Dünyadaki Küreselleşme Çabaları

tribológico da embreagem automotiva a seco. Até o presente momento, apenas um trabalho fez referência ao tribofilme desenvolvido na superfície dos pares atritantes deste componente (PANTAZOPOULOS et al., 2015). Ainda assim, a sua contribuição foi pouco relevante, pois não foram apresentados ou discutidos os mecanismos de desenvolvimento do tribofilme e o seu efeito no desempenho funcional do par tribológico empregado neste sistema. Portanto, o entendimento de tais fenômenos continua pouco compreendido.

Contudo, o par tribológico utilizado no sistema de frenagem automotiva tem sido extensivamente estudado e os resultados amplamente publicados, pela razão deste componente ser um item crítico de segurança veicular.

Os pares tribológicos utilizados nos sistemas embreagem e frenagem automotiva têm determinadas semelhanças. Na maior parte das duas aplicações, os materiais de fricção deslizam contra uma superfície metálica, geralmente de ferro fundido cinzento. Além do mais, os materiais de fricção tradicionalmente empregados, utilizam as mesmas matérias-primas (CHAN e STACHOWIAK, 2004).

Ressalta-se, no entanto, que o balanceamento das formulações diverge, pois está relacionado aos pré-requisitos técnicos dos produtos. Este fator, mais os processos de manufatura e as geometrias das peças que também são bem distintos, afetam a morfologia da microestrutura do material de fricção. Além do que, os tribossistemas das aplicações são dessemelhantes.

Na frenagem, a pressão específica de contato é maior e a velocidade de deslizamento é menor. Ademais, o tribossistema permanece exposto ao meio externo e somente parte da superfície de atrito do material de fricção permanece em contato com a do contracorpo (ver figura 2.5.1-a). Isto beneficia o resfriamento do sistema, resultando numa menor temperatura de trabalho. Já a embreagem está totalmente enclausurada e isolada do meio externo.

Apesar das dissimilaridades, nas próximas páginas será apresentada uma síntese bibliográfica dos pontos mais relevantes para esta obra, que foram investigados para o sistema de freios. Desta maneira, espera-se, ao menos, suprir de forma parcial a carência bibliográfica sobre tribofilmes no sistema embreagem automotiva a seco.

Figura 2.5.1: Sistema de freio automotiva disco: (a) real (CENTRO AUTOMOTIVO, 20??); (b) representação esquemática dos componentes e do funcionamento (HOW THE BRAKING SYSTEM WORKS, 2015); (c) pastilha de freio formada pelo material de fricção (CG AUTO, 2008); e (d) sua microestrutura revelando a morfologia e a distribuição das matérias-primas (CHAN e STACHOWIAK, 2004).

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O material de fricção do freio é confeccionado misturando as matérias-primas a seco, que na sequência são prensadas em determinadas faixas de temperatura para dar forma a uma pastilha, como mostra a figura 2.5.1-c.

A sua microestrutura característica é apresentada na figura 2.5.1-d, que revela a morfologia e a distribuição das diferentes matérias-primas empregadas. A letra A refere-se a fibra metálica de reforço adicionada a matriz polimérica, enquanto que a letra B indica as fibras de vidro (elemento de reforço) e o sulfeto de bário (carga abrasiva). A letra C, por sua vez, faz referência ao silicato de zircônia (carga de enchimento) e a letra D, a matriz (área escura) que é formada por resinas que são misturadas as borrachas.

As primeiras contribuições sobre a morfologia e espessura do tribofilme desenvolvido nos pares tribológicos do freio, foram apresentadas por Liu, Rhee e Lawson (1980). Estes pesquisadores testaram, num dinamômetro, dois materiais de fricção de composições químicas distintas, e as condições dos ensaios foram denominadas por eles de moderado e severo. Os testes foram realizados aplicando duas forças normais e duas velocidades de deslizamento, sendo a força normal e a velocidade de deslizamento na condição severa o dobro da moderada.

