UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Caio Eduardo Nodari Diego Miranda Rossi
ANÁLISE TRIBOLÓGICA DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS
POLIMÉRICOS EM ENSAIO PINO SOBRE DISCO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO (Tcc2 - Nº de Inscrição - 15)
CURITIBA 2017
Caio Eduardo Nodari Diego Miranda Rossi
ANÁLISE TRIBOLÓGICA DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS
POLIMÉRICOS EM ENSAIO PINO SOBRE DISCO
Monografia do Projeto de Pesquisa apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso - Tcc2 do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para aprovação na disciplina.
Orientador: Prof. PhD, Tiago Cousseau
CURITIBA 2017
O Termo de Aprovação assinado encontra-se em arquivo da coordenação
Por meio deste termo, aprovamos a monografia do Projeto de Pesquisa " Análise Tribológica do Comportamento de Compósitos Poliméricos em Ensaio Pino sobre Disco ", realizado pelo aluno(s) Caio Eduardo Nodari e Diego Miranda Rossi, 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. PhD. Tiago Cousseau DAMEC, UTFPR
Orientador
Prof. Dr. Carlos Henrique da Silva DAMEC, UTFPR
Avaliador
Prof. Dr. Giuseppe Pintaúde DAMEC, UTFPR
Avaliador
NODARI, Caio Eduardo; ROSSI, Diego Miranda. ANÁLISE TRIBOLÓGICA DO COM-PORTAMENTO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS EM ENSAIO PINO SOBRE DISCO.
85f. Monografia do Projeto de Pesquisa – Departamento Acadêmico de Engenharia Mecâ-nica Engenharia MecâMecâ-nica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017. A crescente utilização dos polímeros como materiais tribológicos nós últimos anos, bus-cando substituir os metais e outros materiais contribuiu para o desenvolvimento de novos polímeros de engenharia. O objetivo deste trabalho é mapear as condições operacionais de termorrígidos comerciais, identificando as suas características tribológicas através dos resultados experimentais do ensaio de escorregamento puro utilizando equipamento pino sobre disco de aço AISI 304, em um tribômetro. Verificou-se a taxa de desgaste dos po-límeros utilizados analisando a possibilidade de suprir a utilização de lubrificantes em determinadas aplicações. Hierarquizou-se os corpos de provas testados em algumas con-dições de operação, comparando o desempenho com suas propriedades físicas, químicas e mecânicas. Foram utilizadas amostras de polímeros no formato cilíndrico de cor azul que tem como base o poliéster e a amostra de cor branca que possui como base o poliu-retano, para realizar o estudo e os parâmetros de ensaio foram determinados com base na norma (ASTM) G99. Para verificação da taxa de desgaste as amostras foram pesadas antes e após o ensaio em uma balança de alta precisão, adquirindo assim a massa perdida das amostras provocada pelo desgaste. Para este estudo primeiramente foram utilizadas quatro condições de cargas diferentes, que para efeito de comparação com o estudo de Boutin e Rocha (2015), foram utilizadas as cargas presentes no estudo do (PTFE) porém com uma gama maior de ensaios o que possibilitou uma melhor análise da influência dos parâmetros de velocidade e pressão. Para este estudo foi necessário o levantamento da composição dos materiais no qual foi utilizada a técnica da Espectroscopia de Infraver-melho (FTIR) o qual resultou em uma amostra de polímero base de poliéster e outra de poliuretano e para presença de outros elementos químicos presentes foi utilizada a técnica Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS). O compósito a base de poliéster apresentou um desempenho de coeficiente de atrito cinético melhor que o PTFE e o compósito a base de poliuretano que apresenta um comportamento borrachoso e apresentou tendências a formação de ondas de Schallamach o que elevou seu coeficiente de atrito cinético.
quisa – Departamento Acadêmico de Engenharia Mecânica Engenharia Mecânica, Uni-versidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.
The increasing use of polymers as tribological materials in recent years, seeking to replace metals and other contributing materials for the development of new engineering polymers. The objective of this work is to map as operational conditions of terminology, identifying as its tribological characteristics through the experimental results of the trial of slip pure use equipment pin on steel disk (AISI 304) in a tribometer. It was verified the wear rate of the polymers used, analyzing the possibility of supplying the use of lubricants in certain applications.The tested test bodies were hierarchized under some operating conditions, comparing the performance with their physical, chemical and mechanical properties. Poly-mer samples of the blue cylindrical format based on the polyester and the white sample based on polyurethane were used to carry out the study and the test parameters were determined based on the standard (ASTM G99). To verify the wear rate the samples were weighed before and after the test on a high precision scale, thus acquiring the lost sample mass caused by wear. For this study, four different loading conditions were used, which for comparison purposes with the (BOUTIN F. F E ROCHA, 2015), the loads present in the (PTFE) (Polytetrafluoroethylene) study were used, but with a larger range of tests, which enabled a better analysis of the influence of the speed and pressure parameters. For this study it was necessary to survey the composition of the materials in which the Infrared Spectroscopy (FTIR) technique was used, which resulted in a sample of polyester base polymer and another of polyurethane and for the presence of other chemical elements present was used Dispersive Energy Spectroscopy (EDS) technique. The polyester-based composite exhibited a better kinetic friction coefficient performance than PTFE and the polyurethane-based composite that exhibited a rubbery behavior and presented tenden-cies to Schallamach wave formation, which increased its coefficient of kinetic friction.
AISI American Iron and Steel Institute – Instituto Americano de Ferro e Aço
ASTM American Society for Testing and Materials – Sociedade Americana de Testes e
Materiais
PTFE Politetrafluoretileno
HDPE Polietileno de alta densidade UHMWPE Polietileno de ultra peso molecular LPDE Polietileno de baixa densidade PMMA Polimetacrilato
FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
CETR-UMTComprehensive Materials Testing for Mechanical Tribological Properties – Testes
µest - Coeficiente de atrito estático N - Força normal
Fadin - Força de atrito dinâmica
µdin - Coeficiente de atrito dinâmico
Ra - Média dos valores absolutos da rugosidade
Rq - Desvio médio quadrático da rugosidade
Rt - Máximo valor de amplitude pico-a-vale
Rpm - Média das cinco alturas máximas
Rp - Máxima altura de pico acima da linha média
Sk - Estimativa da média da primeira derivada do contorno da superfície
Wt - Ondulação
Aa - Área de contato aparente
Ar - Área de contato
Sy c - Limite de escoamento em compressão P - Pressão de contato
v - Velocidade de deslizamento
Fn - Força normal
Q - Volume removido por unidade de distância de deslizamento. K - Coeficiente de desgaste adimensional.
