Lubrificantes. 1. Introdução

Universidade Estadual do Norte Fluminense Centro de Ciências e Tecnologias Agropecuárias Laboratório de Engenharia Agrícola EAG 03204 Mecânica Aplicada * Lubrificantes 1. Introdução Lubrificar é aplicar uma substância (lubrificante) entre duas superfícies em movimento relativo, formando uma película, que evita o contato direto entre as superfícies, promovendo diminuição do atrito, e conseqüentemente do desgaste e da geração de calor. O lubrificante deve desempenhar as principais funções: - Lubrificar - A função primária do lubrificante é formar uma película delgada entre duas superfícies móveis, reduzindo o atrito e suas conseqüências, que podem levar à quebra dos componentes. - Refrigerar - O óleo lubrificante representa um meio de transferência de calor, retirando o calor gerado por contato entre superfícies em movimento relativo. Nos motores de combustão interna, o calor é transferido para o óleo através de contatos com vários componentes, e então, para o sistema de arrefecimento de óleo. - Limpar e manter limpo - Em motores de combustão interna especialmente, uma das principais funções do lubrificante é retirar as partículas resultantes do processo de combustão e manter estas partículas em suspensão no óleo, evitando que se depositem no fundo do carter e provoquem incrustações. - Proteger contra a corrosão - A corrosão e o desgaste podem resultar na remoção de metais do motor, por isso a importância dos aditivos anticorrosivo e antidesgaste. Os primeiros lubrificantes eram de origem animal, mas com o passar do tempo, o homem foi aperfeiçoando e criando novos inventos, e por necessidade, os lubrificantes foram evoluindo também, passando a ter bases de origem vegetal, mineral e sintética. Os modernos lubrificantes são uma composição de óleos básicos, que podem ser minerais ou sintéticos, com aditivos. Grande parte dos lubrificantes utilizada atualmente é obtida a partir do petróleo (mineral) ou produzida em usinas de química fina (sintético) e as matérias-primas com características lubrificantes também são chamadas de bases lubrificantes. As bases lubrificantes são selecionadas de acordo com sua capacidade de: - Formar um filme deslizante protetor das partes móveis; - Resistir às constantes tentativas do calor e do oxigênio de alterarem suas propriedades; - Resistir a choques e cargas mecânicas sem alterar seu poder lubrificante; - Remover calor dos componentes internos do equipamento. Os lubrificantes são geralmente classificados em: - Quanto à origem: Orgânica óleos graxos; Vegetal mamona, palma, oliva; Animal sebo, mocotó, gordura, óleo de baleia, banha de porco; Mineral petróleo; Sintético polímeros de usinas de química fina. - Quanto ao estado físico: Sólido talco, grafite, mica, MoS2; Pastoso graxa; Líquido óleo; Gasoso freon, nitrogênio, ar. * Prof. Ricardo Ferreira Garcia garcia@uenf.br CCTA-LEAG

Para oferecer outras características de desempenho, proteção e aumentar sua vida útil são adicionados às bases lubrificantes alguns componentes químicos que são chamados de aditivos. As principais funções são: - Detergente/dispersante limpa e mantém em suspensão evitando sedimentação dos produtos contaminantes (poeira, carbono da combustão produtos de oxidação do próprio óleo, etc.); - Melhorador do índice de viscosidade reduz influência da temperatura na viscosidade; - Abaixador do ponto de fluidez evita a cristalização (solidificação) do óleo apropriado, para climas com temperaturas baixas; - Antioxidande evita a oxidação do óleo básico do lubrificante (principalmente a alta temperatura); - Antiferruginoso inibe ação da água sobre o ferro; - Antiespumante aumenta a tensão superficial do óleo evitando formação de bolhas; - Aumentador de resistência a pressões elevadas (EP) ou ação química do aditivo (enxofre com boro ou fósforo) sobre o metal evita o contato metal/metal; - Base química ou compostos alcalinos neutraliza os compostos ácidos formados. 