V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA
V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING
25 a 28 de agosto de 2008 – Salvador – Bahia - Brasil
August 25 – 28, 2008 - Salvador – Bahia – Brazil
AVALIAÇÃO DO DESGASTE DE POLIURETANO SUBMETIDO A
ENSAIOS DE DESLIZAMENTO
CON08-1539
Resumo: Poliuretano elastômero (PU) é utilizado na forma de discos nos sistemas conhecidos como "PIGs" , aplicados na manutenção e limpeza de dutos petrolíferos. Dentre os propósitos de aplicação desses discos, pode-se destacar a sua função de contactar a parede interna do duto para raspar camadas finas de contaminantes ou substâncias estranhas. Para essa aplicação é necessário um baixo coeficiente de atrito, elevada resistência ao desgaste. Neste trabalho, o comportamento do par tribológico poliuretano/aço AISI 1045 foi analisado através de ensaios de deslizamento na configuração
plano-cilindro nas condições a seco e lubrificada, com e sem contaminantes abrasivos (SiO2). Durante os
ensaios, parâmetros como carga normal, velocidade e distância de deslizamento foram mantidos constantes. Corpos-de-prova poliméricos foram confeccionados na forma cilíndrica com superfície de ensaio plana e contra-corpos de aço AISI 1045 (Temperado e Revenido) em forma de hastes. A caracterização dos materiais foi feita através de ensaios de Dureza Shore A (85±2 Sh A) e TG para os corpos-de-prova de PU e medidas de Dureza Rockwell (47±3 HRC) e rugosidade Ra (0,23±0,02µm) para as hastes de aço. Medidas de vibração e variações de temperatura foram registradas e avaliadas como uma medida indireta do atrito. Utilizando a equação de Archard foi possível calcular as taxas de desgaste a partir da variação de massa dos corpos-de-prova antes e após os ensaios.
Palavras-chave: Poliuretano, Desgaste, Atrito.
1. INTRODUÇÃO
Os poliuretanos termoplásticos elastômeros (TPU’s) combinam as propriedades mecânicas de borrachas vulcanizadas com a processabilidade de polímeros termoplásticos. Podem ser repetidamente fundidos e processados, devido à ausência de ligações cruzadas que normalmente está presente nas borrachas. Além disso, eles são selecionados ao invés de outros polímeros porque têm baixo custo, excelentes propriedades mecânicas, alta resistência ao rasgamento, oxidação e umidade [1-2].
TPU’s apresentam uma ótima resistência à tração com grande alongamento (superior a 700%). Comparando com as borrachas, o poliuretano é um material de extrema elasticidade. Além disso, possui uma variação de dureza de 20 a 95 Shore A [3].
Mangueiras, espumas rígidas e flexíveis, elastômeros duráveis, adesivos de alto desempenho, selantes, fibras, vedações, gaxetas, carpetes , amortecedores, peças de plástico rígido e tubos flexíveis são feitos com PU, devido à alta resiliência e flexibilidade, em largas faixas de temperatura, bem como
resistência à abrasão, ao rasgo e à quebra. O alto alongamento, a resistência à hidrólise e micróbios e as propriedades mecânicas são ideais para o revestimento interno de mangueiras de incêndio, mais leves, fáceis de operar e alta durabilidade. Tubos revestidos com PU são usados no transporte de areia e pedras, devido à resistência à abrasão e ao rasgo [3].
Devido a essas características, esse material é alvo de estudos de muitos pesquisadores como Lima da Silva e colaboradores (2007) [1], que identificou diferentes mecanismos de desgaste de TPU’s em função da pressão de contato.
