Como a Lubrificação Aprimora a Conformação Mecânica: Perspectiva Tribologia

Papel da Lubrificação nos Processos de Conformação Mecânica

Para compreender o papel da lubrificação nos processos de conformação mecânica, é fundamental conhecer a tribologia da lubrificação. A tribologia abrange o atrito de contorno, associado a praticamente todas as operações de conformação. Este surge do movimento relativo entre duas superfícies adjacentes sob pressão. Durante a conformação, o movimento relativo entre cilindros e peça é aprimorado pela diferença de velocidade superficial dos cilindros.

Atrito

O atrito desempenha papel crucial na conformação mecânica. Define-se como resistência ao movimento relativo entre dois corpos em contato. É um processo dissipativo de energia, elevando a temperatura na interface e, se excessivo, causando danos superficiais. Também influencia a deformação no processo. Segundo teorias iniciais, o atrito resulta do intertravamento de duas superfícies rugosas deslizando uma sobre a outra. Na realidade, o atrito é influenciado por numerosas variáveis: carga, velocidade, temperatura, materiais do par de deslizamento e efeitos de fluidos e gases na interface.

A teoria mais aceita baseia-se na adesão resultante entre as asperezas dos corpos em contato. Independentemente da lisura das superfícies, elas se contactam apenas em fração de sua área aparente. Assim, a carga é suportada por poucas asperezas em contato, gerando tensões normais elevadas nos pontos de contato. Sob cargas leves, as tensões são apenas elásticas. Contudo, com cargas típicas da conformação, ocorre deformação elástica das asperezas e as junções formam ligações adesivas (micro-soldas).

A natureza e resistência da ligação adesiva dependem de: (i) solubilidade mútua e difusão das superfícies em contato; (ii) temperatura e tempo de contato; (iii) natureza e espessura de filmes de óxido ou contaminantes na interface; (iv) presença de filme lubrificante.

Com superfícies nascentes limpas (produzidas por corte ou em operações com grandes extensões superficiais) e ausência de contaminantes ou filme lubrificante, a resistência das junções é alta devido à solda a frio por pressão. Consequentemente, a resistência ao cisalhamento da junção é alta, resultando em alto atrito. À medida que contaminantes ou lubrificantes são introduzidos, ou camadas de óxido se formam (o que pode levar apenas segundos), a resistência da junção diminui, pois uma ligação forte não pode se formar. Assim, o atrito reduz.

A força de atrito eleva a temperatura superficial. O aumento de temperatura cresce com: (i) velocidade; (ii) coeficiente de atrito; (iii) diminuição da condutividade térmica e calor específico dos materiais. Maior condutividade térmica leva a maior condução de calor para o volume da peça. Maior calor específico resulta em menor elevação de temperatura. O aumento de temperatura pode ser suficiente para fundir a interface ou causar transformações de fase, tensões residuais e danos superficiais (queima metalúrgica).

Desgaste

Desgaste define-se como perda ou remoção de material de uma superfície. Pode ocorrer sob diferentes condições: (i) desgaste a seco ou lubrificado; (ii) desgaste por contato deslizante ou rolamento; (iii) desgaste por fratura; (iv) desgaste por deformação plástica. Existem quatro tipos básicos: (i) desgaste adesivo; (ii) abrasivo; (iii) por fadiga; (iv) corrosivo. Geralmente, os três primeiros interessam na conformação. O último também pode ocorrer na interação cilindro-peça na presença de líquidos e gases, exigindo escolha apropriada da química do lubrificante conforme a composição do cilindro para evitar desgaste corrosivo excessivo.

