ÁREA
Iniciação Científica
Autores
Silva, E.G. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Andrade, J.G.G.N. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Nunes, N.S.L. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Andrade, C.M. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Caland, L.B. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE)
RESUMO
O biodiesel, um combustível renovável e biodegradável, é produzido a partir de óleos vegetais e gorduras animais via transesterificação com álcool. Em comparação ao diesel mineral derivado do petróleo, o biodiesel apresenta maior sustentabilidade. Este estudo focou em analisar o desgaste de aço usando ensaios mecânicos com biodiesel de óleo de fritura no tribômetro no High Frequency Reciprocating Rig(HFRR). Foram realizados ensaios monitorando parâmetros como carga, velocidade de deslizamento, temperatura, coeficiente de atrito e formação de filme. Os resultados de cinco ensaios com B100 do biodiesel mostraram dispersão de valores e diferentes características de desgaste. A relação entre coeficiente de atrito e desgaste foi explorada, e o biodiesel pode não ter reduzido efetivamente ambos.
Palavras Chaves
Biodiesel; Lubrificação; Corrosão
Introdução
O biodiesel é um combustível renovável, biodegradável e ambientalmente correto, composto por ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, obtidos através da transesterificação de triglicerídeos com álcool (PARENTE, 2005). Derivado de fontes renováveis como óleos vegetais e gorduras animais, o biodiesel é uma alternativa sustentável que substitui total ou parcialmente o diesel proveniente do petróleo e pode ser utilizado em motores de caminhões, ônibus, tratores, caminhonetes e outras máquinas geradoras de energia. O óleo diesel mineral, derivado do petróleo, é amplamente utilizado no Brasil em veículos rodoviários e industriais, devido às suas propriedades de combustão interna e ignição por compressão. Durante o processo de destilação fracionada do petróleo bruto, obtêm-se frações de óleo diesel leve e pesado, fundamentais para a sua produção. No entanto, a crescente demanda por combustíveis renováveis, aliada à preocupação ambiental e ao aquecimento global, tem incentivado a busca por alternativas como o biodiesel. O biodiesel oferece benefícios significativos, tais como o aumento no número de empregos e melhora da economia, principalmente a rural; diminuição da dependência de importação de combustíveis, redução da poluição e praticamente ausência de contribuição ao aquecimento global. No entanto, o uso de biodiesel implica em possíveis desafios, como a corrosão de componentes metálicos nos sistemas de transporte e armazenamento, devido ao contato direto com o combustível (SAVITA KAUL ET AL, 2007; HASEEB ET AL, 2010). A natureza corrosiva do biodiesel pode ser agravada caso haja resíduos de água ou ácidos graxos resultantes do processo de transesterificação. Além disso, processos de auto-oxidação devido à baixa estabilidade oxidativa do biodiesel podem alterar suas propriedades e aumentar a capacidade corrosiva (FAZAL ET AL, 2010). O uso de substratos metálicos em sistemas automotivos é comum, e estudos sugerem que o contato entre biodiesel e metais pode causar alterações na morfologia do aço carbono e perda de massa ao longo do tempo. Por outro lado, o aço inoxidável forma filmes finos que protegem contra a corrosão. A lubricidade do combustível é um dos fatores fundamentais para o funcionamento adequado dos motores, pois reduz o desgaste das peças móveis (MARU ET AL, 2009; NOCKERT ET AL, 2012). O biodiesel pode ser uma opção viável como aditivo ou combustível, pois sua capacidade de lubrificação é influenciada pela temperatura de admissão do combustível l(HABIBULLAH, 2015 e LIAQUAT, 2013). O Governo Federal promove o uso do biodiesel por meio do Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel, incentivando sua produção e consumo. No entanto, para sua aceitação na indústria automotiva, é essencial que o biodiesel seja energeticamente eficiente, mantenha a durabilidade do motor e esteja disponível em quantidades adequadas. Diante disso, o objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho do motor alimentado por biodiesel e estudar o desgaste de peças metálicas. O trabalho aborda a influência do biodiesel na redução do atrito entre componentes e peças do motor, em comparação com combustíveis convencionais à base de petróleo e determinar se o biodiesel é energeticamente eficiente e contribui para o desempenho e longevidade do motor. A pesquisa é motivada pela crescente necessidade de combustíveis ecologicamente corretos para motores de ignição, com o objetivo de diminuir compostos de enxofre e materiais suspensos no ar, reduzindo assim a poluição. O Objetivo Geral deste trabalho foi analisar o desgaste de um aço inoxidável, por meio de ensaios mecânicos realizados em um equipamento tribômetro de HFRR (High Frequency Reciprocating Rig) com a presença do biodiesel sem lubrificação. Dessa forma, avaliou-se o desgaste do material na presença do biodiesel de óleo residual, analisando os aspectos como pista de desgaste, volume desgastado e aspectos da superfície de desgaste; Analisou a morfologia do desgaste dos discos após os ensaios de desgaste através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e desgaste químico dos discos após os ensaios de desgaste através da técnica de Espectroscopia de Energia Despersiva (EDS) e por fim, identificou-se uma correlação físico-química entre as amostras de aço e o biodiesel na propriedade de lubricidade.
