Relatório Variáveis Tribológicas

Escola Tecnolgica de Vale de Cambra Gesto da Manuteno - OGI 11

VALE DE CAMBRA

Curso de Especializao Tecnolgica Organizao e Gesto Industrial Gesto da Manuteno Prof: Eng. Luis Seabra As Variveis Tribolgicas; Atrito e o Desgaste Relatrio Selma Schultes Susana Sousa Carlos Pinho Novembro de 2010 FORESP- Associao Para a Formao e Especializao Tecnolgica

Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste

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NDICE Resumo Palavras-Chave Introduo 1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS 1.1 Origem do termo Tribologia 1.2.1 Variveis Tribolgicas 1.2.2 Controle do Atrito e do Desgaste 2 - SUPERFCICES TCNICAS 2.2 Natureza das Superfcies Metlicas 2.3 Parmetros Superficiais 2.4 Rugosidade 3 - O ATRITO 3.1 Consideraes Gerais 3.2 Definio 3.3 Coeficiente de Atrito 3.4 Teoria da Adeso Simplificada 3.5 Atrito em Metais 3.5.1 Atrito de Metais secos contaminados 3.5.2 Atrito de Metais no contaminados no ar 3.5.2.1 Atrito Severo 3.5.2.2 Atrito Moderado 3.6 Atrito de Rolamento 4 - O DEGASTE 4.1 Consideraes Gerais 4.2 Definio de Desgaste 4.3 Formas de Desgaste 4.3.1 Desgaste Abrasivo 4.3.2 Desgaste por Adeso 4.3.2.1 Controlo do desgaste por adeso 4.3.2.2 Classificao do Desgaste 4.3.3 Desgaste Dominante por Oxidao 4.3.4 Desgaste por Fadiga Superficial 4.3.4.1 Caractersticas do Processo de Desgaste por Fadiga 5 - COMO EVITAR O DEGASTE 5.1 Descrio dos Processos de Revestimento por Deposio de Camadas 5.1.1 Endurecimento por Fuso 5.1.2 Asperso trmica 5.1.3 Processo PVD (physical vapor deposition) 5.1.4 Processo CVD (chemical vapor deposition) 5.1.4.1 Processo CVD (Reactor a plasma de placa paralela) Concluso Bibliografia pg.04 pg.04 pg.05 pg.06 pg.06 pg.07 pg.08 pg.09 pg.10 pg.10 pg.10 pg.11 pg.11 pg.11 pg.12 pg.13 pg.15 pg.16 pg.16 pg.16 pg.17 pg.17 pg.18 pg.18 pg.18 pg.19 pg.19 pg.20 pg.20 pg.21 pg.21 pg.23 pg.23 pg.24 pg.25 pg.25 pg.26 pg.26 pg.28 pg.29 pg.31 pg.32


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NDICE DAS FIGURAS Quadro 1- Relao entre atrito e desgaste pg. 07 Figura 1 - Problemas Tribolgicos mtodos de resoluo pg. 08 Figura 2 - Funes e Requisitos de superfcies Tcnica (Bethke, 1995) pg. 09 Figura 3 - termos bsicos para a medio de superfcies [Koenig, 1998.] pg. 10 Figura 4 - Definio de rugosidade Rp e Rp pg. 10 Figura 5 - O atrito resulta da interaco entre dois corpos pg. 11 Figura 6 - Experimento para determinao da fora de atrito (Levinson,1968) pg. 13 Figura 7 - Contacto em um pico de aspereza superficial pg. 13 Figura 8 - Ilustrao esquemtica de filmes em superfcie metlica pg. 15 Figura 9 - Marca tpica causada por atrito severo (Rabinoviwicz , 1995) pg. 16 Figura 10 - Marcas Tpicas produzidas por atrito moderado (Rabinoviwicz,1995)pg. 17 Figura 11 - Desgaste abrasivo pg. 20 Figura 12 - Desgaste por adeso pg. 20 Figura 13 - Distino entre a classificao do Desgaste pg. 21 Figura 14 - Fluxo de calor no ao em atrito pg. 22 Figura 15 - Fadiga Pitting pg. 23 Figura 16 - Materiais utilizados para controlar o atrito e o desgaste pg. 24 Figura 17 - Processos de asperso trmica pg. 26 Figura 18 - Processo Deposio por Asperso Trmica (plasma) pg. 26 Figura 19 - Processo Deposio por Evaporao por Arco pg. 27 Figura 20 - Processo CVD Horizontal de parede quente pg. 28 Figura 21 - Processo CVD por deposio atravs de reactor de placa paralela pg. 30


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The gem cannot be polished without friction, nor man perfected without trials.1.Provrbio Chins

1 - A gema no pode ser polida sem frico, nem o homem aperfeioado sem provaes.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 4


Resumo Este relatrio tem como aspecto terico relevante o melhor conhecimento das superfcies em contacto, e o evento da transferncia de fora de uma superfcie mvel para outra sob a perspectiva da Tribologia nas suas variveis fundamentais, nomeadamente o atrito e o desgaste . O estudo destas variveis, reconhecidos na sua identidade de tratamento, tornam possvel definir mtodos e princpios aplicveis ao controlo do desgaste e as avarias provocadas em mquinas.

Palavras Chave: Tribologia, Contacto de Superfcies, Atrito, Desgaste Abrasivo, Desgaste Aderente, Fadiga de Superfcie, Tribo-Oxidao, Avaria, PVD, CVD.


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Introduo Este relatrio se enquadra no mbito da disciplina de Gesto da Manuteno, do Curso Tecnolgico de Organizao e Gesto Industrial da Escola Tecnolgica de Vale de Cambra. O presente trabalho visa desenvolver a intuio para as causas associadas a relao entre o aumento notvel de avarias em mquinas e o desgaste. Partimos de uma anlise abrangente no campo de actuao da tribologia atravs de consideraes sobre os aspectos econmicos envolvidos no processo produtivo para posterior desenvolvimento da anlise do controle do atrito e do desgaste. Consideramos na exposio deste relatrio organizar os captulos de tal modo que a anlise das variveis tribolgicas possam ser assimiladas de maneira simplificada, rpida e completamente. Apresentamos o tratamento dado aos grandes problemas relacionados com o campo de actuao da tribologia, a constatao de que todas as superfcies so rugosas e esto contaminadas e por fora do movimento relativo, sua contribuio para uma produo menos dispendiosa, pela reduo dos custos com avarias e servios de manuteno. Finalmente todo o estudo est aglutinado, nos diferentes efeitos das variveis tribolgicas ao microscpio, sob as condies de atrito e dos mecanismos de desgaste, a evoluo e preveno do desgaste determinados pelo revestimento dos materiais e acabamentos dos componentes.


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CONCEITOS FUNDAMENTAIS

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1.1

Origem do termo Tribologia Na dcada de 1960 verificou-se nos pases mais industrializados um aumento

notvel de avarias em mquinas essencialmente provocadas pelo desgaste, ou outras causas a ele associadas. A utilizao simultnea de uma tecnologia mais avanada de processos contnuos veio agravar os efeitos decorrentes dessas avarias. Este facto foi comprovado pelos especialistas em assuntos de desgaste, atrito e lubrificao e nessa altura foram apresentadas bastantes comunicaes analisando a situao. Contudo, s em Outubro de 1964, numa conferncia organizada pela Institution of Mechanical Engineers em Londres foi decidido dar a palavra Tribologia um significado diferente do literal o qual deriva do grego tribos (atrito) e logos (razo). A nova definio alm de tomar em considerao a traduo literal, inclui muitos outros aspectos de slidos de contacto. De facto esta palavra foi criada com o objectivo de incentivar a colaborao de qumicos, engenheiros, especialistas de materiais e fsicos. Ficou ento decidido dar a esta palavra o significado seguinte: Cincia e Tecnologia das superfcies interactuantes em movimentorelativo


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e matrias e mtodos com elas relacionadas2. A necessidade de nosso envolvimento com problemas tribolgicos de atrito e desgaste perfeitamente justificvel pois esses fenmenos afectam quase todos os aspectos de nossa vida. No esto restritos as mquinas que usamos e a seus mancais 3. A habilidade de caminhar dependente da existncia de atrito apropriado, de modo que os efeitos tribolgicos tiveram uma grande influncia no processo de evoluo, enquanto limpar os dentes um processo controlado de desgaste, onde se deseja evitar o desgaste do esmalte e eliminar filmes indesejveis.

2 - Silva, F. A. Pina da , 1985 - Tribologia - Fundao Calouste Gulbenkian 3 - N. A. - Mancal um dispositivo fixo fechado, em geral de ferro ou de bronze, sobre o qual se apoia um eixo girante, deslizante ou oscilante.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 8


1.2.1 Variveis Tribolgicas A perspectiva segundo a qual a tribologia encara os vrios problemas, industriais, ou no, tem como variveis fundamentais: a) O atrito b) O desgaste Enquanto, geralmente, procuramos reduzir o desgaste ao mnimo, dado que ele representa uma perda de eficincia, e de material, no que diz respeito ao atrito, temos dois caminhos. Em certos casos, procura-se a sua reduo, dado que representa uma perda de energia, mas noutro obter o seu valor elevado o objectivo a atingir. o caso dos traves e , numa escala diferente, o de uma simples ligao de porca e parafuso. Embora, normalmente, um elevado atrito e desgaste ocorram simultaneamente, no possvel estabelecer uma relao simples entre os dois. Como exemplo, consideremos o Quadro 1

Figura 1 Relao entre atrito e desgaste Fonte : Tribologia I Volume Noes gerais F.A. Pina da Silva pg. 5

Desta tabela verificamos que o valor mais baixo de no acompanhado pelo valor de desgaste menor. ainda de notar que a variao do coeficiente de atrito muito menor do que a do desgaste. Do que foi referido depreende-se que um objectivo importante da tribologia o controle do atrito e do desgaste.


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1.2.2 Controle do Atrito e do Desgaste As seguintes reas so as que se pode actuar para obter esse controle: a) Seleco de materiais: Um primeiro factor de escolha o dos materiais o PTFE (politetratfluoretileno) tem boas caractersticas, nos aspectos coeficiente de atrito e do desgaste, se utilizado com o ao de ferramenta, o que deu origem ao aparecimento das chamadas chumaceiras4 de Atrito Seco. b) Pelcula Lubrificante: Uma pelcula Lubrificante deve aderir s superfcies slidas e pela sua presena impedir o seu contacto. c) Contacto de Rolamento: Outra possibilidade de controlar o atrito e o desgaste a substituio de um contacto de escorregamento por um contacto de rolamento. Esta substituio no na prtica completa e um certo escorregamento mantm-se entre os corpos em contacto um caso prtico desta opo a tendncia actual para a utilizao cada vez mais corrente de chumaceiras de rolamentos. d) Pelculas Pressurizadas: A pelcula fluida formada por presso inicial do fluido lubrificante ou por efeito hidrodinmico, compreendendo-se que tem espessuras 100 vezes maiores que as pelculas lubrificantes ( pelculas finas). e) Pelculas elsticas e outras solues: Se a amplitude do escorregamento for reduzida possvel utilizar uma substncia elstica entre as superfcies a separar. Solues tribolgicas para o atrito e desgaste esto ilustrados na figura 1.

