ATRITO E DESGASTE EM POLÍMEROS
KAWAKAME 1, M.S. e BRESSAN 2, J. D.
1 KOHLBACH Motores Ltda., Engenharia de Produtos, Jaraguá do Sul- SC, 89251-900 Fone (0xx47) 372-6600, Fax (0xx47) 371-1607 , Email: kawakame.eng@kohlbach.com.br
2 Depto. de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas - CCT Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC , Joinville/SC, Brasil, 89223-100
Fone (0xx47) 473-1111, Fax (0xx47) 473-0034, email: dem2jdb@dcc.fej.udesc.br
Resumo: O atrito e desgaste em polímeros diferem fundamentalmente do que ocorre nos
metais e cerâmicas, embora sejam devidos aos fenômenos de contato entre as rugosidades nas superfícies. O atrito em polímeros depende do contato elástico e também do índice de plasticidade. Além disso, um outro fator importante no atrito em polímeros é sua forte dependência das propriedades mecânicas com o tempo. Os mecanismos de atrito e desgaste são brevemente revistos e apresentados exemplos e esquemas ilustrativos. Divide-se a força de atrito de contato em duas parcelas: força de deformação e força de adesão. Um tratamento matemático dessas forças é feito separadamente afim de se obter uma equação do coeficiente total de atrito. Apresenta-se também a influência da pressão hidrostática no coeficiente de atrito, pois o limite de escoamento dos polímeros depende fortemente da componente hidrostática do estado de tensões. No presente trabalho definiu-se a equação de Archard do desgaste em materiais e apresentou-se gráficos de resistência ao desgaste de polímeros e compósitos em função de sua dureza e pressão normal, e mapas de desgaste em função da pressão máxima normal de contato. De modo geral, tanto o coeficiente de atrito como a resistência ao desgaste dos polímeros e compósitos são inferiores aos metais.
Palavras chaves: Atrito, Desgaste, Mapas, Polímeros.
Abstract: Friction and wear in polymers differs substantially from metals and ceramics
although they are due to contact surface phenomena that occur between asperities. Friction in polymers is dependent on elastic contact e also on the plasticity index. Besides, another relevant factor is the strong dependence of its mechanical properties with time. The friction and wear mechanisms are briefly reviewed and examples and illustrations are presented. The friction force is divided into two parts: deformation force and adhesion force. A mathematical treatment for these forces is done separately in order to obtain an equation for the total coefficient of friction. The influence of hydrostatic pressure on the friction coefficient is also presented as the polymer yield strength depends strongly on the hydrostatic component of the stress state. The Archad equation for wear in materials was defined, graphs of wear resistance of polymers and composites in function of its hardness and normal pressure and wear maps in function of the maximum normal contact pressure were presented. In general, the friction coefficient and the wear resistance of polymers and composites are lower than metals.
1. INTRODUÇÃO
Tribologia, “a ciência do atrito, desgaste e lubrificação de superfícies sólidas em movimento relativo” [1], atualmente é considerada como uma das linhas principais de pesquisa da ciência e engenharia dos materiais.
A resistência ao desgaste não é verdadeiramente uma propriedade dos materiais e sim um comportamento complexo que depende do par de materiais em contato e de vários outros fatores. As taxas de desgaste em um sistema de tribológico no qual dois corpos sólidos deslizam um contra o outro dependem não só das propriedades dos materiais envolvidos, mas também da geometria do contato, da pressão de contato, da rugosidade da superfície, da velocidade de deslizamento, da temperatura e do meio ambiente, da presença e eficácia de qualquer lubrificante, e de outros detalhes. Os fatores importantes em um sistema tribológico são muitos mais complexos que num exemplo mecânico simples de dimensionamento de um eixo. Archard assumiu que a dureza (ou pressão média de escoamento da superfície) era a propriedade mais importante do material que controla a taxa de desgaste. Propôs, então, um modelo que embora simples ainda é uma valiosa expressão matemática fenomenológica para se determinar o volume de material removido no desgaste por unidade de distância percorrida no deslizamento,
Q = k . N / H = (k .A.P) / H (1) onde:
Q = volume de material removido (mm 3 ) / distância percorrida (m).
N é a carga normal sobre a superfície que desgasta,
P é a pressão normal (carga normal por unidade de área nominal de contato
entre as duas superfícies),
A é a área nominal de contato,
H é a dureza do material mais macio,
k é o coeficiente de desgaste de Archard, é um número adimensional.
materiais sob condições semelhantes. A escolha do material e do sistema tribológico influência o valor do coeficiente de desgaste.
