ESTUDO TRIBOLÓGICO DE ÓLEOS BIODEGRADÁVEIS DE COCO E DE RÍCINO ATRAVÉS DE ENSAIOS ABRASIVOS

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1 ESTUDO TRIBOLÓGICO DE ÓLEOS BIODEGRADÁVEIS DE COCO E DE RÍCINO ATRAVÉS DE ENSAIOS ABRASIVOS Jaciana S. Santana 1, Janaina S. Santana 1, João T. N. Medeiros 2, Carlos M. Lima 2, Cleiton R. Formiga 2 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UFRN 2 Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecânica, UFRN, Campus Universitário Lagoa Nova, CEP , Natal-RN, Brasil, *jaciana_santana@yahoo.com.br Área Temática: Tribologia RESUMO Em substituição aos óleos minerais, os óleos biodegradáveis vêm proporcionando uma grande alternativa ao mercado, devido o mesmo diminuir os impactos ambientais. Com a finalidade de avaliar o desempenho do óleo de rícino e o óleo de coco, realizaram-se ensaios tribológicos de desgaste na configuração plano-contra-cilindro em aço AISI As superficies das amostras metálicas foram confeccionadas por torneamento e lixamento utilizando-se lixas de diferentes granulometrias, seguidas por limpeza com banho ultrassônico e pesagem antes e após a realização dos ensaios. Os corpos-de-prova foram analisados antes dos ensaios no microscópio óptico. A dureza do material também foi medida utilizando-se para isto um durômetro Rockwell. O óleo foi caracterizado através de ensaios de densidade e tensão superficial [1]. A eficiencia da ação do lubrificante foi avaliada através da taxa de desgaste das amostras utilizando-se a equação de Archard e por microscopia eletrônica de varredura (MEV). PALAVRAS CHAVE: Óleo de Rícino, Óleo de Coco, Lubrificação, Desgaste, Aço AISI 52100, Tribologia. INTRODUCÃO O consumo de óleos minerais trouxe à tona problemas relacionados ao efeito estufa e a camada de ozônio. A utilização destes óleos na industria automobilística e na industria em geral como lubrificante promove a poluição dos lençóis freáticos assim como do mar e do ar. Uma das formas de reduzir os impactos causados por estes óleos é a sua substituição por óleos vegetais biodegradáveis. Estudos laboratoriais utilizando-se ensaios tribológicos de abrasão promovem uma idéia de seu comportamento. O fenômeno de desgaste é comum na maioria dos elementos e dispositivos mecânicos e, em boa parte das aplicações, pode ser o fator determinante na quantificação da sua vida em serviço [2]. O desgaste é caracterizado como uma perda progressiva de material debido ao contato entre duas superficies que apresentam movimiento relativo entre si [3]. Segundo Ješić Dušan [4], o valor do desgaste dos elementos de um sistema tribológico dependem de fatores como carga externa, velocidade de deslizamento, tipo de lubrificante, etc. Durante o deslocamento relativo entre duas superficies, debe-se aplicar uma força suficientemente grande para vencer a resistência ao atrito e com a continuidade do deslizamento, essa força debe ser mantida e, desse modo, é injetada energía no sistema. Esta pode ser utilizada de varios modos, entre os quais deformação de partículas de desgaste, emissão de energía acústica e calor [5]. O desgaste por abrasão ocorre quando dois corpos possuem movimentos relativos entre si e quando a dureza de um material é superior a 20% da dureza do outro. Na grande maioria dos sistemas que utilizam engrenagens, é necessária a aplicação de lubrificante. Os lubrificantes têm a função de introducir entre as superficies de deslizamento uma camada de material com resistência ao cisalhamento menor que a das superficies em contato [3]. Pág