Figura 1 Problemas Tribolgicos mtodos de resoluo

Ao considerar essas possveis solues, factores como a carga a ser suportada, a velocidade, a natureza do ambiente e qualquer limitao imposta ao atrito e ao desgaste, devem ser avaliados para chegar resposta mais adequada ao problema.

4 - N.A. Chumaceira - apoio sobre o qual se move um eixo.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 10


SUPERFCICES TCNICAS

2

At o momento, as superfcies foram consideradas como planos lisos que limitam os slidos. Infelizmente, todas as superfcies em engenharia so mais complexas, apresentando geometrias com picos e vales e, tambm, propriedades fsicas e qumicas raramente uniformes. Como cada superfcie tcnica tem uma funo a preencher o seu estudo abrange tanto a topografia como tambm as propriedades da camada limite que em consequncia do seu processo de fabricao e do contacto com o meio ambiente, propriedades fsicas e qumicas diferentes das do material de base, no perturbado no interior do corpo. 2.1 Definio: Do ponto de vista da tribologia uma superfcie a camada externa ao slido com propriedades fsicas de elevado significado funcional. A camada superficial dos metais consiste de vrias zonas com caractersticas fsico-qumicas estranhas ao material de base do componente propriamente dito. A Figura 2 ilustra as funes e requisitos de uma superfcie tcnica do ponto de vista tribolgico.

Figura 2 Funes e Requisitos de superfcies Tcnica (Bethke, 1995)

2.2

Natureza das Superfcies Metlicas


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A natureza das superfcies metlicas uma consequncia directa do processo de fabricao a que foram submetidas em termos microscpios cada processo deixa suas marcas caractersticas. Segundo Shumaltz (1985) e Czichos (1982) em geral, a estrutura de uma superfcie metlica constituda das seguintes camadas: Camada de sujeira - aprox. 3 nm; Camada absorvida - aprox. 0,3 nm; Camada oxidada - 1 a 10 nm; Camada deformada > 5 n Os processos de maquinao (tornear, fresar, brunir, lapidar, entre outros tratamentos mecnicos de peas, trmicos (tempera, cementao) e qumicos (nitrificao) alteram as propriedades da camada superficial e induzem em erros que so traduzidos sob a forma de desvios dimensionais e geomtricos. Nenhum processo de fabricao existente at o presente permite produzir superfcies perfeitamente lisas 2.3 Parmetros Superficiais O perfil de uma superfcie pode ser definido como a linha produzida pela apalpao de uma agulha sobre uma superfcie. A medio de uma superfcie atravs de um sistema mecnico de apalpao produz uma linha conforme ilustra a Figura 3 .

Figura 3 - termos bsicos para a medio de superfcies [Koenig, 1998. Stouts,1996]

2.4

Rugosidade Rt

Alguns autores definem Rt como sendo a distncia vertical entre o ponto mais elevado e o mais profundo do perfil de rugosidade, tambm conhecida como rugosidade pico/vale. A figura 4 ilustra rugosidade total e a profundidade de alisamento Rp.

Figura 4 Definio de rugosidade Rp e Rp


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O ATRITO 3.1 CONSIDERAES GERAIS:

3

Atrito e gravidade so as duas foras frequentes ao longo do desenvolvimento de projectos mecnicos. O atrito extremamente til e importante em algumas circunstncias e exerce uma funo vital em freios, acoplamentos e nas propriedades anti-derrapantes dos pneus, embora em outras situaes seja altamente indesejvel, e muito do estudo da tribologia esta concentrado sentido de minimizar seus efeitos. 3.2 DEFINIO: Para definirmos atrito consideramos dois corpos deslizando um sobre o outro, neste a resistncia ao movimento chamada de atrito. Em fsica, o atrito a componente horizontal da fora de contacto que actua sempre que dois corpos entram em choque e h tendncia ao movimento. gerada pela rugosidade dos corpos como demonstrado na Figura 5.

Figura 5 - O atrito resulta da interaco entre dois corpos (http://pt.wikipedia.org/wiki/Atrito)

A fora de atrito sempre paralela s superfcies em interaco e contrria ao movimento relativo entre eles. Apesar de sempre paralelo s superfcies em interaco, o atrito entre estas superfcies depende da fora normal, a componente vertical da fora de contacto; quanto maior for a Fora Normal maior ser o atrito. Passar um dedo pelo tampo de uma mesa pode ser usado como exemplo prtico: ao pressionar-se com fora o dedo sobre o tampo, o atrito aumenta e mais difcil manter o dedo se movendo pelaVariveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 13


superfcie. Entretanto, ao contrrio do que se poderia imaginar, mantidas as demais variveis constantes, a fora de atrito no depende da rea de contacto entre as superfcies, apenas da natureza destas superfcies e da fora normal que tende a fazer uma superfcie "penetrar" na outra. A energia dissipada pelo atrito , geralmente, convertida em energia trmica e/ou quebra de ligaes entre molculas, como ocorre ao lixar alguma superfcie. 3.3 COEFICIENTE DE ATRITO: Relacionamos o grau de rugosidade das superfcies ao "acoplamento" entre os dois corpos. Trata-se de uma grandeza adimensional, ou seja, no apresenta unidade. Pode ser diferenciado em coeficiente de atrito dinmico ou de atrito esttico : Coeficiente de atrito dinmico ou cintico (

d)

est presente a partir do momento

que as superfcies em contacto apresentam movimento relativo. Relaciona a fora de atrito cintico presente nos corpos que se encontram em movimento relativo com o mdulo das foras normais que neles actuam. Coeficiente de atrito esttico (e) determinado quando as superfcies em contacto encontram-se em iminncia de movimento relativo, mas ainda no se moveram. Relaciona a mxima fora de atrito possvel (com as superfcies ainda estticas uma em relao outra) com a(s) fora(s) normal(is) a elas aplicadas. Comparando-se os mdulos dos dois coeficientes, no contacto entre superfcies slidas o coeficiente de atrito dinmico ser sempre menor (mas no necessariamente muito menor) que o coeficiente de atrito esttico:

d e

No caso de deslizamento sobre fluidos chamados no-newtonianos essa relao pode mudar, enquanto sobre fluidos newtonianos 5, movimento. independente da condio de

