estudo e diagnÓstico da recuperaÇÃo das facas de um … · equipamento, aumentando a produção...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ESTUDO E DIAGNÓSTICO DA RECUPERAÇÃO DAS

FACAS DE UM MOINHO DE OBJETOS DE BASE

POLIMÉRICA

DENIS MAX DE LIMA BEZERRA

NATAL- RN, 2019






POLIMÉRICA


Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. Efrain Pantaleon Matamoros.

NATAL - RN

2019






POLIMÉRICA


Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. Efrain Pantaleon Matamoros ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador.

Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno.

Prof. MSc. Salomão Sávio Batista ___________________________

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte - Avaliador externo.

NATAL, 01 de novembro de 2019.

i

Dedicatória

Dedico este trabalho a Minha esposa, Heloiny Hérica, ao meu filho Benjamin

Nícolas, a senhora minha mãe, Mauricéia de Lima Bezerra e ao senhor meu pai,

Diraldo Bezerra: os meus alicerces.

ii

Agradecimentos

Esse trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas

as quais presto minhas sinceras homenagens: primeiramente a minha mãe

Mauricéia Bezerra, e a meu pai, Diraldo Bezerra – Sem vocês esse sonho seria

simplesmente impossível.

A minha amada esposa Heloiny Hérica e ao meu filho, Benjamin Nícolas,

pelo amor, pela compreensão e pelo apoio incondicional nos momentos difíceis. Ao

professor Doutor Evans Paiva, por todo apoio intelectual e direcionamento,

principalmente no período de estágio.

Ao meu orientador, o Professor Doutor Efrain Pantaleon Matamoros por sua

contribuição intelectual, apoio moral e emocional e por ter sido meu mentor ao longo

de toda vida acadêmica. Ao Laboratório de metalografia e tratamentos térmicos da

UFRN, e ao Técnico Hudson Diniz pela ajuda e contribuição. Ao laboratório de

máquinas de fluxo e energia solar da UFRN e ao Professor Doutor Luiz Guilherme

Meira Souza, por todo o suporte, apoio intelectual, moral e emocional.

A A&D Indústria e Comércio de Embalagens Ltda e todos os seus diretores,

técnicos e funcionários, em especial Aníbal Unca, Danielle Lyra, Ana Rabello e

Alexandre Rabello.

A todos os meus familiares. A todos os meus amigos, que direta e

indiretamente contribuíram em minha caminhada, em especial a Michel Rodrigo e

Dérik Luiz, Raimundo Vicente, ao Professor Mestre Salomão Sávio e a todos os

amigos que não foram citados, mas são igualmente importantes.

iii

Bezerra, D, M. L.. Estudo e diagnóstico da recuperação das facas de um moinho de

objetos de base polimérica. 2019. 67 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação

em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN,

2019.

Resumo

Atualmente, na indústria de reciclagem plástica, são utilizados moinhos de

grande porte responsáveis por parte do processamento do material polimérico a ser

reciclado. Esses moinhos contêm lâminas de corte confeccionadas de aço SAE 5160 que

sofrem um frenético desgaste tribológico, além de serem vulneráveis ao processamento

de corpos estranhos metálicos e a diminuição da própria área de seção transversal,

quebrando-as, causando assim danos a todo o equipamento. Pensando nisso, a empresa

A&D Reciclagem propôs uma melhoria para o equipamento, substituindo o material das

facas por aço A36. Tendo em vista todas essas nuances, o presente trabalho propõe-se a

estudar essa substituição feita no moinho da marca KIE, modelo MAK800X400, usando

um material de menor custo, com uma menor tensão ultima de tração, para se evitar a

quebra das facas e consequente danificação desse elemento mecânico e da máquina.

Para manter as qualidades tribológicas do material, foi proposta a utilização da deposição

de três cordões de solda elétrica com eletrodo revestido UTP ledurite 61 na região de

gume. Observou-se, portanto, que a substituição resolveu o problema de constante

quebra, que a dureza na região do gume se manteve aproximadamente constante, e que

essa substituição se mostrou útil com pouca perda de produtividade.

Palavras-chave: Substituição, facas, Metalografia, microdureza.

iv

Bezerra, D. M. L.. Study and diagnosis of knife recovery of a polymeric object mill.