• Desgaste adesivo – Resulta do cisalhamento das junções durante o deslizamento. Se as junções têm ligações fortes (interfaces limpas, altas cargas, tempo suficiente de contato), a fratura ocorre acima ou abaixo da interface das asperezas. Geralmente, a trinca forma-se e propaga-se pelo metal mais mole. Sob ciclagem repetida, a partícula transferida torna-se partícula de desgaste solta. Em casos severos, o processo é chamado de galling, scuffing ou travamento. Para ocorrer desgaste adesivo, deve haver afinidade (reatividade) para adesão e soldagem entre as superfícies. O caso mais severo ocorre entre superfícies limpas, alta carga normal e vácuo. O papel básico de lubrificante eficaz é reduzir a tendência de soldagem das asperezas, seja separando as superfícies com camada de lubrificante, seja reduzindo a resistência ao cisalhamento da interface pela formação de compostos de baixa resistência ao cisalhamento via reações químicas. Filmes superficiais são cruciais no desgaste adesivo. Além da camada lubrificante, as superfícies quase sempre possuem camadas de óxido, contaminantes e gases ou fluidos adsorvidos. Estes filmes reduzem significativamente a resistência ao cisalhamento da interface. Assim, o desgaste observado na prática é geralmente menor que seria sem eles. Filmes de óxido têm papel significativo no atrito e desgaste. O efeito depende da taxa relativa de destruição das camadas de óxido durante o deslizamento versus sua taxa de formação. Se a taxa de destruição é alta, as superfícies não ficam bem protegidas e o desgaste é alto.
• Desgaste abrasivo – Material é removido por arranhões, lascas e microcavacos. Quanto mais mole o material, maior a taxa de desgaste abrasivo. Cargas maiores aumentam a taxa. O desgaste abrasivo pode ser de dois corpos ou três corpos. No segundo, o terceiro corpo é composto por partículas de desgaste ou outros contaminantes duros (como os acumulados no lubrificante) aprisionados entre as duas superfícies deslizantes. Este mecanismo também é chamado de desgaste erosivo. Importante nos processos de conformação e manutenção de equipamentos. Para reduzir acúmulo de óxidos, cavacos metálicos ou outras partículas metálicas, inspeção periódica, filtragem ou troca de lubrificantes é necessária.
• Desgaste por fadiga – Normalmente chamado fadiga superficial ou fratura superficial. Resulta de carregamento cíclico da interface entre cilindros e peça. Trincas desenvolvem-se na superfície ao longo do tempo por mecanismo de fadiga, resultante de forças mecânicas ou tensões térmicas (fadiga térmica). Em ambos os casos, material é removido da superfície (geralmente da ferramenta) por descamação ou pitting, onde trincas coalescem unindo-se abaixo da superfície. Na fadiga, a lubrificação tem papel complexo. Lubrificantes reduzem atrito e nível de tensões que causam falha por fadiga. Por outro lado, se uma trinca se desenvolve, o fluido penetra na trinca por tensão superficial. Nos ciclos subsequentes, o fluido fica aprisionado e, por ser incompressível, desenvolve alta pressão hidrostática na abertura da trinca, propagando-a mais profundamente no corpo da ferramenta. Pitting, por exemplo, não ocorre em interfaces não lubrificadas a menos que haja ataque químico.

Mecanismos de Lubrificação

É óbvio que atrito e desgaste podem ser reduzidos ou eliminados mantendo as superfícies deslizantes separadas. Embora em elementos de máquina (mancais lubrificados, mancais a ar) isto seja facilmente alcançado, na conformação mecânica, devido a cargas, velocidades e geometria da interface ferramenta-peça, geralmente não se permite a existência de filme lubrificante contínuo. Lubrificantes também servem como refrigerantes para dissipar calor gerado por atrito ou laminação, e para remover partículas como óxido de ferro e lascas. Contudo, a função principal do fluido aplicado é lubrificante, por isso o termo "refrigerante" não é normalmente usado. Os principais mecanismos de lubrificação relevantes à laminação são:

• Lubrificação de filme espesso (hidrodinâmica) – As duas superfícies são completamente separadas por filme fluido contínuo. A espessura do filme é cerca de 10 vezes a rugosidade superficial das superfícies acasaladas. O filme pode se desenvolver hidrostaticamente (aprisionando o lubrificante) ou, mais geralmente, pelo efeito de cunha das superfícies deslizantes na presença de fluido viscoso na interface. Neste tipo, as propriedades de volume do lubrificante (especialmente viscosidade) são importantes e efeitos químicos nas superfícies metálicas não são significativos. Cargas leves e velocidades altas. Coeficiente de atrito muito baixo, tipicamente 0,001 a 0,02. Não há desgaste, exceto por material estranho (terceiro corpo) que possa entrar no sistema. Este tipo não ocorre geralmente em processos de conformação (incluindo laminação), exceto em regiões isoladas nas interfaces matriz-peça com lubrificantes de alta viscosidade e altas velocidades.
• Lubrificação mista – A espessura do filme na lubrificação de filme espesso pode ser reduzida por: (i) diminuição da viscosidade (ex.: aumento de temperatura); (ii) diminuição da velocidade de deslizamento; (iii) aumento da carga. As superfícies aproximam-se e a carga normal é suportada parcialmente por contato metal-metal das asperezas e parcialmente pelo filme fluido em bolsões hidrodinâmicos na rugosidade das interfaces. Também chamado de filme fino ou regime quasi-hidrodinâmico. Espessura do filme menor que três vezes a rugosidade. Coeficiente de atrito pode chegar a ~0,4 (forças e consumo de potência aumentam consideravelmente), e desgaste pode ser significativo. Existe rugosidade ótima para aprisionamento eficaz do lubrificante, comumente 15 micrômetros. Os bolsões hidrodinâmicos também servem como reservatórios para suprir lubrificante às regiões da interface com fome de lubrificante.
• Lubrificação de contorno – Camada fina de lubrificante adere fisicamente às superfícies por forças moleculares (ex.: forças de van der Waals) ou químicas (quimissorção). Lubrificantes de contorno usuais: óleos, óleos graxos, ácidos graxos, sabões. Filmes de contorno formam-se rapidamente em superfícies limpas, embora a reatividade em materiais como titânio e aço inoxidável seja muito baixa. Nestes casos, a lubrificação pode ser aprimorada pela formação de filmes de contorno nas superfícies da ferramenta em vez da peça. Diferença importante: na lubrificação de filme total, propriedades de volume (ex.: viscosidade) são importantes; na lubrificação de contorno, os aspectos químicos do lubrificante e sua reatividade com as superfícies metálicas são importantes e a viscosidade tem papel secundário. Na área de lubrificação de contorno, o coeficiente de atrito é normalmente 0,1 a 0,4, dependendo da resistência e espessura do filme. Frequentemente observada e praticada em operações de conformação como laminação. Taxa de desgaste depende da taxa de destruição dos filmes por remoção mecânica ou desorção devido a temperatura excessiva. Se a camada protetora é destruída, atrito e desgaste tornam-se altos. A aderência e resistência deste filme é fator crucial para eficácia da lubrificação de contorno. O papel de pressão, velocidade e viscosidade na espessura do filme também deve ser reconhecido.
• Lubrificação de pressão extrema (EP) – A superfície do metal é ativada quimicamente por reações químicas irreversíveis. Estas reações, envolvendo enxofre, cloro e fósforo no fluido de conformação, formam sais nas superfícies metálicas acasaladas. Estas superfícies previnem ou reduzem a soldagem das asperezas na interface mesmo sob altas pressões de contato ferramenta-peça. Por isso, a lubrificação é denominada "pressão extrema". Além disso, devido às suas baixas resistências ao cisalhamento, estes filmes superficiais também reduzem atrito. Conforme a temperatura aumenta, estes filmes podem se romper; a temperatura de rompimento depende do aditivo EP específico (usado isoladamente ou em combinação, como enxofre e cloro) e da composição das superfícies metálicas. Quando o filme se rompe, ocorre contato metal-metal, com subsequente aumento de atrito e desgaste. Contudo, os filmes protetores de sulfetos e cloretos formam-se novamente com relativa facilidade, especialmente em superfícies novas limpas. Ar, oxigênio, umidade e água desempenham papéis importantes na lubrificação EP.
• Lubrificação elasto-hidrodinâmica (EHD) e plasto-hidrodinâmica (PHD) – Durante a conformação, deflexões e distorções das ferramentas podem ocorrer devido às tensões do processo. Demonstrou-se que, devido ao módulo de elasticidade finito dos aços, estas deflexões podem ser suficientemente extensas para alterar a geometria da interface ferramenta-peça, afetando tensões, áreas de contato, geometria e distribuição de pressão. Daí o termo "elasto-hidrodinâmica". Outro fator é o aumento de viscosidade (e até solidificação) dos lubrificantes com a pressão, ajudando a desenvolver filmes hidrodinâmicos e aumentando a espessura do filme. Extensão da EHD é a lubrificação "plasto-hidrodinâmica". Neste sistema, encontrado em processos como laminação de tiras, o lubrificante é arrastado ou aprisionado nas fendas convergentes nas interfaces rolo-peça. Desenvolve-se filme fluido total com grande queda no atrito e desgaste. Estes fenômenos são particularmente importantes em processos de contato concentrado, como laminação a frio de tiras finas, devido à influência de pequenas mudanças nas dimensões interfaciais relativas sobre forças e geometria de deformação.

Papel da Tensão Superficial e Molhabilidade

Além da viscosidade dos lubrificantes e suas propriedades químicas em reação à peça e materiais da ferramenta, tensão superficial e molhabilidade também desempenham papel importante. Molhabilidade é fenômeno relacionado à tensão superficial, expressão da energia superficial. A característica de molhabilidade de um lubrificante é determinada por quão bem ele se espalha sobre a superfície da peça como filme contínuo, aspecto importante da lubrificação. Pode haver situação em que se deseja que o lubrificante permaneça em certa área da interface ferramenta-peça. Exemplo: em relógio, necessita-se lubrificante não migrante (não molhante) no ponto de pivô. O formato de uma gota de fluido (lubrificante de conformação) em superfície metálica sólida depende das tensões interfaciais entre metal, fluido e ar. O ângulo que a periferia da gota faz com a superfície é o ângulo de contato. Quanto menor o ângulo de contato, melhor a molhabilidade do fluido. A molhabilidade em fluidos de conformação é melhorada pela adição de agentes molhantes, como álcoois e glicóis, ou pelo aumento da temperatura. Também se observa que a molhabilidade melhora com o aumento da rugosidade superficial.

Percebe-se que a lubrificação na conformação envolve diferentes mecanismos dependentes de: (i) química da interface ferramenta-lubrificante-peça; (ii) método de aplicação do lubrificante; (iii) geometria do processo; (iv) mecânica da operação. Além disso, o modo de lubrificação frequentemente varia durante o ciclo de conformação, dependendo das mudanças na velocidade de laminação, quantidade de deformação e pressões e tensões associadas.

Seleção de Lubrificantes

Existem cinco categorias de famílias de lubrificantes de conformação usadas atualmente em operações sobre diversas superfícies e materiais. O lubrificante escolhido deve proporcionar boa produtividade e atender restrições ambientais impostas por órgãos reguladores. Os tipos são: (i) compostos evaporativos; (ii) soluções químicas (sintéticos); (iii) microemulsões (semi-sintéticos); (iv) macroemulsões (solúveis); (v) lubrificantes à base de petróleo. As propriedades físico-químicas reativas de cada grupo são descritas abaixo. Comparação entre eles está na Tabela 1.

• Compostos evaporativos – Também conhecidos como óleos voláteis. Ampliamente usados na conformação de metais. Grupo flexível em propriedades físicas. Capacidade de molhabilidade pode ser ajustada à severidade do processo. Taxa de secagem controlável (dependendo do veículo evaporativo). Em aplicações pesadas, aditivos EP podem ser adicionados para proteção adicional a ferramentas e peça. Geralmente não são removidos da peça e não requerem desengraxe. Aplicáveis por rolo aplicador (roller-coater) ou spray sem ar. Não devem ser recirculados. Ideais para superfícies pintadas, revestidas, vinil, galvanizadas, além de materiais ferrosos e não ferrosos. Em muitos casos, o mesmo lubrificante especializado protege o produto e fornece proteção anticorrosiva de longo prazo.
• Soluções químicas (sintéticos) – Uma das famílias de mais rápido crescimento. Econômicas, ambientalmente seguras, fáceis de manusear, ideais para superfícies revestidas, galvanizadas, aço laminado a frio e, em alguns casos, aço inoxidável. Permitem soldagem fácil sem limpeza prévia e uso em operações secundárias como furação, corte, rosqueamento. São misturas homogêneas formadas quando sólido, líquido e gás se dissolvem completamente em líquido solvente. Não contêm óleo, apenas inibidores de corrosão solúveis em água, agentes molhantes, lubrificantes (ésteres complexos), biocidas (fungicidas), antiespumantes e, às vezes, agentes EP. Existem vários tipos: soluções tipo sabão para conformação pesada; tipo EP para ligas de alta resistência; tipos não iônicos excelentes para alumínio e componentes de aço revestido. Aplicáveis por rolo aplicador, spray ou sistemas de recirculação adequados.
• Microemulsões (semi-sintéticos) – Ideais quando se requer excelente lavagem, refrigeração e lubrificação aprimorada. Adequadas para galvanizado, laminado a quente, laminado a frio e aço inoxidável. Proporcionam resistência de filme pela combinação de emulsionantes, inibidores de corrosão solúveis em água, agentes molhantes, sais orgânicos e inorgânicos, e às vezes agentes EP. São emulsões com partículas dispersas de 0,01 mm a 0,06 mm, geralmente translúcidas ou transparentes. O tamanho pequeno proporciona excelente penetração e refrigeração. Aplicáveis por spray, rolo aplicador ou sistema de refrigeração por inundação.
• Macroemulsões – Contêm lubrificante à base de óleo (mineral ou composto) na forma de gotículas suspensas, dispersas com agentes químicos chamados emulsionantes. Gotículas de óleo emulsionado são grandes o suficiente para tornar o lubrificante leitoso (ou às vezes translúcido). A ação como lubrificante pode ser próxima à da fase dispersa. Podem ser formuladas com maiores níveis de agentes EP ou filmes de barreira (polímeros, gorduras) para operações pesadas. Geralmente branco leitoso. Normalmente usadas em processos pesados como conformação de perfis estruturais, prateleiras, componentes automotivos e de móveis.
• Lubrificantes à base de petróleo – Proporcionam a mais ampla gama de escolhas de propriedades químicas e físicas. O veículo principal é o óleo de mistura (viscosidades variáveis). Para propriedades físicas adicionais, aditivos como gorduras, polímeros e agentes molhantes podem ser adicionados. Se necessário, agentes EP químicos (enxofre, cloro, fósforo) podem ser incluídos. Em casos especiais, aditivos para prevenção de ferrugem e indutores de limpeza para facilitar limpeza. Usados seletivamente em processos de conformação. Peças cosméticas de aço inoxidável e algumas seções conformadas pesadas podem requerer lubrificantes à base de petróleo.

