Desgaste por Abrasão

1. Introdução

A palavra tribologia em sua atual conotação surgiu pela primeira vez na Inglaterra em 1966, em um relatório do Departamento de Educação e Ciência. Embora a palavra seja nova, o assunto a que se refere não o é, incluindo os tópicos relativos ao atrito, desgaste e lubrificação. Dessa maneira definimos tribologia como "A ciência e a tecnologia da interação entre superfícies com movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionadas". Esse estudo é necessário devido à ação do atrito que afeta a quase todos os aspectos da nossa vida. Não estão restritos as máquinas que usamos e seus componentes. A ação de juntas nos membros do corpo humano é uma situação tribológica, como a artrite por exemplo. Portanto, este estudo representa uma preocupação do homem para se obter melhores resultados de desempenho em diversas áreas do conhecimento tecnológico, sendo assim, uma série de disciplinas científicas se preocupam com problemas tribológicos, tais como:

• Ciência dos materiais, com o desenvolvimento de materiais tribológicos especiais;
• Química, com o estudo de lubrificantes, aditivos e problemas de camada limite;
• Física, com estudos de novos materiais e processos de revestimento, e estudo do atrito no nivel atômico/quântico;
• Fabricação, com estudo da qualidade superficial proveniente da fabricação e suas relações com a tribologia;
• Metrologia, com a qualificação de superfícies tribológicas e a automação de sistemas;
• Projeto, com a aplicação de superfícies tribológicas;
• Automação, com o estudo da influência do atrito em sistemas de controle, entre outras.

1. Fenômenos Tribológicos

Antes de considerar quais os tipos de problemas tribológicos, devemos considerar o fenômeno de uma maneira geral. Com a interação de duas superfícies sólidas em um determinado ambiente, temos dois possíveis resultados:

1. Ocorre uma dissipação de energia, que é a resistência ao movimento, representada pelo coeficiente de atrito. (calor e ruído).
2. Durante o processo de escorregamento relativo, as superfícies modificam suas características básicas, de um valor maior ou menor. Podem se tornar mais lisas ou mais rugosas, mudança nas propriedades físicas, tais como dureza, e ainda podem perder material através de desgaste.

Por essas considerações, pode-se concluir que tanto o atrito, quanto fazem parte do campo da engenharia, podendo agir de maneira benéfica ou não. A importância do atrito e do desgaste pode ser classificada de acordo com as seguintes categorias:

1. Projeto de dispositivos de atrito
2. Perdas de energia;
3. Desgaste;
4. Problemas na dinâmica de controle;
5. Problemas ambientais (lubrificantes)

As análises de qualquer projeto mecânico onde haja a necessidade de suportar carga e promover deslocamento relativo entre partes, sempre levam a pergunta: “Qual é a melhor solução para o problema de suportar carga através da interface com atrito e desgaste aceitáveis?”. O pensamento clássico leva a uma solução via lubrificação fluídica, contudo as soluções de engenharia disponíveis para problemas tribológicos são mais amplas e complexas do que o simples uso de lubrificantes, como mostrado abaixo:

[pic 1]

Figura 1 – Modelo simplificado para o desgaste abrasivo

1. Superfícies metálicas e rugosidade

A natureza das superfícies metálicas é uma consequência direta processo de fabricação a que foram submetidas, por exemplo, a usinagem, que corresponde de 60% a 70%, sendo um dos principais processos de fabricação na indústria. Todos os processos de fabricação induzem em erros que são traduzidos sob a forma de desvios dimensionais e geométricos, sendo que nenhum processo de fabricação existente até o presente permite produzir superfícies perfeitamente lisas. Superfícies de peças, mesmo que aparentemente lisas, quando observadas em microscópio apresentam regiões com maior ou menor planicidade, a qual é definida como sendo rugosidade (DIN 4760). Algumas considerações podem ser traçadas entre o processo de fabricação e qualidade superficial possível de ser obtida. As tabelas apresentadas neste segmento fornecem as possibilidades que podem ser atingidas em termos de exatidão dimensional, geométrica e qualidade superficial que podem atingidas por alguns processos de fabricação.[pic 2]

Tabela 1 - Relação entre precisão e mecanismo de usinagem

[pic 3]

Figura 2 - Evolução da precisão na usinagem e inspeção no século XX (Tanigushi,1994) CAPÍTULO 3

1. Desgaste

De forma geral o desgaste pode ser definido como uma mudança cumulativa e indesejável em dimensões motivada pela remoção gradual de partículas discretas de superfícies em contato e com movimento relativo, devido, predominantemente, a ações mecânicas. O desgaste é um processo complexo, resultado de diferentes processos que podem ocorrer independentemente ou em combinações. Podem ser salientadas quatro formas de desgaste:

• por adesão;
• pro abrasão
• por corrosão
• por fadiga superficial

A complexidade do processo de desgaste pode ser mais bem compreendida pelo reconhecimento da quantidade de variáveis envolvidas, incluindo dureza, tenacidade, ductilidade, módulo de elasticidade, tensão de escoamento, propriedades relativas à fadiga, estrutura e composição das superfícies em contato, bem como, geometria, pressão de contato, temperatura, estado de tensões, distribuição de tensões, coeficiente de atrito, distância de escorregamento, velocidade relativa, acabamento superficial, lubrificantes, contaminantes, e atmosfera ambiente na interface sob desgaste. Em alguns casos, pode ser importante conhecer o histórico ‘tempo de separação X tempo de contato’ das superfícies sob desgaste. Embora o processo de desgaste seja complexo, nos últimos anos conseguiu-se certo progresso no desenvolvimento de relações empíricas quantitativas para as várias subcategorias de desgaste, sob determinadas condições de operação. Neste trabalho, daremos ênfase ao processo de desgaste por abrasão.

1. Desgaste por Abrasão

Esta é a forma de desgaste que ocorre quando uma superfície rugosa e dura, ou uma superfície mole contendo partículas duras, desliza sobre uma superfície mais mole, e produz uma série de ranhuras nesta superfície. O material das ranhuras é deslocado na forma de partículas de desgaste, geralmente soltas. O desgaste abrasivo pode ocorrer, também, em uma situação diferente, quando partículas duras e abrasivas são introduzidas entre as superfícies deslizantes, desgastando-as. Causado por partículas sólidas que penetram na área entre as superfícies lubrificadas erodindo-as fisicamente. As partículas sólidas podem ser contaminantes ou fragmentos do desgaste. Para ocasionar o desgaste, a partícula deve ser mais alta que a espessura da película de óleo e mais dura que as superfícies com que entra em contato. Esse desgaste é caracterizado por arranhões (scratching) ou (scoring) na superfície e pode ser catastrófico se muito severo. O mecanismo desta forma de abrasivo parece ser o seguinte: um grão abrasivo adere temporariamente em uma das superfícies deslizantes, ou mesmo é incrustado nela, e risca uma ranhura na outra. As duas formas de desgaste, uma envolvendo uma superfície dura e rugosa e a outra um grão duro e abrasivo, são conhecidas como: