Como a Temperatura e os Particulados Magnéticos Afetam a Viscosidade e Propriedades Tribológicas de Lubrificantes Magnéticos

O comportamento dos lubrificantes magnéticos, especialmente em relação à viscosidade e outras propriedades tribológicas, é profundamente influenciado por diversos fatores, como a temperatura e a presença de dispersantes e partículas magnéticas. Pesquisas recentes, incluindo o estudo de Yao et al., demonstraram que, na ausência de um campo magnético, o lubrificante magnético congelado apresenta uma viscosidade mais baixa em comparação com seu estado antes do congelamento, e essa diminuição é irreversível. Esse fenômeno está relacionado à interação das micelas no sistema de revestimento das partículas magnéticas, o que leva à formação de uma estrutura circular à temperatura ambiente. Porém, ao ser congelado, o volume do campo magnético aumenta, e ao descongelar, o movimento térmico das moléculas acelera, resultando na destruição dessa estrutura circular. A presença do sistema de micelas, além de aumentar a viscosidade, influencia diretamente a quebra dessa estrutura, reduzindo a viscosidade em temperaturas iguais.

Quando se analisa a fluidez dos lubrificantes magnéticos, deve-se considerar as leis da mecânica dos fluidos. A equação de conservação de massa, a lei da conservação de momentum e a conservação de energia são fundamentais para descrever o comportamento desses lubrificantes. A equação de conservação de massa, por exemplo, pode ser expressa como a diferença entre a massa do fluido que sai de um volume fixo por unidade de tempo e a mudança da massa que entra nesse volume. A partir dessa equação, podemos observar que a quantidade de fluido dentro do volume permanece constante. Já o estudo do movimento dos lubrificantes magnéticos é descrito pela equação de momentum de Navier-Stokes, que leva em consideração as forças externas e internas aplicadas sobre o fluido, bem como a interação com o campo magnético.

O comportamento térmico dos lubrificantes magnéticos segue a primeira lei da termodinâmica, na qual a energia do lubrificante é uma combinação de energia térmica interna, energia magnética e energia cinética. A mudança de energia é determinada pelo calor absorvido e pelo trabalho realizado pelas forças externas. Embora os efeitos do campo magnético sobre a tensão superficial de um fluido como o Fe3O4 sejam relativamente pequenos, a intensidade do campo magnético ainda influencia certas propriedades físicas do fluido.

Outro fator importante é a concentração de partículas magnéticas no lubrificante. O aumento da concentração de partículas pode diminuir o coeficiente de fricção devido à formação de um filme de adsorção física durante o movimento relativo entre as superfícies de atrito. Esse fenômeno foi observado em estudos com líquidos iônicos baseados em ferrofluido e também em ferrofluido CFe3O4. No entanto, a viscosidade e o coeficiente de fricção não se comportam da mesma maneira em todas as condições, como demonstrado pelo estudo de He et al. com Fe3O4@CuO, onde diferentes concentrações de partículas podem gerar efeitos distintos sobre o desempenho tribológico.

Por fim, a pesquisa sobre lubrificantes magnéticos não é apenas uma questão de entender os mecanismos de viscosidade e tribologia em condições ideais, mas também envolve a adaptação desses materiais para aplicações práticas em ambientes desafiadores. É essencial que o design e a formulação desses lubrificantes considerem uma combinação de propriedades físicas, térmicas e tribológicas para garantir seu desempenho ótimo em diversas condições operacionais, incluindo variações de temperatura e a presença de campos magnéticos.

Quais são as vantagens e limitações da lubrificação por quantidade mínima com atomização eletrostática?

A usinagem a seco elimina completamente a necessidade de fluidos de corte, reduzindo custos operacionais e o impacto ambiental. No entanto, essa abordagem resulta em acúmulo significativo de calor e atrito na zona de corte, o que exige ferramentas mais resistentes e impõe severas restrições aos parâmetros de processo e aos materiais da peça. Essa limitação reduz drasticamente a aplicabilidade prática da usinagem a seco.

Duas tecnologias têm se destacado nessa categoria: a usinagem criogênica e a lubrificação por quantidade mínima (MQL - Minimum Quantity Lubrication). A primeira utiliza agentes como ar, nitrogênio líquido ou dióxido de carbono líquido para resfriar eficazmente a zona de corte, mantendo um ambiente térmico mais controlado. Já a MQL consiste na introdução de pequenas quantidades de fluido (10–100 mL/h), em forma de jato atomizado, impulsionado por ar comprimido de alta pressão.

