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Faculdade Pitágoras Unidade Contagem NOTAS DE AULA FUNDAMENTOS DA LUBRIFICAÇÃO E DESGASTE. Curso de Engenharia Mecânica Prof. Me. Eng. Plínio de Freitas Barbosa Belo Horizonte – 2015. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 2 Índice 1. Atrito ....................................................................................................... 6 2. Desgaste ................................................................................................ 14 3. Petróleo ................................................................................................ 17 3.1. Parafínicos ................................................................................... 18 3.2. Naftênicos: ................................................................................... 19 3.3. Mistos: ............................................................................................. 19 3.4. Aromáticos: ................................................................................... 20 4. Lubrificação ....................................................................................... 21 4.1. Funções dos lubrificantes .................................................. 25 4.2. Falta de lubrificação ........................................................... 26 4.3. Película lubrificante ........................................................... 26 4.4. Classificação da Lubrificação ........................................ 27 5. Lubrificantes .................................................................................... 31 5.1. Classificação............................................................................... 34 5.1.1. Lubrificantes Líquidos ................................................ 34 5.1.2. Lubrificantes Pastosos ................................................ 42 5.1.3. Lubrificantes Sólidos................................................... 45 5.1.4. Lubrificantes gasosos................................................... 45 5.2. Características .......................................................................... 46 5.2.1. Densidade ............................................................................... 48 5.2.2. Viscosidade........................................................................... 51 5.2.3. Índice de Viscosidade................................................... 60 5.2.4. Ponto de Fluidez............................................................... 64 Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 3 5.2.5. Ponto de Fulgor (Lampejo) ......................................... 65 5.2.6. Cor .............................................................................................. 66 5.2.7. Teor de Cinzas ................................................................... 68 5.2.8. Acides e Basicidade ....................................................... 69 5.2.9. Resíduo de Carbono .......................................................... 74 5.2.10. Demulsibilidade............................................................... 75 5.2.11. Espuma .................................................................................... 76 5.2.12. Ponto de Anilina ............................................................ 77 5.2.13. Extrema Pressão............................................................... 78 5.2.14. Detergência ........................................................................ 80 5.2.15. Saponificação ................................................................... 80 5.2.16. Dispersância ...................................................................... 80 5.2.17. Resistência a Oxidação .............................................. 80 5.2.18. Oleoginosidade ou Poder Lubrificante ............ 81 5.3. Características monitoradas em óleos Usados....... 81 5.3.1. Corrosão .................................................................................. 81 5.3.2. Água por destilação ....................................................... 82 5.3.3. Água e sedimentos por centrifugação ................. 83 5.3.4. Diluição .................................................................................. 84 5.3.5. Espectrometria ................................................................... 85 5.3.6. Espectroscopia de Infravermelho........................... 87 5.4. Características específicas das graxas................... 88 5.4.1. Consistência ........................................................................ 88 5.4.2. Ponto de Gota ...................................................................... 90 5.4.3. Estabilidade Mecânica................................................... 91 Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 4 5.4.4. Extrema-Pressão ................................................................. 92 5.4.5. Resistência à água .......................................................... 92 5.4.6. Resistência à Oxidação ................................................ 93 5.4.7. Bombeabilidade ................................................................... 93 6. Aditivos ................................................................................................ 93 6.1. Detergentes ................................................................................... 95 6.2. Dispersantes;............................................................................... 95 6.3. Antioxidantes............................................................................... 95 6.4. Anticorrosivos ............................................................................ 96 6.5. Antiferrugem ................................................................................. 97 6.6. Extrema pressão .......................................................................... 97 6.7. Antidesgaste ................................................................................. 98 6.8. Abaixador do ponto de fluidez ........................................ 98 6.9. Melhoradores do Índice de Viscosidade ..................... 98 6.10. Antiespumantes .......................................................................... 99 6.11. Agentes de Adesividade....................................................... 99 6.12. Modificadores de Atrito .................................................... 99 6.13. Desativador de Metais ....................................................... 100 6.14. Outros Aditivos ..................................................................... 100 7. Classificação dos Lubrificantes ....................................... 100 7.1. Sistema de Classificação SAE......................................... 101 7.2. Sistema de Classificação API......................................... 105 7.3. Sistema de Classificação ACEA ...................................... 111 7.4. Classificação ISO – Para Óleos Lubrificantes Industriais. .......................................................................................................... 112 Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 5 7.5. Sistema de Classificação de Viscosidade AGMA para Óleos Industriais .............................................................................................. 113 7.6. Classificações de fluidos para freios ................... 115 7.7. Classificações de fluidos de corte .......................... 118 7.7.1. Soluções (fluidos sintéticos) ............................. 118 7.7.2. Emulsões (óleos solúveis e fluidos semissintéticos) .............................................................................................118 7.7.3. Óleos (fluidos integrais) ....................................... 120 7.7.4. Gases e Névoas ................................................................. 120 7.7.5. Sólidos (MoS2) .................................................................. 121 8. Métodos de aplicação dos óleos lubrificantes ........ 121 8.1. Métodos de lubrificação por gravidade ................... 122 8.1.1. Lubrificação manual ..................................................... 122 8.1.2. Lubrificação manual, por pincel ou por espátula 122 8.1.3. Copo com agulha ou vareta ....................................... 122 8.1.4. Copo conta gotas............................................................. 123 8.2. Métodos de lubrificação por capilaridade ............ 123 8.2.1. Copo com mecha ................................................................. 123 8.2.2. Lubrificação por estopa ou almofada ............... 123 8.3. Métodos de lubrificação por Salpico ........................ 124 Anexo 1 ............................................................................................................ 