W - Carga H - Dureza
Figura 1.1 – Panorama Evolutivo dos Materiais . . . 15
Figura 2.1 – Ligações de um termoplástico e de um termorrígido . . . 17
Figura 2.2 – Curva teórica da área de contato x carga . . . 19
Figura 2.3 – Coeficiente de atrito cinético de polímeros contra aço polido em dife-rentes ambientes . . . 20
Figura 2.4 – Força de atrito F necessária para promover movimento por (a) rolagem e (b) deslizamento . . . 21
Figura 2.5 – Força de atrito F necessária para promover movimento por (a) rolagem e (b) deslizamento . . . 22
Figura 2.6 – Tabela de afinidade metalúrgica baseada nos diagramas de fase, pro-posta por Rabinowicz . . . 25
Figura 2.7 – Mecanismo de desgaste por abrasão . . . 26
Figura 2.8 – Mecanismo de desgaste e transferência de filme para o PTFE . . . 27
Figura 2.9 – Mecanismo de transferência por fragmentos da maioria dos polímeros . 28
Figura 2.10–Componentes de um sistema tribológico . . . 28
Figura 2.11–Interações de um sistema tribológico . . . 29
Figura 2.12–Efeito da energia superficial do contra corpo na formação de filmes de PTFE a)Contra-corpo com baixa energia superficial. b) Contra-corpo com alta energia superficial . . . 30
Figura 2.13–Relação entre dureza e taxa de desgaste de vários tipos de materiais (Carta 16 - ASHBY, 1999) . . . 31
Figura 2.14–Relação entre Módulo de elasticidade e resistência de vários tipos de materiais . . . 32
Figura 2.15–Esquema do processo de desgaste, para contato do tipo metal-polímero, em função da rugosidade do contra-corpo a) superfície extremamente lisa b) superfície com nível de rugosidade mais elevado . . . 33
Figura 2.16–Efeito da rugosidade do contra corpo no desgaste do UHMWPE desli-zando contra aço inoxidável para dois níveis de velocidade de desliza-mento . . . 34
Figura 2.17–Curvas de temperatura no contato em função do tempo para várias condições PV . . . 36
Figura 2.18–Taxa de desgaste mássico médio por nível para 500m de deslizamento . 36
Figura 2.19–Desgaste por fusão em polímeros causados por altas temperaturas de contato devido ao atrito . . . 37
polímeros deslizando contra superfícies lisas de aço . . . 39
Figura 2.22–Coeficiente de atrito cinético em função da velocidade de deslizamento para PTFE deslizando contra AISI 304 polido para pressões de contato de 30 a 35 MPa. Ra = 0, 10a0, 20µ 40 Figura 2.23–Relação entre coeficiente de atrito cinético e umidade relativa para vários polímeros . . . 41
Figura 2.24–Desvios geométricos de forma nominal, ondulações e rugosidade . . . . 42
Figura 2.25–Diferentes contornos de superfície podem ter os mesmos valores de Ra ou Rq. . . 42
Figura 2.26–Definições de parâmetros DIN e ISO para rugosidade superficial, on-dulação e assimetria (Cortesia da Hommel America Inc., New Britain, Ct.) . . . 43
Figura 2.27–O contato real entre duas superfícies está somente nas pontas das as-perezas . . . 43
Figura 2.28–Desenho esquemático do ensaio pino sobre disco . . . 45
Figura 3.1 – Amostra de Poliéster . . . 49
Figura 3.2 – Amostra de Poliuretano . . . 50
Figura 3.3 – Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) . . . 51
Figura 3.4 – Desenho de fabricação dos discos de AISI 304 . . . 53
Figura 3.5 – a)Parte frontal do disco b) Parte posterior do disco onde verifica-se a presença do ressalto . . . 53
Figura 3.6 – Tribômetro da Bruker, utilizado nos ensaios pino sobre disco, localizado no laboratório de polímeros da UTFPR . . . 54
Figura 3.7 – Porta Amostras . . . 54
Figura 3.8 – Termovisor modelo Flir ThermoCam E45 . . . 55
Figura 3.9 – Termo-Higrômetro modelo MTH-1361 . . . 55
Figura 3.10–Pistas que serão utilizadas nos ensaios . . . 58
Figura 4.1 – Área real de contato x Índice de Plasticidade . . . 60
Figura 4.2 – Mapeamento térmico do poliéster a 64N e 0,84m/s . . . 61
Figura 4.3 – Coeficiente de atrito médio em função da distância para carga de 18,4N, poliéster. a) 0,48 m/s b)0,54 m/s c)0,65 m/s d) 0,84 m/s . . . 62
Figura 4.4 – Coeficiente de atrito médio em função da distância para carga de 32N, poliéster. a) 0,54 m/s b)0,65 m/s . . . 62
Figura 4.5 – Coeficiente de atrito médio em função da distância para velocidade constante de 0,65 m/s, poliéster. a)18,4 N b) 23,7 N c)2 8N d) 32 N . 63 Figura 4.6 – Coeficiente de atrito médio em função da distância para velocidade constante de 0,84 m/s, poliéster. a)18,4 N b) 32 N c)64 N . . . 64
poliuretano. a) 0,48 m/s b)0,54 m/s c)0,65 m/s d) 0,84 m/s . . . 65
Figura 4.8 – Coeficiente de atrito médio em função da distância para carga de 32N, poliuretano. a) 0,48 m/s b)0,54 m/s c)0,65 m/s d) 0,84 m/s . . . 65
Figura 4.9 – Coeficiente de atrito médio em função da distância para velocidade constante de 0,65 m/s, poliuretano. a)18,4 N b) 23,7 N c) 28N d) 32 N 66
Figura 4.10–Coeficiente de atrito médio em função da distância para velocidade constante de 0,84 m/s, poliuretano. a)18,4 N b) 32 N c)64 N . . . 67
Figura 4.11–Gráfico comparativo do Coeficiente de atrito médio em função da dis-tância para carga de 18,4 N. a) 0,48 m/s b)0,54 m/s c)0,65 m/s d) 0,84 m/s . . . 68
Figura 4.12–Gráfico comparativo do Coeficiente de atrito médio em função da dis-tância para carga de 23,7 N e velocidade 0,65 m/s . . . 68
Figura 4.13–Gráfico comparativo do Coeficiente de atrito médio em função da dis-tância para carga de 28 N. a) 0,54 m/s b)0,65 m/s . . . 69
Figura 4.14–Gráfico comparativo do Coeficiente de atrito médio em função da dis-tância para carga de 32 N. a) 0,48 m/s b)0,54 m/s c)0,65 m/s d) 0,84 m/s . . . 69
Figura 4.15–Gráfico comparativo do Coeficiente de atrito médio em função da dis-tância para carga de 64 N e velocidade 0,84 m/s . . . 70
Figura 4.16–Gráfico comparativo entre PTFE, poliéster e poliuretano . . . 71
Figura 4.17–Superfície do disco ensaiado para poliéster , obtida pelo MEV . . . 73
Figura 4.18–Superfície do disco ensaiado para poliuretano , obtida pelo MEV . . . . 74
Figura 4.19–Superfície da amostra de poliéster, mostrando o sentido de deslizamento e a formação de lâminas, obtida pelo MEV . . . 75
Figura 4.20–Superfície da amostra de poliéster, mostrando riscos de abrasão e ma-terial dentro do sulco, obtida pelo MEV . . . 76
Figura 4.21–Superfície da amostra de poliuretano, mostrando a formação de filme sobre os poros, obtida pelo MEV . . . 76
Figura 4.22–Superfície da amostra de poliuretano, mostrando a formação de lâminas sobre os poros, obtida pelo MEV . . . 77
Figura 4.23–Análise topográfica para o poliéster. a) Vista superior fora da pista de rolamento. b) Vista 3D fora da pista de rolamento. c) Vista superior dentro da pista de rolamento. d) Vista 3D dentro da pista de rolamento 78
Figura 4.24–Análise topográfica para o poliuretano. a) Vista superior fora da pista de rolamento. b) Vista 3D fora da pista de rolamento. c) Vista superior dentro da pista de rolamento. d) Vista 3D dentro da pista de rolamento 78
Tabela 2.1 – Características Tribológicas . . . 18
Tabela 3.1 – Propriedades do Poliéster . . . 49
Tabela 3.2 – Propriedades do Poliuretano . . . 49
Tabela 3.3 – Análises do poliéster e poliuretano . . . 50
Tabela 3.4 – Composição química . . . 52
Tabela 3.5 – Definição dos Ensaios . . . 56
Tabela 3.6 – Planejamento dos Ensaios de Boutin e Rocha (2015) . . . 56
Tabela 3.7 – Definição dos Ensaios com carga de 18,4 [N] . . . 57
Tabela 3.8 – Definição dos Ensaios com carga de 23,7 [N] . . . 57
Tabela 3.9 – Definição dos Ensaios com carga de 28 [N] . . . 57
Tabela 3.10–Definição dos Ensaios com carga de 32 [N] . . . 57
Tabela 4.1 – Índice de Plasticidade . . . 59
Tabela 4.2 – Variação da temperatura em 64N e 0,84 m/s . . . 61
Tabela 4.3 – COF Últimos 200 metros dos Ensaios . . . 70
1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 13 1.1 Contexto do Tema . . . 14 1.2 Objetivos . . . 14 1.3 Justificativa . . . 14 2 FUNDAMENTAC¸ ˜AO TE ´ORICA . . . 16 2.1 Polímeros . . . 16 2.1.1 Termoplásticos . . . 16 2.1.2 Termorígidos . . . 17
2.2 Contato entre metal e polímero . . . 18
2.2.1 Comportamento Viscoelástico dos Polímeros . . . 20
2.3 Atrito . . . 21
2.3.1 Força de Atrito . . . 22
2.3.1.1 Força de Atrito Estático . . . 23
2.3.1.2 Força de Atrito Dinâmico . . . 23
2.4 Atrito de Polímeros . . . 24 2.5 Desgaste . . . 24 2.5.1 Desgaste Abrasivo . . . 25 2.5.2 Desgaste Adesivo . . . 26 2.5.3 Adesão Metal-Polímero . . . 27 2.6 Tribologia . . . 28 2.6.1 Sistemas Tribológicos . . . 28
2.7 Parâmetros que Influenciam o Sistema Tribológico Metal-Polímero . . . 29
2.7.1 Energia superficial . . . 29 2.7.2 Dureza do Contracorpo . . . 30 2.7.3 Rugosidade do Contracorpo . . . 32 2.7.4 Limite PV . . . 34 2.7.5 Temperatura . . . 36 2.7.6 Carga . . . 38 2.7.7 Velocidade de Deslizamento . . . 39 2.8 Umidade Relativa . . . 40 2.9 Topografia . . . 41 2.9.1 Parâmetros de rugosidade . . . 42
2.10 Tribologia dos Polímeros Compostos . . . 44
2.10.1 Mistura de Polímeros . . . 44
2.12 Revisão Bibliográfica . . . 45
3 METODOLOGIA . . . 48
3.1 Materiais . . . 48
3.1.1 Corpos de Provas . . . 48
3.1.2 Características das Amostras . . . 48
3.1.3 Poliéster . . . 48
3.1.4 Poliuretano . . . 49
3.2 Composição das Amostras . . . 50
3.2.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) . . . 50
3.2.2 Medição da rugosidade superficial . . . 51
3.3 Características do Contracorpo . . . 52 3.3.1 Ensaios Tribológicos . . . 53 3.3.2 Acessórios Utilizados . . . 54 3.3.2.1 Porta-Amostras . . . 54 3.3.2.2 Termovisor . . . 55 3.3.2.3 Termo-Higrômetro . . . 55
3.3.3 Planejamento dos Ensaios . . . 56
4 RESULTADOS E DISCUSS ˜AO . . . 59
4.1 Índice de Plasticidade . . . 59
4.1.1 Temperatura da região de contato . . . 60
4.2 Análise do Coeficiente de Atrito Cinético do Poliéster . . . 61
4.2.1 Influência da Velocidade . . . 61
4.2.2 Influência Da Carga . . . 63
4.3 Análise do Coeficiente de Atrito Cinético do Poliuretano . . . 64
4.3.1 Influência da Velocidade . . . 64
4.3.2 Influência da Carga . . . 66
4.4 Análise Comparativa entre Poliéster e Poliuretano . . . 67
4.5 Taxa de Desgaste . . . 72
4.6 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) . . . 72
4.6.1 Contra-corpo . . . 72
4.6.2 Amostras . . . 74
4.7 Rugosidade dos Discos . . . 77
5 CONCLUS ˜OES . . . 80
1 INTRODUC¸ ˜AO
Existem apenas três maneiras as quais as peças podem “falhar”: obsolência, que-bra ou desgaste acentuado. A falha por desgaste é um processo gradual e que nenhum componente escapa, devendo-se atentar que não há projeto que evite completamente todos os tipos de desgaste, apenas adiá-los (NORTON, 2004).
