A concentração das fases nanoestruturadas exerce um papel determinante na eficácia dos nano-lubrificantes, influenciando diretamente as propriedades de lubrificação e resfriamento nas zonas de atrito. Estudos realizados por Mao et al. demonstraram que o aumento da concentração desses componentes melhora essas características, reduzindo o desgaste abrasivo. De modo semelhante, Talib et al. evidenciaram que partículas de nitreto de boro hexagonal (HBN) formam uma película lubrificante que diminui o atrito e o desgaste superficial. Contudo, concentrações elevadas de partículas HBN podem provocar o acúmulo em vales da superfície, restringindo o movimento dos grãos adjacentes e intensificando o desgaste por atrito. Observou-se que em concentrações de 0,1 e 0,5% em peso, o deslizamento das partículas contribuiu para danos adicionais, culminando em desgaste abrasivo. Por isso, uma concentração de 0,05% em peso foi apontada como ideal para o equilíbrio entre lubrificação eficiente e minimização do desgaste.

Quando a concentração das fases nanoestruturadas ultrapassa certos limites, a tendência à aglomeração cresce, desestabilizando as fases e prejudicando a qualidade do processamento. Pal et al. investigaram a incorporação de nanopartículas de Al₂O₃ em óleo de girassol, em concentrações de 0,5%, 1,0% e 1,5% em peso, revelando que o nível de 1,5% promoveu reduções expressivas em esforço de perfuração, torque, rugosidade superficial e temperatura da ponta da broca, respectivamente em 44%, 67%, 56% e 26% no 30º furo, comparado à lubrificação por inundação. Além disso, a viscosidade do lubrificante varia conforme a concentração das nanopartículas; viscosidades muito baixas dificultam a sustentação da tensão aplicada pelas partículas, aumentando o atrito e o potencial dano às superfícies de contato. Em contraste, Sen et al. indicaram que 3% de Al₂O₃ geraram a viscosidade ótima e as melhores características de lubrificação.

A concentração das fases nanoestruturadas também influencia o ângulo de contato do fluido, refletindo na molhabilidade da superfície trabalhada. Inicialmente, à medida que a concentração cresce, o ângulo diminui, aumentando a área molhada. Entretanto, o excesso de partículas leva à formação de aglomerados que sedimentam, elevando novamente o ângulo de contato e comprometendo o acabamento superficial. Assim, a identificação de uma concentração ótima de nanopartículas, que maximize o desempenho em diferentes operações de usinagem, é fundamental, pois parâmetros fixos universais ainda não foram estabelecidos devido à complexidade da interação entre forma, tamanho e concentração das partículas.

A preparação dos nano-lubrificantes, conhecidos como fluidos com fases nanoestruturadas (NPECs), é uma etapa crítica que determina as propriedades termo-físicas finais. O processo deve assegurar uma dispersão uniforme e estável das nanopartículas na base fluida, evitando alterações químicas, aglomerações e suspensões heterogêneas. Existem principalmente duas técnicas de preparo: o método de etapa única e o método de duas etapas.

No método de etapa única, técnicas físicas como deposição a vapor, ablação a laser e processos de arco submerso assistidos por ultrassom são usadas para produzir e dispersar simultaneamente as fases nanoestruturadas na base líquida, prevenindo a oxidação e promovendo distribuição homogênea das partículas. Esse método elimina a necessidade de armazenar, secar e transportar as nanopartículas separadamente, reduzindo aglomerações e aumentando a estabilidade do produto final. Contudo, apresenta custo elevado e limitações no controle do tamanho das partículas, sendo indicado para fluidos base de baixa pressão.

Por outro lado, o método de duas etapas envolve inicialmente a síntese independente das nanopartículas, por meio de processos como deposição a vapor, redução química ou moagem mecânica. Posteriormente, essas partículas são dispersas uniformemente no fluido base utilizando técnicas mecânicas (cisalhamento, moagem, agitação) ou ultrassônicas, que quebram as interações cinéticas entre as partículas, como forças de van der Waals e movimento browniano. O uso de dispersantes complementa o processo ao aumentar as forças repulsivas entre partículas, prevenindo a formação de agregados e melhorando a estabilidade da suspensão. Apesar de ser mais econômico e adequado para produção em larga escala, o método demanda maior tempo e complexidade operacional.

A escolha adequada do método de preparo depende das condições específicas de aplicação e dos requisitos experimentais, sendo essencial para a obtenção de nano-lubrificantes eficientes e estáveis. A complexidade na interação entre as características das nanopartículas e a base fluida reforça a necessidade de um ajuste minucioso dos parâmetros, a fim de maximizar o desempenho nas operações de usinagem e minimizar efeitos adversos como desgaste e degradação superficial.