67 p. Conclusion work project (Graduatein Mechanical Engineering) - Federal University of

Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Abstract

Currently, in the plastic recycling industry, large mills are used responsible for part of the

processing of the polymeric material to be recycled. These mills contain SAE 5160 steel-

made cutting blades that suffer frantic tribological wear and are vulnerable to the

processing of metallic foreign bodies and the reduction of the cross-sectional area itself,

thereby causing damage to all equipment. With this in mind, A&D Reciclagem Company

has proposed an improvement to the equipment by replacing the knife material with A36

steel. In view of all these nuances, the present work proposes to study this replacement

made in the KIE mill, model MAK800X400, using a lower cost material, with a lower

ultimate tensile stress, to avoid knife breakage and consequent damage to this mechanical

element and the machine. To maintain the tribological qualities of the material, it was

proposed to use the deposition of three electric weld beads with UTP ledurite 61 coated

electrode in the edge region. Therefore, it was observed that the substitution solved the

problem of constant breaking, that the hardness in the edge region remained

approximately constant, and that this substitution proved to be useful with little productivity

loss.

Keywords: Replacement, Knives, Metallography, Microhardness.

v

Sumário

Sumário

1 Introdução ................................................................................................ 1

1.1 Objetivo geral .................................................................................... 2

1.2 Objetivos específicos ........................................................................ 2

2 Revisão Bibliográfica ............................................................................... 3

2.1 Moinho MAK800X400 e suas facas .................................................. 3

2.2 Diagrama ferro carbono .................................................................... 8

2.3 Reações invariantes ........................................................................ 11

2.4 Observações da microestrutura ...................................................... 12

2.5 Tratamentos térmicos ..................................................................... 16

2.6 Recozimento ................................................................................... 17

2.7 Normalização .................................................................................. 24

2.8 Têmpera .......................................................................................... 26

2.8.1 Meios de têmpera ....................................................................... 30

2.8.2 Temperabilidade ......................................................................... 35

2.9 Revenimento ................................................................................... 39

3 Metodologia ........................................................................................... 40

3.1 Coleta das amostras ....................................................................... 40

3.2 Fluorescência de raios X ................................................................. 41

3.3 Metalografia .................................................................................... 43

3.4 Microdureza .................................................................................... 44

3.5 Teste experimental .......................................................................... 46

4 Resultados e Discussões ...................................................................... 48

4.1 Amostra 1 ........................................................................................ 48

4.2 Amostra 2 ........................................................................................ 50

vi

4.3 Teste experimental .......................................................................... 52

5 Conclusões ............................................................................................ 55

6 Referências ........................................................................................... 56

1

1 Introdução

Após a revolução industrial, no século XVIII, a sociedade humana cresceu

assustadoramente o seu potencial de produção de bens de consumo, modificando

cada vez mais rápida e impactante o modus vivendi do homem (VIANA, 2002). Com

o rápido aparecimento de diversas indústrias, percebeu-se também uma capacidade

extraordinária inerente ao ser humano de reorganizar, inovar e modificar máquinas e

processos produtivos, para cada vez mais diminuir custos de produção e baratear o

produto produzido, facilitando assim a vida das pessoas. Ao longo de todo esse

processo, os elementos de máquinas e substituição de materiais sempre foram o

foco principal para a otimização nas máquinas.

Dentro desse escopo, reduzir a incidência de dano ou quebra em elementos

de máquinas tornou-se imprescindível para o bom funcionamento e proteção do

equipamento, aumentando a produção e melhorando o processo de manutenção,

seja essa manutenção preventiva, corretiva ou preditiva. Além disso, a evolução na

Ciência dos materiais foi o fator determinante para o avanço da sociedade e principal

responsável por grandes conquistas da humanidade, como voar e chegar à lua.

Quebras repentinas e desgaste severo em elementos cortantes de moinhos de facas

acontecem com frequência e são, assim, fortes candidatos a esse processo de

melhoramento.

Na indústria de reciclagem plástica A&D reciclagem, há um moinho de

objetos de base polimérica onde havia constante quebra de suas facas, resultando

em dano para a máquina, normalmente acompanhada de empeno do eixo, havendo

a necessidade assim de rebalancea-lo sempre que isso acontecia. Observando o

problema, a empresa resolveu sugerir uma mudança no material desses elementos,

antes fabricados de aço SAE 5160 (aproximadamente 300 HV): substituir o material

de confecção por aço A36 (aproximadamente 150 HV), que tem uma menor tensão

ultima de tração, e adicionar três camadas de carboneto de cromo, através de um

processo de soldagem por solda elétrica, utilizando o eletrodo revestido UTP ledurite

61. Portanto, este trabalho tem como finalidade principal estudar essa substituição a

fim de observar se houve melhoria na ação.