Aditivos para Lubrificantes

Propriedades dos lubrificantes são modificadas e tornadas adequadas para aplicações específicas por aditivos. Estes podem melhorar propriedades lubrificantes, proteger superfície do metal, além de outras funções. Inibidores de ferrugem ou corrosão são comumente nitratos ou fosfatos. Aditivos EP são compostos de enxofre, cloro ou fósforo. Reduzem solda a frio de metais sob pressão e evitam "build-up" metálico, mas podem reduzir propriedades lubrificantes. Aditivos como ésteres, gorduras animais e ácidos graxos são adicionados a óleos para reduzir tensão superficial ou melhorar espalhamento. Lubrificantes sintéticos são modificados com compostos de fósforo ou outros químicos para atuar como detergentes de lubrificação. A tensão superficial reduzida permite que o lubrificante atinja a área de contato mais uniformemente e rapidamente.

Métodos de Aplicação

Geralmente quatro métodos são usados para aplicação de lubrificantes: (i) gotejamento; (ii) rolo aplicador (roller-coater); (iii) sistemas de recirculação; (iv) spray sem ar. Cada método tem suas vantagens:

• Gotejamento – Soluções químicas, óleos solúveis e compostos evaporativos podem ser aplicados por gotejador combinado com limpador (feltro, espuma de célula aberta, tapete, material de vedação). Gotejadores sozinhos não garantem filme adequado e contínuo. O reservatório deve conter quantidade suficiente para 1 a 2 horas de suprimento. Lubrificante pode ser aplicado na tira ou nos rolos superior e inferior.
• Rolo aplicador – Tanque móvel e unidade de bombeamento alimentam cabeça ou rolo aplicador com lubrificante. Espessura e quantidade controláveis, excesso retorna ao reservatório. Ao lubrificar materiais pré-revestidos ou polidos, recomenda-se rolos de poliuretano ou neoprene para evitar riscos ou marcas. Rolos de aço podem causar problemas em superfícies revestidas. Em muitos casos, rolo aplicador sozinho não produz filme suficiente para lavar partículas geradas por alumínio, galvanizado e laminado a quente. Um spray instalado em áreas críticas onde há possibilidade de acúmulo pode remover partículas desnecessárias. Outro problema na aplicação (especialmente em tiras largas) resulta de material com "coroa" (crown). O rolo só lubrifica os pontos altos, deixando bordas externas sem lubrificante. Problema similar ocorre em tiras onduladas. Rolo macio ajuda a ajustar-se a esta condição.
• Sistemas de recirculação – Ao trabalhar com material mais espesso e aço laminado a frio e a quente (especialmente com carepa), o sistema de recirculação é normalmente a melhor abordagem. Quantidades suficientes de lubrificante não só protegem as ferramentas, mas a carepa e finos metálicos gerados devem ser lavados da ferramentaria para o reservatório. Uso de defletores, tanques de decantação e filtros ajuda a coletar grandes quantidades de contaminantes e finos metálicos, mantendo o refrigerante relativamente limpo. Ímãs são extremamente úteis para manter a quantidade de metal recirculado no mínimo.
• Spray sem ar – Sistemas de spray sem ar são usados efetivamente como unidades auxiliares em estações específicas de conformação, para reaplicar lubrificante em ponto crítico do processo, e em lubrificação de matriz de corte. Funcionam bem com solúveis, óleos leves e compostos evaporativos, sendo bastante confiáveis. Padrão de spray pode ser redondo ou leque. Devido aos vários padrões, é método confiável para lubrificação pontual, seja lubrificando a peça antes de entrar na ferramenta ou na própria ferramenta. Sistemas modernos não produzem névoa ou neblina que causem problemas de overspray. Podem ser direcionados precisamente a área-alvo na ferramenta e temporizados para operar em conjunto com o ciclo do equipamento.