Falhas por desgaste normalmente envolvem a perda de algum material, e apre-sentam um custo elevado para a economia mundial (NORTON,2004).
O grau de rugosidade de um componente terá influência tanto no tipo como na intensidade de desgaste a que a peça estará sujeita, porém afetará levemente o coeficiente de atrito (NORTON, 2004).
O atrito pode-se definir como a resistência ao movimento de um corpo sobre outro corpo (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005). O desperdício de energia e a falha de componentes estruturais de máquinas, equipamentos e sistemas devido ao atrito, ao desgaste e a ineficiência da lubrificação constituem um problema cuja a demanda é crescente neste século XXI, salientando a importância da Ciência e Engenharia Tribológica (SILVA,2006).
Ressalta-se que os materiais termoplásticos apresentam um coeficiente de atrito baixo tanto em deslizamento sobre materiais poliméricos tanto quanto deslizando sobre outros tipos de materiais. São muitas vezes aplicados a seco, deslizando sobre superfícies relativamente duras (HUTCHINGS, 1992). Com a possibilidade de trabalhar a seco estes materiais tornam-se atrativos para o projeto de máquinas que tem especial interesse de reduzir o atrito sem a adição de lubrificantes que encarecem o projeto (VALE J. L SILVA, 2015)apud (KHODDAMZADEH A. LIU, 2009) e contaminam o meio ambiente, sem contar os custos adicionais que devem ser previstos para regenerá-los e eliminá-los (VALE J. L SILVA, 2015) apud (CONTE M. IGARTUA, 2012).
Neste contexto, o estudo de novos polímeros e a sua caracterização tornam-se muito importantes. A Companhia Paranaense de Energia (COPEL) está estudando o desempenho de três polímeros autolubrificantes em ensaios com água. No entanto, também há interesse no estudo destes polímeros a seco para possíveis aplicações em seu parque gerador. Neste trabalho, apenas dois destes materiais foram utilizados, visto que um não pode trabalhar a seco por recomendação do fabricante. A avaliação destes materiais requer o levantamento do seu comportamento quanto ao coeficiente de atrito tanto como a sua taxa de desgaste no ensaio pino sobre disco na ausência de qualquer meio lubrificante. Para levantar este comportamento, uma gama de ensaios pino sobre disco foram realizados
afim de obter um ranking destes materiais e ainda compará-los ao PTFE já estudado por outros pesquisadores como (BOUTIN F. F E ROCHA,2015). Para avaliar estes polímeros, a base será o estudo realizado por estes autores, utilizando-se as cargas que os mesmos utilizaram para o PTFE, porém com uma maior variedade de velocidades para que o efeito da velocidade e da carga possam ser analisados isoladamente.
1.1 CONTEXTO DO TEMA
O contato (fricção) entre superfícies móveis é a causa do desgaste dos componentes que poderá levar a falha futuramente. Para reduzir os efeitos do atrito sobre o mecanismo de desgaste, utilizam-se os lubrificantes que diminuem o coeficiente de atrito e em algumas situações removem o calor. Pode-se dizer que um fluido é um lubrificante quando este atinge os propósitos citados acima.
Alguns lubrificantes, como os utilizados em mancais de turbinas de usinas hidre-létricas, são altamente prejudiciais ao meio ambiente e a vaporização dos mesmos causa danos ao maquinário (SILVA, 2017).
Sendo assim, o estudo de materiais autolubrificantes, como as amostras de dife-rentes polímeros de engenharia a serem estudadas, que atendem os requisitos tribológicos para operação de um sistema, desperta o interesse não só do setor das usinas hidrelétri-cas, mas bem como a de outros pólos industriais, uma vez que estes polímeros podem dispensar a lubrificação hidrodinâmica.
1.2 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é mapear as condições operacionais de polímeros de engenharia comerciais no ensaio de deslizamento puro pino sobre disco sem lubrificação, hierarquizá-los visando suprir a necessidade de lubrificação em algumas aplicações, como em mancais guia, articulações de reguladores de velocidade, bucha de palhetas, pás de distribuidor e compara-los ao PTFE estudado por Boutin F. F e Rocha (2015).
1.3 JUSTIFICATIVA
A performance tribológica dos materiais tem uma contribuição elevada na con-fiabilidade e eficiência de todas as máquinas. Assim, faz-se necessário o desenvolvimento e estudo de materiais e soluções mais eficazes e capazes de responder aos desafios atu-ais, sempre em constante evolução. Neste contexto, surgem os materiais poliméricos e o seu crescente e cada vez maior interesse por parte dos investigadores (NEALE, 1995). Os polímeros ganharam ênfase devido a sua baixa densidade, fácil processamento, baixo coeficiente de atrito e desgaste (em alguns casos) e pelo fato de não necessitarem de lubrificação. (FEYZULLAHOGLU E SAFFAK, 2008)
Segundo (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005) o atrito e o desgaste são uma das maiores causas de desperdício energético e econômico a nível industrial e por-tanto, devem ser evitados.
Apesar do grande desenvolvimentos ao longo dos últimos anos no setor da enge-nharia de materiais, ainda existem desafios tecnológicos, incluindo o desenvolvimento de materiais ainda mais sofisticados, e considerações sobre o impacto ambiental que devem ser discutidos (CALLISTER, 2008). Na figura 1.1 encontra-se o panorama evolutivo dos materiais assim como sua importância relativa ao longo do tempo, onde pode-se notar que a partir de 1950 a importância dos materiais poliméricos sintéticos aumenta ao longo do tempo.
Figura 1.1 – Panorama Evolutivo dos Materiais Fonte:Adaptado de (CRUZ, 2012)
2 FUNDAMENTAC¸ ˜AO TE ´ORICA
2.1 POL´IMEROS
A utilização de materiais não metálicos aumentou muito nos últimos 50 anos. Dentre os de interesse para substituição dos metais, estão os polímeros, pois possuem uma grande variedade de propriedades, das quais se destacam baixo peso, boas resistências elétrica e à corrosão e custo relativamente baixo em comparação aos metais de engenharia . A palavra polímero vem de poli = muitas e de meros = partes, ou seja, macromoléculas formadas a partir de unidades estruturais menores (os monômeros). Os monômeros são moléculas de baixa massa molecular os quais, a partir das reações de polimerização, vêm a gerar a macromolécula polimérica. As unidades repetitivas, chamadas mero provém da estrutura de monômero. Os polímeros são moléculas orgânicas de cadeias muito longas baseadas em compostos de carbono, podendo ser naturais ou sintetizadas pelo homem como grande parte dos polímeros utilizados em engenharia. (NORTON, 2004)
Os polímeros são divididos em classes de acordo com as características que cada um apresenta. Para o interesse da pesquisa, têm os termoplásticos e os termofixos: 2.1.1 TERMOPL ´ASTICOS
Termoplásticos se amolecem quando aquecidos (e eventualmente se liquefazem) e se endurecem quando resfriados, processos que são totalmente reversíveis e podem ser repetidos, ou seja, são materias recicláveis. Estes materiais são normalmente fabricados pela aplicação simultânea de calor e pressão(CALLISTER,2008). Esta reversão é somente física, e não química. Porém, para elevados números de ciclos, pode haver dano a estrutura do termoplástico. Em sua estrutura, esta classe de polímero conta com ligações covalentes, de cadeias lineares ou eventualmente ramificadas, com ausência de ligações cruzadas. Como só existem interações intramoleculares secundárias entre as cadeias poliméricas, o processo é reversível com a temperatura, aquecendo ou resfriando.
