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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.
4
Tipos de lubrificação
Com filme de óleo (Hidrodinâmica e Elastohidrodinâmica)
Com monocamada de lubrificante (Limite ou limítrofe)
Algum contato entre asperezas (Mista)
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.
5
Representações dos regimes
04 - Lubrificação Limítrofe
σ = Rq21 +Rq
22 λ =hmin
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]
6[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
7
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).
8
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)
04 - Lubrificação Limítrofe
Bowden e Tabor.
9
Efeito da espécie química e do tamanho da cadeia
04 - Lubrificação Limítrofe
Parafinas x aço
Alcoóis lineares x aço
Ácidos lineares x aço
10
k 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).
11
k depende pouco do tipo de cadeia (entre as estudadas) para cadeias com mais de 14 atomos.
k Depende fortemente do tipo de cadeia para cadeia menores
04 - Lubrificação Limítrofe
Zisman, W.A.
Efeito da espécie química e do tamanho da cadeia
12k 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.
13
Efeito da temperatura
(1%) Ácido láurico = CH3(CH
2)
10COOH. Tf 44,2oC sobre Zn
Temperatura de transição (Tt) (reversível se não ocorrer oxidação!)
14
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.
15
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)
% 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
16
Concentração da espécie química
A concentração afeta o coeficiente de atrito o tempo de adsorção também.
17
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
18
Número de camadasAplicação no corpo ou no contra corpo
k com remoção da monocamada. Curvas obtidas girando a esfera de inoxidável antes de se iniciar um novo ciclo
19
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
20
Espécie química (de novo!) - atrito e durabilidade
Figuras 69 x 71 (pg 189) e 70 x 72 (pg 189)
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
21
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
22
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
23
Substrato
Efeito da temperatura no coeficiente de atrito depende da reatividade do substratoBowden e Tabor
Fig 79 p 210
24
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.
25
SubstratoÓleo parafinico x Sabão (de Na)esfera x disco (52100 x 1006). 150N, 0,06m/s 45% RH
Efeito no coeficiente de atrito depende do substrato
26
Substrato
Efeito no coeficiente de atrito depende muito do substrato. Estearato de sódio para estearato de zinco (autógeno)
27
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
28
29
Metal base + Substrato + Lubrificante
30
31
Pressão e velocidade (sem stick slip)
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.
32
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.
33
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
34
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
35
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
36
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
37
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
38
04 - Lubrificação .....não convencional
11,6h
1hAl
2O
3 x Si
3N
4 Ferreira V. (2008)
2,3h54N1000mm/s10MPa
~8MPa
39
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
40
04 - Lubrificação .....não convencional
Diss
41
04 - Lubrificação .....não convencional
Há efeito predominantemente químico do SiO2
1h1/3h
Tribo-químicoTribo?Quimico?
(10 ± 3) m rms
42
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
43
Topografiae
Químico!
04 - Lubrificação .....não convencional
Há efeito predominantemente químico do SiO2
Notar efeito em eliminar as flutuações no running in.
44
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”
45
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.
46
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