2. Óleos lubrificantes Os óleos lubrificantes compõem uma grande linha de produtos para o setor automotivo, agrícola, etc. Entre os principais produtos, pode-se citar os óleos para motores, para transmissões e para sistemas hidráulicos. 2.1. Classificação de óleos lubrificantes Os óleos lubrificantes são normalmente classificados quando à viscosidade e nível de desempenho. 2.1.1. Classificação dos óleos lubrificantes quanto à viscosidade SAE A viscosidade é definida como a resistência que um fluido oferece ao seu próprio movimento. Quanto menor for a sua viscosidade, maior será a sua capacidade de escoar (fluir). Os valores de viscosidade dos óleos são obtidos experimentalmente em laboratório, utilizando-se um aparelho chamado viscosímetro (Figura 1). Trata-se de um teste padronizado onde é medido o tempo que certa quantidade de fluido leva para escoar através de um pequeno tubo (capilar) a uma temperatura constante. A temperatura do teste deve ser constante, pois a viscosidade é uma propriedade que se altera de acordo com a variação da temperatura. Quanto maior for a temperatura, maior será a facilidade de escoamento, e quando em temperaturas baixas, o fluido oferece maior resistência ao escoamento devido ao aumento da viscosidade. Os valores obtidos em laboratório são associados a unidades técnicas de medida de viscosidade, como centistokes (cst) e centipoises (cp). Por sua vez, a SAE (Society of Automotive Engineers), criou um critério de classificação que teve aceitação generalizada pelos fabricantes de veículos e de lubrificantes. Esta classificação é feita associando-se um número puro à viscosidade determinada em laboratório. Quanto maior o número, maior será a viscosidade. Figura 1 Viscosímetro para obtenção de viscosidade de óleos lubrificantes.

A classificação SAE divide os óleos lubrificantes em dois grupos: Óleos de grau de inverno São óleos que possibilitam uma fácil e rápida movimentação, tanto do mecanismo quanto do próprio óleo, mesmo em condições de frio rigoroso ou na partida a frio do motor, e cuja viscosidade é medida a baixas temperaturas (0 a 10 o C) e tem a letra W (winter, de inverno) acompanhando o número de classificação. Os testes para óleos de grau de inverno levam em consideração a resistência que o mesmo oferecerá na partida a frio do motor e a facilidade de bombeamento e circulação em baixas temperaturas. Óleos de grau de verão São óleos que trabalham em altas temperaturas, sem o rompimento de sua película lubrificante, pois quanto mais quente o óleo, menos viscoso ele se apresenta. Os óleos de grau de verão têm, portanto sua viscosidade medida a altas temperaturas. Os testes dos óleos de grau de verão verificam a operabilidade do lubrificante em altas temperaturas, ou seja, a sua capacidade de oferecer proteção em regimes extremos. A classificação SAE para óleos motores é apresenta a seguir no Quadro 1. Quadro 1 - Classificação SAE para os óleos de motores Grau SAE Viscosidade (cp) Viscosidade a 100 o C (cst) máxima mínimo máximo 0 W 3250 a - 30 o C 3,8-5 W 3500 a - 25 o C 3,8-10 W 3500 a - 20 o C 4,1-15 W 3500 a - 15 o C 5,6-20 W 4500 a - 10 o C 9,3-25 W 6000 a - 5 o C 9,3-20 - 5,6 9,3 30-9,3 12,5 40-12,5 16,3 50-16,3 21,9 60-21,9 26,1 A classificação SAE para óleos de caixas de marchas e diferenciais é apresentada no Quadro 2. Quadro 2 Classificação SAE para os óleos de caixas de marchas e diferenciais Grau SAE Temperatura (ºC) para a viscosidade de 150000 cp Viscosidade a 100 o C (cst) (150 Pa.s) mínimo máximo 70 W - 55 4,1-75 W - 40 4,1-80 W - 26 7,0-85 W - 12 11,0-90 - 13,5 24,0 140-24,0 41,0 250-41,0 - Existem óleos que, ao mesmo tempo, atendem às duas exigências (grau inverno e verão). É o caso dos óleos multiviscosos, cuja classificação reúne graus de óleos de inverno e de verão. Por exemplo, um óleo SAE 20W/50 mantém a viscosidade adequada, tanto em baixas temperaturas (se comportando como um óleo SAE 20W), facilitando a partida a frio, quanto em altas temperaturas (se comportando como um óleo SAE 50), garantindo uma perfeita lubrificação.