Liu, Rhee e Lawson identificaram na superfície do contracorpo tribofilmes com espessuras que variaram de 1 a 7 µm, sendo o mais espesso na condição mais severa. Observaram também que o tribofilme desenvolvido controlou a taxa de desgaste do par tribológico, pois protegeu a superfície e atuou como um lubrificante.

A figura 2.5.2 apresenta as superfícies dos contracorpo que foram, após os ensaios, caracterizadas em seção transversal por M.O.

Figura 2.5.2: Superfície do contracorpo metálico após ensaio no dinamômetro caracterizado em seção transversal por M.O; tribofilme desenvolvido nos regimes (a) moderado e (b) severo (LIU, RHEE e LAWSON, 1980).

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Nos anos decorrentes, vários estudos foram realizados com o intuito de melhorar o desempenho funcional do sistema de frenagem automotiva. Na sequência são apresentadas algumas referências que investigaram as seguintes variáveis: composição química do material de fricção (ZHAO e BAHADUR, 1999; KIM e JANG, 2000; BIJWE, MAJUMDAR e SATAPATHY, 2005; HEE e FILIP, 2005; CHO et al., 2005; GURUNATH e BIJWE, 2007; CHO et al., 2008; MATJEKA et al.,

2010; KUMAR et al., 2011; SAFFAR e SHOJAEI, 2012) e, do contracorpo (SUGISHITA e FUJIYOSHI, 1982; CHEN et al., 2003; HINRICHS et al., 2011); força normal (JACKO, TSANG e RHEE, 1989; QI e DAY, 2007; MULLER, e OSTERMEYER, 2007 e 2008); velocidade de deslizamento (MULLER, e OSTERMEYER, 2007 e 2008); temperatura do ensaio (QI e DAY, 2007; MULLER, e OSTERMEYER, 2007 e 2008); características topográficas (MULLER, e OSTERMEYER, 2007 e 2008); e até mesmo do tribossistema (EL-TAYEB e LIEW, 2009; BIAN, G. e WU, 2015).

Apesar da diversidade dos trabalhos, as contribuições mais significativas para a compreensão dos mecanismos de desenvolvimento do tribofilme na interface de contato, foram apresentadas pelo grupo de pesquisa coordenado por Eriksson e Jacobson (ERIKSSON, BERGMAN e JACOBSSON 1999; ERIKSSON e JACOBSSON, 2000; ERIKSSON, LORD e JACOBSSON, 2001; ERIKSSON, BERGMAN e JACOBSSON 2002).

Primeiramente, Eriksson e Jacobson (2000) observaram que a área real de contato é muito menor em relação à área total, constatando que apenas uma fração da superfície do material de fricção está em contato com a do disco. A figura 2.5.3-a traz uma representação esquemática para exemplificar a área real de contato na superfície de uma pastilha de material de fricção.

Figura 2.5.3: Representação esquemática da (a) superfície de contato da pastilha de freio; (b) platôs de contato existentes em uma pequena porção da superfície de contato; (c) momentâneos picos de representando a área real de contato (ERIKSSON e JACOBSON, 2000).

Eriksson e Jacobson (2000) concluíram também que a força de atrito será transmitida através das áreas reais, que são formadas pelos platôs de contato (pequenas áreas dentro do círculo apresentado na figura 2.5.3-b). Em casos extremos, o contato se dará por meio dos picos topográficos que se formam momentaneamente nestes platôs de contato, como mostra a figura 2.5.3-c.

Na continuidade, Eriksson e Jacobson (2000) propuseram um modelo tridimensional para exemplificar os mecanismos de desenvolvimento do tribofilme. Para Eriksson e Jacobson (2000), os elementos estruturais do material de fricção como as fibras de reforço e os fios metálicos são os que exercem maior ação durante a formação do tribofilme. Estes elementos estruturais por serem mecanicamente mais resistentes e estáveis em relação à matriz polimérica terão uma menor taxa de desgaste. Consequentemente, a matriz polímera sofrerá um desgaste mais acentuado e irá expor os elementos estruturais à superfície de contato. Como decorrência, os elementos estruturais agirão como platôs primários de contato e favorecerão a nucleação e o crescimento dos platôs secundários (tribofilme), que são formados pelos debris de desgaste.

