni (2015) diferem daqueles usados por Boutin e Rocha (2015). Os primeiros utilizam os valores definidos na Tabela 3, enquanto os últimos utilizam os mesmos valores deste trabalho, reunidos na Tabela 5 do Capítulo 3.
Tabela 3 – Planejamento dos ensaios de mancal sobre eixo
Variáveis Parâmetro 1 Parâmetro 2 Parâmetro 3 Parâmetro 4
Tempo [min] 120 𝑚𝑐[g] 701,23 ± 0,05 1807,80 ± 0,07 3091,94 ± 0,09 4044,56 ± 0,1 𝐹𝑁 [N] 41,5 69,3 101,6 125,5 a [mm] 1,79 2,32 2,80 3,12 𝑃𝑚𝑎𝑥[MPa] 0,74 0,95 1,15 1,28 𝑃𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎[MPa] 0,58 0,75 0,91 1,01 𝑃 𝑉𝑚𝑎𝑥 [MPa m s−1] 0,62 𝑃 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 [MPa m s−1] 0,49 V [m/s] 0,84 0,65 0,54 0,48 n [rpm] 802,6 621,3 513,3 461,8 d [m] 6051 4680 3888 3456
3 METODOLOGIA
No trabalho de Boutin e Rocha (2015) foram realizados ensaios com material seme-lhante aos que foram utilizados neste trabalho, obtendo-se dados que são úteis para a definição de variáveis dos ensaios. É importante utilizar parâmetros iguais ou ao menos semelhantes aos que já foram utilizados, de modo a tornar comparáveis os resultados atuais com os anteriores. Busca-se, então, realizar uma padronização para vários parâmetros envolvidos no ensaio. No entanto, os motivos pelos quais os parâmetros foram escolhidos devem ficar bastante claros.
Os itens que se julga necessária a padronização são: a) Equipamentos de teste;
b) Dimensões dos corpos de prova; c) Dimensões dos contra-corpos; e d) Condições de realização do ensaio.
Estes itens serão mais bem detalhados nas seções seguintes, sendo necessária uma ex-planação mais profunda sobre cada um deles. Serão destacadas, além dos parâmetros padroni-zados, as variáveis que foram alteradas para obter novos resultados.
3.1 MATERIAIS
Os materiais utilizados foram corpos de prova de compósitos poliméricos e contra-corpos metálicos. Fez-se essa escolha para representar uma situação real em que o par tribológico é composto por um elemento de aço inoxidável e outro de compósito polimérico.
3.1.1 Corpo de Prova
A matéria prima para a confecção dos corpos de prova (pinos) foi adquirida da empresa FGM Plásticos de Engenharia Ltda e consiste em bastões de PTFE com reforço de bronze (40% em massa) e de grafite (25% em massa). Isso corresponde, em termos de volume percentual, a aproximadamente 14,4%vol. de bronze e 25%vol. de grafite, por conta da massa específica do grafite ser muito próxima à do PTFE (2,2g cm−3) enquanto a do bronze é quase quatro vezes
maior (8,75g cm−3). Os materiais são fornecidos na forma de barras de seção circular, com
comprimento 100mm e diâmetro 16mm, e por isso foram necessárias operações posteriores de usinagem para obter as dimensões e acabamento desejados. Na Figura 3.1, tem-se o desenho de fabricação dos pinos.
Figura 3.1 – Corpo de prova para ensaio pino sobre disco.1
Foram confeccionados 20 pinos de cada material, num total de 40, de modo a permi-tir ao menos cinco ensaios em cada condição para garanpermi-tir uma amostra significativa. Quatro pinos adicionais de PTFE com reforço de bronze foram confeccionados para realizar os testes preliminares necessários para a confirmação dos parâmetros a serem utilizados.
3.1.2 Contra-Corpo
Os contra-corpos, ou discos, foram usinados em aço inoxidável AISI 304, que foi adqui-rido da empresa Parinox na forma de barra redonda com diâmetro 33
4”. Foi realizada a usinagem
para obter cinco contra-corpos para cada material de pino, totalizando 10 discos, conforme o desenho na Figura 3.2. Um disco adicional foi confeccionado para realizar os testes prelimina-res.