125 Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 6 1. Atrito Atrito é a denominação que é dada a resistência de oposição ao movimento de deslizamento, entre corpos em contato. A força que mensura esta resistência é chamada força de atrito. O atrito pode ser observado entre sólidos, líquidos e gases. O atrito entre gases é menor que o atrito entre líquidos que por sua vez é menor que o atrito entre sólidos. Entre dois corpos sólidos a força de atrito pode ser justificada pela interação entre as superfícies em contato. A figura 1 mostra os picos e vales de dois corpos em contato, sujeitos a ação de uma força que tende a provocar movimento relativo entre esses corpos. Figura 1 – Representação esquemática da força de atrito entre dois corpos. A força de atrito surge tão logo se instalam as forças motrizes que desejam causar o movimento, logo, existe força de atrito mesmo que não haja movimento. Neste caso a força de atrito é igual a força motriz e o corpo permanece estático. Portanto chamamos esta força de Força de Atrito Estático. A medida que a força motriz é aumentada ocorrera um ponto onde ela excedera a força de atrito estático e o corpo entrará em movimento. Neste momento a força de atrito irá sofrer uma queda em seu valor nominal. A este valor chamamos de Força de Atrito Cinético. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 7 As forças de atrito podem ser benéficas ou não, dependendo da situação a que se aplicam. Andamos facilmente porque existe força de atrito entre a sola de nossos pés e o chão. Quando esta força de atrito é diminuída escorregamos e temos dificuldade de nos movimentar. Por outro lado, o deslizamento entre superfícies pode exigir um enorme esforço e provocar desgastes indesejados. Para este último caso temos realizado enormes esforços para diminuir a força de atrito. Como a força de atrito é menor entre gases e líquidos, lançamos mão deste tipo de atrito fluido para diminuir o atrito resultante. Assim, quando interpomos um fluido entre duas superfícies sólidas, modificamos o tipo de atrito, pois evitamos o contato entre dois sólidos. A isto chamamos de lubrificação. O resultado do atrito entre sólidos leva ao desgaste entre os corpos, ao aquecimento das partes, a geração de ruídos e a perda de energia. Podemos destacar dois tipos de atrito entre corpos sólidos: Atrito por deslizamento; Figura 2 – O atrito permite que caminhemos. Figura 3 – O atrito permite transmissão de potência e movimento. (Disco de Atrito) Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 8 Atrito por rolamento. No atrito por deslizamento a superfície de contato é formada pelo contato entre os vales e picos da superfície em contado dos corpos. Note que definir esta área requer que seja definido o valor das áreas que realmente estão em contato e que é diferente da área geométrica observável a olho nu. O que geralmente é feito é considerar um valor médio com base na rugosidade superficial das partes em contato. Quanto maior a rugosidade superficial maior a força de atrito possível de ser alcançada. Porque embora a força de atrito seja independente da área, os picos em contato podem ser rompidos. Vale ressaltar que por mais polida que seja uma superfície ela irá conter vales e picos, sendo que jamais será perfeitamente lisa. No atrito por rolamento porções sucessivas dos corpos estarão em contato entre si. Neste caso, as mesmas considerações sobre as áreas de contato são válidas. O atrito por rolamento é bem menor que o atrito por deslizamento. Por este motivo utilizamos rodas para facilitar o deslocamento de corpos, diminuindo a energia necessária ao trabalho. Figura 4 – Força de atrito estático / de deslizamento / de rolamento. A força de atrito é uma grandeza vetorial que possui mesma direção da força motriz aplicada e sentido oposto. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 9 Seu modulo é diretamente proporcional a força de reação ao plano “N” – Força Normal. Cada par de materiais em contato possui um coeficiente de atrito relativo ao deslizamento entre eles. Assim, existe um coeficiente de atrito para duas peças de aço colocadas em contato, aço em contato com borracha, couro em contato com ferro fundido e assim por diante. A força de atrito entre dois corpos materiais em contato de deslizamento pode ser expressa como: 𝐹𝑎 = 𝜇 × 𝑁 Onde: 𝐹𝑎 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜. 𝜇 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜. 𝑁 = 𝑅𝑒𝑎çã𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜. Como foi mencionado anteriormente a força de atrito varia de estático para cinético conforme os corpos deixam de estar estáticos e apresentam um deslizamento relativo ente eles. Gráfico 1 – Forças de atrito por deslizamento. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 10 O coeficiente de atrito µ possui dois valores para um mesmo par de materiais. O coeficiente de atrito estático acontece enquanto os corpos estão parados e imediatamente após o movimento ocorre o coeficiente de atrito cinético que geralmente cai em valor. Vem que µe>µc. Observando o gráfico 1 acima, podemos ver que assim que a força de deslocamento é aplicada, a força de atrito assume valores em modulo iguais ao desta força e surge apenas para impedir o movimento, anulando a força aplicada. Isso ocorre até que o modulo da força aplicada seja igual a força de atrito estático máxima. 𝐹𝑎 𝑒 = 𝜇𝑒 × 𝑁 Onde: 𝜇𝑒 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜. Deste momento em diante, com o aumento da força aplicada, o modulo da força de atrito decresce até atingir um valor constante. 𝐹𝑎 𝑐 = 𝜇𝑐 × 𝑁 Onde: 𝜇𝑐 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜. É fácil perceber que a força necessária para mover o corpo é tanto maior quanto maior for a massa deste corpo, ou a carga aplicada sobre ele. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 11 Figura 5 – É mais fácil empurrar a caixa vazia cuja massa é menor. A força de atrito independe da área de contato. Observe que ao calcularmos a força de atrito utilizamos a reação normal e o coeficiente de atrito. Para o mesmo par de materiais, mesma carga e áreas de contato diferentes o coeficiente de atrito é o mesmo.Figura 6 – Força de atrito depende da Normal. Figura 7 – Força de atrito independe da área. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 12 A lubrificação e o polimento diminuem as forças de atrito. A lubrificação por modificar o atrito entre corpos sólidos para atrito entre fluidos. O polimento por diminuir a rugosidade superficial e por consequência a altura entre os vales e picos que se opõem ao movimento. Ambas as ações terminam por diminuir o coeficiente de atrito “µ”. Figura 8 – Atrito sólido e atrito fluido. No atrito de rolamento a resistência ao movimento é diretamente proporcional as deformações das superfícies. Superfícies que sofrem deformação elástica oferecem menor resistência que aquelas que sofrem deformações plásticas (permanentes). Em alguns casos o atrito ao rolamento aumenta devido a deformação da roda (pneus com pressão baixa). No atrito de rolamento a resistência ao rolamento é diretamente proporcional a carga no cilindro / esfera e é inversamente proporcional ao diâmetro do cilindro / esfera. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 13 Observe na figura 9 que duas esferas de mesmo diâmetro, mas com massas diferentes terão resistência ao rolamento diferente. A esfera com massa maior também terá força de atrito maior. Figura 9 – Resistência ao rolamento por atrito de esferas com massas diferentes. De maneira análoga observe na figura 10 que duas esferas de diâmetros diferentes, mas com a mesma massa terão resistência ao rolamento diferente. Neste caso a esfera que Esfera Oca Peso: 500 g Diâmetro: 16 cm Força de Atrito Carga Esforço Esfera Maciça Peso: 2000 g Diâmetro: 16 cm Força de Atrito Carga Esforço Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 14 possui o maior diâmetro apresentará a menor força de atrito resistente ao rolamento. Figura 10 – Força de atrito resistente ao rolamento em função do diâmetro da esfera. 2. Desgaste O desgaste é a perda progressiva de matéria da superfície de um corpo sólido devido ao contato e movimento relativo com um outro corpo sólido, líquido ou gasoso ASTM (G-40). Esfera Oca Peso: 500 g Diâmetro: 16 cm Força de Atrito Carga Esforço Esfera Maciça Peso: 500 g Diâmetro: 8 cm Força de Atrito Carga Esforço Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 15 Pode ser apresentado também, com um fenômeno onde, de forma geral, o deslocamento de material é causado pela presença de partículas duras, que estão entre ou embutidas em uma ou ambas as superfícies em movimento relativo. Nota: Dano a uma superfície – o desgaste é um fenômeno tipicamente superficial. Movimentação relativa – é importante para ajudar e identificar os tipos de desgaste e as variáveis de influência. Tipo de material – ajuda na identificação do tipo de desgaste e na maior ou menor severidade de um tipo de desgaste em relação a materiais diferentes. Geralmente o desgaste é observado como uma perda de material ou dano superficial. Existem vários tipos de desgaste e alguma dificuldade em descrevê-los. A dificuldade se deve ao fato dos tipos de desgaste não serem fáceis de identificar, ocorrerem muitas vezes de forma concomitante, outras vezes, o mecanismo de desgaste muda de um tipo para outro durante o processo. Outro problema é que existem polêmicas associadas a classificação dos tipos de desgaste nominados por autores diferentes. Segundo a norma DIN 50320, os mecanismos principais de desgaste são quatro classificados como: adesão, reação