Dentro dos termoplásticos, podemos classificar em dois grupos:
•Convencionais: polietileno de baixa densidade, polietileno de alta densidade, polipropileno, poli (cloreto de vinila) e o poliestireno;
•Especiais ou de engenharia: nylons, policarbonatos, poliacetais, poliésteres ter-moplásticos, ABS (graus de engenharia), poli (óxido de fenileno) modificado com polies-tireno, polissulfonas, poli (sulfeto de fenileno) e poli (éter-éter-cetona);
simulta-neamente. Analisando macroscopicamente, conforme a temperatura aumenta, as forças de ligação de Van der Waals são enfraquecidas. Tal fato facilita o movimento relativo das cadeias lineares quando aplicado uma tensão. Quando a temperatura for suficientemente alta para que as vibrações moleculares sejam tão fortes a ponto de quebrar as ligações primárias covalentes, irá ocorrer a degradação irreversível.
2.1.2 TERMOR´IGIDOS
Polímeros termorígidos se tornam permanentemente duros quando calor é apli-cado e não se amolece no subsequente aquecimento. Durante o tratamento térmico inicial, ligações cruzadas covalentes são formadas entre cadeias moleculares adjacentes, formando uma estrutura de cadeia tridimensional estável; estas ligações ancoram as cadeias entre si para resistir aos movimentos vibracional e rotacional de cadeia a altas temperatu-ras.(CALLISTER, 2008)
Ligações cruzadas criam conexões (como os degraus de uma escada de pintor) entre as moléculas de cadeia longa que se enrolam e se torcem através de um polímero. Essas ligações cruzadas adicionam resistência e rigidez. (NORTON, 2013) Devido a esta característica, a energia necessária para o rompimento destas ligações é muito alta.Tal fato impede o reaquecimento do material para ser moldado, portanto, não podem ser recicláveis. ’
Para deixar claro a diferença entre os dois, segue abaixo a representação das ligações de cada um:
Figura 2.1 – Ligações de um termoplástico e de um termorrígido
Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/polimero-termoplastico-termorrigido.htm
Na tabela 2.1 podemos verificar as características tribológicas de alguns políme-ros:
Tabela 2.1 – Características Tribológicas
Polímeros Características Tribológicas
Politetrafluoretileno (PTFE) Baixo coeficiente de atrito, porém elevada taxa de desgaste. É normalmente mistu-rados com outros polímeros ou reforçado através de um material compósito. Limi-tado a altas temperaturas de operação.
Nylons Coeficiente de atrito moderado e baixa
taxa de desgaste. Desgaste acelerado pela água. Temperaturas relativamente baixas. Poliacetato Performance similar a do Nylon.
Polietilieno de ultra alto peso molecular
(UHMWPE) Resistência ao desgaste muito alta mesmona presença de água. Coeficiente de atrito moderado. Boa resistência a abrasão. Tem-peraturas relativamente baixas.
Poliimidas Polímeros de alto desempenho adequado para elevadas tensões de contato e altas temperaturas* de operação.
*Alto limite de temperatura operacional refere-se a temperaturas acima de 150 Cº Fonte: Adaptado de Stachowiak Batchelor, 2005
No caso do PTFE a alta estabilidade das ligações Carbono-Flúor proporcionam características de resistência química, isolamento elétrico e baixo coeficiente de atrito. 2.2 CONTATO ENTRE METAL E POL´IMERO
Existem significativas diferenças nos mecanismos de desgaste e no atrito de mate-riais não metálicos, estas diferenças podem ser exploradas para a produção de novos ma-teriais com melhores performances tribológicas. (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005)
Devido o índice de plasticidade de um polímero macio ser cerca de um décimo do valor de um metal o contato entre polímero/metal é predominantemente elástico, exceto para superfícies muito rugosas, isto ocorre pois a razão módulo de elasticidade e dureza dos polímeros é aproximadamente 10 enquanto para metais esse valor é tipicamente 100 (HUTCHINGS, 1992)
Verifica-se que a proporção de contatos de aspereza em que o fluxo de plástico ocorre depende do valor do índice de plasticidade visto na equação 2.1.
Onde:
E - Módulo de elasticidade combinado;
H - Dureza do material mais mole do par tribológico;
σ− Desvio padrão da distribuição das alturas das asperezas.
(σ/r)1/2−É aproximadamente igual a média da inclinação das asperezas.
Para calcular o módulo de elasticidade combinado utiliza-se a equação 2.2. 1/E = (1 − v2
1)/E1+ (1 − v22)/E2 (2.2)
Onde:
v1 e v2 - Coeficiente de Poisson dos materiais que formam o par tribológico.
Na figura 2.2 verifica-se uma curva teórica da área de contato versos a carga aplicada.
Figura 2.2 – Curva teórica da área de contato x carga Fonte: Adaptado Bhushman (2001)
Hutchings(1992) deixa claro a importância da topografia da superfície em contato assim como a forte dependência do tempo de contato sobre as propriedades mecânicas dos polímeros, já que muitos deles são viscoelásticos.
Durante o deslizamento polímero-metal, o atrito do polímero é influenciado por dois mecanismos, deformação e aderência. A deformação envolve dissipação de energia em um relativamente grande volume em volta da zona de contato. O mecanismo de aderência
também envolve dissipação de energia , mas se origina da quebra de ligações poliméricas e consequente ligação do polímero com a superfície oposta (HUTCHINGS, 1992).
Quando uma aspereza rígida, durante o deslizamento, penetra e se arrasta sobre a superfície de um polímero, a energia pode ser dissipada por deformação elástica e/ou plástica. Associada a estes fenômenos surge o aumento da temperatura da zona de contato, de modo que torna-se praticamente impossível dissociar e identificar o contributo da adesão e da deformação para a formação do atrito. Ambos os processos são influenciados pelas características viscoelásticas dos polímeros (SEABRA, 2000).
O coeficiente de atrito (µ) dos polímeros esta na faixa de 0.1 a 0.5, e este é de-finido como a razão entra a força de atrito F e o carregamento normal W,e devido a esse baixo coeficiente de atrito os polímeros são utilizados em aplicações tribológicas sem lubrificação geralmente deslizando contra um corpo de prova mais duro (HUTCHINGS, 1992). Um exemplo de polímero que mesmo na ausência de lubrificante pode proporcionar um coeficiente de atrito de 0.5 é o Politetrafluoretileno (STACHOWIAK G.W BATCHE-LOR, 2005). Na figura 2.3 é possível verificar o coeficiente de atrito dinâmico de alguns polímeros em ensaios laboratoriais contra aço polido em diferentes ambientes.
Figura 2.3 – Coeficiente de atrito dinâmico de polímeros contra aço polido em diferentes ambientes
Fonte: AdaptadoSeabra (2000)
Como visto na figura2.3o PTFE apresente menor atrito e o Nylon o maior atrito. O Nylon pertence a família das poliamidas possuindo um bom desempenho em aplicações mecânicas, elétricas e químicas. Tem uma alta resistência à tração, elasticidade, tenacidade e à abrasão. Mesmo em altas ou em baixas temperaturas, ele mantém essas propriedades mecânicas constantes. Por pertencer a família das poliamidas o desgaste é acelerado pela presença de água pois as ligações C-N sofrem facilmente hidrólise (CANEVAROLO,2006). Quanto ao desgaste, segundo Stachowiak G.W Batchelor(2005), o PTFE possui uma taxa de desgaste elevada enquanto os nylons possuem baixa taxa de desgaste. 2.2.1 COMPORTAMENTO VISCOEL ´ASTICO DOS POL´IMEROS
As propriedades mecânicas dos polímeros são caracterizadas pelo modo como es-tes materiais respondem as solicitações mecânicas aplicadas, podendo estas ser do tipo
tensão ou deformação. A natureza desta resposta depende da estrutura química, tempe-ratura, tempo e da história (condições) de processamento do polímero. (CANEVAROLO, 2006)
A viscoelasticidade é definida como o fenômeno pelo qual o polímero apresenta características de um fluido e de um sólido elástico ao mesmo tempo. A fração elástica da deformação aparece devido a variações do ângulo de ligação e a distância de ligação entre os átomos da cadeia polimérica (tanto da principal quanto de grupos laterais). A fração plástica ocorre por causa do atrito entre as cadeias poliméricas. Isso faz com que o polímero demore um tempo finito para responder à solicitação, gerando uma defasagem entre a solicitação e a resposta. (CANEVAROLO, 2006)
Dizer que um material tem comportamento viscoelástico significa dizer que algu-mas propriedades como o módulo, resistência, ductilidade e coeficiente de atrito são sen-síveis a taxa de deformação, tempo, histórico de carregamento, temperatura, etc (SILVA, 2010)apud (CROWFORD, 1998).
2.3 ATRITO
O atrito é sentido e utilizado pelos humanos desde a antiguidade, o qual por muitas vezes de maneira inconsciente, como no ato de caminhar. Da mesma forma que o efeito do atrito pode trazer benefícios em algumas aplicações, sente-se o efeito contrário quando pretende-se arrastar um corpo ou objeto sobre uma determinada superfície.