Material e métodos
1. Preparação das amostras: A preparação das amostras de combustíveis envolveu a obtenção de biodiesel a partir do óleo de fritura, por reação de transesterificação, e a preparação, em triplicatas, de amostras de biodiesel B100 (óleo residual). 2. Preparação das peças metálicas: Na preparação das peças metálicas utilizou-se discos planos de dimensões 9,75mm x 2,95mm (aço SAE1045), que passou por processos de usinagem, e esferas de 6mm (aço AISI 52100) para avaliação de lubricidade das misturas no aparelho HFRR, ambas peças passaram por polimento com abrasiva alumina. Na composição do Aço dos discos temos, principalmente, Manganês (~0,6 a 0,9%) e Carbono(~0,42 a 0,5%). Na composição do Aço das esferas temos, principalmente, Ferro (~96,5 a 97,32%) e Cromo (~1,3 a 1,6%). 3. Ensaios de desgaste A avaliação da lubricidade das misturas foi feita por meio de ensaios em uma sonda de movimento alternado sob alta frequência, conhecida como HFRR (High- Frequency Reciprocating Rig). As amostras foram limpas e secas antes dos ensaios, e os parâmetros como carga, velocidade, distância de deslizamento acumulado e temperatura foram pré-estabelecidos. Os ensaios foram realizados em condições específicas, incluindo temperatura do fluido (60 ± 2ºC), volume do fluído (2,0 ± 0,2mL), comprimento do curso(1mm), frequência de oscilação(50Hz), umidade relativa (superior a 30%), carga aplicada(1,96 ± 0,01 N), duração do ensaio(75 ± 0,1 minutos), número de ciclos (225.000), velocidade (0,1m/s) e distância de deslizamento total(450m). Os parâmetros adotados neste ensaio foram cuidadosamente selecionados de forma a garantir resultados confiáveis e reproduzíveis. Com base nos dados obtidos, foi possível avaliar a resistência ao desgaste do material na presença do biodiesel de óleo de fritura. 4. Análise morfológica e química Realizou-se uma análise química e morfológica do desgaste ocasionado na superfície do disco. As escaras geradas no aço das esferas foram analisadas com auxílio de um microscópio óptico Meiji Techno, modelo ML7000, interligado ao HFRR. Posteriormente, realizou-se uma análise mais criteriosa, do desgaste ocorrido na zona de deslizamento por meio da utilização dos sistemas de microscópio eletrônico(MEV). Além do MEV, foi utilizada a Espectroscopia de Energia Dispersiva(EDS), para avaliar informações da composição química de diferentes regiões (interna e externa da zona do deslizamento) do disco, após o ensaio de desgaste. O estudo focou na avaliação da lubricidade do biodiesel de óleo de fritura e sua influência no desgaste de peças metálicas, especialmente discos de aço e esferas de aço. Os parâmetros cuidadosamente selecionados para os ensaios visavam obter resultados confiáveis e reproduzíveis, permitindo a análise precisa da resistência ao desgaste do material sob condições específicas de teste. A análise morfológica e química das peças após os ensaios proporcionou uma compreensão mais profunda dos efeitos do biodiesel nas propriedades dos materiais.
Resultado e discussão
O trabalho analisou os parâmetros tribológicos do coeficiente de atrito,
formação de filme lubrificante e desgaste através de ensaios de lubricidade,
utilizando biodiesel de óleo de fritura (B100) como lubrificante. Cinco
experimentos foram realizados, cada um consistindo de testes de lubrificação em
esferas e discos de aço. Foram avaliados os resultados do coeficiente de atrito
e da formação de filme lubrificante ao longo do tempo, tais resultados estão
apresentados na Tabela 1.