É necessário ressaltar que a priorização por estudar somente as facas

rotativas, sé dá devido ao fato de que esse elemento é mais crítico que as facas

2

fixas: enquanto as facas rotativas quebram com bastante frequência, as fixas se

mantêm intactas.

Sendo assim, o presente trabalho estudou a viabilidade dessa substituição, a

fim de aferir se houve impactos do ponto de vista produtivo e material. A partir desse

ponto, foram analisados:

O funcionamento do moinho;

Facas rotativas originais;

Facas rotativas confeccionadas;

Análise de produtividade.

1.1 Objetivo geral

Analisar a substituição do material de fabricação das facas de um moinho de

insumos de base polimérica, funcionando em máxima capacidade, comparando-o

com o seu desempenho com as facas fixas e rotativas originais.

1.2 Objetivos específicos

Análise do funcionamento do moinho;

Caracterização das facas rotativas originais;

Caracterização das novas facas rotativas;

Análise da capacidade de produção;

Comparação da substituição utilizando pontos como produção e substituição

do material de confecção.

3

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Moinho MAK800X400 e suas facas

Elementos de máquinas, por definição, são todos os componentes que,

unitariamente, constitui um equipamento ou mecanismo. Vai desde uma simples

chaveta, com poucos milímetros de dimensão, até robustos eixos de navios de

grande porte, com dezenas de metros de comprimento.

Além disso, pode-se dizer que todas as máquinas possuem elementos

mecânicos, e esses elementos são geralmente normatizados, mas podem sofrer

variações especificas. Moinhos não estão fora dessa lista; existem no mercado

diversos tipos de moinhos: moinhos de bolas, moinhos de facas, de martelos, cada

um com suas particularidades.

O moinho MAK800X400 é composto por facas rotativas cujo objetivo é moer

materiais poliméricos em geral. A Figura 1 mostra esse equipamento, enquanto a

Figura 2 esboça o seu desenho esquemático. Segundo o MANUAL DE OPERAÇÃO

E MANUTENÇÃO DO MOINHO MAK800X400, da Kie, esse equipamento é

acionado por um motor elétrico, tendo esse uma potência aproximada de 50cv. Esse

motor aciona um eixo rotativo que segundo o Fabricante, via e-mail, é fabricado de

aço SAE 1020. Esse eixo é apresentado na Figura 3, e suas dimensões estão na

Figura 4.

Figura 1 – imagem do moinho MAK800X400.

4

Fonte: arquivo pessoal.

Figura 2 – desenho esquemático do moinho.

Fonte: manual do moinho da marca KIE, modelo MAK800X400.

5

Figura 3 – eixo do moinho MAK800X400.


Figura 4 – dimensões do eixo do moinho MAK800X400.

Fonte: Arquivo pessoal.

6

O corte do material polimérico dentro do moinho se dá através do

cisalhamento do material entre as facas fixas e rotativas do equipamento, como

disposto na figura a seguir:

Figura 5 – disposição das facas e do eixo e sentido de rotação.

Fonte: manual do moinho da marca KIE, modelo MAK800x400.

As facas desse moinho são fornecidas pelo fabricante do equipamento, a

KIE máquinas, e segundo ela, são confeccionadas de aço SAE 5160. A dimensão

das facas rotativas é mostrada na imagem da Figura 6 e a fotografia de uma delas,

na Figura 7. A figura 8 apresenta as dimensões das facas fixas.

Figura 6 – dimensões das facas rotativas.

Fonte: manual do moinho MAK800X400.

Figura 7 – Faca rotativa.

7


Figura 8 – dimensões das facas fixas.

8

Fonte: manual do moinho MAK800X400.

2.2 Diagrama ferro carbono

As ligas ferrosas são as mais utilizadas dentre todas as ligas metálicas. O

ferro é um metal de fácil processamento, abundante na crosta terrestre e

caracteriza-se por ligar-se com muitos outros elementos metálicos e não metálicos,

tendo o carbono como principal elemento de ligação (OLIVEIRA, 2007).

De todos os possíveis sistemas de duas ligas que já foi desenvolvido,

provavelmente o mais importante é aquele formado por ferro e carbono. A Figura 9,

obtida da oitava edição do livro Ciências e engenharia dos materiais, de William D.

Callister e David G. Rethwisch, apresenta uma parte do diagrama Ferro-Carbono.