Abaixo, na figura 2.4 , segue a representação da força necessária para iniciar o movimento:
Figura 2.4 – Força de atrito F necessária para promover movimento por (a) rolagem e (b) deslizamento
(HUTCHINGS, 1992)
Este fenômeno consiste na resistência ao movimento relativo entre dois corpos em contacto. O atrito tem grande interesse teórico e prático e envolve a física fundamental, uma vez que, é o suporte da maioria dos movimentos, e também porque consome uma parte da energia produzida nos processos dinâmicos. (MYSHKIN N. K PETROKOVETS M. I KOVALEV,2005)
Segundo Seabra (2000) o atrito depende essencialmente de três fatores:
1. Da combinação de materiais - materiais com menor afinidade metalúrgica ori-ginam menores coeficientes de atrito e desgaste, pois há pouca adesão.
2. Da geometria dos componentes - caso de rugosidade excessiva ou arestas vivas em contatos lubrificados ainda não se sabe qual a rugosidade ideal. A superfície que proporciona menor atrito depende da sua aplicação específica.
3. Das condições operatórias - o atrito é influenciado pelas condições de fun-cionamento do sistema, sendo as mais importantes: a carga aplicada, a velocidade de deslizamento e o ambiente envolvente.
2.3.1 FORC¸ A DE ATRITO
Segundo Amontons, as duas regras do atrito de deslizamento são: 1 - A força de atrito é proporcional a carga.
2 - A área de contato aparente não afeta o coeficiente de atrito.
A força de atrito se dá no sentido contrário em que ocorre o movimento. Essa força pode ser estática, se não houver movimento, e dinâmica, quando existe movimento. Na figura 2.5 abaixo está a representação esquemática do fenômeno:
Figura 2.5 – Força de atrito F necessária para promover movimento por (a) rolagem e (b) deslizamento
Fonte:http://brasilescola.uol.com.br/fisica/forca-atrito.htm
Há muito que se tenta formular hipóteses sobre a origem do atrito e seus meca-nismos. Existem aqueles que explicam o atrito resultante devido a: tangente do ângulo de inclinação das asperezas (Desagulier), da força de atração molecular entre dois sóli-dos (Bowden e Tabor), pela interpenetração das asperezas superficiais e pela onda de deformação produzida (Leslie).
Alguns estudiosos chegaram a conclusão de que quando duas superfícies se encos-tam, o contato acontece em apenas alguns pontos mais salientes, nas irregularidades. Esta pequena área de contato atribui-se o nome de área real, enquanto que a área superficial total é a área aparente.
A intensidade da força de atrito é dependente de dois fatores:
• Do grau de rugosidade da superfície, o qual quanto mais polido ou melhor acabado for (a área de contato real aumenta), menor será a força de atrito se não houver adesão. Tal propriedade é definida como coeficiente de atrito.
• Da força normal, que é dependente do peso do objeto ou de uma carga externa. 2.3.1.1 For¸ca de Atrito Est´atico
Quando pretende-se movimentar determinado objeto sobre uma superfície, é ne-cessário uma aplicação de uma força para que o mesmo entre em movimento. Em um primeiro momento, aplica-se uma força F, que no entanto, não é suficiente para tirar o objeto do repouso. É o que denomina-se de atrito estático, ou seja, enquanto aplica-se a força e o objeto não se movimenta. Porém, se aumenta-se a força gradativamente, chegará um ponto que o objeto estará na iminência do movimento. Esse ponto é denominado de força de atrito estático máxima. Existirá movimento somente após o módulo da força ultrapassar esse limite. A equação que nos fornece tal valor é:
Faest = µest.N (2.3)
Onde:
•Faest - força de atrito estático; •µest - coeficiente de atrito estático; •N - força Normal;
2.3.1.2 For¸ca de Atrito Dinˆamico
Quando a força aplicada for suficiente para tirar o objeto da inércia, o mesmo es-tará agora sujeito a força de atrito dinâmico, que ocorre no sentido contrário da trajetória. A equação que representa este fenômeno é a seguinte:
Fadin= µdin.N (2.4)
Onde:
•Fadin - força de atrito dinâmica; •µdin - coeficiente de atrito dinâmico; •N - força Normal;
Se for comparado uma força com a outra, a força de atrito estático quase sempre será maior. É mais fácil manter o objeto em movimento do que tirá-lo da inércia.
2.4 ATRITO DE POL´IMEROS
Os polímeros utilizados para aplicações tribológicas na engenharia são coloca-dos, comumente, em contato contra materiais mais duros, como os metais. O principal motivo para o baixo atrito no contato entre polímeros e metais se deve à formação de filme transferido durante o deslizamento, o qual diminui o atrito. (STACHOWIAK G.W BATCHELOR,2005)
Uma característica importante no atrito entre polímeros, e entre metais e políme-ros, é o predomínio do contato elástico. Isso difere fundamentalmente o atrito no contato entre metais. Um segundo fator que diferencia o comportamento tribológico dos políme-ros, é que os mesmos são viscoelásticos. O coeficiente de atrito no contato entre polímepolíme-ros, ou no contrato entre metais e polímeros, varie entre 0,1 e 0,5. Durante o deslizamento metal-polímero, o atrito é influenciado por dois mecanismos, deformação e aderência. A deformação envolve dissipação de energia em um relativamente grande volume em volta da zona de contato. O mecanismo de aderência também envolve dissipação de energia, se origina da quebra de ligações poliméricas e consequente ligação do polímero com a superfície oposta. (HUTCHINGS, 1992)
2.5 DESGASTE
Segundo a “American Society for Testing and Materials” (ASTM, 2007), o des-gaste é um dano causado a uma superfície sólida, que geralmente envolve uma perda progressiva de material devido ao movimento entre a própria superfície e um ou mais corpos em contato.
Os polímeros muitas vezes são utilizados sem lubrificação em aplicações tribológi-cas, geralmente deslizando sobre superfícies mais duras. As deformações devido ao contato ou deslizamento acontecem dentro do polímero, e o acabamento do contra-corpo utilizado tem uma grande influência sobre o mecanismo de desgaste resultante. Uma superfície bem acabada poderá resultar na adesão das superfícies e deformará apenas as camadas super-ficiais do polímero, já superfícies ásperas deformaram até uma profundidade significativa resultando na abrasão (HUTCHINGS, 1992).
Os mecanismos de desgaste mais presentes na tribologia podem ser alocados em quatro grandes grupos: adesão, abrasão, fadiga e corrosão (SEABRA,2000). No caso dos polímeros os mais comuns são a abrasão e a adesão, que pode dar origem à formação de uma película de filme quando deslizado contra um contra-corpo mais duro. ( STA-CHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005).
Na figura 2.6 pode ser vista uma tabela de afinidade metalúrgica proposta por Rabinowicz. Esta tabela é baseada na análise de diagramas de fase de várias combina-ções de materiais metálicos onde são indicados para alguns pares de metais o grau de solubilidade. Ao conceito de solubilidade associa-se os materiais tribológicamente incom-patíveis. Para dois materiais que apresentam solubilidade sólida de pelo menos 1 por cento em volume e temperatura ambiente, existe grande possibilidade de formação de uniões e micro-soldaduras quando colados em contato dinâmico. Nesta tabela os pontos mais escuros correspondem a pares de materiais metálicos que dificilmente formam ligações os quais devem ser escolhidos para aplicação tribológica (SEABRA,2000).
Figura 2.6 – Tabela de afinidade metalúrgica baseada nos diagramas de fase, proposta por Rabinowicz
Fonte: AdaptadoSeabra (2000) apud Rabinowicz(1980) 2.5.1 DESGASTE ABRASIVO
O desgaste abrasivo ocorre sempre que um objeto sólido é carregado contra um material de dureza igual ou superior, o que causa a perda de material. A abrasão é rápida e severa e quando não controlada pode resultar em custos significantes. Quando um material dúctil é desgastado dificilmente ocorre o corte e a superfície desgastada é repetidamente deformada devido ao relaxamento elástico provido pela viscoelasticidade dos polímeros que oferecem uma maior restrição a penetração e por isso alguns polímeros apresentam um surpreendente grau de resistência a abrasão quando comparado com um metal de mesma dureza. A relativa resistência ao desgaste de alguns polímeros pode ser vista na figura 2.7. (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005)
Figura 2.7 – Mecanismo de desgaste por abrasão Fonte: AdaptadoStachowiak G.W Batchelor (2005) 2.5.2 DESGASTE ADESIVO
O desgaste adesivo é caracterizado por altas taxas de desgaste e um coeficiente de atrito grande e instável. A maioria dos sólidos irá aderir em contato com outro sóli-dos desde que certas condições sejam satisfeitas. Uma das formas de reduzir o efeito do desgaste por adesão é com o aumento da rugosidade ou da dureza de contato. Com o desenvolvimento de sistemas de alto vácuo possibilitou o estudo das superfícies livres de contaminantes e detectou um comportamento tribológico completamente diferente do que submetido a atmosfera terrestre. Logo que uma superfície é exposta ao ar forma-se uma camada de contaminantes que pode ser constituída pelos seguintes elementos:
-Nos metais forma-se geralmente um filme de óxidos, o qual é coberto por um segundo filme de gases e hidrocarbonetos.