5 - N.A. No fluido Newtoniano a tenso directamente proporcional taxa de deformao, exemplo a gua, o ar, leos. Um fluido no Newtoniano um fluido cuja sua viscosidade varia proporcionalmente com a cintica que se imprime a esse mesmo fluido, respondendo de forma quase instantnea, como exemplo temos a mistura de farinha com gua que dependendo da energia cintica que recebe pode ser um slido ou um liquido


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Figura 6 Experimento para determinao da fora de atrito (Levinson,1968)

A Figura 6 ilustra um experimento para determinao da fora de atrito. Ao aplicarmos uma fora F no corpo B, e realizarmos leituras da fora f no dinammetro de mola, observamos que f aumenta proporcionalmente com o aumento de F, at o momento em que escorrega. Uma vez iniciado o escorregamento entre os blocos, o valor de f sofre uma pequena queda, e permanece constante e independente da fora F, que actua sobre o corpo B (Levinson,1968). De conformidade com a figura 6, pode-se extrair que a relao entre a mxima fora de atrito que age na interface das duas superfcies e a fora normal denominada de coeficiente de atrito esttico. 3.4 TEORIA DA ADESO SIMPLIFICADA: A simplificao da teoria de adeso baseada nos trabalhos de Bowden e Tabor. Quando superfcies metlicas so postas em contacto, as junes ocorrem somente nos picos das asperezas. Esta considerao implica em que a rea real de contacto pequena, a presso nas asperezas em contacto suficientemente elevada para causar deformao plstica. Essa deformao ocasiona um aumento na rea de contacto at que a rea real de contacto seja o suficiente para suportar a carga, como lustra a Figura 7.

Figura 7 Contacto em um pico de aspereza superficial


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Sob estas condies: L = A r Pe onde: Ar = rea real de contacto; Pe = presso de escoamento; L = carregamento na direco normal. Sendo Pe = 3.e (dureza dos materiais).

Os picos sofrem deformao plstica at que as reas de contacto tenham crescido o suficientemente para suportar a carga. Nas regies de contacto ntimo entre metais, Bowden e Tabor consideram que ocorre forte adeso, e que as junes tendem a sofrer um caldeamento (soldagem a frio). A teoria simplificada fornece uma explicao s duas primeiras leis do atrito: o atrito independente da rea aparente de contacto; a fora de atrito proporcional ao carregamento na direco normal.

Uma maneira de conseguir baixo coeficiente de atrito depositar um filme fino de metal mole sobre a base metlica dura. No existe dvida que o caldeamento (soldagem a frio) das junes pode ocorrer durante o atrito de metais. Para superfcies de metais limpas em alto vcuo so registadas adeses muito fortes, com elevado coeficiente de atrito. Para metais em atrito nas condies atmosfricas normais, verifica-se tambm a adeso e a transferncia de fragmentos metlicos. Entretanto, a teoria de adeso simplificada tem sido criticada por se mostrar inadequada quando se compara valores de coeficiente de atrito fornecidos por ela com valores obtidos experimentalmente. Isto levou Bowden e Tabor a repensar algumas consideraes na teoria de adeso simplificada, e a desenvolver uma modificao da mesma teoria, com consideraes mais realistas do atrito para a condio de adeso.


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3.5 ATRITO EM METAIS: Nos itens anteriores foram descritos as causas do atrito. Consideremos, agora, os seus efeitos em materiais. Os metais esto presentes na grande maioria dos contactos por escorregamento nas mquinas. Na maioria das aplicaes prticas, o contacto metlico com o escorregamento ocorre na presena de substncias lubrificantes como leos, graxas, ou filmes slidos lubrificantes. Uma situao, que ocorre com frequncia, em que impossvel ou impraticvel o fornecimento de um lubrificante, ou esse fornecimento falha por acidente, ou o lubrificante aquecido acima de sua temperatura de trabalho, ento os metais entram em contacto sob condies essencialmente secas. de salientar que essas propriedades so bastante afectadas pela presena de filmes superficiais nos metais. Um metal no lubrificado encontrado em um ambiente industrial, em geral, esta coberto por uma srie de filmes, conforme mostra a figura 8

Figura 8 -Ilustrao esquemtica de filmes em superfcie metlica

A partir do metal interior, encontramos, primeiro uma camada de xido, produzida pela reaco do oxignio do ar com o metal, e presente em todos os metais com excepo dos metais nobres como ouro. A seguir vem uma camada absorvida da atmosfera, cujos principais constituintes so molculas de vapor de gua e de oxignio. Por ltimo, tem-se uma camada contaminante constituda, geralmente, por graxa


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ou

filmes

de

leo,

que

pode

substituir

parcialmente

a

camada

absorvida.