Este número de contra-corpos corresponde ao necessário para realizar cinco ensaios em cada condição (mais um disco para realização de testes preliminares), já que cada contra-corpo pode ser utilizado para quatro ensaios, conforme a Figura 3.3. Ou seja, cada face do contra-corpo terá duas pistas de ensaio em posições de diâmetro diferentes. Isto foi feito pois houve um levantamento anterior por Boutin e Rocha (2015) indicando que a temperatura de trabalho nestas quatro pistas não sofre alterações significativas.
Antes da realização dos ensaios esta hipótese foi testada utilizando um contra-corpo e quatro pinos de PTFE com reforço de bronze. Foram feitos testes com parâmetros idênticos nas quatro pistas para coleta da temperatura no contato. Esta temperatura (𝑇𝑖) foi determinada
realizando-se a média aritmética das temperaturas registradas em intervalos de 15 segundos entre 7min e 8min de ensaio, no total de cinco tomadas de temperatura para cada ensaio. Foi
Figura 3.2 – Contra-corpo para ensaio pino sobre disco: (a) detalhes de fabricação; (b) vista isométrica. (BOUTIN; ROCHA, 2015)
calculada a dispersão máxima (𝐷) a partir das equações (3.1) e (3.2). 𝐷 = max(︁𝑇 𝑖 − 𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 )︁ 𝑝𝑎𝑟𝑎 (1 6 𝑖 6 4) (3.1) 𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎= 𝑇1+ 𝑇2+ 𝑇3+ 𝑇4 4 (3.2)
Figura 3.3 – Planejamento das pistas de deslizamento para os ensaios (dimensões em mm). (BOUTIN; ROCHA, 2015)
3.2 EQUIPAMENTOS 3.2.1 Microscópio ótico
Para caracterização dos compósitos no estado de fornecimento, foi realizada uma aná-lise de microscopia buscando avaliar o teor, forma e dispersão das partículas de reforço na matriz polimérica. Utilizou-se para isto um microscópio ótico da marca Kontrol e modelo IM713. 3.2.2 Máquinas e equipamentos de usinagem
Para a confecção dos corpos de prova e contra-corpos foram utilizadas duas máqui-nas. Um torno convencional Nardini MS-205, para as operações de desbaste e furo central no contra-corpo, além do torneamento externo e faceamento dos corpos de prova; e um centro de torneamento CNC ROMI GL250M, para as operações de furação excêntrica e acabamento no contra-corpo.
Foi dada maior atenção às operações de faceamento de ambas as peças, utilizando pa-râmetros de corte que gerem o acabamento superficial desejado. Seguiram-se, portanto, as re-comendações de MACHADO et al. (2009) para se obter uma rugosidade média (𝑅𝑎) próxima
a 8,2µm para as faces dos pinos e 2,2µm para as faces do disco. Para isso utiliza-se a Equação (3.3), onde 𝑓 representa o avanço e 𝑟𝜖representa o raio de ponta da ferramenta. (MACHADO et
al., 2009)
𝑅𝑎=
𝑓2 18√3 · 𝑟𝜖
(3.3) Com raio de ponta de 0,4mm, típico para operações gerais de torneamento, obtêm-se os valores de avanço indicados na Tabela 4.
Tabela 4 – Avanços a serem utilizados no faceamento dos corpos de prova e contra-corpos.
Peça 𝑅𝑎desejado (𝑟𝜖) Avanço calculado (𝑓)
Corpo de prova 8,2µm 0,4mm 0,320mm/rot
Contra corpo 2,2µm 0,4mm 0,166mm/rot
Para outros parâmetros de corte foram utilizadas as recomendações do fabricante da ferramenta.
3.2.3 Tribômetro
Utilizou-se tribômetro do fabricante Bruker, modelo CETR-UMT (Comprehensive Ma-terials Testing for Mechanical Tribological Properties), conforme a Figura 3.4.
Figura 3.4 – Tribômetro Bruker CETR-UMT. (BOUTIN; ROCHA, 2015)
O acoplamento do pino ao tribômetro foi feito com um porta-amostras confeccionado em aço, conforme mostra a Figura 3.5. Uma extremidade do porta-amostras é inserida na pinça de fixação e a outra acomoda o corpo de prova, fixando-o por meio de um parafuso.
A célula de carga utilizada para controle e registro dos esforços aplicados ao corpo de prova admite esforço de até 200N.
Figura 3.5 – Porta-amostras para fixação dos corpos de prova, à direita. À esquerda, pinça que fixa porta-amostras à célula de carga.
O disco é fixado ao tribômetro por meio de um parafuso central, e o movimento de rotação é transmitido através de um pino que se acopla ao furo excêntrico do disco. Na Figura 3.6 pode-se ver um esquema do sistema pino-sobre-disco montado. Os parâmetros de ensaio estão relacionados na seção 3.3.
Figura 3.6 – Esquema do ensaio pino-sobre-disco utilizado neste trabalho.
3.2.4 Balança
Para realização das medidas de massa, antes e após o ensaio, foi utilizada uma balança Shimadzu AUY220, com capacidade máxima de 220g, mínima de 10mg e com resolução de 0,1mg.
3.2.5 Câmera termográfica
Para a aquisição de imagens térmicas e a determinação da temperatura no contato, utilizou-se uma câmera termográfica modelo E40 da fabricante FLIR, à esquerda na Figura 3.7.
Figura 3.7 – Montagem final do tribossistema e câmera termográfica
Foi utilizada uma função do software da câmera para encontrar a maior temperatura medida na região do contato (próximo ao pino). Outras análises foram feitas a partir das imagens
obtidas, como a avaliação do gradiente de temperatura no pino e da variação da temperatura do disco. A montagem do equipamento foi feita conforme pode-se observar na Figura 3.7. As imagens térmicas foram obtidas frontalmente, com a rotação do disco no sentido anti-horário. Dessa forma é possível capturar a região onde se apresentam as maiores temperaturas – a região de saída do contato.
3.2.6 Interferômetro de luz branca (IDLB)
Utilizou-se o interferômetro de luz branca modelo Talysurf CCI Lite da fabricante Tay-lor Hobson. Com ele, é possível caracterizar as superfícies de atrito antes e após os ensaios, verificando as possíveis alterações superficiais. Obtiveram-se perfis tridimensionais de super-fície, com análise de rugosidade 2D e 3D. A análise foi feita em três pontos de cada pista do contra-corpo, realizando-se uma média entre os valores obtidos de rugosidade para os três pon-tos.
3.2.7 Microscópio eletrônico de varredura (MEV)
O equipamento que foi utilizado é o EVO-MA15 da marca Zeiss. Foi analisada a super-fície do pino antes e após os ensaios, utilizando uma amostra para cada nível de força ensaiado para cada material. Também foram analisadas as superfícies dos contra-corpos, de modo a ca-racterizar as diferenças na formação dos filmes aderidos à superfície.
Também foi utilizado o módulo de espectroscopia por dispersão de energia (EDS) aco-plado ao MEV para determinação dos elementos químicos presentes nas partículas de bronze dispersas na matriz de PTFE, a fim de determinar a liga de bronze utilizada.
Para os pinos, foi necessária uma etapa intermediária de recobrimento com ouro. Isso se deve ao fato do PTFE ser um fraco condutor elétrico, e o MEV necessita projetar elétrons sobre a superfície do material analisado para a formação das imagens. O recobrimento foi realizado no equipamento Quorum Q150R ES, após secagem por 24h em sílica gel.
3.2.8 Espectrômetro de infravermelho (FTIR)
A espectrometria de infravermelho por transformada de fourier (FTIR) é um método utilizado para a identificação e caracterização de materiais, principalmente poliméricos. Ela fornece dados importantes para caracterizar e avaliar quais moléculas estão presentes na amostra. Neste trabalho foi utilizado um espectrômetro de infravermelho Varian 640-IR.
Amos-tras foram coletadas da matéria prima dos pinos em estado de fornecimento e de um pino em cada nível de força após os ensaios. Ou seja, objetiva-se verificar as variações moleculares nos compósitos, tanto na peça quanto no material depositado.
3.3 PARÂMETROS DE ENSAIO
Para realização do ensaio tipo pino-sobre-disco foram utilizadas as recomendações da norma ASTM G99 - 95a(2000) (ASTM INTERNATIONAL, 2000). Os principais parâmetros que podem ser controlados no equipamento de ensaio são:
1. Força normal, 𝐹𝑁;
2. Rotação do disco, 𝜔; e 3. Tempo de ensaio, 𝑡.
Estes parâmetros são determinados a partir da geometria do corpo de prova e do contra-corpo, bem como das condições fixadas previamente por Boutin e Rocha (2015). Fixou-se como constante o valor da condição PV, que é uma expressão da severidade do contato, dado pela Eq. (3.4). O valor a ser utilizado será igual a 0,49MPa · m/s.
