VALE J L - PPGEM_MOPP-2012

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<p>Influência da Carga Normal e da Velocidade de Deslizamento no Coeficiente de</p><p>Atrito Cinético do Par Politetrafluoretileno (PTFE) Versus Aço Inoxidável</p><p>PPGEM – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais</p><p>João Luiz do Vale (jldovale@yahoo.com.br)</p><p>Carlos Henrique da Silva (carloshs@utfpr.edu.br)</p><p>RESUMO</p><p>O presente trabalho estuda o comportamento do PTFE em aplicações tribológicas sem lubrificação, cujo principal objetivo é o entendimento da variação do coeficiente de</p><p>atrito cinético em função do carregamento normal e da velocidade de deslizamento. Os dados obtidos em tribômetro, desenvolvido e construído na UTFPR, no qual uma</p><p>bucha de PTFE desliza sobre um eixo de aço inoxidável ABNT 304, que simula a aplicação real do material polimérico como mancal de deslizamento. Tais</p><p>procedimentos experimentais são fundamentais para a completa análise das características e do desempenho dos materiais poliméricos em aplicações tribológicas, que</p><p>normalmente se mostram de maneira complexa.</p><p>Palavras-chave: Coeficiente de atrito; Politetrafluoretileno; Deslizamento sem lubrificação; Mancais de deslizamento.</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>A indústria moderna apresenta demanda por materiais com propriedades</p><p>específicas, que garantam um melhor desempenho tribológico em mancais de</p><p>deslizamento. Isso abre novas oportunidades de aplicação, que não são, muitas</p><p>vezes, viáveis para mancais de metal ou rolamentos (Development, 2008). Em</p><p>especial, para a indústria automotiva, mancais têm requisitos específicos, espaço</p><p>reduzido e baixo peso são cruciais, mesmo com necessidades de operar com altas</p><p>cargas, movimentos oscilatórios e sem lubrificação (Engine Technology</p><p>International, 2008). A seleção final de um material para o mancal é feita</p><p>analisando-se critérios como a qualidade resultante do componente, seu</p><p>desempenho e confiabilidade para determinada aplicação (Automotive Purchasing</p><p>International, 2005).</p><p>Todavia, o comportamento dos materiais é complexo e depende da natureza e</p><p>morfologia dos componentes adicionados (Khoddamzadeh et al., 2009). O</p><p>desempenho tribológico, também, é função de acabamento e condições da</p><p>superfície (Liu; Schaefer, 2006). Com isso, testes e ensaios experimentais são</p><p>fundamentais (Marx e Junghans, 1996) para uma compreensão mais completa.</p><p>METODOLOGIA</p><p>Utilizou-se um tribômetro, tipo mancal sobre eixo, desenvolvido no Laboratório de</p><p>Superfícies e Contato (LASC) da UTFPR, o qual pode ser visualizado na Figura 1.</p><p>O dispositivo permite simular condições muito próximas da aplicação real de</p><p>mancais de deslizamento. Em linhas gerais, o equipamento possui um eixo,</p><p>apoiado em mancais, no qual é fixado o contra-corpo de forma cilíndrica, e cujo</p><p>acionamento é feito por motor elétrico controlado por inversor de frequência. A</p><p>amostra, em material polimérico, desliza sobre o contra-corpo com força normal</p><p>aplicada pela haste de carga e sistema de peso-morto. A amostra e o</p><p>contra-corpo são mostrados na Figura 2.</p><p>Chama-se a atenção para a curva “D”, a qual representa o deslizamento do PTFE e, com</p><p>comportamento semelhante ao obtido. Ainda, pode-se verificar uma elevação do</p><p>coeficiente de atrito com o aumento da velocidade de deslizamento, e isto, é mantido</p><p>para toda a faixa de carregamento normal ensaiada. O PTFE apresenta um</p><p>comportamento relativamente mais constante do coeficiente de atrito em relação à</p><p>variação de temperatura (Yamaguchi, 1990). Contudo, é esperado que com o aumento</p><p>de velocidade de deslizamento, haja um incremento na temperatura do contato para o</p><p>mesmo valor de carga normal. Com isso, há mudanças nas propriedades do material</p><p>polimérico, incluindo a diminuição de seu módulo de elasticidade, que resulta no aumento</p><p>da área real de contato para o mesmo carregamento. Como o coeficiente de atrito, nesta</p><p>condição deve manter certa proporcionalidade com área real, supõem-se que isso deva</p><p>aumentar o coeficiente de atrito, conforme visualizado no Grafico 1. Por fim, o desgaste</p><p>do material por fusão nesta faixa de operação está descartada, pois estaria atrelada a</p><p>uma queda brusca no coeficiente de atrito. Dados do fabricante do PTFE indicam que a</p><p>sua faixa de operação está entre -180oC e 250oC, sendo o ponto de amolecimento</p><p>próximo de 375oC, temperatura a partir da qual o material entra em estado de gel</p><p>(Polifluor, 2012). Ainda assim, não se descarta a possibilidade de fusões do material</p><p>polimérico de maneira pontual.