3.5.1 ATRITO DE METAIS SECOS CONTAMINADOS Superfcies metlicas tm coeficiente de atrito inicial na faixa de 0,1 a 0,5. Quando em escorregamento uma contra a outra. Valores maiores so alcanados com a continuao do escorregamento porque o filme graxo pode ser, eventualmente, expulso de entre as superfcies. 3.5.2 ATRITO DE METAIS NO CONTAMINADOS NO AR Quando superfcies livres de elementos graxos escorregam entre si, o tipo de atrito encontrado varia com a natureza dos metais em contacto e, em menor intensidade com outras variveis, como carga, rea superficial, rugosidade superficial e velocidade. Como regra geral, pode-se dizer que dois tipos de comportamentos so comuns: O atrito severo e o atrito moderado. Em algumas circunstncias, o atrito varia continuamente entre os dois. 3.5.2.1 ATRITO SEVERO O coeficiente de atrito elevado, normalmente na faixa de 2,0 a 0,9. Uma inspeco da superfcie aps o escorregamento mostrar poucos sulcos causados por pontos salientes de uma superfcie riscando a outra, mas esses sulcos so largos e, normalmente com lados irregulares. Inspeces atravs de um microscpio revelaro partculas grandes (com dimetro excedendo 50 micrmetros) transferidas de uma superfcie para a outra, conforme o exemplo da Figura 9.

Figura 9 Marca tpica causada por atrito severo (Rabinoviwicz , 1995)


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A Figura 9 apresenta as marcas tpicas de uma superfcie de cobre submetida a condies de atrito severas, contra uma superfcie de ao. A marca central foi produzida por uma partcula de cobre que aderiu superfcie do ao (amplificao 500 mm X 40). 3.5.2.2 ATRITO MODERADO O coeficiente de atrito baixo, normalmente na faixa de 0,7 a 0,3. O coeficiente de atrito muito estvel ou do tipo stick-slip regular, em que a fora de atrito flutua de modo regular entre dois extremos bem definidos. Uma inspeco da superfcie revelar um grande nmero de linhas finas onde pequenas salincias de uma superfcie riscam sulcos na outra, conforme a figura 10. Partculas pequenas (com dimetro normalmente abaixo de 25 microns. so transferidas de uma superfcie para a outra.

Figura 10 Marcas Tpicas produzidas por atrito moderado (Rabinoviwicz , 1995)

A figura 10 apresenta as marcas tpicas de uma superfcie de cobre submetida a condies de atrito moderado contra uma superfcie de ao. Como regra geral, atrito severo ocorre quando as duas superfcies em escorregamento so do mesmo metal, ou quando consistem de metais bastante similares, que tenham habilidade em formar ligas, ou que haja solubilidade dos tomos de um na estrutura atmica do outro (forte iterao atmica). 3.6 ATRITO DE ROLAMENTO Atrito de rolamento a resistncia ao movimento que ocorre quando um objecto rola sobre uma superfcie em contacto. Ocorre em dois casos distintos, o primeiro quando o corpo rolante irregular, como uma pedra ou um seixo, e o segundo quando o corpo tem uma superfcies lisa com alta preciso geomtrica.


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O DEGASTE 4.1 CONSIDERAES GERAIS

4

Praticamente todos os ramos da engenharia enfrentam problemas de desgaste. Os engenheiros que trabalham com o processo de maquinao tem a preocupao constante em avaliar o desgaste de ferramentas de corte. Apesar de sua importncia, o desgaste no recebe a ateno merecida quando no associado ao aspecto econmico. As perdas econmicas consequentes de desgastes so generalizadas e perversas, envolvem os custos de reposio, os custos de depreciao de equipamentos, perdas de produo, perda de competitividade. Outro factor significante a perda de eficincia em um equipamento, ou at mesmo uma fbrica, decorrente de desgaste, pois este acarreta na diminuio de desempenho e aumento no consumo de energia. 4.2 DEFINIO DE DESGASTE: De forma geral o desgaste pode ser definido como uma mudana acumulativa e indesejvel em dimenses pela remoo gradual de partculas discretas de superfcies em contacto e com movimento relativo, devido, predominantemente, a aces mecnicas. Segundo a Organizao para Cooperao Econmica e Desenvolvimento (OECDOrganisation for Economic Cooperation and Development da ONU), desgaste pode ser definido como sendo um dano progressivo que envolve a perda de material, que ocorre na superfcie de um componente como resultado de um movimento relativo a um componente adjacente. Na maioria das aplicaes prticas quando ocorre o movimento relativo entre duas superfcies slidas, este movimento ocorre na presena de lubrificantes. De forma geral, o desgaste tambm pode ser definido como a indesejvel e acumulativa mudana em dimenses, motivada pela remoo gradual de partculas discretas de superfcie em contacto e com movimento relativo, devido, predominantemente, as aces mecnicas. A corroso muitas vezes interage com o processo de desgaste e modifica asVariveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 20


caractersticas das superfcies sob desgaste, atravs da reaco com o meio ambiente. 4.3 FORMAS DE DESGASTE: O desgaste um processo complexo, resultado de diferentes processos que podem ocorrer independentemente ou combinados. Salientamos quatro formas de desgaste: por adeso: por abraso; por corroso e por fadiga superficial. Alguns especialistas consideram, ainda, o desgaste devido ao (fretting) e ao impacto, sendo que a eroso e cavitao algumas vezes tambm so considerados como categorias de desgaste. Cada uma delas ocorre atravs de um processo fsico diferente e deve ser considerada separadamente, embora as vrias subcategorias possam combinar sua influncia,ou de uma mudana de um modo para outro durante diferentes pocas da vida operacional da mquina ou pela aco simultnea de dois ou mais diferentes modos de desgaste. A complexidade do processo de desgaste pode ser melhor compreendida pelo reconhecimento da quantidade de variveis envolvidas, incluindo dureza, tenacidade, ductilidade, mdulo de elasticidade, tenso de escoamento, propriedades relativas fadiga, estrutura e composio das superfcies em contacto, bem como, geometria, presso de contacto, temperatura, estado de tenses, distribuio de tenses, coeficiente de atrito, distncia de escorregamento, velocidade relativa, acabamento superficial, lubrificantes, contaminantes, e atmosfera ambiente na interface sob desgaste. 4.3.1 DESGASTE ABRASIVO : Ocorre devido a partculas duras que se movimentam foradamente contra uma superfcie slida, que ocasiona uma perda progressiva de material. A remoo do material devido as partculas duras e pontiagudas que esto presentes nas superfcies interactuantes ou causado por superfcies duras ou pontiagudas e picos de aspereza de um ou de outro agente, tem como resultado arranhes, sulcos, micro-aparas, alteraes dimensionais e pontos brilhantes nas superfcies texturizadas das ferramentas. A figura 11 mostra os efeitos do desgaste abrasivo.