𝑃 𝑉 = 𝑃 · 𝑉 (3.4)
Onde P é dado pela Eq. (3.5) e depende do nível de força normal utilizado. A área de contato aparente, 𝐴, foi obtida a partir da Eq. (3.6) (onde 𝑑 é o diâmetro do pino, dado na sub-seção 3.1.1, de 6,30 a 6,40mm), e é igual a 31,67±0,5mm2.
𝑃 = 𝐹𝑁 · 𝐴 (3.5)
𝐴 = 𝜋𝑑
2
4 (3.6)
Os valores dados na Tabela 5 para os carregamentos, bem como o parâmetro PV, foram obtidos através de ensaios preliminares de Boutin e Rocha (2015). Os raios da pista de desliza-mento (𝑟) foram determinados na Sub-Seção 3.1.2 e estão mostrados na Figura 3.2. Seus valores são 20, 25, 30 e 35mm. Para facilitar a organização dos ensaios, cada raio de pista foi associado a um nível de força normal. A velocidade de deslizamento é função do nível de carregamento, e com ela é possível determinar a rotação (𝜔, em RPM) do disco, dada pela Eq. (3.7), e o tempo de ensaio (𝑡, em segundos), dado pela Eq. (3.8).
𝜔 = 𝑉 · 60
𝑡 = 𝑑
𝑉 (3.8)
Tabela 5 – Parâmetros utilizados para cada nível de força normal.
Variável Unidade Descrição Nível 1 Nível 2 Nível 3 Nível 4 𝐹𝑁 [N] Força normal 18,4 23,7 28,8 32,0
𝐴 [m2] Área aparente de contato 3,17E-05
𝑃 [MPa] Pressão média 0,581 0,748 0,909 1,010 𝑃 𝑉 [MPa · m/s] Parâmetro de severidade do contato 0,49
𝑉 [m s−1] Velocidade de deslizamento 0,84 0,65 0,54 0,48
𝑟 [m] Raio da pista de deslizamento 0.035 0.030 0.025 0.020 𝜔 [rpm] Velocidade de rotação do contra-corpo 230,1 208,4 205,8 231,5 𝑡 [s] Tempo de duração do ensaio 593 764 928 1031
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos nos ensaios descritos no capítulo 3, bem como sua discussão e interpretação.
Em algumas seções deste capítulo é utilizada uma nomenclatura característica para denominar as amostras com facilidade. Esta nomenclatura consiste em uma letra, representando o material do compósito utilizado e dois números que representam o parâmetro (ou nível) de carregamento utilizado e a repetição do ensaio. Esta representação está detalhada na Figura 4.1.
Figura 4.1 – Representação da nomenclatura codificada utilizada para nomear as amos-tras.
4.1 USINAGEM DOS CORPOS DE PROVA E CONTRA-CORPOS
Durante a usinagem dos pinos e discos, surgiram diversas dificuldades que apontam para melhorias a serem realizadas tanto na geometria dos corpos, quanto nos processos e estra-tégias adotadas. A maior parte das dificuldades encontradas na confecção das amostras para o ensaio psobre-disco está relacionada ao grande diâmetro proposto para o disco de aço ino-xidável. O diâmetro de 85mm foi determinado devido à necessidade de realizar mais ensaios por disco, assim reduzindo o número de contra-corpos necessários para completar todas as re-petições. Propõe-se que, para trabalhos futuros, este diâmetro seja reduzido para 50mm. Assim, apenas um ensaio por face será realizado – dobrando o número de discos necessários para todos os ensaios. Por outro lado, quando se analisa do ponto de vista da massa de matéria prima uti-lizada, nota-se que a barra de 2” apresenta densidade linear muito menor que a barra de 3.3/8” utilizada neste trabalho, conforme Tabela 6 (com massa específica dada por Davis (1998)).
Considera-se ainda que cada corte irá causar a perda de cerca de 4mm de comprimento da barra (𝑧𝐶) e que será deixado sobremetal (𝑧𝑆𝑀) de 0,5mm em cada face. Para determinar
Tabela 6 – Comparação entre densidade linear das barras de 2” e 3.1/4” de aço inoxidável AISI 304.