Diferentemente da usinagem úmida tradicional, a MQL opera com alta pressão e baixo volume de líquido, proporcionando economia de fluidos e, ao mesmo tempo, aumento da eficiência do processo. Estudos demonstram que a MQL reduz a temperatura na interface cavaco-ferramenta mais eficientemente do que tanto a usinagem a seco quanto a úmida. Também minimiza o desgaste da aresta da ferramenta e reduz a rugosidade da superfície da peça. Embora não alcance o mesmo nível de controle térmico que a usinagem criogênica, a MQL melhora o atrito na interface de corte, promovendo um desempenho superior de usinagem. Além disso, em comparação com os sistemas criogênicos, os dispositivos de MQL são menos complexos e mais acessíveis quanto à manutenção e armazenamento.

No entanto, a atomização pneumática na MQL apresenta desafios críticos. A alta pressão do gás pode dispersar gotículas finas no ambiente, elevando a concentração de partículas inaláveis (PM10 e PM2.5), o que representa um sério risco à saúde respiratória dos operadores — com potencial para causar alergias, pneumonias e até câncer. Além disso, com o tempo, a tensão superficial das gotas diminui, comprometendo a penetração e adesão do fluido na zona de corte. Biolubrificantes de alta viscosidade, sob atomização pneumática, resultam em gotículas maiores, distribuição irregular de tamanhos e baixa atividade superficial, o que prejudica a formação do filme lubrificante.

A atomização ultrassônica tem sido explorada como alternativa, mas enfrenta dificuldades práticas, especialmente na atomização eficiente de fluidos viscosos e nos processos complexos de manuseio e manutenção, o que limita sua aplicação industrial.

Diante desses desafios, a atomização eletrostática surge como uma solução disruptiva. Fundamentada no limite de Rayleigh (1882) e posteriormente desenvolvida com base nos estudos de Zeleny e Taylor, essa tecnologia utiliza campos elétricos para produzir gotículas menores, uniformes e altamente direcionadas, com propriedades superiores de deposição e revestimento. Essa precisão permite uma adesão eficaz das gotas carregadas, o que amplia as aplicações da tecnologia em setores como nanotecnologia, agricultura e controle ambiental.

Ao aplicar essa tecnologia à MQL, pesquisadores passaram a substituir a atomização pneumática pela eletrostática. Em experimentos com perfuração de aço SCM440, verificou-se redução das forças de corte em até 23,1% e melhoria da qualidade superficial em 25,3% quando comparada à MQL tradicional. Esses resultados demonstram que a atomização eletrostática não apenas supera os limites da atomização convencional, como também redefine os parâmetros de desempenho da usinagem lubrificada por quantidade mínima.

É importante compreender que a transição para MQL com atomização eletrostática envolve não apenas ganhos técnicos e ambientais, mas também a redefinição de parâmetros de segurança ocupacional e sustentabilidade. A eliminação dos riscos respiratórios associados à atomização pneumática, a redução no consumo de fluidos, a eficiência energética e a maior vida útil das ferramentas criam um cenário propício para a adoção massiva desta tecnologia. No entanto, a consolidação industrial da MQL eletrostática depende ainda de padronizações técnicas, adaptações operacionais e treinamento de pessoal para sua plena integração nas linhas de produção.

Como a Voltagem Afeta o Desempenho do EMQL na Usinagem?

Durante o processo de fresamento de ligas de alumínio, observou-se que a potência de usinagem sob condições de Lubrificação com Quantidade Mínima por Atomização Eletrostática (EMQL) atingiu o nível mais baixo em determinados momentos, apresentando um desempenho energético comparável ao do corte úmido e superior ao do MQL convencional. Essa eficiência se estende também ao processamento de aços inoxidáveis como o AISI 304, onde a aplicação de voltagens negativas moderadas, em torno de –4 kV, resultou em forças de corte reduzidas, menor desgaste da ferramenta, temperatura de corte mais baixa e rugosidade superficial inferior.

Entretanto, conforme a voltagem negativa aumentava além desse ponto ideal, os benefícios da EMQL se revertiam. O aumento da tensão negativa para níveis como –10 kV agravava significativamente o desgaste da ferramenta, elevava a temperatura de corte e piorava a integridade superficial da peça. A eficiência da lubrificação e a precisão na entrega do fluido eram comprometidas, com a formação de um cone de atomização excessivamente amplo, dispersando as gotículas para fora da zona de corte. Isso reduzia a capacidade de umedecimento e diminuía a eficácia geral do processo, similar ao efeito negativo de uma pressão de ar excessiva.

