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Química Aplicada. EMENTA Abordagem dos processos de conservação de energia do âmbito da Química. II. OBJETIVOS GERAIS Dar condições ao futuro engenheiro de interagir com os principais processos envolvidos nas suas atribuições no exercício da engenharia como a Lubrificação, a Corrosão e a Proteção Contra a Corrosão. • II. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Capacitar os estudantes de engenharia para a seleção, formas de uso e aplicação dos lubrificantes. • Alertar os mesmos quanto às causas da corrosão, seus tipos, e as formas de proteção. • • III. CONTEÚDO PROGRAMÁTICO • Lubrificantes industriais. Classificação, origem, composição, principais características dos mais comuns. Critérios de seleção, características e propriedades. • Viscosidade, Índice de viscosidade, Ponto de Gota das graxas. • Noções gerais sobre corrosão eletroquímica e sobre a proteção. TASSINARI C.A. et al. Química tecnológica. Pioneira Learning Thomsom, 2003. Lubrificação e lubrificantes. • LUBRIFICAÇÃO • “Utilização de substâncias especiais entre duas superfícies em contato, com a finalidade de reduzir o atrito entre elas.” Atrito • O atrito é uma designação genérica da resistência que se opõe ao movimento. • Esta resistência é medida por uma força denominada força de atrito. • Um corpo só desliza sobre outro se for vencida a força contrária imposta pela aspereza ou rugosidade das superfícies de contato dos corpos (força de atrito). ESTÁTICO – Enquanto o corpo não se desloca. DINÂMICO – A partir do início do movimento. É menor que o estático já que não atua mais a força de inércia. Proporcional à força normal (N). F = µN µ= constante de proporcionalidade denominada coeficiente de atrito. µestático > µdinâmico Atrito. • Encontramos o atrito em qualquer tipo de movimento entre sólidos, líquidos ou gases. • ATRITO INTERNO (amortecimento da vibração em sólidos). • ATRITO VISCOSO (diminuição da movimentação interna em líquido). • ATRITO SUPERFICIAL (avião em movimento e o ar ao seu redor). • ATRITO SÓLIDO (atrito entre dois corpos rígidos que apresentam um movimento relativo um em relação ao outro, sem que haja elemento algum entre eles). • ATRITO FLUIDO (se houver um fluido entre os corpos). Atrito. • Embora não exista um consenso nas verdadeiras causas do fenômeno atrito, a maioria dos pesquisadores concorda que o atrito provém da coesão de moléculas situadas em uma ou outra superfície que se encontram em contato . Atrito sólido • Exames acurados do contorno de superfícies sólidas, feitas no microscópio eletrônico e por outros métodos de precisão, mostraram que é quase impossível, mesmo com os mais modernos processos de espelhamento, produzir uma superfície verdadeiramente lisa ou plana. Ampliando-se uma pequena porção de uma superfície aparentemente lisa, temos a idéia perfeita de uma cadeia de montanhas. Supondo duas barras de aço com superfícies aparentemente lisas, uma sobre a outra, tais superfícies estarão em contato nos pontos salientes. Quanto maior for a carga, maior será o número de pontos em contato. Atrito sólido • Ao movimentar-se uma barra de aço sobre a outra haverá um desprendimento interno de calor nos pontos de contato. Devido à ação da pressão e da temperatura, estes pontos se soldam. • Para que o movimento continue, é necessário fazer uma força maior, a fim de romper estas pequeníssimas soldas (microssoldas). • Com o rompimento das microssoldas, temos o desgaste metálico, pois algumas partículas de metal são arrastadas das superfícies das peças. • Quando os pontos de contato formam soldas mais profundas, pode ocorrer a gripagem ou ruptura das peças. Atrito – Pode ser bom? • Caminhar • Freios • Esmeril Atrito sólido. • O atrito é responsável por perdas de energia em torno de 20% nos carros e desgaste das partes em contato. • DESGASTE: • PERDA DE MATERIAL DEVIDA AO MÚTUO CISALHAMENTO DAS RUGOSIDADES E DESLOCAMENTO DE PARTÍCULAS , QUANDO SÃO ROMPIDAS AS SOLDAS INFINITESIMAIS. • EM CASOS EXTREMOS, ESSAS SOLDAS PODE VIR A CAUSAR O TRAVAMENTO DAS ENGRENAGENS OU MANCAIS. Tipos de atrito • DESLIZAMENTO. • Quando uma superfície desliza sobre a outra (não é necessário que as superfícies em contato sejam planas). • ROLAMENTO. • Um cilindro que rola sem deslizar sobre uma superfície horizontal para, porque atua sobre ele a força de atrito de rolamento. Deslizamento. • 1ª Lei • O atrito é diretamente proporcional à carga aplicada. Portanto, o coeficiente de atrito se mantém constante e, aumentando-se a carga, a força de atrito aumenta na mesma proporção. Deslizamento. • 2ª Lei • O atrito, bem como o coeficiente de atrito, independem da área de contato aparente entre superfícies em movimento. Deslizamento. • 3ª Lei • O atrito dinâmico (corpos em movimento) é menor do que o atrito estático (corpos sem movimento), devido ao coeficiente de atrito dinâmico ser inferior ao estático. Rolamento. • As leis do atrito de rolamento são as seguintes: • 1ª Lei • A resistência ao rolamento é diretamente proporcional à carga aplicada. • O atrito de rolamento é sempre menor que o atrito de deslizamento para superfícies de mesmo material e sob as mesmas condições. Atrito fluido. • Ocorrerá um deslizamento entre as moléculas do fluido, umas sobre as outras, e a resistência a esse deslizamento é denominada ATRITO FLUIDO. • Ocorre no movimento de um corpo em um fluido ou entre duas superfícies em movimento relativo, separadas por uma fina película contínua de fluido. • Atrito fluido – corresponde a uma porcentagem mínima do atrito sólido, que ocorre na ausência de um lubrificante. Atrito fluido. O movimento relativo entre camadas vizinhas com velocidades diferentes faz surgir uma força de cisalhamento entre as mesmas. Essa força tenta frear a camada mais rápida e acelerar a camada mais lenta e é chamada de resistência de cisalhamento. A soma de tais resistências constitui o atrito fluido. Lubrificação. • Lubrificação é uma operação que consiste em introduzir uma substância apropriada (LUBRIFICANTE) entre superfícies sólidas que estejam em contato entre si e que executam movimentos relativos. • LUBRIFICANTE: qualquer material que, interposto entre duas superfícies que realizam movimento entre si, reduza o atrito. • Além dessa redução do atrito, outros objetivos são alcançados com a lubrificação, se a substância lubrificante for selecionada corretamente. Lubrificantes. • FUNÇÕES DO LUBRIFICANTE, NAS SUAS DIVERSAS APLICAÇÕES: • a. Controle do atrito. • − transformando o atrito sólido em atrito fluido, evitando assim a perda de energia. • b. Controle do desgaste. • − reduzindo ao mínimo o contato entre as superfícies, origem do desgaste. • c. Controle da temperatura. • − absorvendo o calor gerado pelo contato das superfícies (motores, operações de corte etc.). • • d. Controle da corrosão. • − evitando que ação de ácidos destrua os metais. • Lubrificantes. • FUNÇÕES DO LUBRIFICANTE, NAS SUAS DIVERSAS APLICAÇÕES: • e. Transmissão de força. • −funcionando como meio hidráulico, transmitindo força com um mínimo de perda (sistemas hidráulicos, por exemplo). • f. Amortecimento de choques. • −transferindo energia mecânica para energia fluida (como nos amortecedores dos automóveis) e amortecendo o choque dos dentes de engrenagens. • g. Remoção de contaminantes. • − evitando a formação de borras, lacas e vernizes. • h. Vedação. • −impedindo a saída de lubrificantes e a entrada de partículas estranhas (função das graxas), e impedindo a entrada de outrosfluidos ou gases (função dos óleos nos cilindros de motores ou compressores). Lubrificantes. • A falta de lubrificação causa uma série de problemas nas máquinas. Estes problemas podem ser enumerados, conforme a ocorrência, na seguinte sequência: • Aumento do atrito � Aumento do desgaste � Aquecimento � Dilatação das peças �Desalinhamento � Ruídos � Gripagem � Ruptura das peças. Prejuízos. • Sem lubrificação, ou com lubrificação deficiente, o tempo de vida útil das máquinas seria muito curto. Devido as desgaste excessivo, a máquina teria de ser retirada de serviço para reparos. Neste caso, além dos custos com peças e mão de obra, haveria um grande prejuízo devido ao tempo de parada da máquina. • Outro fator importante seria o aumento da energia gasta, já que as forças de atrito a serem vencidas se tornam elevadas • Sem a aplicação de lubrificantes adequados, o ruído nas fábricas seria um grande problema para a saúde dos operadores. Lubrificantes. • Formação de película lubrificante → O FLUIDO DEVE APRESENTAR: • ADESIVIDADE: para aderir às superfícies e ser arrastada por elas durante o movimento. • COESIVIDADE: para que não haja rompimento da película. • PROPRIEDADE DO FLUIDO: OLEOSIDADE CLASSIFICAÇÃO DA LUBRIFICAÇÃO. • LUBRIFICAÇÃO TOTAL: • A película lubrificante separa totalmente as superfícies, não havendo contato metálico entre elas, isto é, a película possui espessura superior à soma das alturas das rugosidades das superfícies. Serão resultantes, assim, valores de atrito baixos e desgaste insignificantes. • A película contínua de lubrificante apresenta espessura variável entre 0,025 mm e 0,25 mm, e os valores do coeficiente de atrito são bastante baixos, da ordem de 0,001 à 0,03. Lubrificação limite ou restrita. • A espessura da película é mínima, basicamente é a soma das espessuras da rugosidade de cada superfície, podendo ser “monomolecular” (~10 µm). • A película possui espessura igual à soma das alturas das rugosidades das superfícies. • Muitas vezes requer o uso de aditivos específicos como agentes de oleosidade, antidesgaste e de extrema pressão. Lubrificação mista. • Neste caso, podem ocorrer as duas situações anteriores. • Quando uma máquina está parada, as partes móveis estão apoiadas sobre as partes fixas, havendo uma película insuficiente. • Quando o movimento tem início a pressão hidrodinâmica que faz surgir a película que impede o contato. LUBRIFICAÇÃO DE MANCAIS – MAIS IMPORTANTE APLICAÇÃO DA LUBRIFICAÇÃO HIDRODINÂMICA. • Os mancais são suportes que mantêm as peças (geralmente eixos) em posição ou entre limites, permitindo seu movimento relativo. • Os mancais de deslizamento possuem um espaço entre o eixo e o mancal denominado folga ou luz. • As dimensões da folga são proporcionais ao diâmetro “d” do eixo (0,0006d a 0,001d) e suas funções são suportar a dilatação e a distorção das peças, bem como neutralizar possíveis erros mínimos de alinhamento. • Além disto, a folga é utilizada para introdução do lubrificante. • O óleo introduzido na folga adere às superfícies dos eixo e do mancal, cobrindo-as com uma película de lubrificante. • POSIÇÕES DO EIXO EM RELAÇÃO AO MANCAL: • 1) Com a máquina parada, devido à folga, o eixo toma uma posição excêntrica em relação ao mancal, apoiando-se na parte inferior. • 2) Nesta posição a película lubrificante entre o eixo e o mancal é mínima, ou praticamente nenhuma. • 3) Na partida da máquina, o eixo começa a girar e o óleo, aderindo à sua superfície, é arrastado, formando-se a cunha lubrificante. • 4) Durante as primeiras rotações, o eixo sobe ligeiramente sobre a face do mancal, em direção contrária à da rotação, permanecendo um considerável atrito entre as partes metálicas (resistência de arranque), pois existe contato entre as superfícies (lubrificação limite). • IMPORTÂNCIA NA ESCOLHA ADEQUADA DO LUBRIFICANTE → se o óleo não revestir rapidamente as superfícies, o atrito e o esforço de arranque serão grandes. • Entretanto, com um óleo com de viscosidade adequada essa resistência não acontece. • RANHURAS NOS MANCAIS. • Na lubrificação dos mancais, é de grande importância o local de introdução do lubrificante. • • O ponto de aplicação do lubrificante deve ser escolhido em uma área de pressão mínima, caso contrário a sua entrada seria impedida pela pressão do eixo sobre o mancal, seriam necessárias bombas de alta potência. Lubrificantes. • CLASSIFICAÇÃO a) Quanto ao estado físico: 1. GASOSOS; 2. LÍQUIDOS; 3. PASTOSOS; 4. SÓLIDOS. b) Quanto à origem: 1. NATURAIS; 2. SINTÉTICOS. Lubrificantes gasosos. • São de uso restrito geralmente em locais de difícil penetração ou e em lugares onde não seja possível a aplicação dos lubrificantes líquidos convencionais. • Alguns dos lubrificantes gasosos utilizados são ar seco , nitrogênio e gases halogenados. • Este tipo de lubrificação apresenta problemas devido às elevadas pressões requeridas para manter o lubrificante entre as superfícies além de problemas de vedação. Lubrificantes líquidos. • As substâncias líquidas são as preferidas como lubrificantes, porque podem penetrar facilmente nas partes móveis pela ação hidráulica, mantendo-as separadas e agindo ainda como fluidos resfriadores. • Podem ser subdivididos em: a) ÓLEOS MINERAIS. b) ÓLEOS GRAXOS (VEGETAIS OU ANIMAIS). c) ÓLEOS SINTÉTICOS. • → Outra subdivisão: óleos minerais puros, óleos graxos, óleos compostos, óleos aditivados e óleos sintéticos. Óleos graxos. • Os óleos graxos podem ser de origem animal ou vegetal. • Primeiros lubrificantes a serem utilizados, sendo mais tarde substituídos pelos óleos minerais. • A substituição se deu devido à sua instabilidade química, principalmente em altas temperaturas, o que provoca a formação de ácidos e vernizes. • Apresentam pequena resistência a oxidação (tornam-se rançosos facilmente). • São principalmente utilizados em misturas de óleos compostos. A percentagem de óleo graxo é pequena (até 30%), variando de acordo com a finalidade do óleo. • Os óleos graxos conferem aos óleos minerais propriedades de emulsibilidade, oleosidade e extrema pressão. • Óleos vegetais: • Óleo rícino (extraído da semente de mamona); • Óleo de coco; • Óleo de oliva; • Óleo de dendê; • Óleos animais: • Óleo de baleia; • Óleo de mocotó; • Óleo de peixe; • São pouco usados pois oxidam facilmente. Óleos minerais. • Produzidos a partir do petróleo. • Os óleos lubrificantes são produzidos como alguns tipos de óleos básicos, que constituem a matéria prima para a fabricação da grande variedade de óleos lubrificantes existentes no mercado. • Óleos minerais aditivados são encontrados normalmente nos postos de serviço. • Com especificação correta, eles atendem às necessidades da grande maioria dos motores dos carros nacionais. Petróleo • Composição química do petróleo. • É constituído quase inteiramente por carbono e hidrogênio em várias combinações químicas (hidrocarbonetos). • São encontrados também pequenas quantidades de vários outros elementos, como o enxofre, oxigênio, sódio, ferro, nitrogênio,entre outros (geralmente considerados como impurezas). • Certas características físico-químicas do petróleo, como fluidez, cor e odor, podem variar em função de sua composição e do local extraído. • Dependendo dos tipos de hidrocarbonetos predominantes em sua composição, o petróleo pode ser classificado em: • BASE PARAFÍNICA • BASE NAFTÊNICA • BASE MISTA PETRÓLEO DE BASE PARAFÍNICA. • Constituído principalmente por hidrocarbonetos parafínicos: hidrocarbonetos saturados, desde o metano (CH4) até a parafina (C35H72).Este tipo de petróleo produz derivados com as seguintes propriedades: • Gasolina de baixa octanagem. • Querosene de 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. PETRÓLEO DE BASE NAFTÊNICA. • Constituído principalmente por hidrocarbonetos cicloparafínicos ou naftênicos. • Este tipo de petróleo 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. PETRÓLEO DE BASE MISTA. • Quando possuem misturas de hidrocarbonetos parafínicos, naftênicos e aromáticos, com propriedades intermediárias, de acordo com maior ou menor percentagem de hidrocarbonetos parafínicos e naftênicos. Óleo sintético. • Os óleos sintéticos são produzidos em laboratórios. São os melhores lubrificantes, mas são também os de custo mais elevado. Os mais empregados são os polímeros, os diésteres etc. Devido ao seu custo, seu uso limitado aos locais onde os óleos convencionais não podem ser utilizados. • Mistura complexa de compostos e elementos químicos. São óleos que suportam altas condições de cargas e temperaturas, mantendo estáveis suas características. • Os mais conhecidos são aqueles a base de “glicois polialcalicos” (ou polialquileno-glicois). • Usados em temperaturas que variam desde valores abaixo de zero grau centígrado até 400 ⁰C; não formam resinas e não afetam compostos de borracha natural ou sintética. • Podem ser solúveis em água ou insolúveis, dependendo do tipo e apresentam ampla variedade de viscosidade. Óleo Sintético. • Tendem a manter a viscosidade independentemente da temperatura de funcionamento do motor, o que evita a carbonização do motor. • São produtos relativamente caros para uso geral. • Óleos