Diâmetro Área Massa específica Densidade Linear (𝛼)
mm m2 kg/m3 kg m−1
50,8 2.027 × 10−3
7900 16,0
85,73 5.772 × 10−3 45,6
a massa de material necessária para confeccionar os discos de 50mm ou 85mm de diâmetro, usa-se a equação 4.1. Nesta equação, 𝑁 é o número de discos necessários (11 para 85mm e 20 para 50mm) e 𝑧𝐷 é a espessura do disco (10mm).
𝑚 = 𝛼 * [𝑁 · 𝑧𝐷 + (2𝑁 )𝑧𝑆𝑀+ (𝑁 − 1)𝑧𝐶] (4.1)
Assim, chega-se aos valores de 4,7kg de material para confeccionar os 20 discos de 50mm de diâmetro, contra 7,3kg para confeccionar os 11 discos de 85mm de diâmetro. Ressalta-se que o valor das peças compradas é diretamente proporcional à massa da peça, Ressalta-sendo o preço estimado em cerca de 22 reais por quilograma de material. Logo, para o diâmetro menor, seria gasto em matéria prima cerca de R$103,00, enquanto que para o diâmetro maior seria aproxi-madamente R$160,60 – um custo 56% maior.
Além do maior custo de matéria prima, um maior diâmetro de barra dificulta o corte de cada disco dentro de tolerâncias geométricas aceitáveis. Para contornar este problema, utilizou-se corte por eletroerosão a fio. No entanto, devido à grande espessura de corte, o tempo de usinagem foi muito elevado – cerca de duas a três horas por disco. Optou-se, então, por realizar o corte dos seis últimos contra-corpos em serra-fita horizontal. Neste caso o paralelismo entre as faces foi degradado, sendo necessária uma etapa adicional de desbaste com cuidados redo-brados para corrigir a tolerância geométrica. Para o caso de um menor diâmetro, o corte pode ser realizado no torno por meio da operação de sangramento, que facilmente mantém tanto as tolerâncias dimensionais quanto geométricas. Adiciona-se a isso a impossibilidade de levar ao MEV um disco muito grande, o que implica uma etapa posterior de corte do disco em frações menores. Assim fica justificada a utilização de mais discos de menor diâmetro.
Outro ponto a ser levantado é a utilização da Equação (3.3) para ajuste da rugosidade nos materiais usinados. Embora não tenha sido feita a avaliação da rugosidade para os pinos, pois sua influência seria apenas nos primeiros segundos de desgaste, observou-se para os discos que a rugosidade média (Sa) nas faces usinadas foi muito inferior à calculada. Enquanto o objetivo era de atingir uma rugosidade de 2,2µm, constatou-se que este parâmetro ficou próximo a 0,6µm, mesmo utilizando o avanço calculado e velocidade de corte constante.
As dimensões do pino também representaram problemas para a usinagem. Nas etapas de desbaste abaixo de 7mm percebeu-se que o material cede durante o corte por conta de seu baixo módulo de elasticidade e pequena seção resistente. Deste modo, a ferramenta empurra o
pino, flexionando-o e retirando menos material da ponta em balanço do que da parte próxima à placa do torno – o que leva a geração de uma geometria cônica. Sugere-se que se utilize um diâmetro de pino de ao menos 8mm, diâmetro no qual não se observa conicidade no material usi-nado. Esta modificação também reduz a quantidade de matéria prima desperdiçada e o tempo de usinagem de cada peça, visto que as barras de compósitos de PTFE são fornecidas em diâmetro mínimo na ordem de 16mm.
4.2 TESTES PRELIMINARES
O ensaio preliminar permitiu visualizar a característica da variação de temperatura nos minutos finais do ensaio. O gráfico mostrado na Figura 4.2 relaciona a temperatura medida com o tempo de ensaio. Pode-se notar uma tendência geral de crescimento lento da temperatura, potencialmente indicando a impossibilidade de alcançar o equilíbrio da temperatura ao final dos 500m de deslizamento. Esta hipótese será avaliada na Seção 4.4 para todos os parâmetros de ensaio.
Figura 4.2 – Gráfico indicando a variação da temperatura conforme o avanço do tempo do ensaio preliminar. P1: Pista 1; P2: Pista 2; P3: Pista 3; P4: Pista 4.
O resultado obtido a partir dos testes preliminares está relacionado na Tabela 7. O valor de dispersão máximo registrado foi de 0,69%, muito menor que o preestabelecido de 5%, o que valida a utilização das pistas em diâmetros diferentes para a realização do ensaio em condições equivalentes.