Estudos também mostraram que, ao se utilizar voltagens positivas, os efeitos eram inversos. A aplicação crescente de voltagens positivas – de 5 até 20 kV – resultava em melhor rugosidade superficial e prolongamento da vida útil da ferramenta. O aumento do campo eletrostático favorecia uma atomização mais estável e direcional, promovendo maior penetração do lubrificante na zona de corte e reduzindo o contato direto entre ferramenta e peça. Isso também se refletia na formação de uma camada de óxidos mais espessa sobre a superfície usinada, contribuindo para uma maior resistência ao desgaste.

A influência do campo elétrico na atomização do lubrificante é multifacetada. Em primeiro lugar, a alta voltagem pode reduzir a tensão superficial das gotículas, afetando o coeficiente capilar de penetração e, consequentemente, a extensão com que o lubrificante infiltra nas microestruturas do contato entre ferramenta e peça. Em segundo lugar, a intensidade do campo pode alterar a cinética das reações de oxirredução na zona de corte, favorecendo ou inibindo a formação de óxidos metálicos, o que impacta diretamente a resistência ao desgaste.

Adicionalmente, o fenômeno conhecido como Efeito Rehbinder desempenha um papel fundamental. Substâncias surfactantes com carga negativa, presentes no lubrificante, afetam plasticamente o comportamento reológico dos metais. Com uma densidade de carga baixa, as gotículas tendem a se adsorver na peça de trabalho, facilitando o corte. No entanto, quando a densidade de carga se eleva excessivamente, essas mesmas cargas passam a se concentrar na ferramenta, reduzindo sua resistência mecânica e provocando maior adesão do material usinado, o que acelera o desgaste.

Na usinagem de ligas como Cr12, os dados revelam que voltagens positivas em torno de 4 kV oferecem o melhor equilíbrio entre força de corte, temperatura de moagem, taxa de remoção de material e qualidade superficial. Contudo, uma voltagem de 5 kV já provoca uma inflexão nesses parâmetros, indicando a existência de uma faixa ótima de operação eletrostática.

É importante compreender que a eficiência da EMQL não depende exclusivamente da voltagem aplicada. A interação entre tipo de fluido, geometria da ferramenta, material da peça e parâmetros de corte também influencia diretamente os resultados. A viscosidade do lubrificante, sua capacidade de conduzir cargas elétricas, bem como a configuração do sistema de atomização, devem ser cuidadosamente ajustadas conforme o material e o tipo de usinagem.

Além disso, os dados sugerem que, embora a voltagem positiva tenda a melhorar a resistência ao desgaste e a integridade da superfície, seu excesso pode gerar instabilidade no padrão de atomização, assim como pode promover reações químicas indesejadas em materiais sensíveis à oxidação. Assim, tanto a escolha da polaridade quanto a magnitude da voltagem aplicada devem ser definidas com base em uma compreensão precisa das propriedades tribológicas e eletroquímicas do sistema em questão.

Como o Campo Magnético Afeta o Comportamento da Lubrificação e o Desempenho da Retificação

A velocidade de infiltração do lubrificante nas zonas de retificação pode ser fortemente influenciada pela aplicação de campos magnéticos. O modelo de infiltração de lubrificante para o processo de retificação, levando em consideração a interação do lubrificante com as superfícies de contato da rebolo e da peça de trabalho, reflete o papel crucial que o campo magnético desempenha nas propriedades do fluxo de lubrificante. Quando o campo magnético é aplicado, a pressão positiva sobre a interface entre o lubrificante e a peça de trabalho ou entre o rebolo e o lubrificante altera os comportamentos de cisalhamento e as gradientes de velocidade, com implicações diretas no desempenho do processo de retificação.

A introdução do campo magnético perpendicular à interface da rebolo altera a pressão nas interfaces sólidas-líquidas e, consequentemente, modifica o comportamento de infiltração do lubrificante. Ao aplicar o campo magnético, a pressão nas interfaces aumenta ou diminui, dependendo da direção do campo, o que influencia diretamente o esforço de cisalhamento crítico e a velocidade de deslizamento. A equação que descreve esse fenômeno é dada por:

onde $k$ é o coeficiente de fricção (CoF) da interface sólido-líquido e $p$ é a pressão do lubrificante gerada pelo campo magnético.

Essas equações mostram como a viscosidade do lubrificante e a intensidade do campo magnético interagem para modificar a infiltração de lubrificante, o que pode resultar em um desempenho melhorado ou reduzido, dependendo das condições operacionais.