2.1.2. Classificação dos óleos lubrificantes quanto ao nível de desempenho API Esta classificação está relacionada ao nível de desempenho do lubrificante é a avaliação da qualidade da proteção fornecida pelo lubrificante ao mecanismo que está sendo lubrificado. No caso de lubrificantes, o API (American Petroleum Institute) estabelece os parâmetros de desempenho, através de uma seqüência de testes complexos e específicos, de acordo com metodologias padronizadas pela ASTM (American Society for Testing and Materials). Para determinar esta classificação, uma seqüência de testes de campo e em laboratórios de motores é definida e recebe um nome, por exemplo: API SJ. Os motores são abastecidos com o lubrificante a ser avaliado e são colocados em funcionamento em condições rigidamente controladas, refletindo o trabalho de vários modelos nas mais variadas aplicações. A seqüência de testes determina os padrões de condições que os componentes internos do motor devem apresentar após rodar com o lubrificante em teste. Estes padrões levam em conta o nível de proteção, desgaste dos componentes, limpeza, contaminação, etc. O desempenho do lubrificante é aferido, comparando-se o estado final do equipamento com estes padrões. A classificação API para óleos de motor abrange dois grupos: Motores Gasolina, Álcool e Gás Natural Veicular (GNV) Esta classificação é identificada pela letra S, de Service Station (postos de serviço, garagem) ou Spark (faísca/centelha). Dentro desta classificação, há diferentes níveis de tecnologia, identificados pela adição de uma letra após o S que identifica o nível de evolução do lubrificante. - SA Lubrificantes para motores diesel e gasolina, em serviços leves. Não requerem dados de desempenho. Não possuem aditivos. - SB Para motores a gasolina, em serviços leves. Óleos com alguma capacidade antioxidante e antidesgaste. - SC Para motores a gasolina, sob garantia a partir de 1964. Devem proporcionar o controle dos depósitos em altas e baixas temperaturas, do desgaste, da oxidação e da corrosão. Óleos que atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores de 1964 a 1967. - SD Para motores a gasolina, sob garantia a partir de 1968. Devem proporcionar proteção contra depósitos em altas e baixas temperaturas, contra o desgaste, a ferrugem e a corrosão. Podem substituir qualquer um dos anteriores. Atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores de 1968 a 1971. Atualmente estão obsoletas. - SE Para motores a gasolina, sob garantia a partir de 1972. Devem proporcionar maior resistência à oxidação, à formação de depósitos em altas e baixas temperaturas, à ferrugem e à corrosão que os SD. Podem ser usados onde esses são recomendados. Atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores de 1972 a 1979. - SF Para motores a gasolina, sob garantia a partir de 1980. Devem proporcionar maior estabilidade contra a oxidação e melhor desempenho antidesgaste que os SE. Também pro proporcionam proteção contra depósitos, ferrugem e corrosão. Podem substituir qualquer um dos anteriores. Atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores de 1980 a 1988. - SG Para motores a gasolina, sob garantia a partir de 1989. Podem substituir qualquer um dos anteriores. Atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores a partir de 1989. - SH Para motores a gasolina, sob garantia a partir de julho de 1993. Podem substituir qualquer um dos anteriores. Atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores a partir de 1993. - SJ Lubrificantes para motores a gasolina, sob garantia a partir de agosto de 1997. Podem substituir qualquer um dos anteriores. Atendem aos requisitos dos fabricantes dos motores a partir de 1997 - SL Lubrificantes criados em 2001. Podem substituir qualquer um dos anteriores. Motores Diesel Esta classificação é identificada pela letra C, de commercial (linha comercial, frotas), ou compression (compressão). Dentro deste grupo, também há diferentes níveis de tecnologia, identificados pela adição de uma letra após o C. - CA Óleo com aditivos que promovem uma proteção aos mancais, contra a corrosão, desgaste, evitando a formação de depósitos de altas temperaturas. Óleo para uso em motores à gasolina e motores à gasolina e motores diesel não turbinados (com aspiração normal no ar), operando em