triboquímica, fadiga superficial e abrasão. Os quatro tipos de mecanismos de desgaste podem ser diferenciados da seguinte maneira: Adesão ou fricção: Formação e ruptura da união adesiva interfacial (exemplos: Junções soldadas a frio, desgaste por atrito). Esse desgaste é geralmente identificado pelo cisalhamento superficial ou destacamento de material como Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 16 resultado do movimento relativo entre as duas superfícies, as quais se desgastam pela ação dos fragmentos soltos. Estima se que este tipo representa 15% das situações de desgaste observadas; Desgaste por abrasão: É o fenômeno que ocorre quando partículas duras deslizam ou são forçadas contra uma superfície metálica, em relação à qual estão em movimento, provocando por deslocamento ou amassamento a remoção do material. A remoção de material ocorre mediante processo de riscamento (processo de microcorte. Estima se que este tipo represente 50% dos desgastes observados); Fadiga de superfície ou contato: ocorre em componentes submetidos a carregamentos cíclicos, onde normalmente não há grandes perdas de material da superfície. Está proximamente relacionado ao fenômeno geral da fadiga e similarmente sujeito a um período de incubação antes do aparecimento dos danos. O desgaste ocorre principalmente pela remoção do material da superfície por ação mecânica. Entretanto, em muitos casos, a ação química sobre a superfície pode afetar o processo do desgaste mecânico. Quando em temperatura ambiente, denomina- se fadiga de contato e, acima de 100 graus Celsius, fadiga térmica; Reações triboquímicas: Desenvolvimento de produtos resultantes de reações químicas desenvolvidas entre o par de desgaste e o meio interfacial. É a remoção de material ou degradação de propriedades mecânicas de um metal, devida à ação química ou eletroquímica de meios agressivos, ou devido à remoção de material por meios mecânicos facilitada pela reação química. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 17 Pode ser dividida em: corrosão em meio aquoso, oxidação, corrosão em meios orgânicos e corrosão em metais líquidos. A figura 11 apresenta um desenho esquemático dos quatro tipos de desgaste. Figura 11 – Tipos de desgaste 3. Petróleo Embora, não haja completo acordo quanto a origem do petróleo, a teoria mais aceita afirma que o petróleo é feito da transformação da matéria orgânica animal e/ou vegetal. Os depósitos de óleo cru e gás natural ocorrem quase sempre nos espaços porosos de rochas sedimentares. O petróleo é composto por uma mistura complexa dos elementos hidrogênio e carbono, além de pequenas quantidades de vários outros elementos, como o enxofre, oxigênio, sódio, ferro, nitrogênio, entre outros (geralmente considerados como impurezas). O óleo cru tal como é extraído, contêm hidrocarbonetos, sendo que alguns são muito instáveis e se dividem facilmente em novos compostos com o tempo e outros são extremamente estáveis e resistem fortemente a qualquer decomposição causada pelo calor, pressão ou reação Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 18 química. O processamento do petróleo se dá essencialmente através de uma combinação de operações físicas, térmicas e químicas que separam os componentes nele contidos, este processo é chamado craqueamento (refino) e o principal equipamento deste processo e a torre de destilação fracionada. Figura 12 – Usos na antiguidade De acordo com a predominância dos hidrocarbonetos encontrados no óleo cru, o petróleo é classificado em: 3.1. Parafínicos Quando existe predominância de hidrocarbonetos parafínicos. Isto é um sinónimo para alcanos e a fórmula geral para esse tipo de composto é CnH2n+2. Este tipo de petróleo produz derivados com as seguintes propriedades: Gasolina de baixa octanagem. Querosenede alta qualidade. Óleo diesel com boas características de combustão. Óleos lubrificantes de alto índice de viscosidade, elevada estabilidade química e alto ponto de fluidez. Resíduos de refinação com elevada percentagem de parafina. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 19 Figura 13 – Exemplo de hidrocarbonetos Parafínicos. 3.2. Naftênicos: Quando existe predominância de hidrocarbonetos naftênicos. O petróleo do tipo naftênico produz derivados com as seguintes propriedades: Gasolina de alta octanagem. Óleos lubrificantes de baixo ponto de fluidez, baixo índice de viscosidade e baixo resíduo de carbono. 3.3. Mistos: Quando possuem misturas de hidrocarbonetos parafínicos, naftênicos e aromáticos, com propriedades intermediárias entre eles, de acordo com maior ou menor percentagem de cada um dos componentes. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 20 Figura 14 – Exemplo de hidrocarbonetos naftênicos. 3.4. Aromáticos: Quando existe predominância de hidrocarbonetos aromáticos. Este tipo de petróleo é raro, produzindo solventes de excelente qualidade e gasolina de alta octanagem. Não se utiliza este tipo de petróleo para fabricação de lubrificantes. Figura 15 – Exemplo de hidrocarbonetos aromáticos. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 21 Após a seleção do tipo desejável de óleo cru, os mesmos são refinados, através de processos que permitem a obtenção de óleos básicos de ata qualidade, livres de impurezas e componentes indesejáveis. 4. Lubrificação A mais de mil anos A.C. o homem já utilizava processos de diminuição de atrito, sem conhecer os princípios de lubrificação como hoje. A lubrificação desenvolve uma importante função em qualquer máquina e é difícil deixar de relacionar a ideia de lubrificação ao petróleo, porque substâncias derivadas dele são frequentemente empregadas na formulação de óleos lubrificantes. Descobrir um meio de minimizar o atrito levou a necessidade de lubrificar. Como existem diferentes tipos de atrito, existem diferentes tipos de lubrificantes (óleo lubrificante, graxa, etc.). Como princípio a lubrificação se baseia no fato de que o atrito entre líquidos e sólidos, ou entre gases e sólidos é menor do que o atrito entre sólidos. Então lubrificação consiste na interposição de uma substância fluída entre duas superfícies, evitando-se assim, o contato sólido com sólido, produzindo-se o atrito fluido. Lubrificação significa menor esforço, menor atrito, menor desgaste, enfim, diminuição no consumo de energia. Na lubrificação deseja-se ainda, que as partículas geradas pelo desgaste sejam contidas, que o calor seja dissipado. Assim, um conceito mais completo para lubrificação seria: “A lubrificação pode ser definida como sendo o fenômeno da redução do atrito, do desgaste e da geração de calor entre duas superfícies sólidas, em movimento relativo, com a Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 22 contenção de partículas de desgaste, ou não, pela separação total, ou parcial das superfícies por meio da introdução de uma substância entre as mesmas, chamada de lubrificante”. Figura 16 – Lubrificação sólido lubrificante Mesmo os métodos mais modernos de fabricação não são capazes de produzir uma superfície verdadeiramente lisa ou plana. Ampliando-se uma pequena porção de uma superfície aparentemente lisa, temos a ideia perfeita de uma cadeia de montanhas. Figura 17 – Rugosidade superficial. Se considerarmos duas barras metálicas com superfícies aparentemente lisas em contato uma sobre a outra, tais superfícies estarão em contato nos pontos onde os picos se sobressaem. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 23 Figura 18 – Contato entre os picos de barras sobrepostas. Quanto maior for a carga que une as superfícies, maior será o número de pontos em Contato. Figura 19 – Efeito da carga nos pontos de contato. O movimento relativo entre as barras provocará a geração interna de calor nos pontos de contato. Devido à ação da pressão e da temperatura, estes pontos se soldam. Figura 20 – Micros soldas geradas pelo efeito da pressão e do calor interno. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 24 Para que o movimento continue, é necessário fazer uma força maior, capaz de romper estas pequeníssimas soldas. Com o rompimento das micro soldas surge o desgaste metálico, pois algumas partículas de metal são arrastadas das superfícies das peças. Figura 21 – Rompimento das micros soldas. Quando os pontos de contato formam soldas mais profundas, pode ocorrer a grimpagem ou ruptura das peças. Figura 22 – Rompimento das peças (grimpagem). Como foi relatado anteriormente, uma vez que o atrito vem do contato entre as superfícies, para reduzi-lo devemos mantê-las separadas, intercalando-se entre elas uma camada de lubrificante. Portanto, lubrificante é qualquer material que interposto entre duas superfícies é capaz de reduzir o atrito entre elas, sem com isto provocar qualquer ataque químico. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 25 Figura 23 – Camada lubrificante genérica. 