2 Em alguns sistemas lubrificados, o lubrificante pode não prevenir completamente o contato entre as asperezas, entretanto, também pode reduzir a resistência da formação de junções. Em outros casos, o lubrificante separa as superficies completamente e nenhuma junção é formada [3]. METODOLOGIA DE ENSAIOS No presente trabalho utilizou-se o aço AISI (aço rolamento) na confecção dos corpos-de-prova planos e contracorpos cilíndricos. Os corpos-de-prova plano em forma de pino e contracorpos cilíndricos foram usinados pelo processo de torneamento. As geometrias dos corpos-de-prova e contracorpos estão ilustradas (Fig. 1). As dimensões dos corposde-prova foram de 14,20 mm de altura e 12,25 mm de diâmetro. Os contracorpos apresentaram as dimensões de 12,25 mm de espessura e 24,5 mm de diâmetro. Fig. 1. Geometria dos corpos-de-prova plano em forma de pino e contracorpos cilíndrico de aço AISI O acabamento das superficies após a usinagem foi obtido com lixas de SiC nas seguintes granulometrias: #100, #180, #240, #360, #400, #600 e #1200. Após o lixamento, todas as peças foram submetidas a um banho de ultrasom durante 20 minutos numa solução de álcool isopropílico, secadas com um secador, pesadas em uma balança digital (Sartorius CC1201). Após as etapas de usinagem, lixamento, limpeza e pesagem as superfícies foram avaliadas através de um rugosímetro (Taylor Hobson Surtronic 25) no sentido transversal ao lixamento final. O comprimento de amostragem, ou cut off (λc), foi de 0,8 mm. Todas as peças foram submetidas a sete varreduras de rugosidade para possibilitar valores mais confiáveis. A média e o desvio padrão dos valores obtidos são apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Valor médio e desvio padrão das medidas de rugosidade Material Rugosidade (µm) Ra Rq Rz corpos-de-prova planos 0,22 ± 0,11 0,27 ± 0,14 1,20 ± 0,62 contracorpos cilíndricos 0,23 ± 0,09 0,30 ± 0,11 1,78 ± 0,49 O perfil representativo da rugosidade superficial dos corpos-de-prova planos é ilustrado (Fig. 2). Pág

3 Fig. 2. Perfil de rugosidade superficial dos corpos-de-prova planos. A dureza do aço foi verificada através de ensaios de dureza Rockwell B aplicando-se uma pré-carga de 10 Kgf e carga de 100 Kgf. A tabela (2) apresenta os valores médios e os desvios padrão do aço AISI utilizado. Tabela 2. Valor médio e desvio padrão das medidas de dureza Rockwell B Material Dureza Rockwell C Aço AISI HRB ± 0,487 Em seguida os corpos-de-prova foram analisados por microscopia óptica antes dos ensaios. Os óleos foram expostos a ensaios de densidade e tensão superficial, utilizando-se um tensiómetro (Krüss Processor Tensiometer K100). Os respectivos valores são dados na Tabela 3. Tabela 3. Valores de densidade e tensão superficial dos óleos Tipos de Óleo Densidade (g/ml) Tensão Superficial (mn/m) Óleo de Coco 0,918 24,64 ± 0,28 Óleo de Mamona Bruto 0,957 33,32 ± 0,03 Óleo de Mamona Refinado 0,956 31,97 ± 0,06 Óleo SAE 20W50 SJ 0, ,10 ± 0,06 Óleo W40 0,874 30,96 ± 0,04 Em um tribômetro de abrasão, adaptado a partir de um torno de bancada, foram realizados os ensaios de abrasão. A bancada permite que uma superfície de revolução cilíndrica deslize em contato com uma superficie plana fixada em um porta amostra, (Fig. 3). A carga é fornecida através de um peso morto localizado em uma das extremidades do porta amostra, mantendo assim as superficies em contato. Os desvios de batida radial nas superficies dos contracorpos foram medidos utilizando-se um relógio comparador. A carga normal foi mantida constante em 5,22 N, a distância de deslizamento foi de 10 km e a velocidade rotacional de 817 RPM. Os ensaios abrasivos foram realizados em condições lubrificadas com óleos vegetais de mamona refinado, óleo de mamona bruto e óleo de coco bruto. Os óleos minerais 20W50 e o W40 foram utilizados para comparar o desgaste com os óleos vegetais. O fluxo de óleo foi controlado através de uma válvula reguladora e a coleta de dados de temperatura foi realizada através de dois termopares acoplados a uma placa de aquisição de dados (National Instruments). Um dos termopares foi fixado na lateral do corpo-de-prova plano em aproximadamente 3 mm da região do contato, o outro foi posicionado a uma distância de 400 mm do contato para coletar a temperatura ambiente. Pág