condições suaves ou moderadas, com combustível de baixo teor de enxofre (0,4%). Este tipo de óleo foi largamente usado nas décadas de 1940 e 1950. - CB Óleo com aditivos, proporcionando a mesma proteção que os óleos de Classe CA, mas em maior grau, devido à utilização de um combustível de elevado teor de enxofre. Óleo para uso em motores diesel, operando em condições suaves ou moderadas, com combustível de elevado teor de enxofre (1%). - CC Os óleos da classe CC proporcionam proteção contra depósitos de altas temperaturas e formação de borra de baixa temperatura. Também possuem proteção contra ferrugem, desgaste e corrosão. Óleo para uso em motores à gasolina sob serviço severo e motores diesel turbinados com baixa taxa de superalimentação, operando sob condições de moderadas a severas, com qualquer tipo de combustível. - CD Óleo com aditivos, proporcionando a mesma proteção que os óleos classe CC, mais em maior grau. Indicado para motores diesel turbinados com alta taxa de superalimentação, operando em condições severas e com qualquer tipo de combustível. - CD-2 Motores diesel dois tempos, trabalhando em serviço severo. - CE Óleo com aditivos, superando a categoria CD em ensaios mais severos de desempenho. Satisfaz as exigências dos fabricantes americanos quanto ao consumo de óleo lubrificante, combustível, controle de depósitos, dispersância, desgaste e corrosão. Indicado para motores diesel turbo-alimentados em serviço severo. - CF Categoria introduzida a partir de 1994, podendo ser usada em substituição a API CE. Para serviços em motores diesel de injeção indireta e outros, incluindo os que usam diesel com alto teor de enxofre (acima de 0.5%). Apresenta efetivo controle dos depósitos nos pistões, corrosão em mancais e desgaste, sendo os motores superalimentados, turbinados ou de aspiração natural. - CF-2 Para serviço em motores diesel de dois tempos que requerem efetivo controle de desgaste e depósitos. Esta categoria demonstra superior desempenho em relação aos óleos da classificação CD-2, podendo substituí-la. - CF-4 Esta classificação foi criada em 1990 para uso em motores diesel quatro tempos operando em altas velocidades. O CF-4 excede os requisitos do API CE no que tange a um maior controle de consumo de lubrificante e depósitos nos pistões. - CG-4 Categoria introduzida em 1994, desenvolvida especialmente para uso em motores projetados para atender aos níveis de emissão do EPA (Agência de Proteção Ambiental) podendo ser usada nos motores diesel de alta rotação em uso rodoviário, usando óleo diesel com teor com teor de enxofre inferior a 0,5%. Os óleos desta categoria destacam-se pela proteção aos motores contra depósitos em pistões operando em altas temperaturas, espuma, corrosão, desgaste, estabilidade a oxidação e acúmulo de fuligem. - CH-4 Categoria disponível a partir de dezembro de 1998. A classificação API CH-4 foi desenvolvida para entender a rigorosos níveis de emissão de poluentes, em motores de alta rotação e esforço, que utilizam óleo diesel com até 0,5% de enxofre. Os óleos desta categoria proporcionam especial proteção contra desgaste nos cilindros e anéis de vedação, além de possuírem o adequado controle de volatilidade, oxidação, corrosão, espuma. A classificação CH-4 substitui as classificações anteriores para motores de quatro tempos a diesel. A classificação API também classifica óleos lubrificantes de engrenagens. A classificação é identificada pelas letras GL, de gear lubrificant (lubrificantes de engrenagens) com a adição de um número que corresponde ao nível de tecnologia. - GL-1 Serviço característico das engrenagens angulares em espirais e do tipo sem-fim, bem como transmissões mecânicas de veículos, operando sob condições de baixa pressão e de deslizamento suave. - GL-2 Serviço característico de diferencias automotivos do tipo sem-fim, operando sob condições muito severas de carga, temperatura e de velocidade de deslizamento. - GL-3 Serviço característico de transmissões mecânicas e diferenciais cônico-helicoidais, operando sob condições mediamente severas de velocidade e de carga. - GL-4 Serviço característico de engrenagens hipóides de carros de passageiros e outros equipamentos automotivos, operando sob condições de alta velocidade e baixo torque ou viceversa. - GL-5 Serviço característico de engrenagens hipóides de carros de passageiros e outros equipamentos automotivos, operando sob condições de alta velocidade e cargas instantâneas (choque); alta velocidade e baixo torque ou vice-versa.