- Nos plásticos, a superfície pode conter um filme de fluidificantes, desmoldantes e água absorvida assim como gases e óleos absorvidos.
Está camada de contaminantes é extremamente fina não sendo observada no mi-croscópio ótico nem mesmo no mimi-croscópio eletrônico de varredura, porém estes filmes tem fundamental importância nas ligações adesivas entre superfícies em contato. Varia-ções na espessura e nas propriedades desta camada são responsáveis pela variação dos coeficientes de atrito e de desgaste (SEABRA, 2000).
No desgaste adesivo de alguns polímeros há formação de um filme de transfe-rência onde o material é transferido de uma superfície para outra antes de ser liberado como partícula de desgaste (STACHOWIAK G.W BATCHELOR,2005). A formação de filme é caracterizada pelo cisalhamento acompanhado do destacamento de fragmentos de polímeros que se fixam sobre o contracorpo metálico geralmente seguido por uma diminui-ção do atrito pois o contato deixa de ser metal-polímero e passa a ser polímero-polímero (SILVA,2010).
2.5.3 ADES ˜AO METAL-POL´IMERO
Estudos realizados em alto vácuo revelou que os metais e polímeros podem ter um elevado grau de aderência, sendo suficientemente forte para provocar a transferência do polímero para a superfície metálica mesmo quando os materiais são separados.
A força de adesão pode ser relacionada a presença de não metais reativos no polímero como o flúor. Os átomos da superfície do polímero ligam-se aos da superfície metálica independente da inércia do polímero. A força de adesão neste trabalho será relacionada a composição química dos materiais ensaiados.
A adesão entre um metal e um polímero está baseada na interação química, onde a maioria dos polímeros adere a outros materiais devido as forças de Van Der Waals (??), porém devido as ligações secundárias, mais fracas, presentes nos polímeros os filmes formados são fracamente aderidos ao contra corpo, o que compele instabilidade devido à fácil remoção destes do contato (VALE J. L SILVA, 2015). A transferência de material polimérico ocorre de duas formas distintas: filme e normal (STACHOWIAK G.W BAT-CHELOR, 2005).Na transferência de filme o polímero deslizando contra uma superfície mais dura resultará no desgaste do material através do desprendimento de camadas que serão transferidas para o contra corpo. São poucos os polímeros que apresentam este tipo de mecanismo, sendo o caso do PTFE visto na figura 2.8 (STACHOWIAK G.W BAT-CHELOR,2005). Outros polímeros que apresentam este tipo de mecanismo são o (HDPE) e o (UHMWPE).
Figura 2.8 – Mecanismo de desgaste e transferência de filme para o PTFE Fonte: Adaptado de Stachowiak G.W Batchelor (2005)
A grande maioria dos polímeros e dos compósitos poliméricos apresentam um mecanismo de tranferência no qual fragmentos, ou pedaços de material são transferidos, mecanismo comumente chamado de transferência normal. Na figura 2.9 é demonstrado este mecanismo onde os fragmento de polímero são removidos pelos picos de rugosidade e passam a aderir ao contra corpo (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005).
Figura 2.9 – Mecanismo de transferência por fragmentos da maioria dos polímeros Fonte: Adaptado de Stachowiak G.W Batchelor (2005)
2.6 TRIBOLOGIA
A tribologia é definida como a ciência multidisciplinar de interação entre super-fícies em movimento relativo que foca o atrito, o desgaste e a lubrificação de corpos que estão sob movimento relativo (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005). Todos os materiais sofrem atrito e desgaste quando em contato dinâmico com outro (SEABRA, 2000), por isso a importância do estudo da tribologia.
2.6.1 SISTEMAS TRIBOL ´OGICOS
O atrito e o desgaste são características únicas dos sistemas tribológicos em que são avaliados e não simplesmente parâmetros dos materiais acessíveis em handbo-oks (BHUSHMAN, 2001).Segundo Horst (1978) um sistema tribológico é composto por quatro elementos: corpo, contra-corpo, interface e ambiente como visto na figura 2.10
Figura 2.10 – Componentes de um sistema tribológico Fonte: (HORST, 1978)
São inúmeros fatores que influenciam o comportamento tribológico dos materiais e são numerosos os seus efeitos (MAGALHAES A. B BAPTISTA, 1983) apud (MAIO, 2012). A figura2.11representa as interações (entradas e saídas) de um sistema tribológico.
Figura 2.11 – Interações de um sistema tribológico Fonte: (SEABRA, 2000)
2.7 PAR ˆAMETROS QUE INFLUENCIAM O SISTEMA TRIBOL ´OGICO METAL-POL´IMERO
2.7.1 ENERGIA SUPERFICIAL
Segundo (CALLISTER,2008) energia superficial é a energia referente ao contorno da superfície externa dos materiais. A maioria dos polímeros apresenta baixa energia su-perficial decorrente da sua estrutura formada por longas cadeias de carbono, onde cada átomo está ligado através de ligações covalentes ao número máximo de vizinhos. Estas macromoléculas são unidas entre si por ligações secundárias, e mais fracas, para formar os polímeros, sendo assim os átomos da superfície polimérica, fazem parte destas macro-moléculas, e apresentam um estado energético mais baixo devido possuírem a máxima quantidade de ligações interatômicas o que resulta em uma energia superficial reduzida.
A baixa energia superficial destes materiais dificulta a adesão destes materiais com outras superfícies, prejudicando a formação e a estabilidade dos filmes transferidos, porém reduzindo desgaste e atrito adesivo (VALE J. L SILVA, 2015).
No caso do PTFE tem-se observado que a energia superficial do contra corpo afeta o desgaste e a formação de filmes de PTFE (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005). Uma energia relativamente baixa como as de metais nobres e semi nobres como o cobre tende a gerar filmes de transferência mais finos do que metais quimicamente ativos, tal como o zinco. Devido a espessura de filme mais fina produzida por metais menos reativos esta película não cobre uniformemente a superfície, deixando lacunas de
metal esposto. Com metais mais ativos uma película de filme mais espessa de PTFE é formada, tendo partículas desprendidas maiores (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005). Estes mecanismos de transferência estão mostrados na figura 2.12.
Figura 2.12 – Efeito da energia superficial do contra corpo na formação de filmes de PTFE a)Contra-corpo com baixa energia superficial b) Contra-corpo com alta energia superficial
Fonte: Adaptado de Stachowiak G.W Batchelor (2005) 2.7.2 DUREZA DO CONTRACORPO
Geralmente a dureza do contracorpo será muito maior que a do polímero, de-vendo ser dura suficiente para que a abrasão por contaminantes não raspe o polímero (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005). Quando se pretende eliminar ou evitar o desgaste de uma superfície deve-se aumentar a sua dureza. O aumento da dureza dimi-nuirá a deformação plástica das suas irregularidades quando em contato dinâmico com outra superfície, diminuindo assim a área real de contato suscetível a criação de ligações adesivas.
A figura 2.13 trata-se de uma carta dentre um conjunto de dezessete diagramas ou cartas de seleção e classificação encontradas em Ashby (1999). Está é a carta 16 que trata do desgaste e dureza dos materiais estruturais utilizados nos casos em que duas superfícies em contato, sob carga, movimentam-se entre si.
Figura 2.13 – Relação entre dureza e taxa de desgaste de vários tipos de materiais (Carta 16 - ASHBY, 1999)
Fonte: Adaptado de Silva(2006) apud Ashby(1999)
Cabe ao engenheiro estudar a estrutura, as propriedades, as aplicações, o pro-cessamento e o desempenho de materiais novos ou já existentes e cabe a ele selecionar os materiais mais indicados para um projeto. Os materiais se subdividem em 5 classes: materiais metálicos, cerâmicos, poliméricos, compósitos e naturais. (CRUZ, 2012). Para facilitar o processo de seleção outras cartas também podem ser utilizadas para seleção de materiais além da carta presente na figura 2.13 como a carta vista na figura 2.14 onde a seleção é feita a partir da relação do módulo de elasticidade, E, e a resistência.
Figura 2.14 – Relação entre Módulo de elasticidade e resistência de vários tipos de mate-riais
Fonte: Adaptado deCruz (2012) apud Ashby (1999) 2.7.3 RUGOSIDADE DO CONTRACORPO
A rugosidade do contracorpo tem um efeito mais complexo no desgaste do polí-mero pelo fato que a rugosidade inicial é modificada, seja pela transferência de polípolí-mero preenchendo as irregularidades ou pela carga introduzida no polímero que "lima"e amacia a superfície (SEABRA,2000). Já se pensou que a rugosidade deveria ser a menor possível com o objetivo de minimizar o desgaste abrasivo, porém uma pesquisa mais detalhada demonstrou que para certos polímeros existem uma rugosidade ótima. Esta rugosidade ótima esta relacionada que a presença de asperezas pode deixar de causar o desgaste abrasivo após ser coberto por fragmentos de polímeros que ficam presos por riscos ou ra-nhuras do contracorpo como mostra a figura2.15 (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005).Hoje não se conhece a rugosidade ideal das amostras que serão utilizadas podendo ser uma excelente oportunidade de um estudo futuro.