minerais com aditivação sintética atendem a motores sofisticados, como os importados. Lubrificantes semi-sólidos ou graxas. • 10% do lubrificante consumido. • São dispersões estáveis de sabões (ésteres de ácidos graxos) em óleos minerais ou, menos usualmente em óleos sintéticos. • Produto pastoso que pode ser aplicado como uma película lubrificante em pontos em que seria impraticável utilizar o óleo lubrificante, pois não ficaria retido devido a fluidez. Lubrificantes semi-sólidos ou graxas. • Vantagens: • 1� apresentam melhores propriedades de retenção no local de lubrificação. • 2� é preferível o uso de graxas quando é impraticável um fornecimento contínuo de óleo. • 3� Agem como elemento de vedação em atmosferas corrosivas e úmidas. Lubrificantes semi-sólidos ou graxas. • Fabricação: • O sabão, já pronto, é dispersado a quente no óleo apropriado. (Sabões de alumínio ou lítio). • O sabão é preparado a quente ou a frio, na presença do óleo lubrificante. Lubrificantes semi-sólidos ou graxas. • Usa-se: • Óleo mineral �A escolha depende da aplicação que deverá ser dada à graxa (temperatura de trabalho, velocidade e cargas suportadas pela graxa). • Óleos sintético � utilizado para obtenção de óleos especiais (graxas para temperaturas muito baixas (-30 a -60°C) ou temperaturas muito altas (120 a 150°C). • Quanto à natureza do sabão metálico, as graxas classificam-se da seguinte forma: • • Graxas à base de sabão de Cálcio Graxas à base de sabão de Cálcio Graxas à base de sabão de Cálcio Graxas à base de sabão de Cálcio – bastante aderentes, são indicadas para uso em peças que trabalham em contato com água. Não são indicadas para utilização em temperaturas superiores a 800C. • • Graxas à base de sabão de Sódio Graxas à base de sabão de Sódio Graxas à base de sabão de Sódio Graxas à base de sabão de Sódio – recomendadas para mancais planos e rolamentos que trabalham a altas velocidades e temperaturas elevadas (até 1200C) e, ocasionalmente, em engrenagens. É desaconselhável o seu uso em presença de umidade, pois o sabão é solúvel em água. • • Graxas à base de sabão de Alumínio Graxas à base de sabão de Alumínio Graxas à base de sabão de Alumínio Graxas à base de sabão de Alumínio – são indicadas para uso onde o principal requisito seja a característica de aderência da graxa, proporcionando boa proteção contra a ferrugem e resistência à lavagem por água. Não resiste a temperaturas elevadas. • • Graxas à base de sabão de Lítio Graxas à base de sabão de Lítio Graxas à base de sabão de Lítio Graxas à base de sabão de Lítio – são bastante aderentes e relativamente insolúveis em água, substituindo, em aplicações convencionais, muito bem as graxas de Cálcio e Sódio, sendo, portanto, de aplicações múltiplas. Possuem grande estabilidade mecânica e alto ponto de gota, sendo de fácil aplicação por meio de pistolas e sistemas centralizados de lubrificação. • • Graxas à base de sabão Complexo – sabão complexo é aquele, em que a fibra do sabão é formada pela cocristalização de um sabão normal (Cálcio, Sódio, Alumínio ou Lítio) e um agente complexo, como: ácido acético, lático, etc. Esse tipo de graxa apresenta como característica principal um elevado ponto de gota. • Graxas espessadas sem sabão – são as que utilizam espessantes químicos inorgânicos ou orgânicos dispersos no óleo. Esses tipos de espessantes não são feitos com álcali metálico como os usados nas graxas espessadas com sabão. Exemplos: poliuréia e argila orgânica. Lubrificantes sólidos Grafite. • Grafite � sólido que apresenta estrutura lamelar (lâminas minúsculas). • C � anéis hexagonais. • Pode ser aplicado: • � pó seco • � aerossol • � pasta ou dispersão líquida • � graxa. • Em forma de pó ou dispersão – lubrificante de extremas pressões (lubrificação limite). • Eficiente a altas temperaturas. • ↑ Temperatura ↓Coeficiente de atrito Lubrificantes sólidos Bissulfeto de molibdênio (MoS2). • Bissulfeto de molibdênio � estrutura lamelar – camada de átomos de molibdênio entre 2 camadas de átomos de enxofre (MoS2); • Mais mole que o grafite. • Pode ser aplicado: pó seco ou como dispersão em água ou óleo. • Lubrificação limite. • Nome comercial – Molikote. • Menores coeficientes de atrito que os do grafite. • Até 900°C – Decomposição do MoS2. Lubrificantes sólidos Teflon. • Plástico – politetrafluoretileno; • Apresenta baixo coeficiente de atrito; • 300°C – estabilidade; • Resiste a quase todos os agentes químicos e apresenta excelente resistência à oxidação; • Pode ser incorporado em forma de pó. Aditivos para lubrificantes. • São produtos que se adicionam ao lubrificante com a finalidade de melhorar certas propriedades específicas. Aditivos para lubrificantes. • Classes: • � Detergentes/Dispersantes; Mantém em suspensão e disperso na massa de óleo o carbono formado durante a combustão. É eliminado pelo esvaziamento do cárter. Mantém as paredes internas dos motores limpas. • Melhoram a limpeza das peças lubrificadas. Aditivos para lubrificantes. • � Antioxidantes; • Evitam as reações de oxidação, pois apresentam afinidade maior com o oxigênio; • Aumentam a vida útil do óleo e reduzem depósitos; Aditivos para lubrificantes. • �Anticorrosivos; • Existem 2 tipos: • A) proteção de partes metálicas da corrosão por substâncias ácidas formadas no óleo. • B) proteção contra corrosão atmosférica e contra umidade. • Função – 2 fases: • 1ª - prevenir o contato entre o agente corrosivo e o metal (o aditivo forma uma película impermeável sobre os metais); • 2ª - remover do óleo os agentes de corrosão. (neutralização das substâncias ácidas). Aditivos paralubrificantes. • � Antiespumantes; • Impedem a formação de espuma, desmanchando as bolhas de ar assim que elas atingem a superfície livre do óleo. • Melhoram a resistência à formação de espuma. Aditivos para lubrificantes. • � Extrema pressão; • Impede a soldagem e outros danos (arranhaduras e desgaste), sob condições de cargas elevadas; • Age somente na lubrificação limite; • Geralmente compostos de enxofre, cloro e fósforo, ou combinações desses elementos. • Reagem com o metal, formando películas finíssimas de sulfato, Cloretos e fosfetos, aderentes ao metal. • Melhoram a lubrificação sob pressões extremas; Aditivos para lubrificantes. • � Aumentadores do índice de viscosidade; • Polímeros de elevado peso molecular, longas cadeias moleculares e altas viscosidades; • Quanto maior a temperatura, mais as moléculas do aditivo se distendem, aumentando a sua viscosidade e, dessa forma, compensando o afinamento do óleo básico. • Melhoram as características de temperatura x viscosidade. Aditivos para lubrificantes. Aditivos para graxas. • Obter determinadas características; • Mais usuais; • � inibidores de oxidação; • � inibidores de corrosão; • � agentes de oleosidade; • � lubrificantes sólidos; • � agentes modificadores de estrutura; • � agentes de extrema pressão; • � agentes de adesividade. CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES E PROPRIEDADES E PROPRIEDADES E PROPRIEDADES DOS ÓLEOS DOS ÓLEOS DOS ÓLEOS DOS ÓLEOS LUBRIFICANTES.LUBRIFICANTES.LUBRIFICANTES.LUBRIFICANTES. • Na refinação e produção de óleos lubrificantes, devem ser estabelecidos limites de tolerância, cobrindo numerosas propriedades e características, a fim de se obter o grau desejado de normalização dos produtos. • Usam-se como limites básicos, várias propriedades físicas e químicas, conhecidas como especificações para óleos lubrificantes. • Estas especificações são usualmente determinadas e expressas baseadas em testes padronizados, estabelecidos 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), e outras. Características físicas dos lubrificantes. Densidade. • Aplicação adequada – produto certo no lugar certo; • Densidade absoluta – é o quociente de sua massa pelo seu volume. É necessário especificar a temperatura. • Densidade relativa – é a relação entre a massa de um determinado volume de substância a uma temperatura t, pela massa de igual volume de água destilada a uma determinada temperatura. • Utilidade – cálculos de conversão de volume (litros) para massa (kg) ou para fins de controle. Características físicas dos lubrificantes. Densidade. • Temperatura do lubrificantes – 20°C • Temperatura da água – 4°C (1 cm^3 – 1000 g.) • Densidade 20°C/4°C = Massa de um volume do produto a 20°C/ Massa de igual volume de água destilada a 4°C. O método usual para determinação é mergulhar no óleo um densímetro, que fica em equilíbrio a uma certa profundidade. Nesta haste graduada lê-se, ao nível da superfície, a valor da densidade. Características físicas dos lubrificantes. Ponto de fulgor e ponto de inflamação. • Ponto de fulgor – é a menor temperatura em que o óleo lubrificante deve ser aquecido, sob condições padrões, para produzir suficiente vapor, para formar com o ar uma mistura capaz de se inflamar momentaneamente pela presença de uma chama piloto. • Ponto de inflamação – é a mínima temperatura em que o produto deve ser aquecido, nas mesmas condições padrões, para se inflamar de maneira contínua. Características físicas dos lubrificantes. Ponto de fulgor e ponto de inflamação. • Segurança – ponto de fulgor – previsão da temperatura máxima a que o produto pode ser submetido quando estocado, transportado e manuseado. • Produtos com ponto de fulgor abaixo de 70°C – manuseio perigoso. • Utilizado no controle de uso de lubrificantes, para verificação da presença de contaminantes mais voláteis (gasolina, óleo diesel, etc.). Características físicas dos lubrificantes. Ponto de fulgor e ponto de inflamação. • A tabela indica o ponto de fulgor de alguns derivados do petróleo, analisados pelo método Cleveland Vaso Aberto. • Tabela - fonte: www.oilbrasil.com.br • A amostra é contida em um recipiente aberto, sob o qual coloca-se uma fonte de calor. • Uma chama piloto é passada por sobre o recipiente a intervalos regulares de tempo. Quando aparecer na porção da amostra vaporizada uma inflamação temporária, registra-se a temperatura da amostra. Esta temperatura é o ponto de fulgor do óleo. • Continuando a operação, quando a chama produzida permanece por mais de 5 segundos, o ponto de inflamação foi atingido. • Este ponto encontra-se aproximadamente 25oC acima do ponto de fulgor. Características físicas dos lubrificantes. Ponto de névoa e ponto de fluidez. • Ponto de névoa – é a temperatura em que a parafina ou outras substâncias semelhantes começam a separar-se formando minúsculos cristais, tornando o óleo turvo. • Ponto de fluidez – é a menor temperatura na qual o óleo ainda pode escoar nas condições do teste. • Está ligado à facilidade de iniciar a lubrificação quando uma máquina fria é posta em funcionamento. O óleo deve fluir livremente. • O método para determinação do Ponto de Fluidez, consiste em resfriar uma amostra num ritmo pré-determinado, observando-se a sua fluidez a cada queda de temperatura de 3°C, até que virtualmente a superfície da amostra permaneça imóvel (ponto de congelamento) por 5 segundos, ao se colocar o tubo de ensaio com a amostra, na posição horizontal. • A temperatura 3oC acima desta é o ponto de