Tabela 7 – Resultado dos testes preliminares de equivalência de pistas do contra-corpo.
Amostra Temperatura (𝑇𝑖) Temperatura Média (𝑇𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎) Dispersão (D)
P1 35,00∘C 34,76∘C 0,69% P2 34,76∘C 0% P3 34,74∘C -0,06% P4 34,54∘C -0,63%
4.3 AVALIAÇÃO DA MICROESTRUTURA DOS COMPÓSITOS
Avaliando-se os aspectos microestruturais através de imagens obtidas por microscopia ótica e eletrônica, foi possível mostrar grandes diferenças entre os dois compósitos. Foram en-contradas diferenças na forma e tamanho das partículas, bem como na homogeneidade de sua distribuição.
A Figura 4.3 mostra a microestrutura dos compósitos em estado de fornecimento, na região próxima ao centro da barra, em corte transversal. Esta região foi escolhida para análise pois os pinos usinados serão constituídos desta porção do material.
Figura 4.3 – Micrografia dos compósitos de PTFE+Grafite (a) e PTFE+Bronze (b) em es-tado de fornecimento.
Pode-se notar que a distribuição do grafite (regiões escuras na Figura 4.3a) é mais ho-mogênea, com tamanho e forma semelhante por toda a amostra. Já o tamanho das partículas de bronze é bastante variado, desde pequenos pontos até partículas com aproximadamente 35µm de diâmetro. O formato destas partículas é predominantemente irregular. Estas características
puderam ser melhor observadas diante da utilização da microscopia eletrônica. Na Figura 4.4 é mostrada a característica angular das partículas de grafite, com uma alta razão de aspecto (razão entre comprimento e largura das partículas), e boa homogeneidade.
Figura 4.4 – Micrografia eletrônica da estrutura do compósito PTFE+Grafite.
A estrutura encontrada no compósito de PTFE+Bronze (Figuras 4.5 e 4.6), no entanto, apresentou certa variação entre a periferia e núcleo da barra em estado de fornecimento. Ao observar as diferentes regiões pode-se notar que há sutis diferenças na distribuição, tamanho e forma das partículas. Esta informação pode ser importante na confecção de peças maiores que necessitem de propriedades homogêneas em toda sua extensão. No caso deste trabalho, todos os corpos de prova foram confeccionados a partir da porção central da barra, portanto os resultados aqui apresentados serão referentes à estrutura mostrada na Figura 4.6b. Pode-se observar que o formato típico das partículas é irregular, o que pode indicar a produção destas partículas por meio de atomização a água.
Tabela 8 – Composição química da liga de bronze encontrada nas partículas do compósito.
Elemento Valor medido[%(m/m)] ABNT C-90500[%(m/m)]
Cu 87,8 86-89
Sn 10,2 9,0-11,0
Zn 2,0 1,0-3,0
Conforme se observa na Tabela 8, que mostra a composição química da partícula de bronze por meio de análise EDS, há uma forte correlação entre a composição encontrada e o padrão ABNT C-90500, que é equivalente ao UNS C90500 (COHEN, 1990), determinado pelas agências norte-americanas SAE e ASTM.
Figura 4.5 – Imagem mostrando as diferentes colorações das regiões do núcleo e da borda do compósito de PTFE+Bronze após corte transversal.
Figura 4.6 – Micrografia eletrônica da estrutura do compósito PTFE+Bronze no estado de fornecimento. a) Periferia da barra; b) Núcleo da barra.
4.4 ENSAIO PINO SOBRE DISCO
O ensaio realizado no tribômetro permitiu avaliar, principalmente, três grandezas im-portantes para a determinação do comportamento do sistema tribológico. Primeiramente, foi possível determinar o coeficiente de atrito cinético, a partir da análise dos dados obtidos pela célula de carga do equipamento. Também avaliou-se a temperatura no contato a partir das diver-sas termografias tomadas durante a realização do ensaio. Por fim, avaliou-se a taxa de desgaste a partir da aferição da massa dos corpos de prova antes e após o ensaio.
Destaca-se que durante os ensaios a temperatura e umidade relativa do ar foram moni-toradas, mas não controladas. A temperatura variou dentro da faixa de 21 a 22∘Ce a umidade
relativa entre 52 e 56%. Esta variação é bastante baixa e considera-se que seu efeito nos resul-tados não é significativo.
4.4.1 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