Figura 2.15 – Esquema do processo de desgaste, para contato do tipo metal-polímero, em função da rugosidade do contra-corpo a) superfície extremamente lisa b) superfície com nível de rugosidade mais elevado
Fonte: Adaptado de Stachowiak G.W Batchelor (2005)
Porém a adesão entre polímero e contracorpo nem sempre é eficaz, o que faz com que os detritos de polímeros fiquem soltos e se comportem como um filme de transferência que reduzirá o atrito e o desgaste. No caso de superfícies extremamente rugosas o des-gaste será acelerado podendo ser modelado em termos da abrasão (STACHOWIAK G.W BATCHELOR,2005).
Figura 2.16 – Efeito da rugosidade do contra corpo no desgaste do UHMWPE deslizando contra aço inoxidável para dois níveis de velocidade de deslizamento
Fonte: Adaptado de Stachowiak G.W Batchelor (2005)
A figura 2.16 mostra o comportamento do desgaste do (UHMWPE) deslizando sobre um contracorpo de aço inoxidável com a variação da rugosidade e da velocidade. Nesta figura é possível perceber que parece haver uma rugosidade ótima em velocidades moderadas entre 1 a 5 m/s, já em velocidades altas a taxa de desgaste não possui mais dependência da rugosidade do contracorpo, isso se dá devido aos diferentes mecanismo de desgaste(STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005).
Segundo Franklin e Kraker (2003) um aumento da rugosidade [Ra] acarreta um aumento na taxa de desgaste de muitos polímeros de engenharia, porém a magnitude do efeito é diferente de polímero para polímero.
O estudo com os polímeros não esta voltado a analisar os efeitos da rugosidade e sim o de outros parâmetros, como a carga, a velocidade de deslizamento bem como suas propriedades mecânicas e composição química.
2.7.4 LIMITE PV
Os polímeros possuem baixa condutividade térmica e portanto tendem a concen-trar a energia térmica produzida durante o deslizamento mais do que a conseguem dissipar. No caso dos termoplásticos, uma velocidade excessiva de deslizamento pode produzir ca-lor suficiente para plastificar a superfície, enquanto os termofixos podem-se degradar e
quebrar com elevadas temperaturas. Outra característica importante dos termoplásticos é o seu elevado coeficiente de expansão térmica, pelo que o aquecimento produzido pelo atrito pode causar distorções dimensionais e alterações nas folgas de projeto (SEABRA, 2000)
Devido as características citadas acima, um dos critérios essenciais na aplicação de polímeros é a produção de calor pelo atrito, onde o critério mais utilizado é o fator PV (SEABRA,2000).
O fator PV é um conceito empírico, que define as condições em que o desgaste rápido ou o superaquecimento de qualquer polímero irá ocorrer.Este fator é o produto da pressão nominal de contato [Pa] e da velocidade de deslizamento [m/s] sendo sua unidade [Pam/s]. O conceito deste fator é relacionado com o atrito por fricção, e signi-fica que quando excedido o polímero começa a degradar rapidamente ou superaquecer (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005). Para determinada condição de velocidade e carregamento normal imposta a um par tribológico, a temperatura deve aumentar com o tempo, até atingir um limite, no qual se estabiliza. Contudo, se o valor de PV exceder o valor crítico, a temperatura sofrerá um aumento brusco que levará a fusão ou degradação do material como visto na figura 2.17. Porém muitas vezes o produto PV não permite entender os mecanismos devido aos efeitos de pressão e velocidade serem distintos para cada material (YAMAGUCHI, 1990), como mostrado na tabela da figura2.18 onde para PV’s idênticos os resultados foram diferentes.
Figura 2.17 – Curvas de temperatura no contato em função do tempo para várias condi-ções PV
Fonte: AdaptadoYamaguchi (1990)
Figura 2.18 – Taxa de desgaste mássico médio por nível para 500m de deslizamento Fonte: Adaptado deBoutin F. F e Rocha (2015)
Na figura2.18o nível 1 refere-se aos ensaios de carga 18,4 N e velocidade de 0,84 m/s, o nível 2 aos ensaios com carga de 23,7 N e velocidade de 0,65 m/s, o nível 3 aos ensaios com carga de 28 N e velocidade 0,54 m/s e os de nível 4 aos ensaios com carga de 32 N e velocidade 0,48 m/s.
2.7.5 TEMPERATURA
Os polímeros são materiais viscoelásticos muito sensíveis ao aquecimento por atrito e possuem baixo ponto de fusão, que combinados a baixa condutividade térmica assegura que as temperaturas de contato geradas pelo atrito podem alcançar o ponto de fusão dos polímeros, fazendo com que o mesmo derreta. Quando ocorre a fusão dos
polímeros altera-se o coeficiente de atrito e o desgaste. O atrito diminui drasticamente para possibilitar o deslizamento do polímero e a taxa de desgaste aumentará com o aumento da temperatura. Esse mecanismo de desgaste pode ser classificado como "desgaste por fusão", o conceito deste mecanismo pode ser visto na figura 2.19 (STACHOWIAK G.W BATCHELOR,2005).
Figura 2.19 – Desgaste por fusão em polímeros causados por altas temperaturas de con-tato devido ao atrito
Fonte: Adaptado de Stachowiak G.W Batchelor (2005)
Segundo (MARU,2003) apudSilva(2010) qualquer aumento na temperatura de contato de polímeros causa mudanças nas propriedades do material e nos processos de transferência de material. A figura 2.20 apresenta os fatores que influenciam na tempera-tura de contato.
Analisando-se a literatura conclui-se que as propriedades dos materiais que podem afetar o comportamento tribológico são: módulo de elasticidade, dureza, ponto de fusão, composição química e densidade.
Figura 2.20 – Fatores que afetam a temperatura das superfícies Fonte: Adaptado de Silva(2010) apud Maru (2003)
Devido a baixa condutividade térmica e o baixo ponto de fusão, os polímeros em contato com outras superfícies, podem alcançar temperaturas capazes de provocar o amolecimento ou mesmo a fusão destes materiais quando em deslizamento. Sendo assim uma fina camada de polímero derretido é transferida para o contracorpo, que geralmente trata-se de um aço, que não será afetado pelo calor gerado pelo atrito devido ao seu valor muito maior de ponto de fusão.O aquecimento gerado pela fricção ficará confinado a camadas superficiais (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005)
2.7.6 CARGA
SegundoSeabra(2000), a carga aplicada num sistema tribológico é possivelmente o fator que mais influencia o seu desgaste, pois conforme aumenta a carga ocorre um aumento na área real de contato pelo aumento da deformação plástica aumentando assim a probabilidade de formação de partículas de desgaste.
Segundo a primeira lei do atrito a carga normal é proporcional à força de atrito. Esta lei aplicada a materiais poliméricos tem se mostrado válida apenas para alguns tipos de polímeros testados sob determinadas condições (MYSHKIN N. K PETROKOVETS M. I KOVALEV, 2005). A dependência do coeficiente de atrito da carga é afetada pelas propriedades do contra corpo de metal, incluindo a afinidade química com o polímero e a rugosidade da superfície. Para a maioria dos polímeros de engenharia, o aumento da carga normal promove uma redução no atrito, mas o comportamento real de cada par polímero
contraface deve ser avaliado caso a caso (MAIO, 2012)apud (QUAGLINI V DUBINI, 2009).
A magnitude do carregamento normal está associada à mudança na taxa de des-gaste, e ao dano causado ao material, o qual será mais severo quanto maior o valor do carregamento (HUTCHINGS, 1992).
A figura 2.21 mostra o efeito do carregamento na taxa de desgaste de alguns materiais poliméricos. É possível verificar nesta figura que para o polietileno de baixa densidade (LPDE) e o polimetacrilato (PMMA) um aumento da carga normal , aumentará drasticamente a taxa de desgaste, que está associado com o amolecimento do material devido à temperatura do contato ter alcançado o ponto de fusão dos materiais, e o contato entrar num regime adiabático que está relacionado a baixa condutibilidade térmica dos polímeros (HUTCHINGS,1992).
Figura 2.21 – Variação da taxa de desgaste em função do carregamento normal para po-límeros deslizando contra superfícies lisas de aço
Fonte: Adaptado deHutchings (1992) 2.7.7 VELOCIDADE DE DESLIZAMENTO
Assim como outros fatores a velocidade de deslizamento é altamente dependente do tipo de material a ser testado, do material da contraface e do sistema tribológico em estudo (FEYZULLAHOGLU E SAFFAK, 2008). Myshkin N. K Petrokovets M. I Kovalev (2005) em seu estudo relata a independência que a velocidade de deslizamento tem sobre a força de atrito quando a temperatura de contato varia insignificantemente, não alterando o comportamento da interface.
permitirá a solidificação destas ligações uma vez que promove o rápido afastamento das superfícies, assim com velocidades de deslizamentos baixas mais facilmente se processa a adesão e consequentemente aumenta o desgaste.
Porém quando duas superfícies em contato deslizam entre si, quase toda a energia dissipada na fricção aparece sob a forma de calor aumentando a temperatura da interface quando aumenta-se a velocidade (SEABRA, 2000).
O comportamento do coeficiente de atrito cinético em função da velocidade de deslizamento é fortemente dependente das condições de superfície que incluem: presença de impurezas ou filmes transferidos e condições de lubrificação (VALE J. L SILVA,2015) apud (LIU Y SCHAEFER, 2006).
A maioria dos polímeros apresenta comportamento viscoelástico e sendo assim a força tangencial, ou a força de atrito entre corpo e contra-corpo torna-se função da velocidade de deslizamento. A figura 2.22apresenta o comportamento do PTFE em desli-zamento, sem lubrificação e com pressão de contato de 30 a 35MPa, contra aço inoxidável AISI 304 com acabamento polido (Ra=0,10 a 0,20µm).
Verifica-se o aumento do coeficiente de atrito cinético com o aumento da veloci-dade de deslizamento (VALE J. L SILVA,2015)apud (QUAGLINI V DUBINI,2009).
Figura 2.22 – Coeficiente de atrito cinético em função da velocidade de deslizamento para PTFE deslizando contra AISI 304 polido para pressões de contato de 30 a 35 MPa. Ra=0,10 a 0,20 µm
Fonte: Adaptado de Vale J. L Silva(2015) apud Quaglini V Dubini(2009) 2.8 UMIDADE RELATIVA
A dependência do coeficiente de atrito, e do desgaste, com a umidade é complexa, pois muitos materiais polímericos absorvem água. Na figura2.23mostra o comportamento do coeficiente de atrito cinético de alguns polímeros. Observa-se que a poliamida 6, que
geralmente absorve umidade, apresenta uma elevação no coeficiente de atrito, situação não apresentada para os demais materiais (YAMAGUCHI,1990).
Figura 2.23 – Relação entre coeficiente de atrito cinético e umidade relativa para vários polímeros
Fonte: Adaptado de Vale J. L Silva (2015) apud Yamaguchi (1990)
Segundo Silva C. H. Tanaka (2003) a independência do coeficiente de atrito cinético para maiores valores de carregamento normal deve-se ao aumento da severidade do desgaste, sendo assim uma quantidade relativamente grande de material é removida da superfície do polímero expondo continuamente novas camadas, e assim, a variação da umidade relativa tem seu efeito anulado.
2.9 TOPOGRAFIA
A maior parte das superfícies sólidas que são submetidas a desgaste em máqui-nas é usinada ou retificada, ainda que algumas mantenham suas superfícies finais dos processos de fundição ou forjamento. Em qualquer um desses casos, a superfície terá al-gum grau de rugosidade que é compatível com seu processo de acabamento. Seu grau de rugosidade terá influência tanto no tipo como na intensidade de desgaste a que a peça estará sujeita. Mesmo superfícies uniformes e aparentemente lisas têm irregularidades microscópicas (NORTON, 2013).
A rugosidade da superfície é aquela parte associadas as irregularidades em uma superfície deixadas após o processo de fabricação. Em geral, a superfície inclui a forma nominal, ondulação e a rugosidade (WHITEHOUSE, 2003), como mostrado na figura a seguir:
Figura 2.24 – Desvios geométricos de forma nominal, ondulações e rugosidade Fonte: Adaptado de Whitehouse (2003)
2.9.1 PAR ˆAMETROS DE RUGOSIDADE
Talvez os parâmetros mais comumente utilizados sejam Ra, que é a média dos valores absolutos medidos em cada ponto, ou Rq, que é o desvio médio quadrático. Esses dois parâmetros são muito parecidos em valor e significado. Infelizmente, muitos engenhei-ros especificam somente um desses dois parâmetengenhei-ros, nenhum dos quais fornece informação suficiente para análise do comportamento tribológico das superfícies. (NORTON, 2013)
Por exemplo, as duas superfícies mostrada na figura 2.25 têm os mesmos valores de Ra e Rq, porém têm naturezas claramente distintas.
Figura 2.25 – Diferentes contornos de superfície podem ter os mesmos valores de Ra ou
Rq.
Fonte: Adaptado de Norton (2013)
Para diferenciar essas superfícies que têm valores idênticos de Ra ou Rq, outros parâmetros devem ser calculados. A assimetria Rské uma estimativa da média da primeira derivada do contorno da superfície. Um valor negativo de Rsk indica que a superfície tem uma predominância de vales e um valor positivo de Rsk define uma predominância de picos. Vários outros parâmetros podem ser computados. Por exemplo, Rtdefine o máximo
valor de amplitude pico-a-vale no comprimento da amostra, Rp a máxima altura de pico acima da linha média e Rpm a média das cinco alturas máximas.(NORTON,2013)
Todas as medidas de rugosidade são calculadas a partir de medições filtradas ele-tronicamente que eliminam (zeram) qualquer onda de baixa frequência sobre a superfície. Uma linha média é computada, a partir da qual todas as medidas pico/vale são efetuadas. Além dessas medidas de rugosidade (denotadas por R), a ondulação, Wt , da superfície pode, também, ser computada. O parâmetro Wt filtra o sinal da medição sobre a superfí-cie, eliminando todos os contornos de alta frequência e preservando somente as oscilações de grande período. Caso deseje caracterizar completamente a condição de acabamento da superfície, observe que somente a utilização de Ra ou Rq não é suficiente. (NORTON, 2013)
Figura 2.26 – Definições de parâmetros DIN e ISO para rugosidade superficial, ondulação e assimetria (Cortesia da Hommel America Inc., New Britain, Ct.)
Fonte: Adaptado de Norton (2013)
Figura 2.27 – O contato real entre duas superfícies está somente nas pontas das asperezas Fonte: Adaptado de Norton (2013)
Para obtenção da dureza dos materiais que serão nosso objeto de estudo, o Insti-tuto Lactec realizou ensaios e obteve os resultados, que estão dispostos mais a diante no trabalho, na metodologia.
2.10 TRIBOLOGIA DOS POL´IMEROS COMPOSTOS
Os polímeros para algumas aplicações como em rolamentos, não são utilizados em sua forma pura. Tem sido demonstrado, por exemplo, que plastificantes causaum uma redução no atrito para o polietileno, devido a difusão para a superfície do polímero que forma uma camada de lubrificação. A importância dos materiais compósitos é que pode-se melhorar o comportamento tribológico dos polímeros, uma vez que estes são desenvolvidos para ter uma resistência mecânica superior (STACHOWIAK G.W BATCHELOR,2005). 2.10.1 MISTURA DE POL´IMEROS
Uma prática comum é adicionar um polímero ao outro, geralmente o PTFE, para reduzir o coeficiente de atrito enquanto mantem-se um taxa de desgaste baixa. Exemplos destes materiais são o nylon ou o poliacetal com PTFE adicionado. As características destes compostos poliméricos depende da fração de PTFE neles presentes e da deposição do filme de transferência sobre a contraface. Porém está forma de polímero composto não tem a mesma eficiência tribológica do que composições mais complexas como polímeros reforçados com fibras (STACHOWIAK G.W BATCHELOR, 2005).
2.11 ENSAIO PINO SOBRE DISCO
Trata-se de um método de ensaio para determinar o desgaste dos materiais du-rante o deslizamento. Para realização do ensaio pino sobre disco é necessário um pino posicionado perpendicularmente sobre outra superfície a qual geralmente trata-se de um disco circular. O pino é pressionado contra o disco em rotação por uma carga especifi-cada. O desgaste é medido a partir da perda de volume em milímetros cúbicos e pode ser determinado pela medição das dimensões apropriadas das amostras antes e após o ensaio ou pela pesagem antes e depois do ensaio. A figura 2.28 mostra um desenho esquemático do ensaio.
Figura 2.28 – Desenho esquemático do ensaio pino sobre disco Fonte: Adaptado de (ASTM-G99, 1996)
2.11.1 PAR ˆAMETROS IMPORTANTES
A norma ASTM G99 destaca alguns parâmetros relevantes para o ensaio pino sobre disco que seguem abaixo:
Carga- Valor da força aplicada em Newtons
Velocidade de deslizamento- velocidade de deslizamento entre as superfícies em contato em metros por segundo.
Distância-distância percorrida em metros. Temperatura- temperatura próxima ao contato.
Atmosfera- ambiente do ensaio (ar, umidade, lubrificante, etc). 2.12 REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA
A crescente utilização de polímeros como materiais tribológicos com objetivo de susbstituir outros materiais vem contribuindo para o desenvolvimento e estudo de novos polímeros. Neste contextoSeabra(2000) estudou os polímeros, como PTFE e o UHMWPE em ensaio de deslizamento contra o aço AISI 316 buscando identificar as características tribológicas do sistema e hierarquizar os polímeros em função do seu desempenho, isto é, menor atrito e desgaste.
Analisando-se os resultados de Seabra verifica-se o comportamento diferente que os polímeros tem frente as variáveis envolvidas. Um exemplo é que para um aumento de carga alguns polímeros (a maioria) diminui o coeficiente, outros aumentam e alguns tem pouca variação o que também ocorre para a taxa de desgaste quando aumentada a