mínima fluidez. • Por exemplo, se um óleo apresentar um ponto de congelamento de -20oC , seu ponto de mínima fluidez será de -17oC . Características físicas dos lubrificantes. Ponto de névoa e ponto de fluidez. • O ponto de fluidez fornece uma ideia de até qual temperatura determinado óleo lubrificante pode ser resfriado sem perigo de deixar fluir. • O óleo lubrificante pode deixar de fluir por 2 razões: • 1 – pode conter uma certa quantidade de parafina dissolvida no óleo a temperaturas maiores e quando o óleo é resfriado a parafina cristaliza-se. • 2- Todos os óleos aumentam de viscosidade à medida que a temperatura abaixa, diminuindo naturalmente a sua fluidez. Características físicas dos lubrificantes. Resíduo de carbono. • Óleos lubrificantes – hidrocarbonetos – C e H; • Alguns óleos quando aquecidos em ambientes fechados podem deixar resíduos de carbono não volátil; • Quanto maior a viscosidade, maior a quantidade de carbono; • Óleos naftênicos – maior quantidade de resíduo de C que os óleos parafínicos. • Quantidade de C – métodos e aparelhos (Conradson e Ramsbottom); • Ensaios – óleos minerais puros – sem aditivos. Características físicas dos lubrificantes. Número de desemulsão e perdas por evaporação • Desemulsibilidade – capacidade que possuem os óleos de se separarem da água. • � Turbinas – óleo deve permanecer nos sistemas de circulação. • Necessário que o óleo se separe da água ou que não forma emulsão. • Perdas por evaporação – óleos tornam-se mais viscosos. • MÉTODO DE DETERMINAÇÃO • ASTM D 401. • Consiste em colocar iguais quantidades de água destilada e óleo em uma proveta graduada e agitar. O tempo requerido para a separação da emulsão formada é anotado. Se não houver separação completa após 1h, os volumes de óleo, água e emulsão são anotados. Características físicas dos lubrificantes. Extrema pressão. • Extrema pressão – Quando o óleo possuia propriedade de evitar que as superfícies em movimento entrem em contato, mesmo quando as pressões são muito elevadas. • O teste mais utilizado é o Four Balls ASTM D-2783. • . Nele, 3 esferas são dispostas juntas horizontalmente, e uma quarta, presa a um eixo girando sobre elas a uma velocidade de 1800 rpm. Quando as esferas se soldam é anotada a carga máxima suportada pelo lubrificante. Características físicas dos lubrificantes. Viscosidade. • Viscosidade � Resistência oposta ao escoamento de óleo. • Quanto mais espesso o óleo, mais viscoso e maior a resistência para escoar. • Um líquido de viscosidade elevada, como por exemplo o mel, apresenta grande resistência em escoar. Já a água, que é um fluido de baixa viscosidade, escoa facilmente. • A viscosidade varia inversamente com a temperatura e só podemos comparar valores de viscosidade medidas a mesma temperatura. • Temperatura do óleo aumenta→ ele se torna menos viscoso. • Temperatura do óleo diminui → o óleo torna-se mais espesso, ou mais viscoso. • Relacionada com a capacidade de suportar cargas. Características físicas dos lubrificantes. Viscosidade. • Seleção de um óleo: • Velocidade – Quanto maior a velocidade, menor a viscosidade – formação de película mais fácil. • Pressão – quanto maior a carga, maior a viscosidade para suportá- la. • Folgas – quanto menores forem as folgas, menor deve ser a viscosidade para que o óleo possa penetrar. • Acabamento – Quanto melhor for o grau de acabamento superficial das peças em movimento, menor poderá ser a viscosidade. Ensaios e características das graxas • 3 grupos • A) Ensaio de caráter geral; • B) Ensaios especiais; • C) Ensaios de desempenho; Ensaios e características das graxas. Consistência. • Consistência de uma graxa é a resistência que esta se opõe à deformação sob a aplicação de uma força. • Aparelho – penetrômetro; • Cone, que sob a ação de uma carga padronizada, penetra uma dada profundidade (medida) na graxa durante 5s, a 25°C. A penetração é dada em décimos de milimetros. • A consistência de uma graxa é medida pelo grau NLGI – Instituto Nacional de Graxas Lubrificantes. Ensaios e características das graxas. Consistência. Grau NLGI Penetração trabalhada (ASTM) a 77°F. NLGI 000 445/475 NLGI 00 400/430 NLGI 0 355/385 NLGI 1 310/340 NLGI 2 265/295 NLGI 3 220/255 NLGI 4 175/205 NLGI 5 130/160 NLGI 6 85/115 As graxas com consistências NLGI 0, 00 e 000 são consideradas semifluidas, e as maiores que 6 são chamadas graxas de bloco. As de consistência NLGI 2 e 3 são as mais empregadas. Ensaios e características das graxas. Ponto de gota (ou de derretimento). • Indica a temperatura em que uma graxa do estado sólido ou semi-sólido passa para o estado líquido. • Determina-se a temperatura em aparelho especial, em que se dá a queda da primeira gota de graxa liquefeita. • Permite relacionar o ponto de gota com a temperatura de trabalho. Ensaios e características das graxas. Ponto de gota (ou de derretimento). Graxas Ponto de gota (°F) Ponto de gota (°C) De cálcio 150-220 66-104 De alumínio 82-110 82-110 De sódio e cálcio 250-380 121-193 De sódio 300-500 149-260 De lítio 350-425 177-218 De bário 350-475 177-246 Especiais de argila, sílica e grafite 500 ou mais 260 ou mais Ensaios e características das graxas. Estabilidade ao trabalho. • O ensaio é feito por meio do esmagamento da graxa no interior de um cilindro oco horizontal, dentro do qual gira um rolo de material pesado. Após 4 horas, verifica-se a variação de penetração sofrida pela graxa. Ensaios e características das graxas. Viscosidade aparente e Separação do óleo. • Viscosidade aparente - É realizado para verificar se uma graxa escoa