</p><p>CONCLUSÕES</p><p>Os coeficientes de atrito cinético obtidos, com o deslizamento sem lubrificação do PTFE</p><p>contra o aço inoxidável ABNT 304, mostraram comportamento, em relação à variação do</p><p>carregamento normal e à velocidade de deslizamento, condizente com a revisão</p><p>bibliográfica. Por fim, a implementação dos termopares para a medição de temperatura</p><p>no contato é fundamental para os próximos ensaios, pois somente assim, ter-se-á a</p><p>certeza da estabilização do sistema tribológico.</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>AUTOMOTIVE PURCHASING INTERNATIONAL. Polymer Bearing for Todays's Automotive Applications. 2005.</p><p>Disponível em: <http://www.ggbearings.com/pdf/ casehistories/auto_purch.pdf>. Acesso em: 05 fev. 2012.</p><p>DEVELOPMENT. Bearing: Solid Polymer Bearing in Tribological Applications. V. 110. 2008. Disponível em: <</p><p>http://www.ggbearings.com/pdf/5426-18_en.pdf>. Acesso em: 05 fev. 2012.</p><p>ENGINE TECHNOLOGY INTERNATIONAL. Metal Polymer Bearings. jan. 2008. Disponível em: <</p><p>http://www.ggbearings.com/pdf/ETI_Derek_Marsella.pdf>. Acesso em: 05 fev. 2012.</p><p>HUTCHINGS, Ian M. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. Cambridge: Butterworth Heinemann, 1992.</p><p>KHODDAMZADEH, Alireza; LIU, Rong; WU, Xijia. Novel Polytetrafluoroethylene (PTFE) Composites with Newly Developed</p><p>Tribaloy Alloy Additive for Sliding Bearing. Wear. v. 266, p. 646-657, 2009.</p><p>LIU, Y.; SCHAEFER, J. A. The Sliding Friction of Thermoplastic Polymer Composites Tested at Low Speeds. Wear. v. 261, p.</p><p>568-577, 2006.</p><p>MARX, S.; JUNGHANS, R. Friction and Wear of Highly Stressed Thermoplastic Bearing Under Dry Sliging Conditions. Wear.</p><p>v. 193, p. 253-260, 1996.</p><p>POLIFLUOR IND. E COM. PLÁSTICOS LTDA. Teflon®. Disponível em: < http://www.polifluor.com.br/teflon.pdf>. Acesso em:</p><p>21 nov. 2012.</p><p>YAMAGUCHI, Yukisaburo. Tribology of Plastic Materials: Their Characteristics and Applications to Sliding Components.</p><p>New York: Elsevier Science Publishers, 1990.</p><p>Gráfico 1 – Coeficiente de atrito cinético x</p><p>carregamento normal para PTFE deslizando,</p><p>com diversas velocidades, contra Aço</p><p>Inoxidável ABNT 304.</p><p>O coeficiente de atrito é obtido de uma</p><p>relação da força transmitida para a</p><p>balança. Foram utilizados mancais de</p><p>PTFE e eixos de aço inoxidável ABNT 304,</p><p>ambos com rugosidades aproximadamente</p><p>de Ra=2,0µm, provenientes de processo</p><p>de</p><p>torneamento. Os valores obtidos de coeficiente de atrito, para todas as variações de</p><p>carga e velocidade propostas, são médias de três medições com amostras distintas,</p><p>cujos valores foram tomados após três minutos de ensaio sem lubrificação.</p><p>RESULTADOS</p><p>O Gráfico 1 mostra os resultados obtidos nos ensaios, onde percebe-se a tendência</p><p>de diminuição do coeficiente de atrito, em relação ao carregamento normal, para as</p><p>diversas velocidades testadas. Os valores de coeficiente de atrito encontram-se na</p><p>faixa de running-in, pois devido à impossibilidade de leitura precisa da temperatura</p><p>de contato, cujos valores serão obtidos com termopares a serem implementados na</p><p>sequência desta pesquisa, não há certeza do momento de estabilização do sistema</p><p>tribológico. Os testes foram realizados com cargas normais relativamente baixas e</p><p>com superfícies com rugosidade relativamente baixa. Assim, segundo Hutchings</p><p>(1992) a deformação elástica nos pontos de contato são elevadas e a situação se</p><p>aproxima de um contato de uma única aspereza, e o coeficiente de atrito cinético</p><p>assume a seguinte relação: µ ∝ W-1/3. O Gráfico 2 mostra esta relação através de</p><p>dados obtidos com deslizamento de vários materiais poliméricos contra aço</p><p>inoxidável.</p><p>Figura 1 – Tribômetro</p><p>tipo mancal</p><p>sobre eixo.</p><p>Figura 2 – Amostra, Contra corpo e</p><p>detalhe das peças acopladas.</p><p>Gráfico 2 – Coef. de atrito cinético x</p><p>carregamento normal, para diversos</p><p>polímeros deslizando contra aço</p><p>inoxidável. Fonte:Yamaguchi (1990).</p><p>Slide 1</p>