Sistemas conhecidos como "pipeline PIGs", ou simplemente PIGs, são empregados em dutos de petróleo e gás para exercerem diversas funções, sendo a limpeza a função primária. Um PIG de limpeza geralmente tem um corpo que é suportado centralmente dentro do duto. Esse corpo tem um diâmetro externo muito menor que o diâmetro interno do duto. Por isso, o corpo do PIG é suportado por discos que entram em contato com a parede do duto. Os discos servem de suporte ao corpo, mas também exerce a função de raspar as paredes internas dos dutos [4]. O poliuretano é utilizado como material dos discos por apresentar coeficiente de atrito razoavelmente baixo e elevada resistência ao desgaste abrasivo, no âmbito dos polímeros.
Com o objetivo de estudar o desgaste de poliuretanos utilizáveis em "PIGs" de limpeza de dutos de aço carbono, foram realizados ensaios de deslizamento com o par tribológico TPU - aço AISI 1045, com a configuração plano-cilindro, nas condições a seco e lubrificada, com e sem contaminantes abrasivo (SiO2).
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1 Ensaios Tribológicos
O método consistiu em realizar-se um conjunto de ensaios de deslizamento em uma bancada (tribômetro), Figura 1, usando a configuração plano-cilindro, nas condições a seco e lubrificada, com e sem contaminantes abrasivos (SiO2). Durante os ensaios, parâmetros como carga normal, velocidade e distância de deslizamento mantiveram-se constantes.
No desenvolvimento do ensaio de desgaste por deslizamento, o contra-corpo de eixo cilíndrico foi fixado em mancais radiais e rotacionado por um motor elétrico VEB Elektrenotorenwerk com potência de 300 W, freqüência 60 Hz e velocidade 1.600 rpm (1,0 m/s).
O corpo-de-prova polimérico era colocado verticalmente, submetido a uma solicitação normal de 5,0 N contra o contra-corpo metálico por um peso morto, ocasionando uma pressão de contato no par tribológico. Um analisador de vibração portátil foi usado para medir o deslocamento do contra-corpo na direção normal ao corpo-de-prova polimérico. Ensaios contínuos foram realizados com distância de deslizamento de 1 km. Foram coletadas temperaturas próximas 3,0±0,5 mm ao contato e temperatura ambiente, através de um termopar portátil marca INSTRUTERM modelo TH- 60, dois canais, utilizando um sistema de aquisição de dados acoplado ao computador. Tais temperaturas eram registradas em intervalos de tempo de dois segundos.
Figura 1. Diagrama esquemático da bancada de ensaio.
2.2 Materiais
Os corpos-de-prova poliméricos foram confeccionados com formato cilíndrico de dimensões 12mm x 13mm (diâmetro x altura), com superfície de ensaio plana, como mostrado na Figura 2.
Contra-corpo
Corpo-de-prova
Inversor de freqüência
Peso morto
Antes dos ensaios, os corpos-de-prova foram lixados com lixas de carboneto de silício de meshes #100, #180, #360, #600, limpos através de banho ultra-sônico, com duração de 10 minutos e pesados em balança de SARTORIUS, tipo BP210 S. Para caracterização do material polimérico realizaram-se análise termogravimétrica e ensaios de dureza Shore A, o que forneceu valores de 85 ±2 Sh A.
Após os ensaios, as superfícies desgastadas dos corpos-de-prova foram analisadas através de uma Lupa OLYMPUS Japan SZ40, aumento máximo de 40 vezes.
Tarugos de aço AISI 1045 foram usinados para confecção dos contra-corpos no formato de haste cilíndrica com dimensões 12mm x 18mm (diâmetro x comprimento), Figura 2. Essas hastes cilíndricas foram tratadas termicamente (Têmpera e Revenimento) atingindo dureza de 47±3 HRC na direção circunferencial e lixadas com lixas de SiC, meshes #100, #180, #280, configurando uma rugosidade média Ra 0,23±0,02 µm, satisfazendo aos requisitos impostos às hastes de unidades de bombeio de óleo pela norma API 11B .
Figura 2 – Esquema do contato entre o corpo-de-prova e o contra-corpo.
