Estudo tribológico da sinergia entre compósito autolubrificante de matriz metálica e óleo lubrificante automotivo

Abstract

Nos últimos anos, houve um notável aumento na preocupação ambiental, especialmente relacionada ao aquecimento global e às emissões de gases de efeito estufa. Pesquisas têm destacado que a redução do desgaste e atrito em sistemas mecânicos, através de estudos tribológicos, pode resultar em significativa economia de energia, redução das emissões de CO2 e prolongamento da vida útil dos componentes. A lubrificação, historicamente empregada desde tempos antigos com óleos e graxas naturais e posteriormente com óleos sintéticos, emerge como o método mais eficaz para mitigar o atrito e o desgaste. Em muitos sistemas mecânicos, o funcionamento ocorre em regimes de lubrificação mista e/ou limite, exigindo o uso de aditivos multifuncionais, como agentes antidesgaste e redutores de atrito. No entanto, regulamentações recentes na Europa têm estabelecido prazos para a redução ou eliminação desses aditivos, devido à presença de elementos químicos altamente tóxicos, como o fósforo (P) e o enxofre (S). Nesse contexto, os lubrificantes sólidos emergem como uma alternativa mais ecologicamente sustentável, sendo classificados em diversas categorias, tais como sólidos lamelares, polímeros e metais dúcteis. O Laboratório de Materiais (LABMAT - UFSC) possui expertise na utilização desses lubrificantes sólidos, seja como aditivos em óleos convencionais, na investigação de novas rotas de síntese desses materiais ou no desenvolvimento de materiais autolubrificantes. Uma abordagem promissora adotada pelo LABMAT é a metalurgia do pó, que permite a produção de compósitos autolubrificantes de matriz metálica, ou seja, uma matriz metálica contínua contendo lubrificantes sólidos dispersos no volume. Tais materiais podem ser produzidos por meio da moldagem de pós por injeção ou compactação de pós. Estudos têm demonstrado o excelente desempenho tribológico desses materiais em diferentes condições de operação. Entretanto, para que sejam considerados soluções tribológicas alternativas para redução ou até mesmo eliminação dos aditivos à base de fósforo e enxofre, alguns estudos precisam ser desenvolvidos. Neste contexto, este trabalho investigou o desempenho tribológico de aços sinterizados, com e sem a presença de lubrificantes sólidos dispersos na matriz metálica, na presença de óleos formulados típicos da indústria automotiva. Os resultados indicaram que uma das ligas autolubrificantes testadas apresentou uma taxa de desgaste uma ordem de grandeza menor que as demais, com um coeficiente de atrito de 0,09. Análises químicas revelaram a formação de tribocamadas contendo elementos típicos de aditivos presentes em óleos formulados (Zn, Ca, P e S), juntamente com os lubrificantes sólidos, sugerindo uma contribuição significativa desses aditivos para a redução do atrito e desgaste no tribossistema.

Abstract: In recent years, there has been a notable increase in environmental concern, particularly related to global warming and greenhouse gas emissions. Research has highlighted that reducing wear and friction in mechanical systems through tribological studies can result in significant energy savings, reduction of CO2 emissions, and extension of component lifespan. Lubrication, historically employed since ancient times with natural oils and greases and later with synthetic oils, emerges as the most effective method to mitigate friction and wear. In many mechanical systems, operation occurs in mixed and/or boundary lubrication regimes, necessitating the use of multifunctional additives such as anti-wear and friction-reducing agents. However, recent regulations in Europe have established deadlines for the reduction or elimination of these additives due to the presence of highly toxic chemical elements, such as phosphorus (P) and sulfur (S). In this context, solid lubricants emerge as a more environmentally sustainable alternative, being classified into various categories such as lamellar solids, polymers, and ductile metals. The Materials Laboratory (LABMAT - UFSC) possesses expertise in the use of these solid lubricants, either as additives in conventional oils, in the investigation of new synthesis routes for these materials, or in the development of self-lubricating materials. A promising approach adopted by LABMAT is powder metallurgy, which allows to produce self-lubricating metal matrix composites, i.e., a continuous metal matrix containing solid lubricants dispersed throughout the volume. Such materials can be produced through powder injection molding or powder compaction. Studies have demonstrated the excellent tribological performance of these materials under different operating conditions. However, to be considered alternative tribological solutions for the reduction or even elimination of phosphorus and sulfur-based additives, further studies need to be developed. In this context, this work investigated the tribological performance of sintered steels, with and without the presence of solid lubricants dispersed in the metal matrix, in the presence of formulated oils typical of the automotive industry. The results indicated that one of the tested self-lubricating alloys exhibited a wear rate an order of magnitude lower than the others, with a friction coefficient of 0.09. Chemical analyses revealed the formation of tribolayers containing typical elements of additives present in formulated oils (Zn, Ca, P and S), along with the solid lubricants, suggesting a significant contribution of these additives to the reduction of friction and wear in the tribosystem.