Lubrificação limítrofe

1

Objetivos

O que é LL?

Qual a importância da LL?

Como funcionam os lubrificantes e aditivos na LL?

Quais os efeitos da natureza dos lubrificantes e aditivos?

Quais as interações dos lubrificantes e aditivos com os substratos?

04 - Lubrificação Limítrofe1) Lubrificação   limítrofe.   Atrito   com  lubrificantes.  A   rugosidade   dos   corpos   em  contato.

Avaliação intermediária do atendimento das expectativas e da ampliação dos conhecimentosprévios.

2

Tipos de lubrificação

Com filme de óleo (Hidrodinâmica e Elastohidrodinâmica)C

Com monocamada de lubrificante (Limite ou limítrofe)C

Algum contato entre asperezas (Mista)A

04 - Lubrificação Limítrofe

Na lubrificação com filme de óleo (Hidrodinâmica e Elastohidrodinâmica) a resistência ao movimento se deve inteiramente a viscosidade da camada de lubrificante interposta.

Na lubrificação limite a resistência ao movimento se deve ás moléculas depositadas nas superfícies em contato.

3

Representações dos regimes

04 - Lubrificação Limítrofe

=σ Rq21 +Rq

22 =λhmin

σ

[Hutchings, I. Tribology – Frction and wear of engineering materials, Edward Arnold 1992. p 108]

[Ludema, K.C., Friction, wear, lubrifcation: a textbook in Tribology, CRC Press, 1996, p.117]

4[NEALE, M.J., The tribology

handbook, Second Ed., Butterworth-Heinemann, 1997]

Representações dos regimes

Lubrificação limítrofe ou limite

Lubrificação hidrodinâmica ou

elastohidrodinâmica

µm

nm

04 - Lubrificação Limítrofe

5

Resultados de Bowden e Tabor - 1958

Experimentos com parafinas, alcoóis e ácidos graxos sobre superfície de aço e outros metais

líquidos – fina camadasólidos – dissolvidos em solvente volátilescorregamento com movimento linear

Marco no estudo da tribologia da lubrificação limítrofe e no estudo da tribologia de modo geral.

04 - Lubrificação Limítrofe

Bowden, F.P. e Tabor, D. The friction and lubrication of solids.Oxford Classic Series 2001(re-edição da edição de 1956).

6

Espécie química e do tamanho da cadeia

Temperatura

Concentração da espécie química

Número de camadas

Aplicação no corpo ou no contra-corpo.

Espécie química (de novo!) - atrito e durabilidade

Substrato

Pressão e velocidade (sem stick slip)P

04 - Lubrificação Limítrofe

Bowden e Tabor.

7

Efeito da espécie química e do tamanho da cadeia

04 - Lubrificação Limítrofe

Parafinas x aço

Alcoóis lineares x aço

Ácidos lineares x aço

8

µk para ácidos graxos em função do numero de carbonos na cadeia.

CnH(2n-1)COOHZisman, W.A. Friction Durability and Wettability of Monomolecular Films on Solids. Friction and Wear. Proc. Sympoisum, Detroid 1957, Davies, R. Editor.

04 - Lubrificação LimítrofeEfeito da espécie química e do tamanho da cadeia

esfera x placa (304 x 1095).

9

µk depende pouco do tipo de cadeia (entre as estudadas) para cadeias com mais de 14 atomos.

µk Depende fortemente do tipo de cadeia para cadeia menores

04 - Lubrificação Limítrofe

Zisman, W.A.

Efeito da espécie química e do tamanho da cadeia

10µk em função do número de ciclos. Durabilidade em função do tamanho da cadeia

04 - Lubrificação LimítrofeEfeito do tamanho da cadeia na durabilidade

Zisman, W.A.

11

Efeito da temperatura

(1%) Ácido láurico = CH3(CH

2)

10COOH. Tf 44,2oC sobre Zn

Temperatura de transição (Tt) (reversível se não ocorrer oxidação!)T

12

Efeito da temperatura

Dependência da espécie químicaHidrocarbonetos e alcoóis (Tt = Tfusão) independente do metal base

Ácidos graxos ( Tt > T fusão) depende do substrato

Conclusõesa) Para hidrocarbonetos e alcoóis as ligações com o substrato são mais fracas que para ácidosb) Para hidrocarbonetos e alcoóis as ligações que afetam o fenômeno ocorrem entre as moléculas das espécies. Dipolo instantâneo – dipolo instantâneo.c) As variáveis T e espécie química estão correlacionadas

Bowden e Tabor.

