Materiais de baixo atrito para mancais
O atrito em um mancal de deslizamento é definido pelo par de superfícies e pelo que existe entre elas. Um punhado de materiais tem baixo atrito contra o aço por natureza (PTFE, grafite e MoS₂ acima de todos), e o projeto de mancais é, em grande parte, a arte de colocar um deles na interface enquanto algo mais resistente suporta a carga.
Os sólidos de menor atrito contra o aço são o PTFE (μ ≈ 0,04–0,10 a seco), o grafite e o MoS₂ (≈ 0,05–0,15), seguidos de POM e UHMWPE (≈ 0,15–0,30) e do nylon (≈ 0,20–0,40). Bronze sobre aço fica em ≈ 0,10–0,20 lubrificado. Nenhum dos sólidos de baixo atrito é resistente o bastante para suportar cargas altas sozinho, por isso as buchas os combinam com uma estrutura de bronze ou de aço: camadas de PTFE e de POM sobre aço, insertos de grafite no bronze, óleo no bronze sinterizado.
- O coeficiente de atrito é propriedade do par e das condições (carga, velocidade, temperatura, lubrificante), não de um material isolado
- Buchas compostas de PTFE: μ 0,02–0,20 a seco; compostas de POM 0,05–0,25 com graxa; bimetálicas de bronze 0,04–0,15 lubrificadas; bronze fundido 0,08–0,15 com graxa
- Baixo atrito e baixo desgaste são propriedades diferentes: o PTFE tem o menor atrito, mas puro se desgasta rápido, e por isso é usado como camada fina aditivada
- Um filme de lubrificante vence qualquer sólido: um filme de óleo completo dá μ ≈ 0,001–0,01, e é por isso que os mancais rápidos são alimentados a óleo
Materiais comparados
Faixas representativas contra o aço, extraídas da literatura de tribologia e das fichas técnicas das buchas deste site; os valores reais dependem de carga, velocidade, temperatura, acabamento superficial e contaminação.
| Material | μ a seco contra aço | μ lubrificado | Resistência ao desgaste | Capacidade de carga | Temperatura | Uso em buchas |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PTFE (aditivado) | 0,04–0,10 | 0,02–0,05 | Baixa puro, boa aditivado | Baixa sozinho | −200 a +260 °C | Camada de deslizamento das buchas compostas de PTFE |
| Grafite | 0,05–0,15 | — | Boa | Baixa sozinho | Até 400 °C ao ar | Insertos das buchas de bronze grafitado |
| MoS₂ | 0,05–0,10 | — | Boa | Baixa sozinho | Até 350 °C ao ar | Aditivo em camadas de PTFE e em insertos |
| POM (acetal) | 0,15–0,30 | 0,05–0,10 | Boa | Moderada | Até 100–130 °C | Camada de deslizamento das buchas compostas de POM; buchas maciças |
| UHMWPE | 0,10–0,20 | 0,05–0,10 | Muito boa (abrasão) | Baixa | Até 80 °C | Buchas de plástico maciço e revestimentos |
| Nylon (PA) | 0,20–0,40 | 0,05–0,15 | Boa | Moderada | Até 100 °C | Buchas de plástico maciço |
| Bronze (C93200) | 0,25–0,35 | 0,08–0,15 | Boa | Alta | Até 250 °C | Buchas de bronze fundido, enrolado e sinterizado |
| Bronze sinterizado + óleo | — | 0,05–0,15 | Boa | Baixa a moderada | Até 90 °C | Buchas impregnadas com óleo |
| Bimetálica CuPb10Sn10 | — | 0,04–0,15 | Muito boa | Muito alta | Até 250 °C em óleo | Buchas bimetálicas |
| Aço temperado | 0,5–0,8 (engripa) | 0,10–0,15 | Excelente | Muito alta | Até 350 °C | Buchas de aço temperado, com graxa |
Por que o material de baixo atrito é sempre uma camada
O PTFE flui sob poucos N/mm², o grafite é frágil e o POM dilata e amolece com o calor. Usados sozinhos, fazem buchas ruins. Unido como camada fina a uma base de aço por meio de bronze poroso, o PTFE suporta 250 N/mm² estática, porque o caminho da carga através da camada tem só alguns centésimos de milímetro; embutido em bronze fundido, o grafite lubrifica uma bucha que suporta 50–100 N/mm² porque é o bronze, e não o grafite, que carrega a carga. O projetista de mancais separa a função de suportar a carga da função de reduzir o atrito e entrega cada uma ao material que a faz melhor.
Quando um filme de lubrificante vence qualquer sólido
Em velocidade, com alimentação de óleo, o mancal de deslizamento forma um filme hidrodinâmico que separa completamente as superfícies; o atrito cai para 0,001–0,01 e o desgaste, a zero. É por isso que os mancais rápidos (buchas de motor, de câmbio e de bomba) são alimentados a óleo e feitos de bimetal ou de bronze, e não de PTFE. Abaixo de cerca de 0,5 m/s não se forma filme, e o mancal trabalha em lubrificação limite sobre o que estiver na interface: a graxa e o próprio bronze, ou um sólido autolubrificante. Os sólidos de baixo atrito importam no regime lento, seco, quente e sem manutenção, que é onde vive a maioria das buchas.
Como escolher uma bucha de baixo atrito
Primeiro o regime, depois o material.
- A seco, qualquer temperatura, carga moderada. Composta de PTFE: o menor atrito disponível em uma bucha, 250 N/mm² estática, de −195 a +280 °C.
- A seco, pesada, lenta, quente. Bronze grafitado: 50–100 N/mm², até 400 °C, a ≤ 0,5 m/s.
- Engraxada uma vez, PV alto, carga de borda. Composta de POM: 22 N/mm²·m/s com óleo, camada tenaz, até 130 °C.
- Alimentada a óleo, rápida. Bimetálica: μ 0,04–0,12 sobre filme, 8–15 m/s.
- Leve, silenciosa, barata, sem corrosão. Buchas maciças de POM, nylon ou UHMWPE, ou bronze sinterizado.
Perguntas frequentes
Qual material tem o menor coeficiente de atrito?
Entre os sólidos de engenharia, o PTFE: cerca de 0,04–0,10 a seco contra o aço, e menos quando aditivado e amaciado. Grafite e MoS₂ vêm logo atrás. Um filme de óleo hidrodinâmico vence todos eles, com 0,001–0,01.
Por que não fazer a bucha inteira de PTFE?
O PTFE flui sob carga e conduz mal o calor. Como camada fina sobre base de aço, suporta 250 N/mm²; como bucha maciça, suporta uma pequena fração disso e sofre fluência a frio.
Baixo atrito é o mesmo que baixo desgaste?
Não. O PTFE tem o menor atrito e, puro, uma das maiores taxas de desgaste. Os materiais de bucha são aditivados, dispostos em camadas ou com insertos para conseguir os dois.
Qual é o atrito de uma bucha de bronze?
Cerca de 0,08–0,15 com graxa, em lubrificação limite; menor sobre filme de óleo em velocidade; 0,25–0,35 a seco, o que é um modo de falha, não um ponto de projeto.
Qual bucha tem o menor atrito?
Entre os tipos de trabalho a seco, a bucha composta de PTFE (0,02–0,20 conforme carga e velocidade); entre os lubrificados, a bucha bimetálica alimentada a óleo sobre filme completo.
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