No Experimento 1, a formação do filme aumentou até cerca de 1640 segundos e
manteve-se constante até 4500 segundos, enquanto o coeficiente de atrito
permaneceu uniforme ao longo do ensaio. No Experimento 2, houve uma tendência de
aumento no percentual de filme, com oscilações ao longo do ensaio, e um
coeficiente de atrito uniforme, semelhante ao Experimento 1. Os resultados
mostraram que a formação média de filme no Experimento 1 foi de 55,5% e o
coeficiente de atrito médio foi de 0,1045, enquanto no Experimento 2, a formação
de filme foi de 26% e o coeficiente de atrito foi de 0,112, ambos a uma
temperatura de cerca de 60°C. No Experimento 1, o desgaste foi menor devido a um
coeficiente de atrito menor e uma formação de filme considerável. Já no
Experimento 2, o coeficiente de atrito um pouco maior e o menor percentual de
formação de filme resultaram em maior desgaste.
A importância da redução do coeficiente de atrito e da formação adequada de
filme lubrificante foi destacada para minimizar o desgaste de peças metálicas,
especialmente em condições de alta carga e temperatura. O uso de lubrificantes
adequados é crítico para a eficiência e confiabilidade de sistemas mecânicos.
O armazenamento das amostras metálicas em algodão e fita crepe antes dos
ensaios foi discutido como um método eficaz para evitar desgaste e corrosão. O
algodão ajudou a manter as superfícies secas e livres de água, prevenindo a
corrosão, enquanto a fita evitou o contato direto entre as peças, reduzindo o
desgaste por atrito.
Após armazenamento em glicerina, as amostras apresentaram superfície escura e
opaca devido à retenção de partículas e contaminantes. A reutilização das peças
em ensaios posteriores pode levar ao desgaste natural devido a fatores como
oxidação, corrosão, fadiga do material e desgaste por abrasão.
Nos ensaios tribométricos com biodiesel como lubrificante, diferentes tipos de
desgaste foram identificados, incluindo desgaste por abrasão, desgaste por
adesão e desgaste por fadiga do material. O desgaste por abrasão foi o mais
comum, especialmente quando partículas duras ou contaminantes estavam presentes
no lubrificante.
Os resultados do Experimento 3 mostraram um aumento semelhante no percentual de
filme ao longo do tempo, com coeficiente de atrito estável, semelhante ao
Experimento 1. Os experimentos 4 e 5, replicatas dos ensaios com B100,
apresentaram comportamentos semelhantes para os parâmetros tribológicos, mas com
valores diferentes de coeficiente de atrito e percentual de filme. Dessa forma,
observa-se um desempenho insatisfatório na repetibilidade dos resultados
obtidos, não sendo assim possível obtermos uma relação eficiente e segura com a
propriedade de lubricidade do biodiesel analisado.
Objetivando analisar o desgaste do contato pino-disco após a realização do
ensaio na bancada de HFRR, a análise foi feita examinando as marcas de desgaste
no disco usando microscopia. O coeficiente de atrito, que mede a resistência ao
movimento entre superfícies, influencia o tamanho e profundidade das marcas de
desgaste em uma esfera de aço. Um coeficiente de atrito mais alto leva a mais
fricção e desgaste, assim como uma pressão de contato elevada. No entanto,
outros fatores, como dureza da superfície, geometria da esfera e carga exercida,
também afetam as marcas de desgaste.
Os resultados mostrados, na Figura 1, indicam que o coeficiente de atrito está
diretamente relacionado ao desgaste. Nas superfícies dos três primeiros
experimentos, observa-se que ambas as amostras apresentaram profundidade de
desgaste após os ensaios, com tamanho de escaras similares, com diâmetro médio
de escara de 354 micrômetros. E assim, é possível entender que o coeficiente de
atrito e o desgaste se correlacionam diretamente. Nos experimentos 4 e 5, as
esferas apresentaram desgaste mais significativo com diâmetro médio de 583
micrômetros, provavelmente devido à menor formação de filme lubrificante entre
as esferas e os discos, resultando em maior atrito e desgaste. O armazenamento
das amostras em glicerina pode ter corroído as superfícies das esferas,
aumentando a rugosidade e a abrasão durante os ensaios. A pressão de contato e a
carga aplicada também influenciaram o desgaste, especialmente se o lubrificante
não fosse eficaz na redução do atrito. Portanto, todas essas variáveis devem ser
consideradas na avaliação dos resultados dos ensaios tribológicos.