Quando o campo magnético é aplicado, é possível observar uma mudança na taxa de infiltração do lubrificante, o que melhora a lubrificação nas zonas de contato e, portanto, a eficiência do processo de retificação. Com o aumento da intensidade do campo magnético, a taxa de infiltração também tende a se alinhar com a velocidade linear do rebolo, o que reflete uma interação mais forte entre o lubrificante e a superfície do rebolo. Essa interação influencia a taxa de deslizamento e pode otimizar o desempenho da retificação.

O campo magnético também pode ter um impacto na relação entre a pressão de interface e o esforço de cisalhamento, como evidenciado pela mudança nos valores de $k_1$ e $k_2$, que são afetados pela rugosidade das superfícies de contato. O coeficiente de fricção $k_1$ para a interface rebolo-lubrificante tende a ser maior que $k_2$ devido à maior rugosidade da superfície do rebolo em comparação com a da peça de trabalho. Este fator é fundamental para a definição dos parâmetros de infiltração de lubrificante.

Como as Propriedades Termofísicas e Tribológicas dos NPECs Afetam a Eficiência no Processamento de Materiais

Durante os processos de usinagem, o uso de fluidos de corte e lubrificação é crucial para garantir a qualidade do acabamento da superfície e a longevidade das ferramentas. Nos últimos anos, os líquidos de corte com nanopartículas (NPECs, do inglês Nanoparticle Enhanced Coolants) têm ganhado destaque devido às suas propriedades superiores em comparação com os fluídos tradicionais. A eficácia dos NPECs está profundamente relacionada às suas características de molhabilidade e transferência de calor, que desempenham papéis fundamentais no controle da temperatura durante o processo de usinagem e na redução do atrito.

A transferência de calor durante a usinagem é um dos desafios mais críticos, e a eficiência do NPEC em transportar calor pode ser observada através de sua alta condutividade térmica e coeficiente de transferência de calor. Isso é fundamental para reduzir os danos térmicos à peça de trabalho, minimizar o desgaste das ferramentas e melhorar a qualidade do acabamento. A presença de bolhas na superfície da peça de trabalho é um indicativo de que o coeficiente de transferência de calor por ebulição está elevado, o que resulta em uma melhor remoção do calor. Quanto menor o ângulo de contato do NPEC, maior a área de penetração, o que intensifica a eficácia da lubrificação e da refrigeração. A formação de bolhas é um dos eventos críticos na transferência de calor por ebulição, e a baixa tensão superficial dos NPECs contribui para a formação e crescimento dessas bolhas, melhorando o desempenho do resfriamento e lubrificação no processo de usinagem.

As propriedades tribológicas também desempenham um papel vital na eficiência do processo de usinagem. O atrito gerado entre a ferramenta e a peça de trabalho é uma fonte significativa de calor, o que pode afetar negativamente tanto a durabilidade da ferramenta quanto o acabamento da peça. A utilização de NPECs tem mostrado reduzir o atrito e o desgaste devido à presença de partículas nanométricas que preenchem as irregularidades das superfícies, criando um efeito de rolamento. Esse efeito transforma o atrito de deslizamento em atrito de rolamento, resultando em uma redução do coeficiente de atrito (COF) e do desgaste da superfície da peça.

Pesquisas apontam que o uso de NPECs, como aqueles contendo nanotubos de carbono (CNTs) ou grafeno, pode melhorar substancialmente a eficiência do resfriamento e da lubrificação durante a usinagem de materiais como carburetos cementados, que são ligas de alta temperatura. Essas nanopartículas possuem excelentes propriedades térmicas, promovendo uma transferência de calor mais eficaz e ajudando a manter a temperatura ideal durante o processo.

Com a crescente demanda por eficiência nos processos de fabricação e a necessidade de reduzir custos operacionais, os NPECs oferecem soluções promissoras para aprimorar os resultados de usinagem. No entanto, é importante notar que as condições de operação, como a pressão no sistema de resfriamento, também afetam a eficácia desses fluidos. A pressão maior nos sistemas de MQL (Minimum Quantity Lubrication) facilita o transporte das nanopartículas, o que melhora ainda mais a proteção das superfícies e a eficiência térmica.

A escolha de NPECs deve ser cuidadosamente considerada em função das propriedades da peça de trabalho, da ferramenta de corte e do tipo de processo de usinagem empregado. O desenvolvimento contínuo de novos materiais e formulações de NPECs poderá expandir ainda mais as possibilidades de otimização em diversos setores industriais, garantindo maior desempenho, durabilidade e precisão.