A figura 2.5.4-a apresenta o modelo tridimensional que foi elaborado por Eriksson e Jacobson (2000), exemplificando o desenvolvimento dos platôs secundários a partir dos primários. Este modelo ainda é uma das principais referências no assunto.

Figura 2.5.4: Representação tridimensional (a) do mecanismo de desenvolvimento do tribofilme no sistema frenagem automotiva; (b) platô secundário de contato desenvolvido a partir dos platôs primários (fio de aço - dois círculos brancos); esquerda MEV no modo SE e direita BSE (ERIKSSON e JACOBSON, 2000).

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Com o movimento relativo entre as superfícies de contato, os debris de desgaste são arrastados ou se movem entre as superfícies, e quando encontram os platôs primários, ancoram e aglomeram nos seus entornos. Mediante a pressão de contato, os debris são compactados, originando os platôs secundários.

A figura 2.5.4-b revela na superfície de um material de fricção que foi ensaiado em laboratório, um platô secundário que se desenvolveu a partir de dois platôs primários. Estes platôs foram caracterizados por MEV nos modos SE e BSE. Os dois fios metálicos (áreas branca) representam os platôs primários, e a sua esquerda encontra-se o platô secundário, formado em razão da aglomeração e compactação dos debris de desgaste.

Ademais, Eriksson e Jacobson (2000), investigaram por meio de ensaios laboratoriais, a influência da pressão de contato na eficiência do sistema de freio. Para isso, mantiveram a velocidade de deslizamento constante e variaram somente a pressão de frenagem. Em menores pressões o coeficiente de atrito médio foi maior em relação ao alcançado quando maiores pressões foram aplicadas. A figura 2.5.5-a apresenta estes resultados.

Quando Eriksson e Jacobson (2000) caracterizaram as superfícies atritadas utilizando um MEV de alta resolução, eles identificaram um tribofilme mais desenvolvido no material ensaiado na condição mais severa, como mostram as figuras 2.5.5-b e 2.5.5-c. Eriksson e Jacobson (2000) relacionaram o aumento do atrito nos primeiros ciclos de acoplamento à formação dos platôs primários, que aumentou a área real. Porém, maiores pressões favorecem a geração dos platôs secundários, reduzindo o atrito, enquanto que menores pressões os deterioram.

Figura 2.5.5: Evolução do (a) coeficiente de atrito em função da pressão de frenagem; tribofilme desenvolvido na superfície do material de fricção após testes em (b) baixa e (c) alta pressão e temperatura observado por MEV [note as diferenças na escala] - direção de deslizamento da direita para a esquerda; (c) superfície de contato e seção transversal do tribofilme observada por MEV revelando uma camada fina, homogênea e bem compacta no topo (ERIKSSON e JACOBSON, 2000).

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Camada do tribofilme mais fina, porém mais densa, contínua e homogênea. Camada do tribofilme mais espessa, porém mais porosa e heterôgenea.

Eriksson e Jacobson (2000) caracterizaram também a morfologia do tribofilme em seção transversal e constataram que a sua microestrutura variou à medida que a profundidade em relação à superfície de contato aumentou (ver figura 2.5.5-d).

Próximo à superfície, o tribofilme aparece mais denso, contínuo e homogêneo, e de espessura nanométrica, sendo formado por partículas extremamente pequenas. Abaixo desta camada, a estrutura observada foi mais espessa, porosa e heterogênea, pois foi desenvolvida por maiores debris de desgaste, que já não foram tão condensados quanto as partículas da camada superior.

Os trabalhos realizados pelo grupo de pesquisa coordenado por Eriksson e Jacobson contribuíram significativamente para a compreensão dos mecanismos de desenvolvimento do tribofilme e a sua influência no desempenho funcional do par tribológico que é empregado no sistema de frenagem veicular.