Após o ensaio tribológico, avaliou-se a escara de desgaste na superfície do
disco, Figura 1. A avaliação foi realizada medindo as dimensões da área
desgastada usando um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV). No experimento
4, a escara de desgaste tinha uma largura de 1,588 mm e altura de 0,63 mm,
indicando o tamanho da área desgastada. No experimento 5, as medidas foram de
1,490 mm de largura e 0,644 mm de altura. Isso sugere um desgaste mais acentuado
na largura no experimento 4, mas um desgaste mais profundo no experimento 5. Os
desgastes podem ter sido causados principalmente por abrasão por sulcamento após
225.000 ciclos de contato disco-esfera nos ensaio.
As análises foram realizadas utilizando a técnica EDS em diferentes regiões de
um disco após experimentos no HFRR. No Experimento 4, observa-se uma mancha
escura de formato esférico e a presença dos elementos ferro(85,76%) e
oxigênio(7,8%) na zona desgastada, com maiores concentrações de ferro devido à
composição do aço do disco. Fora da zona de desgaste, nos experimentos 3 e 4, é
observada uma maior porcentagem de alumínio (Al) e oxigênio (O), possivelmente
relacionados à oxidação do material ou processos de obtenção do disco, além da
presença de ferro e carbono, em função da composição do aço. O Experimento 5,
mostra resultados semelhantes aos do Experimento 4, com alta concentração de
ferro e oxigênio na zona de desgaste, e presença de alumínio e oxigênio fora da
zona de desgaste. A quantidade de ferro varia entre as análises, sugerindo
diferenças nos processos de fabricação ou na composição ao longo do tempo. A
presença de oxigênio nas análises pode ser devido à oxidação do material em
contato com o ar, e a presença de sódio (Na) pode ser resultado de contaminação
durante a preparação ou análise das amostras. Em resumo, os resultados das
análises de EDS indicam que as amostras são predominantemente compostas por
ferro, com variações na presença de carbono, oxigênio e outros elementos. No
entanto, é ressaltado que esses resultados são específicos para as amostras
analisadas e não podem ser generalizados sem uma análise mais aprofundada e
cuidadosa.
Resultados de coeficiente de Resultados de \r\ncoeficiente de atrito e formação de filme em \r\nfunção do tempo lubrificado com o B100 obtido de \r\nóleo residual
Imagens das superfícies de contato das esferas após \r\nos ensaios tribológicos no HFRR
Conclusões
Com base nas análises realizadas, foi observada uma relação direta entre o coeficiente de atrito e o desgaste. O biodiesel (B100) pode não ter sido tão eficaz na redução de atrito e desgaste, possivelmente devido à formação inadequada de um filme lubrificante entre as esferas e os discos. A pressão de contato, a carga aplicada e o armazenamento das amostras na glicerina também podem ter influenciado o desgaste das esferas, possivelmente contribuindo para a corrosão das superfícies. A análise das dimensões da escara de desgaste revelou diferenças relacionadas às condições experimentais, como carga, velocidade e tipo de lubrificante. As informações obtidas têm relevância para avaliar o desempenho de materiais em condições tribológicas específicas e auxiliar o desenvolvimento de materiais mais resistentes. A análise via Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) fornece detalhes sobre os mecanismos de desgaste, o que pode guiar estratégias de mitigação. Esses resultados são valiosos para compreender a composição química das amostras analisadas e possíveis variações ao longo do tempo. A predominância do ferro sugere uma liga de ferro, e variações de carbono e oxigênio podem se originar de processos de fabricação ou contaminação durante a preparação ou análise da amostra. É crucial considerar todos esses fatores ao interpretar resultados e discutir implicações de ensaios tribológicos, evitando conclusões equivocadas. Compreender mecanismos de desgaste em diferentes situações pode guiar a seleção de materiais e lubrificantes, além de melhorar a durabilidade sob condições específicas. Por fim, ressaltar que os resultados são específicos para as amostras analisadas, podendo haver variações significativas em outras. Análises precisas são necessárias para avaliar outras amostras e seu desempenho. Ademais, é fundamental utilizar técnicas analíticas adequadas para obter resultados precisos e confiáveis.
Agradecimentos
Departamento de Ciência e Tecnologia/ UERN e PIBIC.
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