13

Concentração da espécie química

% Ácido láurico (Cd-Cd)%CH

3(CH

2)

10COOH µ

1,0% 0,050,01% 0,010,001% 0,450,001% + 12h 0,26

Efeito da concentração de ácido láurico em óleo parafínico e do tempo de aplicação do lubrificante no coeficiente de atrito em ensaio de deslizamento no sistema Cd-Cd. (Gregory/B&T

1958)1

% µ

t µ

Espessura mínima da camada de ácido para

ser “efetivo” lubrificante é 1 a 2

camadas moleculares

As variáveis espécie química de aditivo e do lubrificante estão correlacionadas

14

Concentração da espécie química

A concentração afeta o coeficiente de atrito o tempo de adsorção também.

15

número de camadasaplicação no corpo ou no contra corpo

Figuras 69 e 70 pg 186 - 187Ácido esteárico = CH

3(CH

2)

16COOH. Tf 69,6oC

Efeito do número de camadas de lubrificante e do componente sobre o qual se aplica a espécie química no coeficiente de atrito e na durabilidade (eficiência) do efeito lubrificante. [Langmuir, 1920 – uma camada, plano inclinado.]

Aplicação na esfera Aplicação na placa

16

Número de camadasAplicação no corpo ou no contra corpo

µk com remoção da monocamada. Curvas obtidas girando a esfera de inoxidável antes de se iniciar um novo ciclo

17

Meio interfacial

A durabilidade depende do meio em contato com o adsorbato.

O líquido funciona como reservatório de moléculas

Acido Octanóico

Em contato com vapor

Em contato com líquido

18

Espécie química (de novo!) - atrito e durabilidade

Figuras 69 x 71 (pg 189) e 70 x 72 (pg 189)F

Ácido esteárico CH3(CH

2)

16COOH. Tf =69,6oC

Colesterol Tf =18,1oC (propano-1,2,3-triol H2C - CH

2 - CH

2)

OH OH OH

Efeito da natureza da espécie química no coeficiente de atrito e na durabilidade (eficiência) do efeito lubrificante

Aplicação na esfera

Aplicação na esfera

19

Espécie química (de novo!) - atrito e durabilidade

Ácido esteárico CH3(CH

2)

16COOH. Tf =69,6oC

Colesterol Tf =18,1oC (propano-1,2,3-triol H2C - CH

2 - CH

2)

OH OH OH

Ácido esteárico sobre placa

Colesterol sobre placa

Efeito da natureza da espécie química no coeficiente de atrito e na durabilide (eficiência) do efeito lubrificante

20

Espécie química (de novo!) - atrito e durabilidade

Metal No de camadas para lubrificar ácido sabãoPt >10 7-9Inóx 3 1Ag 7 3Ni 3 3Cu 3 3

Ácido esteárico CH3(CH

2)

16COOH. Tf =69,6oC

Estearatos de prata e de cobre CH3(CH

2)

16COCu+(Ag+)

Efeito da natureza da espécie química na durabilidade -ácido e seu sal

21

Substrato

Efeito da temperatura no coeficiente de atrito depende da reatividade do substratoBowden e Tabor

Fig 79 p 210

22

Substrato

Efeito no coeficiente de atrito depende da orientação do substratoBucley, D. H. Surface Effects in Adhesion,

Friction Wear and Lubrication. Trib. Series 5. Elsevier, 1981.

23

SubstratoÓleo parafinico x Sabão (de Na)Óesfera x disco (52100 x 1006). 150N, 0,06m/s 45% RH

Efeito no coeficiente de atrito depende do substrato

24

Substrato

Efeito no coeficiente de atrito depende muito do substrato. Estearato de sódio para estearato de zinco (autógeno)z

25

Substrato - Desgaste

Efeito da espécie química no DESGASTE também depende do substrato e NÃO da mesma forma (ou mesma intensidade) que o ATRITO.

µ = 0,5

µ = 0,45

µ = 0,45

µ = 0,1

26

27

Metal base + Substrato + Lubrificante

28

29

Pressão e velocidade (sem stick slip)P

A velocidade tem pouco efeito e o efeito da pressão mantém proporcionalidade entre força normal e tangencial. A conferir em outros sistemas o efeito de elevação de temperatura.

30

04 - Lubrificação Limite

Comentário na discussão escrita trabalho Ziesman:

Prof. Bowden: We are in full agreemente with him that it is necessary to have a solid film on the surface in order to get efective lubrication. You must have such a film that the lateral adhesion between the molecules of the lubricating film is sufficiently high to stop the penetration by surfaces irregularities.

31

04 - Lubrificação .....não convencional

Lubrificação com água de cerâmicas: Meio ambiente: apelo da água

apelo das cerâmicasUltra baixo coeficiente de atrito.