4.1. Funções dos lubrificantes De fato, atualmente a lubrificação adquiriu funções mais abrangentes, do que a de simplesmente diminuir o atrito entre superfícies em contato. Algumas das principais funções dos lubrificantes, em suas diversas aplicações, são descritas a seguir: Controle do atrito: transformando o atrito sólido em atrito fluido, evitando assim a perda de energia; Controle do desgaste: reduzindo ao mínimo o contato entre as superfícies e, portanto, o arranchamento de material; Controle da temperatura: permitindo a refrigeração das superfícies em contato, por meio da extração do calor gerado pelo contato e movimentação dessas superfícies (motores, operações de corte etc.); Controle da corrosão: Protegendo os materiais lubrificados da ação de substâncias corrosivas e ou da formação de células galvânicas; Transmissão de força: É utilizado como meio fluido para transmissão de pressão entre pontos, com perda mínima (sistemas hidráulicos); Amortecimento de choques: transferindo energia mecânica para o fluido (como nos amortecedores dos automóveis; Remoção de contaminastes: evitando a formação de borras, lacas e vernizes. Pode apresentar ação detergente mantendo partículas abrasivas finamente dispersas em Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 26 suspensão, evitando que elas se fixem em pontos dos equipamentos; Vedação: impedindo a saída de lubrificantes e a entrada de partículas estranhas (função das graxas), e impedindo a entrada de outros fluidos ou gases (função dos óleos nos cilindros de motores ou compressores). 4.2. Falta de lubrificação Obviamente que se os lubrificantes podem exercer tantas funções nos componentes de máquinas, a falta de lubrificação poderá provocar vários inconvenientes, como: Aumento do atrito; Aumento do desgaste; Aquecimento; Dilatação das peças; Desalinhamento; Ruídos; Grimpagem Ruptura das peças. Certamente o conjunto destas consequências provocarão falhas nos diversos processos. 4.3. Película lubrificante Dissemos que para evitar os efeitos provocados por duas superfícies sólidas em contato, deveríamos intercala-las por uma camada de lubrificante. Assim sendo, o efeito de atrito fluido que desejamos somente irá ocorrer enquantoexistir uma película de lubrificante separando as superfícies sólidas. Para que haja formação da película lubrificante, é necessário que o fluído lubrificante apresente adesividade, para aderir às superfícies e ser arrastada por elas, durante o movimento, e coesividade para que não haja rompimento da Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 27 película. A propriedade que reúne a adesividade e a coesividade de um fluido é denominada oleosidade. Figura 24 – Propriedade oleosidade. 4.4. Classificação da Lubrificação A lubrificação pode ser classificada, de acordo com a película lubrificante que é formada entre as peças em contato: Regime de lubrificação total ou fluida; Regime de lubrificação limite; E regime de lubrificação mista; (E regime de lubrificação marginal). No regime de lubrificação total ou fluida a película lubrificante separa totalmente as superfícies, não havendo mais contato metálico entre elas, isto é, a película possui espessura superior à soma das alturas das rugosidades das superfícies. Desta maneira, os valores do atrito resultantes serão baixos e os valores de desgaste insignificantes. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 28 Figura 25 – Lubrificação Total. A lubrificação total é chamada também, de lubrificação hidrodinâmica pois é caracterizada pelo fato de que o único atrito existente é do fluido, ou seja, o óleo separa completamente as superfícies sólidas. Na prática, não se consegue uma lubrificação totalmente hidrodinâmica. A espessura da película lubrificante varia com a pressão, a velocidade e a carga aplicada ao sistema. Desta forma, quanto maior a pressão e quanto maior a carga, maior será a viscosidade requerida do óleo a ser utilizado (pode-se desconsiderar a variação da viscosidade com a pressão para pressões inferiores a 300 kgf/cm2). Já quanto maior a velocidade, menor será a viscosidade requerida pelo óleo a ser utilizado. No regime de lubrificação limite a película é mais fina que na lubrificação total e permite o contato entre as superfícies em alguns pontos, isto é, a película possui espessura igual à soma das alturas das rugosidades das superfícies. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 29 Figura 26 – Lubrificação Limite. Nos casos em que cargas elevadas devem ser suportadas pela camada lubrificante. Ou em que são empregadas baixas velocidades de deslocamento relativo, ou ainda, quando a operação for intermitente, impedindo deste modo a formação de uma película protetora fluida é conveniente empregar um lubrificante com aditivos para aumentar a oleosidade, ou empregar aditivos antidesgaste. Em condições muito severas, onde estes aditivos não forem eficientes, deve-se empregar aditivos para operação em extrema pressão. O regime de Lubrificação marginal é a forma mais extrema de lubrificação. Isto acontece quando a espessura do filme de fluido lubrificante entre as superfícies deslizantes é menor que a rugosidade combinada das duas superfícies. Neste caso existe contato entre as superfícies e a força de sustentação da carga é suportada pelo contato entre as asperezas lubrificadas, não existe pressão hidrodinâmica, mas sim pressão devido ao contato entre as asperezas mencionadas. Neste regime o comportamento da junta lubrificada não é completamente governado pela equação de Reynolds e aplica-se Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 30 os conceitos de contato mecânico às interações entre as asperezas. Este tipo de regime de lubrificação acontece devido a dois motivos: Carga excessiva ou uma baixa velocidade relativa entre as superfícies. Geralmente causa danos às superfícies e falha prematura da peça em questão. No regime de lubrificação mista (elasto-hidrodinâmica), podem ocorrer dois dos casos anteriores. Por exemplo, na partida das máquinas os componentes em movimento estão apoiados sobre as partes fixas, havendo uma película com espessura insuficiente para inibir o contato entre as partes, neste caso o contato entre as superfícies sugere a lubrificação limite. Quando o componente móvel ganha velocidade é produzida uma pressão hidrodinâmica, que separa totalmente as superfícies, não havendo contato entre elas o novo tipo de lubrificação passa a lubrificação total. Figura 27 – Lubrificação Mista. A figura 28 apresenta o diagrama de Stribbeck, que correlaciona o coeficiente de atrito com as condições de lubrificação, onde: Z – Velocidade relativa; Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 31 N – Viscosidade do lubrificante; P – Carga aplicada por unidade de área. Figura 28 – Diagrama de Stribbeck. 5. Lubrificantes Conforme foi apresentado no item 3, o petróleo oferece vários derivados, que podemos classificar de modo genérico segundo o número de carbono que possuem. Dentre os subprodutos obtidos algumas refinarias tratam um conjunto deles, que denominamos óleos básicos. Os óleos básicos são a matéria- prima principal para a produção dos diversos tipos de lubrificantes. O tratamento dos óleos básicos está em constante evolução, com o objetivo de melhorar suas propriedades e diferenciá-los mesmos comercialmente. O óleo lubrificante pode ser formulado somente com óleos básicos (óleo mineral puro) ou agregados e aditivos. Inicialmente a lubrificação era feita com óleo mineral puro até a descoberta dos aditivos. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 32 Figura 29 – Derivados do petróleo segundo o número de carbonos. Figura 30 – Tipos de óleos básicos. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 33 A figura 31 apresenta esquematicamente o caminho de produção dos óleos básicos minerais e sintéticos. Figura 31 – Produção dos óleos básicos. Para permitir que os diferentes grupos de básicos possam ser comparáveis comercialmente e substituíveis no processo de produção de lubrificantes, os óleos básicos foram classificados em grupos que levam em consideração as propriedades abaixo: • Índice de viscosidade (I.V.) • Percentual de saturados • Teor de enxofre Algumas das especificações mais modernas de óleos de motor e de transmissão têm limites tão severos que o uso de óleos básicos de maior qualidade passa a ser obrigatório. Os básicos de melhor qualidade também possuem melhores características de Ponto de fluidez, Resistência à oxidação e Volatilidade. Segundo o parecer da Corte de Apelação Americana de 1999 (National Appeals Division - NAD), os óleos do grupo Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 34 III podem ser chamados de sintéticos. Isto é válido para todo o mundo, exceto Alemanha. Figura 32 – Classificação de Óleos Básicos por grupo. Voltando um passo atrás, devemos saber que os lubrificantes não são em sua totalidade derivados de petróleo, como não são todos líquidos. 5.1. Classificação Os lubrificantes podem ser classificados, de acordo com seu estado físico, em líquidos, pastosos, sólidos e gasosos. 