Posteriormente, Osterle et al. (2001) constataram que caso a matriz polimérica tenha uma alta taxa de desgaste ou seja termicamente degradada, determinadas partículas abrasivas serão preservadas e começarão a agir como platôs primários de contato, favorecendo o desenvolvimento do tribofilme. A figura 2.5.6-a apresenta um modelo que foi proposto por Osterle et al. (2001) para exemplificar a formação do platô secundário quando há uma partícula dura na matriz polimérica.

Figura 2.5.6: Mecanismo de nucleação, formação e destruição do tribofilme em função da presença de uma partícula dura na matriz polimérica (OSTERLE et al., 2001).

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Como a matriz polimérica tem menor resistência em relação à partícula, o seu desgaste será mais acentuado e, à medida que o contato por deslizamento evolui, a partícula fica cada vez mais exposta à superfície de contato. Com esta exposição, o contato predominará através da sua superfície, e as ações das partículas de desgaste serão mais intensas na matriz polimérica. Como consequência, uma cavidade se desenvolverá ao redor da partícula dura, como aponta a seta na figura 2.5.6-b.

Debris de desgaste que se movem na direção do deslizamento, se acomodarão na cavidade formada, aglomerando ao redor da partícula dura (ver figura 2.5.6-c). Com a pressão de contato, os debris serão compactados, formando o platô secundário de contato, como mostra a figura 2.5.6-d. Esses novos platôs exercerão influência nas tensões superficiais de contato, e o sistema será desestabilizado. Como efeito, trincas irão nuclear e propagar na estrutura do tribofilme, como revela a figura 2.5.6-e. Se a perturbação do sistema prevalecer, em um dado momento os platôs primário e secundário se romperão e novos debris de desgaste serão gerados (figuras 2.5.6-f), que provavelmente irão formar novos platôs de contato em outra região da superfície do material.

Pouco tempo depois, Ostermeyer (2003) complementou o modelo de Osterle et al. (2001), retratando a distribuição da tensão normal à medida que a partícula inserida na matriz polimérica fica mais exposta à superfície de contato. A figura 2.5.7 exemplifica a distribuição da tensão normal.

Quando a partícula ainda está totalmente dentro da matriz, a tensão normal de contato é pequena, porém já é maior sobre a região na qual a partícula se localiza como revela a figura 2.5.7-a. Á medida que a partícula se expõe, a tensão normal aumenta e o contato predomina na sua superfície, como mostram as figuras 2.5.7-b e 2.5.7-c.

Para Ostermeyer (2003) a velocidade de deslizamento contribui na geração e aumento da energia por atrito, elevando a temperatura na interface e, desestabilizando o platô secundário. Como exemplificam as figuras 2.5.7-d a 2.5.7-f, se este for pequeno, logo romperá, mas se for grande e mecanicamente resistente, trincas nuclearão e propagarão na sua estrutura, e em um determinado instante a sua estrutura se deteriorará.

Figura 2.5.7: (a - c) Distribuição da tensão normal na superfície de contato à medida que a partícula inserida na matriz fica exposta; mecanismos de (d) nucleação, (e) desenvolvimento e (f) destruição do platô secundário em função da energia gerada por atrito [força normal e velocidade de deslizamento] (OSTERMEYER, 2003).

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Ostermeyer (2003) concluiu o seu trabalho afirmando que o desenvolvimento do tribofilme nos pares tribológicos é essencial para o desempenho satisfatório do sistema de freio. Para ele, o fenômeno fading está vinculado à taxa de destruição temporária do tribofilme, que é maior que a sua taxa de nucleação e crescimento, principalmente em tribossistemas nos quais as forças normais e velocidades de deslizamento são elevadas. Quando a energia do sistema é reduzida, este entra novamente em equilíbrio.

Apesar dos mecanismos de desenvolvimento do tribofilme já serem compreendidos, as suas propriedades até então, tinham sido pouco exploradas. Logo, Filip, Weiss e Rafaja (2002) divulgaram importantes informações após investigarem a natureza do tribofilme por meio de ensaios dinamométricos em temperaturas que variaram de 25°C à 700°C.

Esses pesquisadores, além de reforçarem as evidências de Liu, Rhee e Lawson (1980), isto é, um tribofilme mais espesso em maiores faixas de temperatura, identificaram também fases cristalinas na estrutura do tribofilme. As fases caracterizadas foram óxidos de ferro e óxido de cobre, mais sulfeto de cobre, além de produtos carbonáceos provenientes de reações químicas.

A figura 2.5.8-a apresenta uma região da superfície do material de fricção que foi caracterizada em seção transversal por MEV após ter sido ensaiada na temperatura de 700°C. Antes do embutimento, sobre a superfície atritada foi depositada uma fina camada de níquel químico para proteger o tribofilme contra eventuais danos durante o processo de preparação metalográfica da amostra (detalhe da camada de níquel na figura 2.5.8-b).

Figura 2.5.8: Caracterização da superfície do material de fricção em seção transversal e por MEV após ensaio dinamométrico a 700°C; (a) tribofilme desenvolvido sobre elementos estruturais e (b) detalhe; (c) variação da espessura em função da temperatura do ensaio (200º e 700ºC) (FILIP, WEISS e RAFAJA, 2002).

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A espessura do tribofilme, que foi medida em pontos selecionados ao longo da seção transversal, é apresentada na figura 2.5.8-c. A média foi de 2,5 µm em 200°C e 5 µm em 700°C. Esses resultados foram associados a degradação térmica dos

constituintes orgânicos, que favoreceu a geração de debris de desgaste, principalmente em temperaturas mais elevadas.

Na figura 2.5.8-c observa-se que para alguns pontos o valor da espessura foi igual à zero, o que indica que o tribofilme não foi identificado neste ponto de medição. Esta constatação é feita principalmente para a condição de menor temperatura. Também foi observado que a espessura do tribofilme variou ao longo da seção transversal, revelando que o seu desenvolvimento não foi uniforme.

Kim et al. (2004) e Cho et al. (2005) também correlacionaram a espessura do tribofilme com a temperatura do ensaio, porém o que se desenvolveu na superfície do contracorpo. Como exibe a figura 2.5.9-a, a espessura do tribofilme aumentou com o aumento da temperatura. No entanto, em temperatura superior a 250°C, o valor da espessura diminuiu. De acordo com Cho et al. (2005), essa redução na espessura ocorreu por causa da menor adesão do tribofilme à superfície do contracorpo, em função da decomposição térmica dos elementos orgânicos e dos lubrificantes sólidos. Na figura 2.5.9-b é apresentado o tribofilme desenvolvido na superfície do contracorpo, que foi caracterizado em seção transversal por M.O.

Figura 2.5.9: Variação da (a) espessura do tribofilme na superfície do (b) contracorpo metálico em função da temperatura do ensaio (a- CHO et al., 2005; b- CHO et al., 2001).

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Anteriormente, Cho et al. (2001) já haviam correlacionado a resistência do material de fricção ao fading e o seu coeficiente de atrito médio com a espessura do tribofilme, porém não obtiveram êxito. Naquela ocasião, Cho et al. (2001) chegaram

a conclusões semelhantes as de Wirth, Eggleston e Whitaker (1994), isto é, o desempenho do par tribológico é mais afetado pela composição química do tribofilme do que por sua espessura.

Contudo, Cho et al. (2001) constataram que tribofilmes mais espessos tendem a deixar o coeficiente de atrito mais estável. Conclusões que posteriormente foram repetidas e confirmados por Cristol-bulthé et al. (2008).

Talib, Muchtar e Azhari (2003) investigaram os mecanismos de desgaste que agem durante o deslizamento do par tribológico que são utilizados em freios automotivos. Esses pesquisadores realizaram os ensaios tribológicos empregando amostras em escala reduzida e simplificada. A força normal aplicada foi variada de 100 a 800N e os ciclos de frenagem de 3 a 15 minutos. A velocidade de deslizamento foi mantida constante.

A figura 2.5.10-a revela os mecanismos de adesão que ocorreram em função da deformação dos picos das asperidades do material de fricção, favorecendo a formação de junções metálicas. Por causa dos ciclos de frenagem, a superfície foi coberta por multicamadas que foram compactadas, cisalhadas e alisadas.