Nos ensaios lubrificados, utilizou-se como lubrificante um óleo comercial SAE 40, com um nível de qualidade APISE/CC. A vazão de uma gota de lubrificante era de 0.024 mL, e a taxa de gotejamento usada foi de uma gota, a cada 15 segundos.
Partículas de óxido de silício (SiO2), com diâmetro médio de partículas de 282,16 µm, foram utilizadas como contaminantes do lubrificante, aplicado em uma porcentagem de 10% do peso do lubrificante utilizado.
2.3 Caracterização do desgaste
O desgaste dos corpos-de-prova foi caracterizado a partir dos seguintes parâmetros: • Temperatura
Quando dois corpos em contato se deslocam com um movimento relativo, uma parcela da energia total gerada é dissipada, na forma de calor, através da interface do contato, elevando a temperatura local acima da temperatura ambiente.
Em muitos casos, as propriedades mecânicas de um ou dos dois materiais em contato, são alteradas devido à elevação da temperatura, portanto, se faz importante o registro da temperatura durante ensaios tribológicos para verificar se são atingidos valores críticos nas condições de operação do sistema [5].
• Taxa de desgaste
O desgaste de materiais pode ser quantificado através da equação de Archard, a qual relaciona a variação mássica (∆m), a massa específica (ρ), a distância de deslizamento (L) e a carga normal (W) [6].
Taxa de desgaste = (∆m / ρ) (L x W)
• Vibração
Lima da Silva e colaboradores (2007) [7] mencionaram que a vibração de sistemas tem despertado a atenção de vários pesquisadores, porém, sua influência no comportamento tribológico de
Corpo-de-prova Contra-corpo
polímeros tem sido discutida raramente. A resposta da vibração do sistema utilizado neste estudo foi caracterizada durante os ensaios com o objetivo de se investigar se há uma correlação entre este parâmetro e o desgaste do poliuretano.
• Análise das superfícies desgastadas
Para comprovar o desgaste ocorrido nos corpos-de-prova, é importante a análise das superfícies desgastadas após os ensaios. Dessa forma, identificam-se os mecanismos de desgaste, podendo-se associá-los aos demais parâmetros estudados.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Figura 3, é apresentada a curva termogravimétrica do poliuretano e sua derivada no tempo. O PU tem estabilidade térmica até os primeiros 200°C, a partir dessa temperatura o material inicia seu processo de decomposição. Observa-se, através da curva TG, que a decomposição ocorre em duas etapas: a primeira, numa faixa de temperatura de 200 a 399°C; a segunda, de 399 a 600°C, quando não mais se observa a presença de resíduos.
0.00 200.00 400.00 600.00 Temp [C] 0.00 50.00 100.00 % TGA -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 mg/min DrTGA 23.75C -0.047mg -1.488% 96.46C -2.757mg -87.302% 399.72C 600.67C -0.363mg -11.495% File Name: PUJU.tad
Detector: DTG-60 Acquisition Date 08/02/08 Acquisition Time 09:21:08(-0300) Sample Name: PUJU Sample Weight: 3.158[mg] Annotation: PUJU.tad PUJU.tad TGA DrTGA
Figura 3. Curva de decomposição térmica do Poliuretano em atmosfera oxidante (TG/DTG) Na Figura 4, é exibido o gráfico da variação das temperaturas coletadas durante os ensaios (temperatura próxima ao contato menos temperatura ambiente) para três condições de ensaio: seco, lubrificado com contaminante e lubrificado sem contaminante. Neste gráfico, duas curvas referem-se a ensaios a seco, onde se evidenciou (a) uma aderência de PU ao contra-corpo metálico e (b) onde não ocorreu tal aderência.
Pode-se observar que a temperatura máxima atingida foi no ensaio a seco, o qual apresentou aderência do poliuretano ao aço AISI 1045, indicando maior atrito. Segundo Unal e colaboradores (2004) [8], o aumento na temperatura leva ao ponto de amolecimento dos polímeros, aumentando assim a componente adesiva, o que resulta em maiores coeficientes de atrito. Nesse ensaio, o amolecimento do polímero iniciou a uma temperatura de aproximadamente 60°C, a uma distância de 3,0±0,5 mm do contato.