O ferro puro, ao ser aquecido, apresenta duas mudanças de estrutura

cristalina antes de fundir. Na temperatura ambiente, a forma estável, denominada

ferrita (ou ferro α), apresenta uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado

(CCC). A 912ºC, a ferrita sofre uma transformação polimórfica para Austenita, cuja

estrutura cristalina é cúbica de face centrada (CFC), também conhecida como ferro

γ. O ferro mantem-se austenítico até 1394ºC, quando a austenita CFC se converte

novamente para uma fase CCC, conhecida como ferro δ, e que finalmente se funde

a 1538ºC (CALLISTER, 2012).

O eixo das composições, na figura abaixo, se estende até 6,70%p C, pois

nessa composição se forma um composto intermediário de carbeto de ferro,

denominado cementita (Fe3C). Dessa forma, o diagrama ferro carbono pode ser

dividido em duas partes: uma fração rica em ferro, mostrada na Figura 9, e outra que

não foi apresentada nessa figura, para as composições entre 6,70 e 100%p C,

conhecida como grafita pura. Efetivamente, todos os aços e ferros fundidos

apresentam teores de carbono menores que 6,70%p C, portanto, somente é

interessante para esse caso o sistema ferro-carbeto de ferro (Fe-Fe3C).

9

Figura 9 – parte do diagrama ferro carbono.

Fonte: Livro Ciências e engenharia dos materiais, Callister e Rethwisch, 2012.

O carbono é uma impureza intersticial no ferro e forma uma solução sólida

tanto com a ferrita α quanto com a ferrita δ, e também com a austenita, como

mostrado nos campos monofásicos α, γ e δ, da Figura 9. Na ferrita α, apenas

pequenas concentrações de carbono são solúveis; a solubilidade máxima é de

0,022%p, a 727ºC. A solubilidade limitada é explicada pela forma e pelo tamanho

das posições intersticiais CCC, que tornam difícil acomodar os átomos de carbono.

Embora presente em concentrações relativamente baixas, o carbono influencia de

maneira demasiada as propriedades mecânicas da ferrita. Essa fase específica é

relativamente macia e pode ser tornada magnética em temperaturas abaixo de

768ºC, além de apresentar massa específica de 7,88g/cm3.

A austenita, ou fase γ do ferro, quando ligada somente com o carbono, não é

estável abaixo de 727ºC, como pode ser observado na Figura 9. A solubilidade

máxima do carbono na austenita é 2,14%p e ocorre a 1147ºC. Essa solubilidade é

cem vezes maior que o valor permitido na ferrita CCC, uma vez que as posições

intersticiais na estrutura CFC são maiores, e, portanto as deformações impostas

10

sobre os átomos de ferro que se encontram envolta do átomo de carbono são

menores.

A ferrita δ é muito parecida com a ferrita α, variando apenas devido à faixa

de temperatura ao longo da qual cada uma existe. Uma vez que a ferrita δ é estável

somente em temperaturas relativamente elevadas, ela não tem nenhuma

importância tecnológica.

Já a cementita (Fe3C), “é um carboneto de ferro com estrutura ortorrômbica

e de alta dureza. A cementita dá origem a um eutetóide de extrema importância no

estudo dos aços, a perlita.” (COSTA E SILVA, 2010). Além disso, ela se forma

quando a solubilidade para o carbono na ferrita α é excedido, abaixo de 727ºC. O

Fe3C também coexistirá com a fase γ entre 727ºC e 1147ºC. Mecanicamente, a

cementita é muito dura e frágil, aumentando assim substancialmente a resistência de

alguns aços com a sua presença. Vale ressaltar que a perlita não é uma fase, mas a

mistura de duas fases sólidas: a ferrita e a cementita.

As regiões bifásicas são mostradas na Figura 9. Pode ser observado que

existe um ponto invariante eutético para o sistema ferro-carbeto de ferro localizado a

4,30%p C e 1147ºC, ou seja, a fase líquida se solidificará para formar duas fases:

austenita e cementita. Também pode ser notado que existe outro ponto invariante

eutetóide para uma composição de 0,76%p C a uma temperatura de 727ºC, ou seja,

mediante resfriamento, a austenita se transforma em ferrita e cementita.

