DESGASTE DE NBR POR ESFERAS DE AÇO EM ENSAIOS A SECO E EM REGIME DE LUBRIFICAÇÃO LIMÍTROFE

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1 DESGASTE DE NBR POR ESFERAS DE AÇO EM ENSAIOS A SECO E EM REGIME DE LUBRIFICAÇÃO LIMÍTROFE Clarissa D. M. de Oliveira 1*, Dyego M. Souza 2, Leonardo A. M. Dourado 3, Vinícius C. Pinto 4, Marcelo R. A. de Freitas 5* J. Ubiragi L. Mendes 6, J. Telésforo N. de Medeiros 7 1* Aluna do curso de Eng. Materiais da UFRN clarissamend@oi.com.br; 2 Aluno do curso de Eng. Materiais da UFRNdyego_ms@pop.com.br; 3, 4 Alunos do curso de Eng. Mecânica da UFRN-leonardo_amd@yahoo.com.br, vinicius_c_pinto@hotmail.com ; 5* Eng. Mec.do GET-UFRN mrenney2000@yahoo.com.br; 6 Professor do PPGEM ubiragi@ufrnet.br 7 Professor do PPGEM Grupo de Estudos de Tribologia GET-UFRN Natal RN - medeirosj2@asme.org NBR wear by steel spheres by dry rotary and boundary lubricated testing Abstract: The aim of this paper is study the elastomer wear, under dry and boundary lubrication condition. Seven discs of NBR, hardness Shore A 76±5, diameter 39.0±0.5 mm, fixed on a stationary cup, were submitted to a contact with three rotary spheres of AISI steel, equally spaced, under a normal load of 45 N. The sliding motion promoted an abrasive wear of NBR during the unlubricated and lubricated tests. Three drops of SAE 40 Engine Oil were furnished to wet the NBR disk before each lubricated test, which duration was specified to run by one and ten kilometers. The thermal history of the contact was recorded in real time using an acquisition data system coupled to a microcomputer, to identify the running-in and steady-state regimens. The mass variations were measured using an analytical balance. The results are presented and discussed relative to wear tracks and rates and related to temperature ranges obtained according with the different test conditions. Introdução O projeto de sistemas de vedação de bombas em poços de petróleo torna-se mais crítico à medida que a legislação coíbe vazamentos que levem a danos ambientais. Nesse escopo, a seleção dos selos tem migrado para um processo engenherado e com um cunho científico, envolvendo numerosas variáveis. Alguns estudos relacionados ao desgaste dos metais em contato com elastômeros já foram desenvolvidos, relatados por Zhang, 2004 [1]. A Tabela 1 apresenta um resumo das principais contribuições científicas envolvendo atrito e desgaste em pares tribológicos elastômero-metal. Tabela 1. Estudo de atrito e desgaste em contatos elastômero-metal (Zhang [2004] e Medeiros [2002]) Autores e ano Escopo do estudo Contribuição cientifica Reynolds, O. [1875] [2] Experimento sobre o contato entre um rolo de ferro e uma superfície plana de Energia dissipada (atrito) e resistência ao rolamento borracha natural D.I. James [1967] Desgaste e atrito de pares tribológicos Medidas indicaram que borrachas moles [3] R.B. King e J.K. Lancaster[1980] [4] K.AB-Malek e A. Stevenson [1984] [5] J.M. Charrier, S.G. Maki, J.P. Chalsfoux e A.N. Gent [1986] [6] metal-borracha Desgaste e atrito de pares tribológicos metal-borracha Taxa desgaste e atrito de pares tribológicos metal-borracha Estudos dos danos causados pelo atrito entre o par tribológico metal-borracha desgastam metais com uma maior dureza Desgaste do par tribológico agora levando em conta o uso de um lubrificante, e possíveis contaminantes Identificação de vários fatores que influencia neste desgaste. Dependendo de alguns fatores, uma borracha mole causa danos na superfície de uma aço relativamente de dureza muito maior

2 Baseado nas referências acima listadas e com vistas a entender uma parcela dos problemas tribológicos associados à vedação comentados anteriormente, este trabalho propõe-se a estudar o comportamento de uma borracha NBR quando submetida ao contato de deslizamento e rolamento sob uma carga normal, distribuída em três esferas de aço, levando em conta as variáveis: Temperatura próxima ao contato, distância de deslizamento, regime de lubrificação, taxa de desgaste. Experimental 1. Ensaio O ensaio consistiu em girar três esferas concêntricas, defasadas em 120º (figura 1) contra um disco de NBR, que foi fixado em um copo, na base. O critério utilizado para o fim de ensaio foi estabelecer dois valores para a distância de deslizamento, em 500 m e 5000 m. Para cada uma das distâncias de deslizamento, foram realizados ensaios (a) com uma gota, (b) com três gotas de lubrificante e (c) sem lubrificação. O lubrificante utilizado nos ensaios (a) e (b) foi um óleo mineral comercial (nível de qualidade API SE/CC), com viscosidade SAE 40. Repetiu-se o ensaio na condição (c). Durante cada um de todos os ensaios, foi monitorada a diferença de temperatura entre a superfície inferior do corpo-de-prova, a 4±1 mm do contato e a temperatura ambiente. Uma placa de aquisição de dados acoplada a um computador registrou as temperaturas a uma taxa de leitura de 30 pontos por minuto, 0,5 Hz. Porta-esfera Figura 1: Fotos da bancada de ensaios Copo base