5.1.1. Lubrificantes Líquidos Os lubrificantes líquidos são os mais empregados na lubrificação. Eles podem ser subdivididos em: Óleos minerais puros; Óleos graxos; Óleos compostos; Óleos aditivados; Óleos sintéticos; Óleos semissintéticos. Os óleos minerais puros são provenientes da destilação e refino do petróleo e como mencionado anteriormente, estes hidrocarbonetos constituintes do óleo mineral podem ser predominantemente parafínicos, naftênicos ou mistos. Fundamentosda Lubrificação e Desgaste 35 Os óleos graxos são óleos orgânicos, extraídos de gorduras animais ou de óleos vegetais. Eles apresentam grande capacidade de aderência a superfícies metálicas, comportando- se como excelente lubrificante, mas possuem pequena resistência à oxidação. Foram os primeiros lubrificantes a serem utilizados, sendo mais tarde substituídos pelos óleos minerais. Seu uso nas máquinas modernas é raro, devido à sua instabilidade química, principalmente em altas temperaturas, o que provoca a formação de ácidos e vernizes. Atualmente, estão quase que totalmente substituídos por lubrificantes sintetizados a partir de óleos vegetais, que são biodegradáveis, com reduzidas taxas de hidrólise e acidez e consequente taxa de corrosão baixa pelo uso. Os lubrificantes sintetizados a partir de óleos vegetais representam os novos conceitos de lubrificação. Os óleos compostos são constituídos de misturas de óleos minerais e graxos. A percentagem de óleo graxo é pequena, variando de acordo com a finalidade do óleo. Os óleos graxos conferem aos óleos minerais propriedades de emulsibilidade, oleosidade e capacidade de trabalho sob extrema pressão. Os principais óleos graxos são: Óleos animais: o De sebo bovino (tallow oil); o De mocotó (neat’s foot oil); o De baleia (sperm oil); o De banha de porco (lard oil); o De lanolina (degras oil); Óleos vegetais: o De mamona (castor oil); o De colza / Canola(rape seed oil); o De palma (palm oil); o Oliva (olive oil). Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 36 Os óleos aditivados são óleos minerais puros, aos quais foram adicionadas substâncias comumente chamadas de aditivos, com o fim de reforçar ou acrescentar determinadas propriedades. Figura 33 – Composição dos óleos aditivados. Os óleos sintéticos são provenientes da indústria petroquímica. São os melhores lubrificantes, mas são também os de custo mais elevado. Devido ao seu custo, seu uso é limitado aos locais onde os óleos convencionais não podem ser utilizados. Os fluidos sintéticos são lubrificantes obtidos a partir de síntese química. Os principais fluidos sintéticos em uso atualmente são os ésteres de ácidos dibásicos, ésteres de organofosfatos, ésteres de silicatos, silicones e compostos de ésteres de poliglicóis. Em alguns casos são utilizados óleos sintéticos e óleos minerais misturados a que chamamos de óleos semissintéticos. (a) Ésteres de Ácidos Dibásicos. Vantagens - Superiores aos óleos de petróleo na relação viscosidade- temperatura; - Menos voláteis que os óleos minerais; - Alto poder lubrificante; - Boa estabilidade térmica; - Boa resistência à oxidação; - Não são corrosivos para metais. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 37 Desvantagens - Acentuado efeito solvente sobre borrachas, vernizes e plásticos. Utilização - Motores a jato; - Óleos hidráulicos especiais; - Óleos para instrumentos delicados. (b) Ésteres de Organofosfatos. Vantagens - Alto poder lubrificante; - Não são inflamáveis como os óleos minerais; - Baixa volatilidade; - Relação viscosidade-temperatura melhor que os óleos minerais; - Boa resistência à oxidação; - Estabilidade térmica satisfatória até 150°C. Desvantagens - Tem tendência a hidrolisar, podendo formar ácidos fosfóricos corrosivos. Utilização - Fluidos hidráulicos onde a resistência ao calor é importante; - Lubrificantes de baixa temperatura. (c) Ésteres de Silicatos. Vantagens - Baixa volatilidade; - Boa relação viscosidade-temperatura. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 38 Desvantagens - Estabilidade térmica e hidrolítica deixam a desejar; - Formam depósitos abrasivos a temperaturas superiores a 200°C; - Na presença de água, os silicatos se decompõem formando um gel e sílica abrasiva. Utilização - Fluidos de transferência de calor; - Fluidos hidráulicos de alta temperatura; - Constituintes de graxas especiais de baixa volatilidade. (d) Silicone O nome de silicone é empregado para designar fluidos que são polímeros de metil-siloxano, ou de fenil-siloxano ou de metil-fenil-siloxano. Vantagens - Aumento do teor de fenil, aumenta a estabilidade ao calor; - A relação viscosidade-temperatura é superior a de todos os sintéticos; - Baixa volatilidade; - Boa estabilidade térmica e hidrolítica; - Lubrificante similar aos dos óleos minerais para cargas moderadas e médias. Desvantagens - Aumento do teor de fenil, diminui o Índice de Viscosidade, embora permanecendo sempre acima do nível dos óleos de petróleo; - Varia muito em função dos tipos de metais, para cargas pesadas; - Custo muito elevado; - Oxidação em elevadas temperaturas, provoca a formação de gel. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 39 Utilização - Bom desempenho em munhões de aço contra mancais de zinco, bronze, nylon, cromo e cádmio. (e) Compostos de Ésteres de Poliglicol. Vantagens - Excelente relação viscosidade-temperatura; - Superam os óleos minerais em baixa volatilidade, estabilidade térmica, resistência à inflamação e poder lubrificante; - Podem ser melhorados por aditivos antioxidantes; - Produtos da oxidação, não formam borra. Desvantagens - Baixa resistência à oxidação; - Existem compostos em diferentes viscosidades, solúveis ou não em água. Utilização - Diversas aplicações; - Fluidos hidráulicos especiais. Outros líquidos são às vezes empregados como lubrificantes, dado a impossibilidade de se utilizarem quaisquer dos tipos mencionados. A água, algumas vezes empregada, possui propriedades lubrificantes reduzidas, além de ter ação corrosiva sobre os metais. A figura 34 apresenta um quadro de comparação entre óleos parafínicos e naftênicos. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 40 Figura 34 – Comparação dos óleos parafínicos e naftênicos. Quanto aos óleos sintéticos, de modo genérico apresentam algumas Características / vantagens: Maior IV (Índice de Viscosidade); Maior resistência à oxidação; Menor volatilidade e alto ponto de fulgor; Menor ponto de mínima fluidez; Quimicamente estáveis por muito tempo (inercia química); Sofrem menos degradação a temperaturas elevadas; Boa capacidade de suportar cargas; Baixa Toxidez. Como pode ser concluído pela apresentação até este momento, a utilização de óleos minerais e óleos sintéticos competem em sua aplicação, segundo o custo de cada uma e a Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 41 necessidade da operação. A figura 35 apresenta uma comparação entre estes óleos segundo a faixa de temperatura. Figura 35 – Comparação entre a temperatura de trabalho de fluidos sintéticos e óleos minerais. Ainda em relação aos fluidos sintéticos, a figura abaixo apresenta uma correlação entre as características principais de cada fluido e sua aplicação. Figura 36 – Aplicação dos fluidos sintéticos. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 42 5.1.2. Lubrificantes Pastosos Graxas são lubrificantes pastosos, feitos de uma mistura de óleo mineral ou sintético, espessantes e aditivos. A grande vantagem das graxas em relação aos óleos é o não escorrimento do lugar onde foram colocadas. Possuem ainda uma função adicional, ao vedar contra o ingresso de impurezas ou água. Contrapõe-se a essas vantagens a sua menor capacidade de resfriamento em relaçãoaos óleos. O fato de permanecerem no lugar aplicado, sem escorrer, contribui também para o barateamento considerável da máquina ou elemento de máquina lubrificado. Dispensam-se selos e vedações dispendiosas. Por este motivo a grande maioria dos mancais de rolamento é lubrificada com graxa, excluindo-se em geral aqueles que fazem parte de mecanismos que, por outras razões, necessitam de resfriamento mais vigoroso do que o proporcionado pelas graxas. As graxas têm como função reduzir o atrito, o desgaste, o aquecimento e ainda a função adicional de proteger contra a corrosão. Pela exclusão de impurezas e líquidos, o uso da graxa aumenta a vida útil dos mancais. Temperaturas altas ou baixas, cargas elevadas e altas velocidades não constituem mais limitações à utilização das graxas. Tipos especiais atendem isoladamente ou em conjunto a essas exigências. As graxas são em geral empregadas nos pontos onde os óleos não são eficazes e quando for conveniente formar um selo protetor. Elas amolecem em serviço, mas se recuperam quando deixadas em repouso. O consumo de graxa representa apenas de 5 a 10% do gasto dos óleos lubrificantes. Os seus espessantes não diferem dos sabões de lavar roupa, obtidos pela reação química entre ácidos graxos (sebo) e um produto alcalino tipo: cal virgem (sabão de cálcio), soda cáustica (sabão de sódio) ou hidróxido de lítio (sabão de lítio). Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 43 Basicamente o equipamento para manufaturar graxa consiste de: Autoclave, com aquecimento por circulação de óleo, onde é fabricado o sabão; tacho aberto, com agitadores mecânicos, onde se mistura o sabão com óleo; homogeneizador, em geral do tipo moinho ou o mais eficiente anel de impacto, onde é homogeneizado o produto final. Acessórios: filtros moedores e o desaerador (torre de vácuo). Composição das Graxas: a) Espessante 90%, são sabões metálicos. 5%, é argila modificada (bentonita). 5%, aerogel de sílica, tintas, pigmentos, negro-de- fumo, fibras, gomas, resinas, sais orgânicos e inorgânicos. b) Fluidos Lubrificantes 70%, são óleos minerais lubrificantes de viscosidade superior a 100 SUS4 a 100°F, podendo ser maior que 125 SUS a 210°F. 10%, são óleos minerais leves, como "spindle oil", "signal oil", "transformer oil", e querosene, diesel e “gasoil”. 10%, são constituintes fluidos, de asfalto, petrolatos ou ceras minerais. 10%, são constituídos por óleos sintéticos, como: - 20%, óleos de silicone. - 30%, ésteres de ácidos dibásicos. - 50%, polialquileno glicol, éster de fosfato, fluorocarbono, difenil, difenil clorado, silicone clorado e éter polialquifenil. As graxas podem ser subdivididas em: Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 44 Graxas de sabão metálico; Graxas sintéticas; Graxas a base de argila; Graxas betuminosas; Graxas para processo. As graxas de sabão metálico são as mais comumente utilizadas. São constituídas de óleos minerais puros e sabões metálicos (espessantes), que são a derivados de um óleo graxo e de uma substância básica de algum metal, (cálcio, sódio, lítio, etc.). Como os óleos, estas graxas podem ser aditivadas para se alcançarem determinadas características. Graxas de Cálcio: são usadas em processo de lubrificação que requerem resistência à água, mas não suportam altas temperaturas (maiores que 70º C). Graxas de Lítio: possuem boa resistência à água e ao calor, podendo ser utilizadas até 150º C. Graxas de Sódio: resistem bem ao calor até 120º C, porém não resistem à umidade. As graxas sintéticas são as mais modernas. Tanto os óleos minerais, como o sabão, podem ser substituídos por óleos e sabões sintéticos. Como os óleos sintéticos, devido ao seu elevado custo, estas graxas têm sua aplicação limitada aos locais onde os tipos convencionais não podem ser utilizados. As graxas a base de argila são constituídas de óleos minerais puros e argilas especiais de granulação finíssima (espessantes). As argilas modificadas (bentonita tratada) ou sílica gel são os espessantes empregados normalmente. As graxas bentoníticas possuem excelente resistência à água, ótima proteção ao desgaste e uma boa resistência ao calor. As graxas de sílica gel possuem boas características antidesgaste e resistência a altas temperaturas de até 250º C, porém não resistem à água. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 45 As graxas betuminosas, formuladas à base de asfalto e óleos minerais puros, são lubrificantes de grande adesividade. Algumas, devido à sua alta viscosidade, devem ser aquecidas para serem aplicadas. Outras, são diluídas em solventes que se evaporam após sua aplicação. As graxas para processo são graxas especiais, fabricadas para atenderem a processos industriais como a estampagem, a moldagem etc. Algumas contêm materiais sólidos como aditivos. 5.1.3. Lubrificantes Sólidos Os lubrificantes sólidos são usados geralmente como aditivos de lubrificantes líquidos ou pastosos. Algumas vezes, são aplicados em suspensão, em líquidos que se evaporam após a sua aplicação. Os lubrificantes sólidos geralmente apresentam grande resistência a elevadas pressões e temperaturas. Os exemplos mais comuns são: A grafite; O molibdênio; O talco; PTFE – Politetrafluoretileno3; A mica. 3(PTFE) é um polímero conhecido mundialmente pelo nome comercial teflon, marca registrada de propriedade da empresa DuPont. 5.1.4. Lubrificantes gasosos Os lubrificantes gasosos são empregados em casos especiais, quando não é possível a aplicação dos tipos convencionais. São normalmente usados o ar, o nitrogênio, gases nobres2 e os gases halogenados1. 1 Halogênios: flúor, cloro, bromo, iodo, astato e Ununséptio. 2 Gases Nobres: hélio (He), neônio (Ne), argônio (Ar), criptônio (Kr), xenônio (Xe) e radônio (Rb). Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 46 Sua aplicação é restrita, devido à vedação exigida e às elevadas pressões necessárias para mantê-los entre as superfícies. 5.2. Características Como foi anteriormente mencionado, no passado os óleos básicos foram utilizados como lubrificantes puros, ou seja, sem aditivos ou tratamentos. A capacidade de oxidação e formação de depósitos de um óleo lubrificante estão relacionados com a composição do óleo básico. As propriedades dos óleos básicos podem ser melhoradas através da aplicação de aditivos. Estes produtos químicos são utilizados para proporcionar, ou reforçar características físico-químicas desejáveis no óleo básico e eliminar ou diminuir alguns efeitos indesejáveis na lubrificação. A adição de aditivos aos óleos básicos deve-se ao avanço tecnológico dos equipamentos que passaram a requerer uma evolução também na lubrificação. As novas exigências fizeram com que as propriedades do óleo mineral puro fossem insuficientes para lubrificar as máquinas mais sofisticadas. Para alcançar as propriedades desejadas aos lubrificantes os aditivos podem ser aplicados individualmente ou em conjunto ao óleo básico. A elaboração dos óleos lubrificantes faz-se através da mistura adequada de diferentes óleos básicos acabados, obtidos após os processos de refinação. A formulação de um óleo lubrificante é um trabalho complexo, em que o técnico deve estudar a compatibilidade entre os diversos tipos de óleos minerais puros (chamados óleos básicos), entre os diversos tipos de aditivos e entre os óleos minerais puros e os aditivos, de acordo com sua finalidade. Estas misturas, feitas em proporções exatas paraobtenção de propriedades determinadas, são completadas com outros tratamentos e aditivos, a fim de Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 47 dotar o produto final com as características especiais, que permitirão aos óleos satisfazerem todas as exigências nos casos para que são recomendados. As propriedades desejadas aos óleos lubrificantes são avaliadas por características medidas que buscam avaliar seu comportamento durante a utilização, ou características que nos permitem associá-las a um possível fenômeno observável quando em utilização. Para tal, realizam-se análises físico-químicas, que permitem fazer uma pré-avaliação do desempenho do óleo. Algumas destas análises não refletem as condições encontradas na prática, mas são métodos empíricos que fornecem resultados comparativos de grande valia quando associado aos métodos científicos desenvolvidos em laboratórios. As análises são padronizadas e regidas por órgãos normalizadores como a ASTM (American Society for Testing and Materials), ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), IBP (Instituto Brasileiro do Petróleo), API (American Petroleum Institute), dentre outras. Certamente que os lubrificantes não líquidos, também, apresentam misturas e aditivos, como os lubrificantes pastosos principalmente (graxas). Estas propriedades serão destacadas quando for o caso. Figura 37: Produzindo um lubrificante líquido. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 48 Os principais ensaios realizados nos lubrificantes estão apresentados como segue: Densidade; Viscosidade; Índice de viscosidade; Ponto de fulgor (ou de lampejo) e ponto de inflamação (ou de combustão); Pontos de fluidez e névoa; Água por destilação; Água e sedimentos; Demulsibilidade; Extrema pressão; Diluição; Cor; Cinzas oxidadas; Cinzas sulfatadas; Corrosão em lâmina de cobre; Consistência de graxas lubrificantes; Ponto de gota. 5.2.1. Densidade A maior parte dos produtos líquidos do petróleo são manipulados e vendidos com base no volume, porém, em alguns casos, é necessário conhecer o peso do produto. O petróleo e seus derivados expandem-se quando aquecidos. Por esta razão, a densidade é medida a uma temperatura padrão ou, então, convertida para esta temperatura por meio de tabelas. A densidade é um número que define o peso de um certo volume de uma substância quando submetida a uma determinada temperatura. A densidade relativa de uma substância é a relação entre o peso do volume dessa substância, medido a uma determinada temperatura e o peso de igual volume de outra substância padrão Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 49 (água destilada), medido na mesma temperatura (sistema inglês: 60ºF / 60ºF) ou em outra temperatura (sistema métrico: 20ºC / 20ºC). No Brasil, a temperatura normal de referência dos produtos de petróleo é 20ºC, podendo em alguns casos ser expressa a 15ºC ou 25ºC. Conhecendo a densidade de cada produto, é possível diferenciar imediatamente quais os produtos de maior ou menor peso. O densímetro graduado com escala normal e com escala API são alguns dos aparelhos usados para se medir a densidade. Figura 38: Conceituando densidade – Densímetro manual. A escala API é uma forma de classificação de derivados do petróleo criada pelo American Petroleum Institute, também, referida como grau API (ºAPI). Esta medida apresenta a densidade do derivado de petróleo em relação a densidade da água e em uma escala própria. A densidade da água em ºAPI teria o valor 10. Assim, calculamos a densidade API para outros produtos da seguinte forma: Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 50 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝐴𝑃𝐼 = 141,5 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑎 60℉ − 131,5 Onde: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 = 𝜌𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝜌á𝑔𝑢𝑎 E ρ = densidade em kg/m3. Deste modo, para um óleo cuja densidade é 850 kg/m3, assumindo que a densidade da água é 1000 kg/m3, sua densidade relativa DR vale: 𝐷𝑅 = 850 1000 = 0,850 Logo, a densidade API para este óleo é: 𝜌𝐴𝑃𝐼 = 141,5 0,850 − 131,5 = 34,970588 ≅ 34,97 °𝐴𝑃𝐼 Em referência a densidade API, quanto maior o ºAPI menos denso é o óleo e quanto menor o ºAPI mais denso é o óleo. Em outras palavras o grau API é inversamente proporcional a densidade convencional. Figura 39: Grau API aproximado para alguns produtos conhecidos. Com base na densidade API do petróleo ele pode ser classificado. Esta classificação é importante também, porque Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 51 quanto maior o grau API, maior o valor do produto no mercado. O API é maior quando o petróleo é mais leve, como por exemplo, o petróleo classificado como médio é mais caro que o pesado. Petróleo leve: Possui ºAPI maior que 30, constituído basicamente por alcanos, e uma porcentagem de 15 a 25% de cicloalcanos. Petróleo médio: Grau ºAPI de 22 a 30. Além de alcanos, contém de 25 a 30% de hidrocarbonetos aromáticos. Petróleo pesado: Possui ºAPI menor que 22 e é composto só de hidrocarbonetos aromáticos. Petróleo extrapesado: Possui ºAPI menor que 10, é constituído de hidrocarbonetos de cadeia longa (superior ao pentano). 5.2.2. Viscosidade A viscosidade é a resistência ao movimento (fluxo) que um fluido (ou gás) apresenta a uma determinada temperatura. A viscosidade é uma das propriedades mais importantes a serem consideradas na seleção de um lubrificante, pois este deve ser suficientemente viscoso para manter uma película protetora entre as peças em movimento relativo, e também não ser tão viscoso que ofereça resistência excessiva ao movimento entre as peças. A viscosidade está relacionada com o atrito entre as moléculas do fluido, podendo ser definida como a resistência ao escoamento que os fluidos apresentam sob influência da gravidade (viscosidade cinemática). Viscosidade absoluta, ou viscosidade dinâmica é o produto da viscosidade cinemática pela densidade. Métodos antigos de medição de viscosidade baseiam-se em medir o tempo de escoamento de certa quantidade de fluido por um orifício calibrado e sob temperatura controlada. Os métodos mais conhecidos são Saybolt - SSU (Saybolt Segundo Universal), Engler e Redwood. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 52 Figura 40: Resistência ao escoamento. Recentemente, com a adoção dos novos padrões da International Standart Organization (ISO), vem sendo adotado o sistema métrico de viscosidade. Este é baseado na determinação da viscosidade cinemática em centistokes, nas temperaturas de referência de 40º C (104º F) e 100º C (212º F). Neste método, é medido o tempo que um volume de líquido gasta para fluir (sob ação da gravidade) entre dois pontos de um tubo de vidro capilar calibrado. A unidade de viscosidade cinemática é expressa em centistokes (cSt) ou em mm2/s (1 Stoke = 1 mm² /segundo), conforme o sistema métrico internacional. Figura 41: Aparelho manual de medir viscosidade cinemática. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 53 O ar e outros gases, oferece considerável resistência ao movimento, especialmente quando há grandes velocidades. Esse fato é familiar a qualquer pessoa que tenha andado de bicicleta contra o vento, ou posto a mão fora da janela de um automóvel conduzido a grande velocidade. Essa resistência ao movimento é que dá lugar à sustentação dos aviões em voo, ao ricochete deuma pedra lisa quando se choca com a superfície líquida e à sustentação de um eixo em movimento no mancal. Na prática, é muito comum confundir a viscosidade com oleosidade. Várias vezes, vimos lubrificadores, em postos de serviço, prender entre os dedos uma pequena quantidade de lubrificante e, depois de afastá-los dizer: “Este óleo não tem viscosidade”. O certo seria dizer que “o óleo perdeu a oleosidade”. A oleosidade é a propriedade que um lubrificante possui de aderir às superfícies (adesividade) e permanecer coeso (coesividade). Como exemplo, citaremos a água, que não possui adesividade nem coesividade. Colocando uma gota de água sobre uma superfície plana e dando um golpe sobre esta gota, verificaremos que a mesma se divide em várias pequenas gotas, pois não possui coesividade. Verificamos, ainda, que a adesão da água ao dedo e à superfície é praticamente nula. O mesmo não acontece se, em vez de uma gota de água, for usado o óleo lubrificante. Figura 42: Oleosidade. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 54 Sobre os métodos de medir viscosidade mencionados consideremos o que segue. A viscosidade é determinada em aparelhos chamados viscosímetros. São os seguintes os viscosímetros mais comumente usados para medir viscosidade de óleo lubrificantes: - Saybolt (Estados Unidos); - Redwood (Inglaterra); - Engler (Alemanha; - Cinemático (Uso Universal). Os Viscosímetros Saybolt, Redwood e Engler têm uma construção semelhante. Todos eles são compostos basicamente por um tubo de seção cilíndrica, com um estreitamento na parte inferior. Uma determinada quantidade de fluido é contida no tubo que, por sua vez, fica mergulhada em banho de água ou óleo de temperatura controlada por termostato. Uma vez atingida e mantida a temperatura escolhida, deixa-se escoar o líquido através de orifício inferior, ao mesmo tempo que se começa a contagem de tempo. Recolhe-se o fluido em frasco graduado e, no momento em que o nível atingir o traço de referência do gargalo (menisco), faz-se parar o cronômetro. Viscosidade Saybolt: No método Saybolt, a passagem de óleo de um recipiente no aparelho é feita através de um orifício calibrado, para um frasco de 60 ml, verificando- se o tempo decorrido para seu enchimento até o traço de referência. Como a viscosidade varia com a temperatura, isto é, quanto mais aquecido estiver o óleo, menor será a sua viscosidade, seu valor deve vir acompanhado da temperatura em que foi determinada. Assim sendo, este método utiliza as temperaturas padrões de 100°F (37,8°C) e 210°F (98,9°C). Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 55 Figura 43: Viscosímetro Saybolt. O viscosímetro Saybolt possui dois tipos de tubos: universal e furol. A diferença entre os dois está no diâmetro do tubo capilar que regula o escoamento do fluido, sendo que o tubo furol permite um escoamento em tempo aproximadamente dez vezes menor do que o tubo universal. A leitura de tempo do cronômetro dará diretamente a indicação da viscosidade Saybolt do fluido, em Segundos Saybolt Universal (SSU), ou Segundos Saybolt Furol (SSF), conforme o tubo utilizado. Normalmente, o Saybolt universal é empregado para óleos com 32 até 1.000 SSU; acima de 1.000 SSU, deve-se empregar o tubo furol. Figura 44: Viscosidade x temperatura. Figura 45: Viscosímetro SSU e SSF. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 56 Para converter SSF em SSU é empregada a seguinte fórmula: SSU ≅ 10.SSF, pois o valor numérico da viscosidade em SSU é aproximadamente igual a dez vezes o valor numérico da viscosidade em SSF. Viscosidade Redwood: O viscosímetro Redwood é semelhante ao Saybolt. As temperaturas usuais de determinação são: 70, 77, 86, 100, 140, e 200°F. Como no Saybolt, este método possui dois tubos padrões: o n.º 1, universal, e n.º 2, admiralty, sendo o valor numérico em SR1 aproximadamente igual a dez vezes o valor numérico em SR2. A leitura do cronômetro dará a viscosidade Redwood em Segundos Redwood n.º 2 (SR2). Figura 46: Viscosímetro Redwood. Viscosidade Engler: O viscosímetro Engler é também semelhante ao Saybolt. Este método utiliza as seguintes temperaturas padrões: 20°C, 50°C e 100°C. O resultado do teste é referido em grau Engler (°E) que, por definição, é a relação entre o tempo de escoamento de 200 ml de óleo, a 20°C (ou 50°C ou 100ºC) e o tempo de escoamento de 200 ml de água destilada a 20ºC. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 57 °𝐸 = tempo de escoamento de 200ml de óleo a 20ºC (ou 50ºC ou 100ºC) tempo de escoamento de 200ml de água destilada a 20ºC Figura 47: Viscosímetro Engler. Viscosidade Cinemática: No método cinemático, um tubo capilar é abastecido até um determinado nível. Por sucção, o óleo é levado até uma marca em um dos lados do tubo. Parando-se a sucção, o óleo tende a voltar para a posição inicial, passando por uma segunda marca de referência. É anotado o tempo em segundos, que o óleo leva para passar pelos dois traços de referência, veja a figura 46. Para cada faixa de viscosidade dos óleos é utilizado um tubo capilar com determinado diâmetro e para cada tubo é determinado um fator de correção “C”, do tubo, para o cálculo da viscosidade em centistokes (cSt): Viscosidade em cSt = C x t Sendo t, o tempo de escoamento, em segundos, determinado no viscosímetro cinemático. O viscosímetro cinemático apresenta maior precisão em relação aos viscosímetros Saybolt, Redwood e Engler. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 58 Figura 48: Viscosímetro cinemático. A viscosidade dinâmica ou absoluta tem como unidade no SI Pascal vezes segundo (Pa.s = 1N.s/m2). No sistema CGS a unidade de viscosidade dinâmica é o poise (P), comumente é utilizado o submúltiplo centipoise (cP). 