- GL-6 Serviço característico de engrenagens hipóides de grande excentricidade, de carro de passageiros e outros equipamentos automotivos, operando sob condições de alta velocidade e de alto desempenho. 3. Graxas Lubrificantes Na maioria das vezes, as graxas são usadas quando condições de projetos requerem um lubrificante sólido ou semi-sólido, com características de desempenho similares ao dos óleos lubrificantes. Para cada aplicação específica, uma combinação adequada de espessantes, óleos e aditivos, quimicamente estabilizados, permite uma lubrificação eficaz, com menores custos de manutenção. A graxa é a mistura de um óleo lubrificante (geralmente mineral) com um engrossador (geralmente um sabão metálico) e em certos casos mais um aditivo. O sabão metálico (3 a 40% em massa) aumenta a resistência ao calor, à umidade, à força centrífuga e ao desgaste. As graxas são mais usadas em temperaturas menores que 90 o C, em pontos com baixa velocidade e vedação imperfeita. As graxas devem possuir boa adesividade e resistência ao trabalho, além de suportarem bem ao calor e a ação da água e umidade. 3.1. Classificação de graxas lubrificantes NLGI A classificação NGLI é realizada quanto ao grau de consistência das graxas lubrificantes. A consistência de uma graxa é a resistência que esta opõe à deformação sob a aplicação de uma força. A consistência de uma graxa é medida pelo grau NLGI (National Lubricating Grease Institute). As graxas menos consistentes do que 0 (zero) são chamadas semifluidas e as mais resistentes do que 6 (seis) são chamadas de graxa de bloco. A graduação de consistências é definida por limites, em décimos de milímetro, para a penetração de um cone em uma amostra de graxa trabalhada (60 cursos no aparelho Grease Worker). Grau NLGI Penetração trabalhada em 1/10 mm 000 445 a 475 00 400 a 430 0 355 a 385 1 310 a 340 2 265 a 295 3 220 a 250 4 175 a 205 5 130 a 160 6 85 a 115 Nota: Diz-se que a penetração é trabalhada, quando a graxa é comprimida por um dispositivo especial, ou penetrômetro (Figura 2), 60 vezes a uma temperatura de 25 C, antes de medir a penetração. Figura 2 Penetrômetro com ponta cônica de ângulo sólido de 105 o e peso igual a 250 ±1g.