bem em longos condutos existentes em sistemas de lubrificação centralizada. • Separação do óleo – As graxas apresentam certa tendência à separação do óleo lubrificante quando armazenadas por longo tempo. Ensaios e características das graxas. Corrosão e Oxidação. • Corrosão – A graxa não deve atacar uma lâmina de cobre sob condições padronizadas. • Oxidação – Quando a temperatura de trabalho for elevada deve-se trocar frequentemente a graxa. • Aparelho padrão- verifica a quantidade de oxigênio absorvido por uma graxa sob determinadas condições. Ensaios e características das graxas. Prova de carga. • Pressão máxima que uma graxa pode aguentar. • Máquina – Timken; Características físicas dos lubrificantes. Viscosidade. • Newton – comportamento dos líquidos em movimento; • Duas placas planas e paralelas, havendo entre elas uma película de um líquido qualquer de espessura “h” ou um óleo. • Placa superior de área “S”, velocidade constante “V”, por meio de uma força “F”. Características físicas dos lubrificantes. Viscosidade. • “V” não muito grande, o óleo se move entre 2 placas como se fosse formado de infinitas camadas, que deslizam umas sobre as outras sem se misturar e a velocidade de cada camada é proporcional à sua distância da placa fixa; • Movimento ordenado em camadas paralelas – Escoamento laminar ou viscoso. Características físicas dos lubrificantes. Viscosidade. • “F” necessária para produzir o movimento das camadas de óleo umas sobre as outras, e “V” constante da placa superior é: • A) proporcional à área “S”; • B) proporcional ao gradiente de velocidade ou grau de cisalhamento; • V/h=V1/h1=V2/h2=...Vn/hn • Equação: • F=ƞ.S.(V/h) • Ƞ- constante de proporcionalidade ou coeficiente de viscosidade; Características físicas dos lubrificantes. Viscosidade. • F=ƞ.S.(V/h) • Ƞ= (F/S)/(V/h) • F= força em dinas (g.cm/s^2) • S= área em cm^2 • V= velocidade em cm/s • h= distância entre as placas, em cm. • Ƞ = g/(s.cm) • A essa unidade foi dada a denominação de ‘poise’. Características físicas dos lubrificantes. Escalas de Viscosidade. • Para as medidas de viscosidade de óleos lubrificantes, utilizam-se geralmente as escalas de viscosidade: • A) cinemática; • B) Saybolt; • C) Engler; e • D) Redwood. • Viscosidade cinemática é física e as demais empíricas. Características físicas dos lubrificantes. Escalas de Viscosidade. • Visc. Cinemática = visc absoluta/massa específica • =(g/s.cm)/(g/cm^3) • =cm^2/s = stoke (s ou S) • O viscosímetro cinemático funciona pelo escoamento do óleo através de um tubo capilar, sob o peso de uma coluna do mesmo óleo. • Nos demais, a viscosidade é medida pelo tempo de escoamento em segundos, através de orifícios padronizados. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • A viscosidade é a propriedade mais importante de um óleo e a temperatura é o fator mais importante que afeta a viscosidade. • Quanto a temperatura, a viscosidade. • Muitas vezes, um óleo lubrificante deve trabalhar em uma larga faixa de temperatura e deve atender às características de viscosidade-temperatura. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • O índice de viscosidade (IV) é um número empírico e apresenta o significado de que quanto maior o valor de IV, menor será a tendência do óleo ter a viscosidade modificada com a variação de temperatura. • Óleos de base parafínica apresentam menor variação de viscosidade com a temperatura do que os óleos de base naftênica. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • 1929 – conceito de IV; • A) óleos naftênicos, provenientes do Golfo do México, apresentavam grande variação de viscosidade com a temperatura. IV=0. • B) óleos parafínicos, oriundos do petróleo da Pensilvânia, apresentavam pequena variação de viscosidade com a temperatura.IV=100. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • Todos os óleos estariam classificados entre 0 e 100 e o que mostrasse o maior índice de viscosidade, indicaria uma variação de viscosidade relativamente pequena com uma grande variação de temperatura. • Atualmente, temos óleos que ultrapassam os índices de viscosidade iniciais de 0 a 100 e superam o I.V. de 250. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • IV=[(L-U)/(L-H)]x100 • L- viscosidade a 37,8°C (100°F) do óleo de IV igual a zero, tendo a mesma viscosidade a 98,9°C que a amostra de IV a calcular. • H- viscosidade a 37,8°C do óleo de IV igual a cem, tendo a mesma viscosidade a 98,9°C que a amostra de IV a calcular. • U- viscosidade a 37,8°C do óleo cujo IV se procura determinar. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • Altas temperaturas – a viscosidade de um óleo pode diminuir a tal ponto que a película lubrificante pode ser rompida. • Baixas temperaturas – o óleo pode tornar-se demasiadamente viscoso, dificultando a circulação, ou mesmo impedindo que o mecanismo funcione. • Motor de automóvel – o óleo do cárter não deve ser tão viscoso a ponto de, na partida em tempo frio, impor carga excessiva para a movimentação do motor. Em tempo quente, o óleo deve fluir livremente para lubrificar as partes do motor. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • Tabela fonte: Ipiranga. Para uma mesma variação de temperatura, a viscosidade dos óleos para motores SAE 20, 30, 40 3 50 variam muito mais do que a viscosidade do óleo SAE 20W 50. O óleo SAE 20W 50 possui um I.V. maior que os outros óleos. Características físicas dos lubrificantes. Índice de Viscosidade. • O sistema de IV apresenta limitações: • 1- sistema falho para óleos muito finos, viscosidade abaixo de 8 centistokes a 98,9°C. • 2- o sistema de IV é baseado em padrões arbitrários não mais adequados atualmente. • 3- Na faixa acima do IV=125, são possíveis resultados anômalos, pois 2 óleos com a mesma viscosidade a 37.8°C, mas com diferentes viscosidades a 98.9°C, podem ter o mesmo IV. Características físicas dos lubrificantes. Classificação SAE- óleos para cárter de motores. • Constituem uma classificação de óleos lubrificantes de cárter, somente com base na viscosidade. • Óleos mais finos – classificados a 0°F (-17,7°C), específicos para climas frios e o grau SAE acompanha a letra W (winter). • Óleos mais viscosos – classificados a 210°F (98,9°C) • Óleo SAE 10W-30 – SAE 10W a 0°F e SAE 30 a 210°F. • Óleo SAE 10W-40 – SAE 10W a 0°F e SAE 40 a 210°F. • Desenvolvido pela Society of Automotive Engineers (S.A.E.) Sistemas de classificação API para óleos de motor. • API – Instituto Americano de Petróleo; • SAE – Sociedade de Engenheiros Automotivos; • ASTM – Sociedade Americana para Testes e Materiais; • Estabeleceram um sistema de classificação para os óleos de motor que é baseado na descrição dos níveis de desempenho de cada tipo de óleo. Sistemas de classificação API para óleos de motor. • Série S – óleos comercializados em postos de serviço, revendedores de carros e garagens; • Geralmente motores a gasolina; • Série C – veículos comerciais, agrícolas e “fora de estrada”; • Motores a diesel; • Óleos formulados para gasolina nem sempre são adequados para os motores a diesel e vice-versa. • O atual sistema de classificação é muito mais preciso na definição do nível de qualidade do que o sistema anterior. • Quando se diz que um óleo atende à mais alta classificação API , este óleo preenche a maioria dos níveis de desempenho inferiores. Sistemas de classificação API para óleos de motor. • Serviço SA – Óleo mineral puro. Não são apropriados aos motores atuais; • Serviço SB – Possuem pequena aditivação – resistência à oxidação e antidesgaste; • Serviço SC – 1964-1967 – carros de passeio; • Serviço SD – 1968-1970 – carros de passeio; • Serviço SE – 1972 – motores a gasolina; • Serviço SF – 1980-1988 – motores a gasolina; • Serviço SG – 1989 – motores a gasolina; • Serviço SH – 07/1993 – motores a gasolina; • Serviço SJ – 08/1997 – motores a gasolina. ;Recomendado para motores até 2001; • Serviço SL – classificação mais recente- 07/2001; Melhor controle de depósitos sob altas temperaturas e proporcionam menor consumo; Sistemas de classificação API para óleos de motor. • Serviço CA – motores a diesel que operam em condições leves ou moderadas e com combustíveis de alta qualidade; • Serviço CB – motores a diesel que operam em condições leves ou moderadas, porém com combustíveis de qualidade inferior; • Serviço CC – motores a diesel levemente supercomprimidos, operando em condições moderadas e severas, e certos motores a gasolina para serviços pesados. Introduzido em 1961; • Serviço CD – motores a diesel supercomprimidos que, operando a altas velocidades e com grande potência de saída; • Serviço CE – motores turbinados em condições de serviço pesado; • Serviço CF-4 – Criado em 1990, para serviço típico de veículos diesel ligeiro e caminhões em serviço extrapesado. • Serviço CG-4 –Criado em 1994, adequado para veículos diesel ligeiro em aplicações dentro e fora da estrada. • Serviço CH-4 – Criado em 1998, melhor controle de fuligem em motores aspirados ou turbinados, que utilizem diesel com alto teor de enxofre, em aplicações dentro e fora da estrada. Sistemas de classificação API para óleos de motor. Exercício. • O gráfico mostra a variação da viscosidade cinemática em centistokes com a temperatura em ºC de um óleo lubrificante. Determine o índice de viscosidade (IV) e a classificação SAE desse óleo. • IV = L – U x 100 L – H L = 273 cS (tabela) H = 139,6 cS (tabela) U= 168 cS (gráfico – viscosidade a 40ºC) • IV = 273 – 168 x 100 = 78,7 273 – 139,6 Classificação SAE Viscosidade a 100ºC = 14,3 cS Tabela (entre 12,5 e 16,3) = óleo SAE 40 Classificação ISO VG • Sistema de classificação de viscosidade para lubrificantes e outros fluidos industriais. Não implica em avaliação da qualidade, baseia-se apenas no valor da viscosidade na temperatura padrão de 40ºC (em centistokes). • Exemplo: Um óleo de classificação ISO VG 150 é um óleo que 40ºC apresenta um valor de viscosidade compreendido entre 135 e 165 cS (tabela). Grau de viscosidade ISO Viscosidade cinemática no ponto médio cS a 40 0 C Limites de viscosidade cinemática cS a 40 0 Min. Máx. ISO VG 2 2.2 1.98 2.42 ISO VG 3 3.2 2.88 3.52 ISO VG 5 4.6 4.14 5.06 ISO VG 7 6.8 6.12 7.48 ISO VG 10 10 9.00 11.00 ISO VG 15 15 13.5 16.5 ISO VG 22 22 19.8 24.2 ISO VG 32 32 28.8 35.2 ISO VG 46 46 41.4 50.6 ISO VG 68 68 61.2 74.8 ISO VG 100 100 90 110 ISO VG 150 150 135 165 ISO VG 220 220 198 242 ISO VG 320 320 288 352 ISO VG 460 460 414 506 ISO VG 680 680 612 748 ISO VG 1000 1000 90 1100 ISO VG 1500 1500 1350 1650 SSU(Segundos Saybolt universal) 1a situação escoamento do lubrificante A é de 1000 SSU e o lubrificante B de 750SSU a uma temperatura de 400C. 2a situação após aumento da temperatura para 100 0C, o escoamento do lubrificante A passou para 80 SSU e o lubrificante B de 80 SSU. 1000 SSU 750 SSU 80 SSU 80 SSU 216 162 15,7 Bibliografia • TASSINARI C.A. et al. Química tecnológica. Pioneira Learning Thomsom, 2003. http://www.abraman.org.br/docs/apostilas/M ecanica-Lubrificacao.pdf acesso em 17/03/2014 • Apostila Química Aplicada Prof Dr. Fernando Cruz Barbieri.
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