Tribologia das cerâmicas a seco Lubrificação com água

ExplicaçõesCaminhos

Si3N

4 x Si

3N

4

ou SiC x SiC

32

04 - Lubrificação .....não convencional Tribologia das cerâmicas a seco

Figs 5. 31 hutchings p 120

No regime moderado predomina a ação de filmes decorrentes da interação com a água do ar. No regime severo predomina o efeito da baixa tenacidade das cerâmicas.

Si3N

4 + H

2O = 3SiO

2 + 4HN

3

Ferreira V. 2004

33

04 - Lubrificação .....não convencional Tribologia das cerâmicas a seco

Figs 5. 32 hutchings p 121

No regime moderado predomina a ação de filmes decorrentes da interação com a água do ar. No regime severo predomina o efeito da baixa tenacidade das cerâmicas.

Si3N

4 + H

2O = 3SiO

2 + 4HN

3

34

04 - Lubrificação .....não convencional

Tribologia das cerâmicas lubrificadas com água

Cerâmica óxido – coeficientes de atrito menores porém semelhantes aos obtidos “á seco”. Cerâmicas covalentes com Si – Após running in o coeficiente de atrito fica muito baixo.

Fer

reir

a V

. 200

4

35

04 - Lubrificação .....não convencional

0,01 <µ< 0,008 fullerene-like MoS2

0,01 <µ< 0,002 Si3N

4 x Si

3N

4

0,008 <µ< 0,002 Al2O

3 x Si

3N

4

Ultra Low Friction Coefficient Na literaturaapenas

Si3N

4 x Si

3N

4

ou SiC x SiC

36

04 - Lubrificação .....não convencional

11,6h

1hAl

2O

3 x Si

3N

4 Ferreira V. (2008)F

2,3h54N1000mm/s10MPa

~8MPa

37

04 - Lubrificação .....não convencional

ΔG = -369,1 kJ/mol 1,6h

ΔG = -566,5 kJ/mol 2,3h

Al2O

3 x Si

3N

4

Dissolução da sílica requer PH básico, acima de 9 sendo efetiva em pHs em torno de 12.

1h

38

04 - Lubrificação .....não convencional

Diss

39

04 - Lubrificação .....não convencional

Há efeito predominantemente químico do SiO2

1h1/3h

Tribo-químicoTribo?Quimico?

(10 ± 3) m rms

40

Topografia

04 - Lubrificação .....não convencional

1h1/10h

Há efeito relacionado á topografia e, aparentemente não relacionado á quantidade do SiO

2 – efeito Tribo

(10 ± 3) nm rms

(350 ± 20) nm rms

41

Topografiae

Químico!

04 - Lubrificação .....não convencional

Há efeito predominantemente químico do SiO2

Notar efeito em eliminar as flutuações no running in.

42

Próximos passos

04 - Lubrificação .....não convencional

Al2O

3 – Si

3N

4 E Sem silício – Sem silício

(Eliel – Roberto)(Efeito da variação da temperatura de ensaio.Efeito da força e velocidades de ensaioEfeito das dimensões da área inicial de contatoPotencial zeta com a mudança do PH do meio.Efeito da adição de hidróxido de aluminioVariação da concentração de sílica coloidal.

Subsidiar hipótese de forças van der Waals

Explorar possibilidades “de engenharia”

43

Próximos passos

04 - Lubrificação .....não convencional

0,002 → 0,0002

Vanderlei....???...???van der Waals – repulsivo?Solvatação convencional?Modelos simples para “minimo coeficiente de atrito possível”

Exercícios ! Eliel.

44

DOWSON, D. History of Tribology, Professional Engineering Publishing, 759p., 1997

PERSSON, B.N.J., Sliding friction – Physical principles and application, Nanoscience and Technology, 462p., 1998

HUTCHINGS, I.M., Tribology: friction and wear of engineering materials, Edward Arnold, Great Britain, 1992

BAYER, R.G., Mechanical wear prediction and prevention, Marcel Dekker, 657p., 1994

WHITEHOUSE D.J., Handbook of Surface Metrology, Institute of Physics Publishing, 1994, cap 7.4: Two body interactions-dynamic effect, p.800-834

Neale Handbook of Tribology

CHENG, H.S., Elastohydrodynamic lubrication, In: Booser, E.R., CRC Handbook of Lubrication, Vol.II Theory & Design, CRC Press, p.139-162, 1988

NEALE, M.J., The tribology handbook, Second Ed., Butterworth-Heinemann, 1997

ReferênciasReferências