3.2. Tipos de constituintes das graxas lubrificantes As graxas lubrificantes são compostas por um óleo lubrificante com um engrossador (geralmente um sabão metálico) e em certos casos mais um aditivo. As graxas podem ser de sabão metálico, sintéticas, á base de argila, betuminosas e para processo. As graxas mais comuns utilizadas são as de sabão metálico. São constituídas de óleos minerais puros e sabões metálicos, que são a mistura de um óleo graxo e um metal (cálcio, sódio, lítio, etc.). Como os óleos, estas graxas podem ser aditivadas para se alcançarem determinadas características. Normalmente, podem ser subdivididas em: 3.2.1. Graxas de lítio São as graxas denominadas de múltiplas aplicações (multipurpose). São recomendadas para temperaturas variáveis entre -10 C e 150 C e em presença de umidade, mistura com a água sem perder qualidades lubrificantes. Possuem textura fina e lisa apresentando, geralmente, cor verde bem escura, São resistentes à água, suportam até 180 o C, e têm ponto de gota de 180 a 205 o C. Sua ótima bombeabilidade facilita seu uso em pistolas graxeiras e sistemas de lubrificação. Quando formadas com óleos com baixo ponto de fluidez são usadas para cabos e controle de aviões que estão sujeitos a temperaturas baixas. As graxas de lítio foram desenvolvidas particularmente para a aviação. São usadas tanto no campo automotivo como industrial, como na lubrificação de mancais de buchas e rolamentos, pinos e chassis e em todas as máquinas e veículos sujeitos à umidade, calor, poeira, choque. Podem substituir as graxas de cálcio e de sódio em suas aplicações, e possuem ótimo comportamento em sistemas centralizados de lubrificação. 3.2.2. Graxas de cálcio São graxas destinadas a lubrificação de máquinas em locais úmidos em virtude da graxa de cálcio ser insolúvel em presença de água e umidade. Apresentam a propriedade de engrossar quando contaminadas com água. No caso de serem formuladas com teor de sabão elevado, a tendência de engrossar se manifesta quando submetidas ao trabalho. Em sua maioria, possuem textura macia e amanteigada, apresentando cor amarela claro. São resistentes à água e apresentam força centrífuga máxima a 6 m/s. Suportam até 75 o C e seu ponto de gota varia de 72 a 99 o C. Devido ao fato de a maioria das graxas de cálcio conter 1 a 2% de água em sua formulação, e como a evaporação desta água promove a decomposição da graxa, elas não são indicadas para aplicações onde as temperaturas sejam acima de 60ºC (rolamentos, por exemplo). As graxas de complexo de cálcio (acetato de cálcio), não contêm água em sua formulação, podendo ser usadas com temperaturas elevadas. As maiores aplicações das graxas de cálcio são a lubrificação de mancais planos, os chassis de veículos e bombas de água. Utilizadas normalmente em mancais de bucha. Os mancais devem ter velocidade e temperaturas moderadas. Não devem ser usadas em mancais de rolamento, devido às altas temperaturas. 3.2.3. Graxas de sódio As graxas de sódio possuem uma textura que varia de fina até fibrosa. Geralmente, apresentam cor verde escuro. Resistem a altas temperaturas, até 180 o C, e seu ponto de gota varia de 135 a 180 o C, sendo, porém, solúveis em água. Suas maiores aplicações são os mancais de rolamentos e as juntas universais, desde que não haja presença de água, pois elas se desfazem. 3.2.4. Graxas de cálcio e sódio Geralmente, apresentam cor amarela escura. São resistentes à água por algum tempo e apresentam força centrífuga máxima a 30 m/s. Destinadas a trabalhos entre -40 a 130 o C.

3.2.5. Graxas de bissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) Geralmente, apresentam cor escura (preta). Apresentam boa resistência à água e protegem bem contra a abrasão, suporta até 150 o C. 4. Lubrificadores São dispositivos usados para aplicação dos lubrificantes. Podem ser para óleos ou graxas lubrificantes; e com perda total ou com reaproveitamento do lubrificante. 4.1. Para óleos lubrificantes (Figura 3) a) Almotolia; b) Copo com varetas; c) Copo com conta-gota; d) Circulação; e) Anel lubrificador ou corrente; f) Capilaridade ou por mecha; g) Salpico (borrifo); h) Imersão (banho de óleo); i) Sistema forçado (bomba). Figura 3 Lubrificadores para óleos lubrificantes. 4.2. Para graxas lubrificantes (Figura 4) a) Bombas (pinos); b) Copo Staufer; c) Pincel ou espátula. Figura 4 Lubrificadores para graxas lubrificantes.