A resistência do filme é uma das propriedades mais críticas de um lubrificante para proteger os componentes internos de máquinas contra desgaste e degradação. Ela é fortemente influenciada pela base do lubrificante e por seus aditivos. Este artigo discutirá a importância da resistência do filme lubrificante e os fatores que impactam sua eficácia.
Espessura do Filme
Quando se pensa em lubrificação, o que vem à mente? Talvez seja o óleo base criando uma espessura de filme para separar duas superfícies metálicas. Afinal, o objetivo principal é evitar contato direto entre metais. Para que o óleo base forneça essa separação, é necessário equilibrar três fatores: velocidades relativas, viscosidade do óleo base e carga aplicada.
Esses três fatores também são influenciados por elementos como temperatura e contaminação. Quando a espessura do filme resulta do equilíbrio entre esses fatores, temos a lubrificação hidrodinâmica.
Em aplicações com contato rolante (e movimento de deslizamento desprezível), a espessura do filme entre as superfícies ainda pode ocorrer, mesmo sob altas pressões localizadas. Na verdade, esses pontos de pressão são essenciais.
A relação pressão-viscosidade do óleo base permite que sua viscosidade aumente temporariamente sob altas pressões, fenômeno chamado lubrificação elastohidrodinâmica. A separação por filme completo permanece, embora seja extremamente fina.
Na prática, o ideal é manter as superfícies separadas, com o filme reduzindo atrito e desgaste. Mas o que acontece quando esse equilíbrio não é alcançado? Por exemplo, em casos de velocidade insuficiente, viscosidade inadequada ou carga excessiva?
Muitos projetos de máquinas enfrentam condições adversas, como partidas, paradas ou mudanças de direção. Temperaturas elevadas (que reduzem a viscosidade) ou contaminação (que causa abrasão no filme) também são desafios.
Quando os requisitos para lubrificação hidrodinâmica ou elastohidrodinâmica não são atendidos, o óleo base precisa de suporte durante condições de contato de fronteira. Esse suporte vem de aditivos que controlam atrito e desgaste.
O óleo base e os aditivos são combinados para formular lubrificantes (óleos ou graxas) capazes de mitigar condições adversas. Assim, o lubrificante adquire resistência de filme e propriedades de lubrificação de fronteira.
Lubrificação de Fronteira e Resistência do Filme
A resistência do filme refere-se à capacidade do lubrificante de reduzir atrito e controlar desgaste por meios além da espessura do filme. Durante a lubrificação hidrodinâmica e elastohidrodinâmica, a viscosidade é o fator dominante.
Quando a viscosidade do óleo base é insuficiente para evitar contato metal-metal, a química do óleo e dos aditivos cria mecanismos de proteção superficial. Sob condições de fronteira, a lubrificação também é influenciada pelas propriedades químicas e físicas das superfícies e fatores ambientais.
Mesmo sob altas cargas, temperaturas elevadas e baixas velocidades, a resistência do filme pode ser aprimorada.
Interações em Superfícies Não Lubrificadas
Em nível molecular, superfícies metálicas aparentemente lisas são repletas de irregularidades, semelhantes a montanhas e vales microscópicas (chamadas asperezas). Quando duas superfícies não lubrificadas entram em contato, apenas as asperezas mais altas se conectam, reduzindo a área real de contato.
Sob carga, essas asperezas sofrem deformação elástica, aumentando a área de contato real. Esse fenômeno é crucial para entender o atrito e o desgaste.
Atrito
O atrito, resistência ao movimento de deslizamento, não depende apenas da rugosidade superficial. Como a área real de contato pode ser menor que 1% da área aparente, o fator principal são as ligações adesivas entre as asperezas em nível atômico.
Geração de Desgaste
Sem filme lubrificante adequado, as asperezas podem sofrer soldagem a frio, precursor do desgaste adesivo. O material nas pontas das asperezas endurece, fazendo com que o cisalhamento ocorra em camadas mais profundas e menos resistentes. Partículas abrasivas são então liberadas, causando desgaste por três corpos (partículas livres) ou dois corpos (superfícies afiadas).
Em contato rolante, o desgaste por fadiga surge de trincas propagadas por impurezas ou tensões cíclicas.
Mitigação de Interações Superficiais
Aditivos polares atraem-se quimicamente às superfícies metálicas sob condições adversas (alta pressão e temperatura). Eles formam camadas moleculares dúcteis e sacrificiais, reduzindo a resistência ao cisalhamento.
Três tipos de aditivos são essenciais:
- Modificadores de Atrito (ex.: ácidos graxos): Formam filmes de sabão para reduzir atrito em baixas velocidades, ideais para economia de combustível.
- Aditivos Antidesgaste (ex.: ZDDP): Reagem quimicamente com superfícies sob alta temperatura, criando barreiras protetoras. Também atuam como antioxidantes.
- Aditivos de Extrema Pressão (ex.: compostos de enxofre/fósforo): Resistente a altas temperaturas, formam filmes protetores, porém exigem cuidado para evitar corrosão em metais reativos.
Física e Química nas Condições de Fronteira
As interações moleculares entre asperezas sob pressão envolvem princípios complexos de oxidação, corrosão e quimissorção. Filmes de aditivos reduzem a resistência ao cisalhamento, protegendo contra desgaste adesivo, abrasivo e por fadiga.
Esses filmes submicrométricos possuem propriedades intermediárias entre líquido e sólido. Embora a lubrificação hidrodinâmica seja ideal, condições de fronteira são inevitáveis. Portanto, lubrificantes formulados com aditivos adequados são essenciais para garantir resistência do filme proporcional às demandas mecânicas.
Em resumo, a resistência do filme lubrificante é um equilíbrio entre propriedades físicas do óleo base e a ação química de aditivos, garantindo proteção eficaz em diversas condições operacionais.
Por Bennett Fitch, Noria Corporation.
Traduzido pela equipe de conteúdos da Noria Brasil.
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ML 01/2025: "The Importance of Lubricant Film Strength"