3 2. Materiais A partir de um tarugo de elastômero NBR, com diâmetro 38,0±0,5 mm, foram confeccionados sete corpos-de-prova de espessura 5,0±1,0 mm (figura 2). Para o preparo das superfícies, foram utilizadas folhas de lixas P100, P360 e P600, onde os diâmetros das partículas são de 162,0µm, 40,5µm e 25,8µm, respectivamente. A seguir, mediram-se a dureza Shore A, Sh A 73±5 e a rugosidade aritmética média, Ra 1,075 μm, nos corpos-de-prova. Os contracorpos utilizados foram de esferas de aço de diâmetro 6,35±0,05 mm (figuras 3 e 4). Na preparação dos corpos-de-prova para os ensaios foram realizados banhos de ultra-som em água destilada, durante 10 min, secagem e pesagem. O mesmo procedimento foi adotado após cada um dos ensaios. Figura 2. Disco de NBR, com furos em 3h e 9h, para fixação Figura 3: Esferas de aço AISI e disco-sede para o seu alojamento Figura 4. Microscopia óptica do aço ABNT de uma das esferas ensaiadas, atacada com Nital 2%.

4 Resultados e Discussão Observou-se uma resposta coerente da temperatura próxima ao contato nos ensaios lubrificados com três gotas, com uma gota e não-lubrificado, Figura 5. Na Figura 5(b), 500 m, fez-se um ensaio de repetição na condição sem lubrificante. Essa ordenação crescente na temperatura de contato sugere uma gradação no atrito durante o contato metal-borracha, em função da maior espessura do filme lubrificante, λ>1, ou na ausência deste, λ=0. O parâmetro tribológico lambda, λ, quociente entre a espessura do filme lubrificante e a rugosidade média, associa-se ao regime de lubrificação, sugerindo os regimes elasto-hidrodinâmico (3 gotas) e limítrofe (1 gota), 1>λ>0. Esta inferência fez-se das curvas de temperatura de contato e da evidência experimental dos filmes lubrificantes. T1-T2( C) T1-T2 ( C) Sem lubrificação Sem Lubrificação 1 5 Sem lubrificação [a] 500 m [b] 5000 m Figura 5: Gráficos da temperatura próxima ao contato menos a temperatura ambiente em função da distância de deslizamento Na análise dos ensaios não-lubrificados, para as distâncias de 500 m e 5000 m, observou-se uma maior perda mássica coerente com as diferenças de temperatura que também foram mais elevadas. Nas amostras dos ensaios lubrificados não foi possível analisar a perda mássica devido à absorção do óleo lubrificante pelo corpo de prova como demonstra o gráfico (Figura 6).

5 Taxa de Desgaste(m 2 /N) 2,50E-014 0,00E+000-2,50E-014-5,00E-014-7,50E-014-1,00E-013-1,25E-013-1,50E-013-1,75E (m) 5000 (m) Sem Lubrificação Sem Lubrificação Figura 6: Gráfico da taxa de desgaste dos discos de NBR em função da distancia de deslizamento. Conclusão Ante as condições utilizadas nesta pesquisa, 1. A bancada desenvolvida e a instrumentação e o método utilizados mostraram-se eficazes em seus objetivos; 2. Os ensaios com apenas uma gota de óleo caracterizaram um regime de lubrificação limítrofe, constatado em laboratório pelo delgado filme lubrificante e pela história térmica; 3. Os ensaios sem lubrificação demonstraram haver desenvolvido os campos de temperatura mais elevados; 4. Nos ensaios lubrificados com três gotas de óleo, constatou-se um regime de lubrificação elasto-hidrodinâmico. Agradecimentos Aos Laboratórios de Metrologia e de Mecânica dos Fluidos da UFRN, aos alunos de graduação de Engenharia Mecânica Rodrigo Márcio, Fernanda Alves e Marcelo Tanaka, à aluna de Graduação de Engenharia de Materiais Aline Cristina Mendes de Farias e à Engenheira de Materiais Janaína Silva de Santana. Referências Bibliográficas 1. S.W. Zhang, Tribology of Elastomers, B. J. Briscoe, Ed.; Elsevier, Amsterdam, 2004: J.T.N. Medeiros, Fadiga de contato de discos metálicos não-conformes submetidos a ensaios a seco de rolamento cíclico. Tese de Doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, volumes.