Nos ensaios lubrificados com e sem contaminante, observa-se uma pequena diferença entre as variações de temperatura, destacando-se que a presença do lubrificante foi eficaz na diminuição do atrito. A resposta da temperatura à ação do contaminante foi mascarada pela presença do lubrificante.
TGA Derivada TGA
Figura 4. Gráfico das variações de temperatura em função da distância de deslizamento em diferentes condições de ensaio (a seco, lubrificado sem e com contaminante).
Na Figura 5, são apresentados os dados de vibração obtidos durante os ensaios. Observaram-se os maiores valores de vibração nos ensaios seco sem aderência do poliuretano e lubrificado com a presença de contaminante.
No ensaio com presença de contaminante, observou-se que ao longo da distância de deslizamento a vibração aumentou, mostrando a ação do terceiro corpo (SiO2), já que no ensaio lubrificado sem contaminante esse comportamento não foi evidenciado. Maru e colaboradores (2006) [9] investigaram o efeito de contaminação sólida em mancais de rolamento através da análise da vibração, constatando que as amplitudes de vibração aumentaram com o aumento da concentração de contaminante. Esses autores também comentam que a análise de vibração é útil na identificação da ocorrência do desgaste.
Figura 5. Gráfico dos dados de vibração versus distância de deslizamento em diferentes condições de ensaio (seco, lubrificado sem e com contaminante).
Na Figura 6, é apresentado o gráfico das taxas de desgaste nas três condições de ensaio. Os valores obtidos para o ensaio a seco foram os de maior grandeza (10-11 m2/N), caracterizando o maior desgaste.
Nos ensaios lubrificados sem contaminantes, as taxas de desgaste obtidas foram da ordem de -4x10-13 m2/N. Valores negativos mostraram que houve absorção de óleo pelo poliuretano, esse
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 20 40 60 80 100 T em p er at u ra ( 0 C ) Distância de deslizamento (km)
Seco sem Aderência Seco com Aderência Lubrificado sem contaminante Lubrificado com contaminante
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 1,0x10-3 2,0x10-3 3,0x10-3 4,0x10-3 5,0x10-3 6,0x10-3 7,0x10-3 8,0x10-3 V ib ra çã o R M S (m /s ) Distância da deslizamento (km)
Seco sem aderência Seco com aderência Lubrificado sem contaminante Lubrificado com contaminante
comportamento foi evidenciado por Cruz e colaboradores (2007) [10], quando estudaram o inchamento (“swelling”) de elastômeros como poliuretano e NBR (borracha nitrílica). No ensaio lubrificado com óleo e contaminantes, as taxas de desgaste foram da ordem de 1x10-13 m2/N, esse resultado indicando que, apesar do poliuretano absorver óleo, houve remoção de material pela ação do contaminante.
Em alguns sistemas lubrificados, o lubrificante pode não prevenir completamente o contato entre as asperezas, entretanto, também pode reduzir a formação de junções. Em outros casos, o lubrificante separa as superfícies completamente e nenhuma junção é formada [5]. No presente estudo, o lubrificante forneceu uma camada protetora, reduzindo o atrito e a vibração. Já o desgaste foi mascarado pela absorção do óleo pelo poliuretano.
Figura 6. Taxas de desgaste do poliuretano em diferentes condições de ensaio (seco, lubrificado com óleo, sem e com contaminante)
Na Figura 7, estão apresentadas imagens dos corpos-de-prova e contra-corpos após os ensaios a seco. A ocorrência de desgaste adesivo foi constatada através da presença de poliuretano aderido no contra-corpo metálico (Figuras 7c e 7d), quando a temperatura próxima ao contato atingiu 115°C. Segundo Hutchings (1992) [6], durante o deslizamento polímero-metal, o atrito do polímero é influenciado por dois mecanismos, deformação e aderência. O mecanismo de aderência envolve dissipação de energia, que se origina da quebra de ligações poliméricas e conseqüente ligação do polímero com a superfície oposta.
ADERÊNCIA (a) (b) (c) (d) D ir eç ão d o d es liz am en to
Seco Lub s/cont Lub c/cont -2,0x10-12 0,0 2,0x10-12 4,0x10-12 6,0x10-12 8,0x10-12 1,0x10-11 1,2x10-11 1,4x10-11 T a x a d e d e s g a s te ( m 2 /N ) Condições
Figura 7. Imagens dos corpos-de-prova e dos contra-corpos de AISI 1045 tratado (T&Q) após os ensaios a seco (a) e (b) sem aderência do poliuretano ao aço, respectivamente; (c) e (d) com
aderência do poliuretano ao aço, respectivamente (Aumento: 6,7x)
Na Figura 8, são mostradas as imagens dos corpos-de-prova após os ensaios lubrificados com óleo, sem e com contaminante. O desgaste abrasivo no ensaio lubrificado sem contaminante (Figura 8a) é visível e se configura como abrasão a dois corpos, onde os riscos abrasivos se apresentaram na direção do deslizamento, provavelmente originados pelas asperezas do contracorpo metálico. No ensaio lubrificado com óleo e contaminantes (Figura 8b), o desgaste abrasivo foi caracterizado por indentação do SiO2 no poliuretano, dando origem a microcrateras.
Figura 8. Imagens dos corpos-de-prova após ensaios lubrificados (a) sem contaminante; (b) com contaminante (SiO2) (Aumento: 6,7x)
Imagens das superfícies dos contracorpos metálicos após os ensaios lubrificados são apresentadas na Figura 9. No ensaio lubrificado, sem contaminante (Figuras 9a e b), observaram-se riscos em uma só direção, originados do processo de lixamento.
As imagens referentes ao ensaio lubrificado com óleo e contaminantes, evidenciaram-se riscos originados do processo de lixamento e riscos originados do deslocamento das partículas abrasivas (Figuras 9c e 9d). Pode-se comprovar que a presença do contaminante gerou desgaste abrasivo no aço. As partículas de SiO2 indentaram a superfície do poliuretano e provocaram sulcos abrasivos no contracorpo de aço. Observa-se, também, que partículas de contaminante indentaram o contracorpo metálico, originando microcrateras. Indentação D ir eç ão d o d es liz am en to Abrasão a dois corpos (a) (b) (c) Deslocamento do (d) contaminante Microcratera
Figura 9. Imagens do aço AISI 1045 após os ensaios lubrificados sem contaminante (a) lupa e (b) microscópio ótico (100x); lubrificados com contaminante (c) lupa e (d) microscópio ótico (100x)
4. CONCLUSÕES
Nos ensaios a seco, as taxas de desgaste, a variação de temperatura e as amplitudes de vibração apresentaram valores elevados quando comparados aos ensaios lubrificados. Nestes ensaios, houve um caso especial em que o poliuretano aderiu na superfície do aço AISI 1045, caracterizando um desgaste adesivo, chegando a temperaturas de até 115°C próximo ao contato.
Nos ensaios lubrificados, sem contaminante, o óleo lubrificante formou um filme protetor no contato entre o par tribológico (PU/1045), diminuindo a variação de temperatura e as amplitudes de vibração do sistema, entretanto, a absorção do lubrificante pelo poliuretano mascarou os resultados das taxas de desgaste como determinadas pela Equação de Archard, invalidando a sua aplicação, nesses casos.
Nos ensaios lubrificados com óleo, na presença de contaminantes, as variações de temperatura e as taxas de desgaste foram menores que nos ensaios a seco, mas houve um aumento gradativo nas amplitudes de vibração dos ensaios e, através deste parâmetro, foi possível constatar a ação das partículas contaminantes do óleo no desgaste do poliuretano e do aço.