4 Fig. 3. Esquema da configuração dos ensaios de abrasão. Após a realização dos ensaios, as amostras foram limpas e pesadas novamente na balança digital. A taxa de desgaste dos corpos-de-prova planos foi calculada através de Archard [3] Eq. (1), onde o coeficiente de desgaste dimensional (Ka) é encontrada através da expressão abaixo. Q KW H (01) Entretanto, a relação K/H simbolizada por ka (coeficiente de desgaste dimensional) é mais utilizada em aplicações de engenharia [3]. Logo, a Eq. (01) pode ser escrita da seguinte forma: k Q a W (02) Após os ensaios tribológicos de abrasão, as superfícies desgastadas dos corpos-de-prova foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), possibilitando a identificação dos principais mecanismos de desgaste atuantes no sistema. RESULTADOS E DISCUSSÃO As imagens das superficies dos corpos-de-prova desgastados representadas na figura 4 foram obtidas através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). As setas indicam a direção e o sentido do deslizamento. Observa-se que o corpo-de-prova lubrificado com óleo de coco apresentou uma superficie de desgaste menos danificada. Os principais mecanismos de desgaste apresentados foram sulcamento e deformação plástica. Pág

5 (a) Óleo de Coco (b) Mamona Bruto (c) Mamona Refinado (d) Óleo 20W50 - SJ (e) Óleo W40 Fig. 4. MEV das superficies metálicas desgastadas nas condições de lubrificação com: (a) óleo de coco; (b) óleo de mamona bruto; (c) óleo de mamona refinado; (d) óleo SAE 20W50 e (e) óleo W40. Pág

6 Tc -Ta ( C) A variação de temperatura é um parâmetro indireto utilizado para medir o atrito, e consequentemente o desgaste. Na figura 5 é apresentado o gráfico da diferença entre a temperatura de contato dos corpos-de-prova (Tc) e a temperatura ambiente (Ta) em função da distância de deslizamento. Observa-se que o óleo de mamona bruto proporcionou maior aquecimento na região de contato. Os demais óleos apresentaram praticamente a mesma variação de temperatura até aproximadamente 6 Km de distancia de deslizamento, após esta posição há uma pequeña ascendencia de temperatura das superficies lubrificadas com os óleos de mamona refinado e do óleo comercial SAE 20W50 SJ. De acordo com [1] quanto menor a tensão superficial maior será a lubricidade. Observa-se que a variação de temperatura do óleo de coco e do óleo W40 seguem as características da tensão superficial. 29,0 28,5 Coco MRef. MBrut SAE20W 50 W 40 28,0 27,5 27,0 26,5 26,0 25, Distância de deslizamento (Km) Fig. 4. Gráfico da variação de temperatura em função da distancia de deslizamento. A tabela 4 indica a taxa de desgaste dos corpos-de-prova com os respectivos óleos utilizados. Tabela 4. Valores da taxa de desgaste Tipos de Óleo Óleo de Coco Óleo de Mamona Bruto Óleo de Mamona Refinado Óleo SAE 20W50 SJ Óleo W40 Taxa de Desgaste 2,42495E-16 2,42495E-16 4,8499E-16 7,27484E-16 2,18245E-15 A taxa de desgaste para o óleo SAE 20W50 SJ segue a mesma tendência dos valores de variação de temperatura, obtendo maiores valores, seguidos do óleo de mamona refinado. A menor taxa de desgate foi apresentada no corpo-de-prova que utilizou o óleo W40. CONCLUSÕES Os ensaios de desgaste é uma ferramenta que satisfaz a caracterização do óleo com relação a sua aplicação em sistemas dinâmicos. Os resultados indicam que há uma tendência dos óleos biodegradáveis em apresentar resultados compreendidos entre os óleos minerais comerciais. Pág

7 REFERÊNCIAS 1. Souza, L.D., Nunes, A.O., Santos, A.G.D., Barros Neto, E.L., Caracterização Padronizada de Óleos, Diesel e Biodiesel, Produzidos ou Consumidos no RN, Química do Brasil, v.1 n 2 (2007). 2. Reis e Zavaglia; Projeto e Construção de um Equipamento para Ensaios de Desgaste de Materiais para uso em Próteses Ortopédicas, Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, v. 15 (1999). 3. Hutchings, I. M., 1992, Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, University of Cambridge, Edward Arnold. 273 p. 4. Dusan, J., 2003, Tribological Properties of Isothermally Upgraded Nodular Cast Irons in Contact With Carbon Steel and Grey Pig-Iron Casting, National Tribology Conference Santana, J. S., 2005, Desgaste de Cerâmicas com Resíduos de Granito, Através do Contato com Esferas de Vidro, Esferas de Aço e Poliuretano. NOMENCLATURA Q K k a W Volume desgastado por unidade de distancia de deslizamento (mm 3 /m) constante de proporcionalidade coeficiente de desgaste dimensional (m 2 /N) carga (N) Pág