2. MECANISMOS DE DESGASTE E ATRITO
A perda progressiva de material devido as interações dinâmicas de duas superfícies em contato com movimentos relativos é conhecido como desgaste. Algumas aplicações comuns contam com um desgaste estável e progressivo de um material contra outro, grafite ou chumbo contra papel, por exemplo. Para a maioria das aplicações mecânicas, entretanto, a perda superficial de material tem responsabilidade funcional. Por exemplo, a perda de somente algumas gramas de material de partes operacionais de um motor automotivo é suficiente para causar a parada total de um veículo.
Uma meta comum de muitos projetos é a eliminação total ou o mínimo absoluto possível de desgaste. Na prática devido ao compromisso com o custo-benefício, o projeto deve considerar a vida útil da peça em serviço, tomando como referência o desgaste da mesma.
Há vários tipos conhecidos de desgaste, tanto como uma modalidade única ou como uma combinação de cada tipo que atuam no processo de remoção de material, ver figura 1 abaixo. Normalmente um mecanismo é predominante. Tipicamente, entretanto, a maioria dos desgastes são uma combinação dos seguintes mecanismos :
- Adesivo, - Abrasivo, - Fadiga, - Corrosivo.
O desgaste adesivo é a forma predominante de desgaste em polímeros, o qual é caracterizado pela formação de finas partículas. Inicialmente , ocorre uma momentânea união entre o polímero e a superfície atritante correspondente. A união ou caldeamento é formada através de atrações físicas, tais como forças de van der Waals, ou pelo amolecimento térmico ou fusão superficial. Há ainda outros mecanismos que envolvem a transferência de material por meio de cisalhamento laminar ou estiramento a frio. Este tipo de desgaste também é caracterizado pela formação de um filme polimérico na face da superfície mais dura. O sucesso da geração e conservação desse filme normalmente resulta em baixa taxa de desgaste.
determinado pelas tensões de contato atuantes, bem como pelas características superficiais tais como dureza e acabamento. Somado a tudo isso existe a possibilidade da presença de partículas duras, tais como areia ou partículas metálicas, contribuindo para o desgaste abrasivo dos materiais poliméricos.
Figura 1 – Esquema das formas de dissipação de energia de atrito e desgaste em polímeros
termoplásticos.
Desgaste por fadiga ocorre quando existem tensões cíclicas de contato, causando a deterioração da superfície, eventualmente comprometendo a superfície do polímero com desprendimento de material, criando buracos na interface. O contato entre polímeros, ou entre polímero e um metal, é predominantemente elástico. A este respeito o atrito de polímeros difere fundamentalmente dos metais [1]. A razão E/H, onde E é o módulo de Young e H é a dureza do material, determina a extensão da plasticidade na região de contato; sendo que a rugosidade da superfície, na escala microns, também é importante. Para metais, o valor típico de E/H é maior ou igual a 100 , enquanto que para polímeros E/H fica em torno de 10. Portanto, o índice de plasticidade ψψψψ para polímeros [1] é aproximadamente um décimo
Figura 2 – As origens do atrito associado com o deslizamento de uma aspereza dura sobre
uma superfície polimérica.
podemos incluir o Polietileno de Alta e de Baixa Densidade (PEAD e PEBD), Politetrafluoretileno (PTFE ou Teflon), Poliamidas (PA 4.6, PA 6, PA 6.6, PA 11, PA 12), Polimetilmetacrilato (PMMA) e algumas resinas de Epóxi. As Borrachas também fazem contato elasticamente.
Um segundo fator que representa um papel importante no atrito de polímeros é a forte dependência de suas propriedades mecânicas em relação ao tempo. A maioria dos polímeros são viscoelásticos e também apresentam um considerável aumento da tensão de escoamento com a taxa de deformação.
Os coeficientes de atrito em polímeros deslizando contra eles mesmos, ou contra metais ou cerâmicas estão na faixa de 0,1 a 0,5; embora valores fora desta faixa podem ser observados. Nesses materiais, para os quais a Lei de Amonton não é amplamente aplicável, µµµµ
varia tanto com a carga normal, velocidade de escorregamento, temperatura e umidade, que uma lista de coeficientes de atrito especificamente para estes materiais seria de pouco valor.
O atrito de polímeros, como nos metais, pode ser atribuído a duas fontes: um termo de
deformação elástica, envolvendo dissipação de energia em um grande volume ao redor do
local da área de contato, e um termo de adesão originado da interface entre o corpo deslizante e a respectiva contraface. As regiões onde essas duas fontes de origem do atrito são ilustradas na figura 2, para o deslizamento de uma rugosidade dura sobre uma superfície polimérica.
caminho ficam progressivamente deformados, enquanto os que ficam atrás desta recuperam a forma original. Um elemento individual experimentará o ciclo de deformação ilustrada pela seqüência ABCDE visto abaixo.
Figura 3 – Deformação dos elementos em um polímero sob uma esfera rolante.
Em um material viscoelástico, a energia será dissipada durante este ciclo como calor; a força de atrito será igual à energia dissipada por unidade da distância movida pela força. Para isto pode ser mostrado que se uma fração β da energia total introduzida é dissipada (i. e. a fração (1-β) é recuperada mecanicamente), então para uma esfera de raio R rolando sobre uma carga normal W, a força de atrito Fdef será dada por [1]:
Fdef = 0.17 β W4/3 R-2/3 (1-ν2)1/3 E-1/3 (2)
onde ν é a razão de Poisson do polímero e E é a parte real do módulo de Young. Para um componente cônico bem lubrificado de semi-ângulo α, em lugar de uma esfera rolante, a força de atrito [1] é dada pela equação :
α π
β
= W cot
Fdef (3) Para deformação devido a uma esfera ou um cone, a fração β é calculada ser
aproximadamente de duas a três vezes a fração da energia perdida em um único ciclo de deformação por cisalhamento puro ( fator de perda α ), refletindo um ciclo mais complexo de
deformação experimentado pelo polímero sob contato de rolagem ou escorregamento. Os valores de α e E variam com a freqüência do carregamento e temperatura em um polímero, e podem ser medidos independentemente da Fdef em experimentos separados. Boas
experimentais de força de atrito devido a rolagem para polímeros. Na figura 4 mostra-se o resultado de uma esfera de aço rolando sobre o PTFE ( Politetrafluoretileno) variando sob um faixa de temperatura. A correlação entre Fdef e a quantidade αE-1/3, medidos em experimentos independentes é boa; os picos nas curvas estão associados com a absorção da energia específica do movimento das moléculas do polímero. Dependência semelhante na taxa de carregamento (i.e. na velocidade de rolagem e escorregamento ) é também encontrada.
Figura 4 – Dependência da componente de deformação da força de atrito Fdef e a quantidade α.E-1/3 com a temperatura, para uma esfera de aço rolando sobre PTFE (48 % cristalino).
O atrito devido a adesão : se uma superfície lisa de um polímero desliza contra uma contraface rígida e relativamente lisa, então a contribuição do atrito devido à deformação é desprezível e a força de atrito será predominantemente originada da adesão entre as duas superfícies, podendo ser analisada da mesma maneira como na componente de atrito por adesão nos metais. A análise difere, porém, no contato de um polímero contra uma superfície típica de engenharia o qual será predominantemente elástico em lugar de plástico. Para baixas cargas e para superfícies moderadamente rugosas, onde a área de contato real é uma pequena fração da área aparente, a área de contato permanece efetivamente proporcional a carga normal e o coeficiente de atrito é então constante e independente da carga normal. A figura 5 ilustra esse caso, para o atrito de cilindros transversais de PMMA (Polimetilmetacrilato) a baixas cargas, quando as superfícies foram torneadas para produzir rugosidades de superfície moderadas. Porém quando a carga é aumentada, ou se as superfícies são lisas e polidas, o coeficiente de atrito decai com o aumento da carga. Sob essas condições, embora a força de
α
1/
atritopermaneça proporcional a área real de contato, esta área não é proporcionalmente maior para carga normal.
Figura 5 – Variação do coeficiente de atrito com a carga normal para o deslizamento de
cilindros transversais de Polimetilmetacrilato (PMMA) com diferentes rugosidades superficiais: (a) Torneado, e (b) Polido [1].
Sob altas cargas, ou para superfícies muito lisas, a deformação elástica nos pontos de contato entre os cilindros é tão grande que aquelas rugosidades individuais nas superfícies de contato são resolvidas, e a situação é aproximada ao contato de uma única rugosidade gigante. Para uma única aspereza esférica deformada elasticamente a área de contato será proporcional a à carga elevada a potência de 2/3. O mesmo expoente é aplicado para o contato elástico de cilindros. Temos então sob estas condições:
µ ∝ A / W ∝ W2/3 / W ∝ W-1/3 (4)
Na prática , um ajuste é encontrado com essa relação, embora o expoente da carga normal é ligeiramente menor que –1/3. A inclinação do gráfico da figura 5 (b) é cerca de –1/4; a diferença é provavelmente devido a presença de alguma deformação plástica em torno do contato, porém ela permanece predominantemente elástica. Dependência semelhante do coeficiente de atrito a carga normal é encontrada para o contato fortemente carregado de um corpo polimérico arredondado contra um substrato liso duro.