Os parâmetros avaliados demonstraram ser eficazes na análise do desgaste abrasivo do poliuretano submetido a ensaios de deslizamento.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à empresa Petrobras UN-RNCE pelo apoio financeiro (projeto FUNPEC-UFRN-Petrobras Nº0050. 0013088.05), ao Mestrando do Grupo de Estudos de Tribologia (GET), Marcelo Renney A. de Freitas, pelo apoio nas pesquisas e ao graduando em engenharia mecânica Messias Natalino de Castro Andrade, pelo apoio técnico; à graduanda em engenharia têxtil, Cintya Rocha, pelo apoio nas pesquisas, à Oficina mecânica, pela disponibilização dos equipamentos e ao Labmet - UFRN pela disponibilização de equipamentos para realização de análise dos corpos-de-prova.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Lima da Silva, R. C.; Silva, C. H.; Medeiros, J. T. N. Is there delamination wear in polyurethane? Wear 263 (2007) 974–983
2. Elleuch, R.; Elleuch, K.; Salah, B.; Zahouani, H. Tribological behavior of thermoplastic polyurethane elastomers, Mater. Des. (2005).
3. http://www.poliuretanos.com.br/ (consulta em 18 fev 2008)
4. Cho et al. Elastomeric disc for use on a pipeline pig. US Patent number: 4,984,322. (1991)
5. Santana, J.S; Lima da Silva, R.C; Vieira, F.A; Medeiros, J.T.N. Desgaste de materiais cerâmicos através de ensaios de microabrasão. Anais do Congresso Nacional de Engenharia Mecânica – CONEM
2006.
6. Hutchings, I.M. Tribology: Fiction and Wear of Engineering Materials, Edward Arnold, UK, 1992. 273p.
7. Lima da Silva, R. C.; da Silva, J. B.; Medeiros, J. T. N. Wear rate fluctuation of a sliding system polymer-steel under the effect of fixed and free journal bearings. Anais do 19th International Congress
of Mechanical Engineering, 2007.
8. Unal, H.; Sen, U. Mimarroglu, A. Dry sliding wear characteristic of some industrial polymers against steel counterface. Tribology International 37 (2004) 727-732
9. Maru, M.M.; Castillo, R.S.; Padovese, L.R.Study of solid contamination in ball bearings through vibration and wear analyses. Tribology International 40 (2007) 433–440
10. Cruz A. F. F., Costa K. M L., Fernandes C. S., Silva A. O., absorção de fluido em selos elastoméricos – Anais do 9° Congresso Brasileiro de Polímeros – CBPOL (2007).
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores se responsabilizam pelo conteúdo do material incluído no presente trabalho.
Abstract: Polyurethane elastomer (PU) is used in the form of disks in the systems known as “PIGs ", applied in the maintenance and cleaning of pipelines. Among the purposes of application of those disks, it can be highlighted its function to contact the inner wall of the pipe for scraping thin layers of contaminants or foreign substances. For this application it is necessary a low friction coefficient and a
high wear resistance. In this work, the tribological pair behaviour polyurethane/steel AISI 1045 was analyzed through sliding test in the configuration flat - cylinder in the conditions (a) dry, (b) lubricated with contaminated (SiO2) oil and (c) oil lubricated without contaminant. During the tests, parameters as normal load, sliding velocity and sliding distance were maintained constant. Polymeric Coupons were made in the cylindrical form with flat surface test and counterbody of steel AISI 1045 (Q&T) in form of cylindrical shaft. The characterization of the materials was made through of Shore A (85 ±2 Sh A) hardness, TG curves for the coupon of PU and measurements of Rockwell (47±3 HRC) hardness and roughness Ra (0,23 ± 0,02µ m) for the steel. Vibration amplitude measurements and temperature variations were registered and appraised as an indirect measure of the friction. The application of the Archard’s Equation was discussed relatively your capability - or not - to calculate some wear rates starting from the variation of mass of the coupon before and after the tests.
