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Previous issue date: 2015 === Sob determinadas condições, o deslizamento de cerâmicos lubrificados com água apresenta
ultrabaixo coeficiente de atrito (μ<0,01), o que caracteriza um estado de superlubricidade. A
elevada capacidade de carga e eficiência energética destes tribossistemas, além do reduzido
impacto ambiental, são características superiores aos tradicionais pares tribológicos
metálicos lubrificados a óleo. Pares similares de nitreto de silício (Si3N4) ou carbeto de silício
(SiC) foram amplamente estudados e são apontados como os de melhor performance
tribológica, enquanto que pares similares de cerâmicos óxidos, como alumina (Al2O3) e
zircônia (ZrO2), geralmente apresentam baixo desempenho (baixa capacidade de carga e alto
coeficiente de atrito) em condições de lubrificação com água. A literatura é escassa no que
se refere aos pares cerâmicos dissimilares deslizando em água e, também, quanto à
natureza do fenômeno de superlubricidade. Neste contexto, uma investigação do
comportamento tribológico de sete diferentes combinações de cerâmicos dissimilares,
óxidos (Al2O3, ZrO2 e alumina tenacificada por zircônia - ZTA) e não-óxidos (Si3N4 e SiC), na
configuração esfera sobre disco foi realizada com o objetivo de identificar pares de materiais
e condições operacionais onde superlubricidade ocorre, assim como determinar
mecanismos de desgaste e regimes de lubrificação vigentes. No estudo de lubrificação, a
verificação experimental de um modelo que considera efeitos da topografia superficial e de
forças interfaciais de dupla camada elétrica foi realizado. Dos sete pares estudados, cinco
apresentaram superlubricidade (Si3N4-SiC, Si3N4- Al2O3, Si3N4-ZTA, Al2O3-SiC e ZrO2-SiC),
sendo que para os últimos três não havia relatos na literatura. Em uma ampla faixa de cargas
e velocidades, os dois outros pares (ZrO2-Al2O3 e ZrO2-ZTA) apresentaram transições entre
regimes de desgaste moderado e severo, com respectivas transições no comportamento do
atrito. Quanto à pressão média de contato, parâmetro que pode ser interpretado como a
capacidade de carga de um mancal, o par ZrO2-SiC foi superior, com a magnitude pelo
menos duas vezes maior que os demais pares. Da verificação do modelo de lubrificação,
concluiu-se que todos os pares que apresentaram superlubricidade operaram em regime de
lubrificação mista. De modo geral, a sustentação hidrodinâmica, auxiliada por efeitos da
topografia superficial, foi importante na capacidade de carga do filme lubrificante, enquanto
que forças eletrocinéticas de dupla camada elétrica foram desprezíveis. Para estes pares,
mecanismos de desgaste triboquímicos propiciaram a formação de tribofilmes nas
superfícies em deslizamento. A manutenção de coeficientes de atrito tão baixos, mesmo em
regime de lubrificação mista, suporta a ideia de que tribofilmes são imprescindíveis para a
ocorrência do fenômeno. === Under certain conditions, the sliding of ceramic materials under water lubrication shows
ultra-low friction coefficient (μ<0,01), which characterizes a state of superlubricity. The high
load capacity and energetic efficiency of these tribosystems, together with its reduced
ambiental impact, are superior characteristics if compared to the traditional oil-lubricated
metallic tribological pairs. Similar pairs of silicon nitride (Si3N4) or silicon carbide (SiC) were
widely studied and are pointed as having the greatest tribological performance, while similar
pairs of oxide ceramics, such as alumina (Al2O3) and zirconia (ZrO2), usually show poor
performance (low load capacity and high friction coefficient) in water-lubricated conditions.
Literature is scarce concerning to dissimilar ceramic pairs sliding in water and in explanations
about the nature of the superlubricity phenomenon. In that context, an investigation of the
tribological behavior of seven different combinations of dissimilar ceramic materials, oxide
(Al2O3, ZrO2 and zirconia-toughened alumina – ZTA) and non-oxide (Si3N4 and SiC), using ballon-
disc test configuration was performed with the objective of identifying pair of materials
and operational conditions where superlubricity occurs as well as to determine present wear
mechanisms and lubrication regimes. In the study of lubrication, an experimental verification
of a model that incorporates effects from surface topography and electrical double layer
forces was done. Of the seven studied pairs, five showed superlubricity (Si3N4-SiC, Si3N4-
Al2O3, Si3N4-ZTA, Al2O3-SiC and ZrO2-SiC), noting that for the last three listed there were no
previous reports in the literature. For a wide range of normal loads and sliding speeds, the
other two pairs (ZrO2-Al2O3 and ZrO2-ZTA) showed transitions between mild and severe wear
regimes, with respective transitions on frictional behavior. Regarding to mean contact
pressure, a parameter that can be interpreted as the load capacity of a bearing, the pair
ZrO2-SiC was superior, with the magnitude at least two times greater than the others. From
the verification of the lubrication model, the conclusion was that every pair that showed
superlubricity operated at a regime of mixed lubrication. In a general way, hydrodynamic
pressure, assisted by effects of the surface topography, was important in determining the
load capacity of the lubricating fluid film, while electrokinetic forces were negligible. For
these pairs, tribochemical wear mechanisms led to the formation of tribofilms on the sliding
surfaces. Maintaining ultra-low friction coefficients, even in mixed lubrication regime,
support the idea that the tribofilms are vital for the occurrence of the phenomenon.
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