A adesão responsável pela componente de atrito em polímeros resulta primariamente das forças de ligação fracas (por exemplo pontes de Hidrogênio e forças de van der Waals) as quais são também responsáveis pela coesão entre as cadeias poliméricas no interior do material. A relativa magnitude das forças pode ser descrita em termos de energias superficiais do polímero e o substrato. Energias de superfície de polímeros não-polares são tipicamente da ordem de 20 a 30 mJ.m-2 [1], enquanto os polímeros polares tem cerca de duas vezes a mais esses valores. Polímeros polares tendem a mostrar forte adesão. As uniões formadas pela adesão mostra muitas semelhanças com as responsáveis pelo atrito dos metais. Falhas de união tendem a ocorrer dentro do polímero, mais que na interface; entretanto, só acontece um crescimento de união muito limitado, e os valores altos de µ associados com extenso crescimento da união em metais nunca é observado em polímeros.
Muitos polímeros deslizando contra superfícies duras (por exemplo metais) transferem filmes de polímero detectáveis na contraface . A formação e o comportamento dos filmes transferidos são fatores importantes no atrito e desgaste desses polímeros. Uma vez formado um filme de transferência, a interação subseqüente acontece entre o polímero e uma camada de material semelhante, não se levando em consideração a composição do substrato. Em um posterior deslizamento de polímeros pode continuar o desgaste pela adição de material ao filme transferido, considerando que a ligação interfacial de união com a contraface é freqüentemente mais forte do que dentro do próprio polímero.
As propriedades do fino filme polimérico pode ser investigado pela colocação de um filme entre um deslizador rígido e um substrato duro. Se o escorregamento ocorre sob uma carga suficientemente alta, a área real de contato será igual a área aparente e uma comparação direta pode então ser feita entre o coeficiente de atrito medido e o valor previsto de medidas independentes da tensão de escoamento de cisalhamento de amostras de polímeros. O ajuste é geralmente bom. O coeficiente de atrito depende da carga, assim como a tensão de escoamento de um polímero, ao contrário do metal, depende fortemente da componente de tensão hidrostática. A tensão de cisalhamento τ varia com a pressão hidrostática P aplicada da seguinte maneira:
Boa concordância é geralmente encontrada entre os valores medidos de µ para polímeros que transferem filmes e aqueles calculados por esta equação , quando os valores de
τ o e α são medidos em ensaios mecânicos convencionais [4]. Nota-se que é esperado a diminuição do coeficiente de atrito com o aumento da pressão hidrostática P (e consequentemente com a carga normal crescente), e isto realmente é observado na prática para polímeros na forma de filmes. Para pressões muito altas, o valor de µ tende para α . Essa
equação é também usada para prever o atrito de amostras de muitos polímeros se P é levado a ter o valor da dureza do polímero.
Dois polímeros, lineares (isto é não ramificado: alta densidade) Polietileno (PEAD) e Politetrafluoretileno (PTFE) exibem baixos coeficientes de atrito comparados a maioria dos outros polímeros e tem aplicações importantes como lubrificantes sólidos e materiais para mancais. Essas estruturas moleculares são caracterizadas pela linearidade, sendo cadeias não ramificadas sem grupos laterais polares, resultando em fracas ligações intermoleculares e um alto grau de cristalinidade. Embora esse polímeros formem filmes sobre uma contraface dura, o subsequente deslizamento na mesma direção tende acontecer entre a interface do polímero e o filme, conduzindo a baixas taxas de desgaste. O coeficiente de atrito no início do deslizamento sobre um substrato duro limpo não é particularmente baixo ( tipicamente µ = 0.2 a 0.3) e a espessura do filme transferido é da ordem de micrômetros. Com o progresso do deslizamento, o coeficiente de atrito cai para valores muito baixos (talvez tão baixo quanto 0.05 para o PTFE); o filme transferido se torna muito mais fino e contém cadeias moleculares fortemente orientadas paralelamente à direção de deslizamento. Esse comportamento é mostrado na figura 6 com o deslizamento do PEAD sobre o vidro.
Para um subsequente deslizamento com a mesma orientação na mesma pista, o atrito permanece baixo. Mas se o corpo deslizante muda de direção e destrói o alinhamento molecular entre este e o filme transferido, a taxa de atrito e desgaste sobem substancialmente.
O comportamento do PEAD e PTFE tem sido atribuído a igualdade das cadeias moleculares nesses materiais, embora pareça que uma baixa energia de superfície, associada com forças intermoleculares fracas, permitem também o depósito de filmes orientados muito finos nos substratos.
Figura 6 – A variação do coeficiente de atrito com a distância de deslizamento para o
Polietileno de Alta Densidade (PEAD) escorregando contra o vidro.
Figura 7 - Variação do desgaste com o fator PV ( Pressão nominal x velocidade
constante de 100ft/min). Dados obtidos de um mancal com diâmetro de 25 mm sobre um eixo de aço SAE 1020 com dureza 90HRB [5].
desgastado Q = A h / L (A=área aparente; h=profundidade; L=distância percorrida), obtemos Q = h / t = K1.P.V (7) onde P é a pressão normal de contato, t é o tempo e V é a velocidade de deslizamento.
µ
″