Compreender esses aspectos é vital para o avanço da tecnologia dos nano-lubrificantes, pois a busca por concentrações ótimas e métodos de preparo apropriados assegura melhorias significativas na eficiência dos processos industriais, na durabilidade das ferramentas e na qualidade das peças produzidas. Além disso, a estabilidade e a uniformidade das suspensões nanoestruturadas influenciam diretamente as propriedades térmicas e tribológicas do sistema, refletindo no controle preciso das condições de usinagem.

Como o uso de nano-lubrificantes à base de óleos vegetais melhora o desempenho em usinagem?

A aplicação de nano-lubrificantes à base de óleos vegetais, enriquecidos com fases nanoestruturadas como nanoplaquetas de grafeno (GNP) ou disulfeto de molibdênio (MoS₂), tem se mostrado extremamente eficaz na otimização de processos de usinagem, em especial no torneamento e retificação de ligas metálicas como o Ti–6Al–4V. Esses aditivos promovem não apenas uma significativa redução na energia específica de retificação, mas também uma melhora notável na qualidade superficial das peças usinadas, por meio de mecanismos tribológicos e térmicos altamente eficientes.

O uso de GNP em concentrações moderadas, especificamente em torno de 0,1% em peso, leva a uma redução expressiva na energia específica de corte — em alguns casos superior a 60% em relação ao processo a seco. Essa melhoria está relacionada à formação de uma película lubrificante mais robusta na zona de corte, reduzindo o atrito, as forças de usinagem e, consequentemente, o calor gerado. Em contraste, concentrações mais elevadas de GNP (acima de 0,1% em peso) resultam em um aumento da viscosidade do lubrificante, dificultando sua penetração eficaz na zona de corte e prejudicando a formação do filme lubrificante. Isso demonstra a necessidade de um equilíbrio delicado na formulação do NPEC (nano-phase enhanced coolant) para maximizar os benefícios tribológicos e térmicos.

A qualidade superficial das peças também é diretamente impactada por esses lubrificantes nanoestruturados. Estudos demonstraram que, sob condições de retificação a seco, a superfície apresenta delaminações, queimaduras e aderência significativa, comprometendo a integridade do componente. Por outro lado, quando se aplica lubrificação mínima (MQL) com óleos vegetais enriquecidos com GNP ou MoS₂, a superfície resultante é mais homogênea, com rugosidade drasticamente reduzida. A melhoria nos parâmetros Ra e Rz pode atingir até 50% em comparação com a usinagem a seco. O efeito lubrificante é reforçado pela natureza polar dos óleos vegetais, que facilitam a formação de uma camada de baixo atrito na interface ferramenta-peça.

Além disso, o MoS₂ mostra propriedades de formação de filme com excelente estabilidade térmica e resistência ao desgaste. Sua capacidade de formar uma camada lubrificante diretamente sobre a superfície da peça ou ferramenta contribui para minimizar o desgaste sem comprometer a estrutura do material usinado. O efeito tribológico é altamente localizado, o que permite preservar a integridade geral do sistema de corte.

A retificação com NPEC também impacta diretamente na microestrutura da peça. A dureza superficial pode aumentar devido ao encruamento induzido por pressão e fricção entre a peça e a ferramenta abrasiva. No entanto, temperaturas elevadas tendem a atenuar esse efeito. O uso de NPECs auxilia na redução da temperatura na zona de retificação, o que estabiliza os efeitos do encruamento, reduz a taxa de desgaste da ferramenta e melhora a qualidade do acabamento.

No contexto do torneamento, o desempenho dos NPECs continua superior quando comparado aos biolubrificantes convencionais. Reduções de temperatura entre 31% e 42% foram observadas durante a usinagem de ligas de titânio, acompanhadas por um aumento notável na vida útil da ferramenta — até 190% — e uma melhoria na qualidade da superfície da ordem de 68%. Esses avanços só são possíveis quando os parâmetros de corte, as características do lubrificante e a escolha das fases nanoestruturadas são cuidadosamente otimizados. A integração de materiais com alta condutividade térmica, como o grafeno, é crucial para o controle térmico no ponto de contato ferramenta-peça.

Além da formulação do lubrificante, a eficiência do processo também depende do meio de resfriamento e da forma como o fluido é aplicado. Em especial, o uso de ferramentas texturizadas e a sinergia entre lubrificantes de baixo ponto de congelamento e materiais nanoestruturados abrem novas possibilidades para aumentar a eficiência do corte, melhorar a remoção de cavacos e estabilizar a integridade superficial.

O desempenho aprimorado dos NPECs reside na combinação estratégica entre o comportamento reológico dos óleos vegetais, sua afinidade polar com superfícies metálicas e a ação tribológica dos aditivos nanoestruturados. Essa combinação não apenas garante uma menor rugosidade superficial, mas também melhora a dissipação de calor e reduz significativamente os fenômenos adversos, como aderência, queima e desgaste acelerado das ferramentas. O uso de lubrificantes ecológicos com aditivos nanoestruturados representa, portanto, uma abordagem promissora e sustentável para a usinagem de alta performance.

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