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Figura 11- Desgaste abrasivo

4.3.2 DESGASTE POR ADESO: O maior responsvel por danos nos sistemas prticos, esse tipo de desgaste, depende de uma srie complexa de factores, onde as variveis como a natureza das superfcies em escorregamento, sua compatibilidade e a existncia de lubrificantes ou contaminantes na interface, podem determinar seu grau de agressividade no processo. Em condies desfavorveis de lubrificao e contacto ou em funcionamento a seco, as peas em atrito formam um aglutinante aderente e solidrio. Isto altamente provvel nos casos em que as superfcies dos materiais apresentem uma composio similar ou possuam uma determinada afinidade uma com a outra. Os resultados so solda a frio, deformao, estrias, gretas, emperramento, bordos com deposio e quebra das ferramentas. A figura 12 mostra os efeitos do desgaste por adeso.

Figura 12 - Desgaste por adeso

4.3.2.1 CONTROLO DO DESGASTE POR ADESO Pesquisadores da IBM concluram que existe relao entre o nvel de tenses ocorrentes na interface de contacto de duas superfcies em escorregamento e o desgaste resultante. Desenvolveram, ento, equaes empricas que podem ser usadas no projecto de peas com movimento relativo. Sua aplicao muito ampla, incluindo sistemas com lubrificao mista ou limite ou no lubrificados; o contacto pode ser pontual, atravs de uma linha ou de uma rea; os materiais considerados incluem plsticos, metais ferrosos e no ferrosos ou, mesmo, metais sintetizados.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 22


4.3.2.2 CLASSIFICAO DO DESGASTE A classificao no est relacionada a valores numricos especficos, dividida em desgaste mdio e desgaste severo. A Figura 13 apresenta a distino entre as classificaes de desgaste.

Figura 13 Distino entre a classificao do Desgaste

4.3.3 DESGASTE DOMINANTE POR OXIDAO: Em condies de escorregamento em velocidades elevadas o desgaste por oxidao pode ocorrer. A existncia e a extenso deste tipo de desgaste, assim como a taxa de desgaste resultante, depende da capacidade que tem os materiais em movimento relativo sofrerem oxidao em uma atmosfera oxidante (presena de oxignio) nas imediaes das superfcies em contacto. Com velocidades inferiores a 1 m/s os detritos resultantes do escorregamento de duas superfcies metlicas so principalmente metal, o que a alta velocidade tendem a ser basicamente xido de ferro. Uma velocidade de 1 m/s o suficiente para produzir picos de temperatura elevados prximos de 700 C suficientes para produzir oxidao. O valor de temperatura fortemente dependente da velocidade e varia muito com o carregamento. A presena de um filme de xido na interface pode ser o suficiente para reduzir o desgaste meramente pelo efeito supressivo de sua presena, ou pelo menos reduzir o grau de interaco entre as superfcies. Contudo os filmes xido so finos e apresentam elevada dureza e fragilidade, e o desgaste ocorre principalmente pelo arranque deste material da superfcie em elevada velocidade, ou elevado carregamento. O filme xido torna-se mais espesso e contnuo, apesar do calor gerado por atrito ser considervel, e as camadas interiores subsequentes de material sofrem menor conduo de calor da camada oxidada, ou seja a camada oxidada actua como um isolante trmico para as camadas internas. O calor gerado pode ser tal que pode gerar deformaes plsticas e at mesmo a fuso.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 23


O primeiro regime onde a camada de xido fina e frgil denominado de desgaste por oxidao mdia, e o segundo denominado de desgaste por oxidao severa. Severa e leve so a oxidao taxa de velocidades no inferiores a 1 m/s e os detritos resultantes do escorregamento de duas superfcies metlicas so principalmente metal, entretanto, alta velocidade tendem a ser basicamente xido de ferro. O desgaste por oxidao leve tem sido objecto de intensas pesquisas ao longo das ltimas dcadas. A aplicao da relao de Arrhenius relaciona a taxa de desgaste com parmetros de operao. Em caso de aos esse efeito pode ser complicado devido a formao de martensita. pelo calor gerado em uma ponta de aspereza ou pico, aquecido que provoca um fluxo de calor alto, na direco do material de base das camadas interiores frias, o que leva a um repentino aumento de dureza na superfcie. A Figura 14 mostra o fluxo de calor em uma superfcie de ao submetida a atrito.

Figura 14 Fluxo de calor no ao em atrito

Outro problema associado ao fluxo de calor gerado na ponta de uma aspereza, so tenses residuais na superfcie, resultado da expanso volumtrica decorrentes da transformao martenstica. Velocidade maiores de deslocao geram temperatura maiores, e ao aumento da taxa de oxidao, que resulta em um filme de xido que pode amolecer e deformar localmente, absorvendo o calor latente. O filme fino nessa regio de desgaste por oxidao severa flui e espalha por regies mais frias da superfcie de forma to eficiente que distribui esta energia com a solidificao do xido. Assim a fuso de picos de asperezas uma forma mais uniforme de redistribuir o calor que flui para interior da superfcie.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 24