1 poise = 100 cP = 1g/(cm.s) = 0,1 Pa.s. Importância da Viscosidade: A viscosidade é indubitavelmente a propriedade física principal de um óleo lubrificante e, portanto, um dos principais fatores na seleção de um óleo lubrificante. A escolha do óleo lubrificante é influenciada por diversas condições, sendo as mais comuns as seguintes: Velocidade − maior a velocidade, menor deve ser a viscosidade, pois a formação da película lubrificante torna-se mais fácil. Os óleos de maior viscosidade possuem maiores coeficientes de atrito interno, aumentando a perda de potência, isto é, a quantidade de força motriz absorvida pelo atrito interno do fluído. Pressão − quanto maior for a carga, maior deverá ser a viscosidade para suportá-la e evitar o rompimento da película lubrificante. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 59 Figura 49: A película lubrificante deve ser mantida integra. Temperatura − como a viscosidade diminui com o aumento da temperatura, para manter uma película lubrificante, quanto maior for a temperatura, maior deverá ser a viscosidade. Folgas − quanto menores forem as folgas, menor deverá ser a viscosidade para que o óleo possa penetrar nelas. Acabamento − quanto melhor o grau de acabamento das peças em movimento, menor poderá ser a viscosidade. Podemos, assim, verificar que existem condições inversas, isto é, umas que exigem uma baixa viscosidade e outras, alta viscosidade, e que podem ocorrer ao mesmo tempo. Isto torna a determinação da viscosidade um estudo complexo, que deverá ser realizado pelos projetistas de máquinas e motores. Modificar a viscosidade do lubrificante, tal qual foi recomendada pelos fabricantes das máquinas,poderá melhorar algum fator (por exemplo, o consumo de óleo), entretanto, poderá prejudicar a máquina em diversos outros aspectos e ocasionar sua quebra. A análise dos óleos usados, permite associar ocorrências no uso dos equipamentos que têm reflexo no lubrificante. Com respeito a viscosidade podemos exemplificar: Redução da viscosidade - Ocasionada por contaminação por combustível ou outros produtos menos viscosos. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 60 Aumento da viscosidade - Poderá indicar a oxidação do óleo, presença de água, de sólidos em suspensão ou contaminação com outro óleo mais viscoso. 5.2.3. Índice de Viscosidade O Índice de Viscosidade (IV) é um número empírico, adimensional que indica a taxa de variação da viscosidade de um óleo, quando se varia a temperatura a que ele é submetido. Um alto IV indica que esta taxa de variação é pequena, significando que sua viscosidade é mais estável às variações térmicas. Estas variações podem ser muito diferentes, em função do tipo de óleo lubrificante. Inicialmente, a medida foi estabelecida com base na comparação das médias obtidas das variações de dois tipos muito distintos de óleos, que foram definidos como padrões limites superior e inferior. Ao óleo que mostrou a maior viscosidade quando resfriado e a menor viscosidade quando aquecido, deu-se o valor de classificação zero (óleo aromático). E ao óleo que conservou a maior viscosidade quando aquecido e a menor viscosidade quando resfriado, deu-se a classificação 100 (óleo parafínico). Todos os óleos foram classificados entre 0 e 100. Aquele que mostrasse o maior índice de viscosidade, indicaria que sua variação de viscosidade era relativamente pequena para uma grande variação de temperatura. Atualmente, temos óleos que ultrapassaram os índices de viscosidades iniciais de 0 a 100 e superam o IV de 250. Atualmente existem métodos de determinação do IV com base no conhecimento de duas viscosidades do óleo em temperaturas diferentes. O índice de viscosidade pode ser calculado através de fórmulas, tabelas e gráficos, publicados pela ASTM, que permitem determina-lo com precisão. Apesar do Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 61 índice de viscosidade de um óleo lubrificante ser basicamente proveniente da natureza do petróleo cru que o compõe e dos processos de refinação utilizados, pode-se aumentá-lo através do uso de aditivos para esta finalidade (Modificadores de Viscosidade). Os óleos lubrificantes automotivos geralmente possuem um elevado índice de viscosidade (acima de 100), o que permite uma partida rápida no frio, lubrificação quase imediata nos pontos mais elevados no motor quando da partida, menor consumo de óleo e lubrificação eficiente em altas temperaturas. Figura 52: Apresentação gráfica comparativa da taxa de variação da viscosidade de 5 óleos em função da temperatura. Figura 50: Variação da resistência ao escoamento de um óleo em função da temperatura. Figura 51: Apresentação gráfica da taxa de variação da viscosidade de um óleo em função da temperatura. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 62 O gráfico da figura 52 compara o índice de viscosidade de cinco óleos lubrificantes. Para uma mesma variação de temperatura, a viscosidade dos óleos para motores SAE 20, 30, 40 e 50 variam muito mais do que a viscosidade do óleo SAE 20W/50. O óleo SAE 20W/50 possui um índice de viscosidade maior que os outros óleos do gráfico. A Norma Brasileira NBR 14358 de 2005 é baseada na norma ASTM 2270 e descrevem toda a metodologia para se obter o IV de um produto, através de tabelas padronizadas e formulas que indicam os parâmetros adotados para tal. Existem tabelas padronizadas, também. As informações a seguir são apenas uma contribuição para formação do conceito, pois seu conteúdo não dispensa a utilização das normas de referência. A norma ASTM D2270 – 04, apresenta 2 (dois) procedimentos para calcular o índice de viscosidade. O procedimento “A” é aplicável a produtos de petróleo cujo IV seja até 100, inclusive. O procedimento “B” é aplicado para produtos de petróleo com IV maiores que 100. A norma não se aplica a produtos de petróleo com viscosidade cinemática inferior a 2 cSt, a 100ºC. A Tabela apresentada possui viscosidades entre 2 cSt e 70 cSt, a 100ºC. Em casos diversos a norma orienta para outros procedimentos. Nos casos mais comuns onde a viscosidade cinemática do produto de petróleo a 100ºC está entre 2 cSt e 70 cSt, o Índice de Viscosidade pode ser encontrado utilizando os valores de referência tabelados e a seguinte formula: 𝐼𝑉 = [ (𝐿 − 𝑈) (𝐿 − 𝐻) ] × 100 Onde: L = A viscosidade cinemática a 40ºC de um óleo que possui Índice de Viscosidade = 0 e tem a mesma viscosidade cinemática a 100ºC que o óleo que se deseja calcular o IV, mm2/s (cSt). Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 63 U = A viscosidade cinemática a 40ºC do óleo que se deseja calcular o IV, mm2/s (cSt). H = A viscosidade cinemática a 40ºC de um óleo que possui Índice de Viscosidade = 100 e tem a mesma viscosidade cinemática a 100ºC que o óleo que se deseja calcular o IV, mm2/s (cSt). Caso não se encontre os valores exatos na tabela apresentada, estes devem ser obtidos por interpolação linear. Exemplo: Calcule o Índice de Viscosidade de um óleo cuja viscosidade cinemática medida a 40ºC foi 73,30 mm2/s (cSt), e a viscosidade cinemática a 100ºC obtida para este mesmo óleo foi 8,86 mm2/s (cSt). Figura 53: Tabela parcial dos valores de referência para cálculo do IV. Observe que a viscosidade cinemática de referência a 100ºC é 8,86 cSt e a tabela apresenta os valores para 8,80 cSt e 8,90 cSt, assim sendo, teremos que interpolar os valores para 8,86 cSt. Os valores interpolados são L = 119,94 cSt e H = 69,48 cSt. Vem, 𝐼𝑉 = [ (119,94 − 73,3) 119,94 − 69,48 ] × 100 = 92,43 Para este caso o valor do Índice de viscosidade é 92,43. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 64 5.2.4. Ponto de Fluidez Ponto de fluidez é a menor temperatura, expressa em múltiplos de 3°C, na qual a amostra ainda flui, quando resfriada e observada sob condições determinadas. Esta característica é bastante variável, e depende de diversos fatores como: origem do óleo cru, tipo de óleo e processo de fabricação. Quando resfriamos um subproduto do petróleo suficientemente, este deixa de fluir, mesmo sob a ação da gravidade, devido a cristalização das parafinas ou o aumento da viscosidade (congelamento). O método P-MB-820 para determinação do ponto de fluidez consiste em resfriar uma amostra a um ritmo pré-determinado, observando-se a sua fluidez a cada queda de temperatura de 3ºC até que virtualmente a superfície da amostra permanece imóvel por 5 segundos ao se colocar o tubo de ensaio em posição horizontal, conforme ilustração abaixo. Somando-se 3ºC à temperatura anotada no momento em que a superfície permanece imóvel por 5 segundos, obtemos o ponto de fluidez, P-MB-820. O ponto de fluidez dá uma ideia de quanto determinado óleo lubrificante pode ser resfriado sem perigo de deixar de fluir. Figura 54: Representação esquemática do ensaio de ponto de fluidez. Fundamentos da Lubrificação e Desgaste 65 O ponto de névoa é a temperatura em que, resfriando-se um produto, a cristalização da parafina dá uma aparência turva a este produto. Caso o ponto de fluidez seja atingido antes que seja notado o ponto de névoa, isto significa que o produto possui
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