O mecanismo de fadiga de contato foi observado logo após o início das deformações plásticas, que resultaram na formação de estrias por razão dos acoplamentos cíclicos, como ilustra a figura 2.5.10-b. Talib, Muchtar e Azhari (2003) observaram que o espaçamento entre as estrias aumentou com o aumento da força normal.

O mecanismo de delaminação também teve início após as deformações plásticas iniciarem, porém com deslocamento de material no núcleo. Como efeito, trincas nuclearam e propagaram na sub-superfície e paralela à superfície de contato (ver figura 2.5.10-c), formando finas placas de desgaste na superfície de contato.

A figura 2.5.10-d exibe as marcas de desgaste que foram geradas pelos picos das asperezas do contracorpo metálico, evidenciando o mecanismo de abrasão a dois corpos. Talib, Muchtar e Azhari (2003) notaram que a superfície do material de fricção ficou mais rugosa quando aplicadas maiores forças normais foram.

Já na figura 2.5.10-e são apresentadas micropartículas de desgaste que foram geradas em consequência dos elevados níveis de estresse térmicos na superfície de contato do material de fricção. Micro trincas térmicas foram visualizadas entre as partículas de desgaste (indicadas pelas setas vermelha).

Figura 2.5.10: Mecanismos de desgaste em função da condição do ensaio simulado em laboratório utilizando escala reduzida e simplificada; (a) adesão; (b) fadiga de contato; (c) delaminação; (d) abrasão; e (e) térmico (TALIB, MUCHTAR e AZHARI, 2003).

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Como vários trabalhos / estudos estavam sendo realizados por meio de ensaios realizados em equipamentos de escala reduzida e simplificada, Blau e Jolly (2005) chamaram a atenção para a confiabilidade e representatividade na reprodução das características de tribossistemas reais de sistema de freio.

Sendo assim, Blau e Jolly (2005) investigaram dentre três metodologias de ensaio de diferentes geometrias de contato, qual reproduziria melhor as características do tribossistema real. Os métodos investigados são apresentados na figura 2.5.11.

Figura 2.5.11: Metodologias de ensaio de diferentes geometrias de contato utilizadas para reproduzir as características de tribossistemas reais de freios; material de fricção em escala (a) real, (b) reduzida e (c) reduzida e simplificada (BLAU e JOLLY, 2005).

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Blau e Jolly (2005) constataram que, dentre os diversos materiais investigados, os materiais apresentaram desempenho equivalentes nos três métodos avaliados. Entretanto as escalas das taxas de desgaste foram diferentes. A diferença de escala para um mesmo material, se deu em razão dos tribofilmes se desenvolverem de modo distintos. Isto é, as geometrias de contato interviram no processo de eliminação ou arrastamento dos debris de desgaste para o meio interfacial.

Segundo Blau e Jolly (2005) a configuração apresentada na figura 2.5.11-a favorece a eliminação dos debris, enquanto que a geometria mostrada na figura 2.5.11-c beneficia o arrastamento dos debris para o meio interfacial.

Com este trabalho, Blau e Jolly (2005) concluíram que o método mais eficiente é o que reproduz de maneira mais representativa as interações tribológicas do tribossistema em estudo. Isto é, deve-se avaliar se os resultados reproduzidos em laboratório condizem com a prática, validando desta forma a metodologia escolhida.

Osterle e Urban (2004 e 2006) trouxeram novas contribuições quando estudaram as características do tribofilme por meio do uso das ferramentas de análise FIB (do inglês focus ion beam) e SIM (do inglês scanning ion microscopy). Com estas técnicas Osterle e Urban observaram que, dependendo da composição química do material de fricção, um tribofilme composto por 3 diferentes camadas poderá se desenvolver, e as suas características serão as seguintes:

• Camada de aproximadamente 100 nm de espessura no topo da superfície de contato, composta por partículas de óxidos metálicos nanocristalinos e amorfos que foram enriquecidos por enxofre;