4.3.4 DESGASTE POR FADIGA SUPERFICIAL Quando duas superfcies actuam em contacto com rolamento, o fenmeno de desgaste diferente do desgaste que ocorre entre superfcies que escorregam. Em superfcies em contacto com rolamento surgem tenses de contacto, as quais produzem tenses de corte cujo valor mximo ocorre logo abaixo da superfcie. Com o movimento de rolamento, a zona de contacto se desloca, de modo que a tenso de corte varia de zero a um valor mximo e volta a zero, o que provoca tenses cclicas que podem levar a uma falha por fadiga do material. Abaixo da superfcie forma-se uma rachadura que se propaga devido ao carregamento cclico que pode chegar superfcie lascando-a e fazer surgir uma partcula superficial macroscpica com a correspondente formao de uma cavidade (pit). Essa aco, chamada de desgaste por fadiga superficial, um modo comum de falha em mancais de rolamento, dentes de engrenagens, cames e em partes de mquinas que envolvem superfcies em contacto com rolamento. 4.3.4.1 CARACTERSTICAS DO PROCESSO DE DESGASTE POR FADIGA: 1 - As partculas que so removidas tendem a ser grandes, ou seja, sua dimenso da ordem da rea de contacto sob tenso (ordem de grandeza de l00m), enquanto que as partculas caractersticas de um desgaste por adeso para o material considerado seriam bem menores (ordem de grandeza de 30m). 2 - A forma mais caracterstica de uma cavidade formada pelo processo de um leque, conforme mostra a figura 15.

Figura 15 Fadiga Pitting

A fadiga superficial (pitting) no ocorre sem leo. Quando as superfcies rolantes so testadas a seco nota-se formao de escamas mas no de cavidades que somente surgiro pela aco do leo.Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 25


COMO EVITAR O DEGASTE

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Como o desgaste um fenmeno essencialmente superficial, envolvendo a remoo mecnica indesejvel de material das superfcies, as solues encontradas atravs de deposio de revestimentos tem-se mostrado altamente valiosas, tanto para prevenir como para minimizar ou recuperar as diferentes formas de desgaste de metais. Em inmeras situaes, peas e componentes podem ser fabricados com materiais convencionais, dentro das especificaes normais do projecto e posteriormente, aplica-se sobre a superfcie, camadas ou cordes de soldadura, com consumveis adequados para resistir s solicitaes de desgaste. Dos problemas industriais de desgaste associados ao desgaste por abraso pode-se salientar que a soldura de revestimento tem como um dos maiores campos de aplicao a preveno, minimizao e recuperao de peas e componentes sujeitas ao as formas de eroso abrasiva, que so similares ao desgaste por abraso. Outra forma de controlar o atrito e diminuir o desgaste a lubrificao. A figura 16 mostra-nos diversos materiais utilizar para controlar o atrito e o desgaste

FIGURA 16 Materiais utilizados para controlar o atrito e o desgaste


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Em engenharia so utilizados vrios processos para evitar o desgaste em superfcies em contacto como: utilizao de materiais de maior dureza melhor acabamento superficial dos materiais em contacto atravs do revestimento de superfcies por deposio de soldadura e PVD. utilizao de materiais diferentes nas superfcies em contacto eliminao de partculas em suspenso no fludo lubrificante (filtragem).

5.1 DESCRIO DOS PROCESSOS DE REVESTIMENTO POR DEPOSIO DE CAMADAS Os mtodos tradicionais de proteger as superfcies no so ideias e alguns obrigam a utilizao de tcnicas que so ambientalmente agressivas. A medida de propriedades mecnicas e tribolgicas permite prever a resistncia ao desgaste abrasivo e erosivo dos revestimentos produzidos em condies distintas. Os revestimentos monolticos apresentam globalmente melhores propriedades mecnicas e tribolgicas que os revestimentos multi-camadas, apesar das tenses residuais poderem ser muito elevadas

5.1.1 ENDURECIMENTO POR FUSO O endurecimento por fuso um processo pelo qual materiais so adicionados por soldadura com propriedades superiores s do substrato que so aplicados, em geral duas camadas de 3 a 6 mm de espessura. O processo muito adequado para o aumento da resistncia corroso e ao desgaste de partes especficas de mquinas como lminas de corte e ps. As tcnicas usuais de endurecimento por fuso incluem fuso por arco, tocha e outros processos. O endurecimento por fuso recomendado para materiais como aos de baixo carbono. Os materiais mais comuns utilizados para a camada so ligas de nquel e ligas ferro-cromo.


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5.1.2 ASPERSO TRMICA O processo consiste em formar uma camada contnua por fuso do material de cobertura em forma de gotculas que so impingidas ao substrato. O mecanismo de aderncia ao substrato envolve factores de interaco mecnica e atmica. A espessura da camada pode variar entre 0,025 a 2,5 mm. Os processos mais comuns esto listados na figura 17.

Figura 17 Processos de asperso trmica

A figura 18 mostra-nos o processo de PVD por Asperso trmica (injeco a plasma), com a formao da camada de revestimento sobre o substrato.

Figura 18 Processo Deposio por Asperso Trmica (plasma)

5.1.3 PROCESSO PVD (PHYSICAL VAPOR DEPOSITION) O processo PVD (Deposio fsica de vapor) uma tcnica de deposio de filmes finos (metlicos ou cermicos) atravs da vaporizao destes materiais emVariveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 28


cmaras especiais. De forma geral este processo envolve controle de aquecimento, potencial e presso. O processamento PVD feito sob alto vcuo e temperaturas que variam entre 150 e 500 C. O material de revestimento slido de alta pureza (metais como titnio, cromo e alumnio) evaporado por calor ou bombardeado com ons (deposio catdica). Ao mesmo tempo, introduzido um gs reactivo (por exemplo, nitrognio ou um gs que contenha carbono) formando um composto com o vapor metlico que se deposita nas ferramentas ou nos componentes na forma de um revestimento fino e altamente aderente. Para se obter uma espessura de revestimento uniforme, as peas devem girar a uma velocidade constante durante o processo. A Figura 19 mostra-nos o Processo PVD de Deposio por Evaporao por Arco

Figura 19 Processo Deposio por Evaporao por Arco

necessrio realizar alguns testes para acompanhar o comportamento do filme depositado. Para o processo PVD as anlises da espessura, medida da aderncia Scracth-test e HRC dos filmes mostram de forma qualitativa o comportamento do processo.


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5.1.4 PROCESSO CVD (CHEMICAL VAPOR DEPOSITION) O processo CVD (Deposio Qumica de Vapor) consiste em depositar material slido a partir de uma fase gasosa. O processo similar ao PDV, mas no caso do PVD o material de revestimento (precursor) originalmente slido. Neste processo o substrato colocado num reactor que recebe alimentao de gases. O princpio do processo uma reaco qumica entre os gases. O produto desta reaco um material slido que condensa sobre todas as superfcies dentro do reactor, formando a pelcula de revestimento desejada sobre o substrato. A figura 20 mostra-nos o processo CVD horizontal de parede quente.

a) Reactor com peas para revestimento

b) Aquecimento e introduo do gs

c) Exausto do gs e resduos Figura 20 Processo CVD Horizontal de parede quente


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5.1.4.1 PROCESSO CVD (Reactor a plasma de placa paralela) As duas tecnologias CVD mais importantes so O CVD de baixa presso (LPCVD) e o CVD assistido por plasma (PECVD). O processo LPCVD produz camadas com excepcional uniformidade de espessura e qualidade de material. Os problemas do processo so as temperaturas de deposio muito altas (acima de 6000 C) e a taxa de deposio baixa . O processo PECVD pode operar com temperaturas mais baixas (em torno de 3000 C) devido energia fornecida s molculas pelo plasma do reactor. Entretanto, a qualidade do filme inferior a dos processos conduzidos a temperaturas mais altas. A maioria dos sistemas PECVD deposita o filme de revestimento em uma das faces do substrato, enquanto os sistemas LPCVD depositam o filme em ambas as faces. A Figura 21 mostra-nos o processo CVD por deposio atravs de reactor de placa paralela.

a) injeco de gs

b) Formao do plasma Variveis Tribolgicas: O Atrito e o Desgaste Pgina 31


C) Substrato com deposio da nova camada Figura 21 - Processo CVD por deposio atravs de reactor de placa paralela

Para finalizar este captulo do controlo do desgaste podemos observar que a baixa resistncia ao desgaste do ao inoxidvel utilizado como matria-prima equipamentos e componentes industriais. A aplicao de revestimentos finos CVD e PVD, nitreto de titnio (TiN), nitreto de crmio (CrN) e de titnio alumnio (TiAlN), proporcionam: menor desgaste, baixo coeficiente de atrito e elevada dureza, densidade elevada que proporciona uma barreira a ambientes agressivos, aumento do tempo de vida til do material. foi de importncia fundamental para introduzir novas melhorias nas propriedades dos


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CONCLUSO: Actualmente as sociedades industrializadas tem dado nfase crescente nos aspectos econmicos da tribologia devido enorme quantidade de contactos tribolgicos nas mquinas. A partir de 1970, influenciada pela crise do petrleo, houve um aumento da importncia da tribologia com a necessidade de desenvolver sistemas mecnicos mais eficientes, atravs da reduo do atrito. Tambm a preocupao ecolgica surgida aps 1990 teve seus reflexos na tribologia, onde a necessidade de reduo de emisso de poluentes, emisso de rudos e consumo de lubrificantes que tem de ser descartados aps certo perodo, levaram ao desenvolvimento de lubrificantes e sistemas de lubrificao mais eficientes, bem como a aplicao de processos de evitar o desgaste no invasivos ao meio ambiente como os revestimentos PVD e CVD. Preocupaes relativas aos custos, tanto de produtos quanto de mo de obra, levaram a necessidade de controlar o desgaste, eliminar a necessidades de paradas para manuteno, a reduo dos estoques de componentes de reposio, e a necessidade de aumentar a produtividade por meio do aumento das velocidades das mquinas, onde a compreenso do atrito de vital importncia para o estabelecimento das estratgias de controle. Assim podemos concluir como verdadeira a seguintes proposio: a aplicao de melhores prticas tribolgicas permite a economia de trabalho, de lubrificantes, de investimentos, menor dissipao de energia por atrito, vida mais longa das mquinas e menos paragens por manuteno e reposio.


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BIBLIOGRAFIA - Seabra, Luis. Manual de Gesto da Manuteno. Escola Tecnolgica de Vale de Cambra. - Stoeterau, Rodrigo Lima, Tribologia UFSC - Departamento de engenharia mecnica. - Silva, F.A. Pina da, Tribologia - Noes Gerais I Volume Fundao Calouste Gulbenkian - Cunha, Antnio Carvalho Gachineiro da Estudo de Mecanismo de Degradao em revestimentos PVD baseados em revestimentos metlicos no processamento de materiais plsticos Universidade do Minho Departamento de Fsica. Referncias Web http://blogdosoldador.blogspot.com/2009_06_01_archive.html http://pt.wikipedia.org/wiki/Desgaste http://pt.wikipedia.org/wiki/Atrito http://pt.wikipedia.org/wiki/Tribologia


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100% A PARTIR DE PAPEL USADO

RESPEITO PELO AMBIENTE

CONTRIBUI PARA O DESENVOLVIMENTO SUSTENTVEL

REDUZIDO CONSUMO DE GUA

SEM CLORO ELEMENTAR

REDUZIDO NVEL DE EMISSES LQUIDAS E GASOSAS


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Relatório Variáveis Tribológicas

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