Segundo SOUZA (1989), O aço é uma liga em que o ferro entra com a maior

porcentagem em peso. Os aços carbono de uso comum têm de 0,008% a 2,06% em

peso de carbono. O carbono é o elemento de liga mais importante na liga Ferro-

Carbono e determina o tipo de aço obtido. Quanto maior o teor de carbono maior

será a dureza do aço e maiores serão os limites de resistência e de escoamento e

maior a fragilidade. Uma forma de classificação destes aços seria: baixo teor de

carbono (0,10% a 27 0,30%C), médio teor de carbono (0,30% a 0,85C%) e alto teor

de carbono (0,85% a 1,50%). Acima de 1,5% C, os aços não são fabricados usual

ou comercialmente, com algumas exceções.

11

2.3 Reações invariantes

Segundo (COSTA E SILVA, 2010), um aço com um teor de 0,77%p C (que na

prática se ler 0,8% C) é chamado de eutetóide. Aços com menos de 0,77% C são

hipoeutetoide e, com mais de 0,77% C, são hipereutetoides.

Embora a perlita não seja uma fase, é possível interpretar o diagrama de fase

Ferro-cementita de modo a prever a sua ocorrência e quantidade relativa na

microestrutura. Assim, aços hipoeutetoides possuem ferrita e perlita na sua

microestrutura; os aços eutetoides somente perlita; e os hipereutetoides, perlita e

cementita. Isso somente acontece se o resfriamento for demasiado lento. Para ligas

produzidas e resfriadas rapidamente, aparecerão outras fases que, além de

metaestáveis, não são previstas pelo diagrama de Fe-Fe3C.

BRUNATTO (2016), afirma que Sistemas complexos são sistemas que

apresentam mais de um tipo de reação invariante (reações que ocorrem para uma

composição química e uma temperatura fixas). Além da reação eutética, merecem

destaque, ainda, as seguintes reações invariantes: peritética, eutetóide, e

peritetóide. Essas reações são detalhadas na Figura 10.

Figura 10 – algumas das reações encontradas nos diagramas de equilíbrio.

Fonte – Aços e ligas especiais, 3ª ed., Costa e Silva A. L. V.

Figura 11 – Diagrama ferro-perlita.

12

Fonte – Aços e ligas especiais, 3ª ed, Costa e Silva A. L. V.

2.4 Observações da microestrutura

Para se observar as fases que estão presentes em um aço, é necessário

fazer o polimento da amostra. Posteriormente, realiza-se um ataque com um

reagente químico apropriado. Um dos reagentes mais empregados para aços

carbono é o Nital, que é constituído de uma mistura de 0,5 a 2% de ácido nítrico em

álcool etílico.

A amostra apenas polida e não atacada pode revelar descontinuidades,

como trincas e poros. Na amostra atacada quimicamente, é possível ver tanto as

fases como sua distribuição, o que permite avaliar aspectos estruturais de

fabricação, ou seja, regiões que são afetadas pelo calor, no processo de soldagem,

linhas de deformações ocorridas no forjamento, e etc.

13

Na Figura 12, retirada da 3ª edição do livro Aços e ligas especiais, de André

Luiz V. da Costa e Silva e Paulo Roberto Mei, pode-se ser observada uma amostra

de aço SAE1020 antes e depois do ataque químico. “Nota-se que as peças possui

inclusões; foi conformada por deformação (e não fundida); apresenta bandas de

segregação de carbono; possui ferrita e perlita na estrutura; sua granulação é fina

(grãos pequenos); e ainda que o teor de carbono é de 0,2%.” (COSTA E SILVA,

2010). Essas observações feitas pelo autor mostram a importância do exame

metalográfico para a engenharia de materiais, pois com um simples ensaio é

possível apreciar uma série de informações importantes sobre a estrutura e

processamento de uma determinada amostra.

Figura 12 – Micrografia do aço SAE 1020.


14

COSTA E SILVA (2010) nos diz ainda, que o ataque químico revela o

contorno de grão da ferrita e diferencia, por coloração, a ferrita da perlita. Com o

nital, a ferrita aparece branca e a perlita preta, o que não significa que esse ataque

tenha colorido de forma distinta ambas as fases, ou o contorno de grão, mas que o

reagente químico corroeu mais uma fase do que a outra, produzindo diferenças de

altura em relação à superfície, refletindo assim mais ou menos luz para a lente

microscópica. Na Figura 12 podemos observar isso.

No contorno do grão o processo é semelhante: como os contornos de grão

são regiões mais desordenadas que suas regiões centrais, é mais fácil para o ácido

remover os átomos do contorno, e essa corrosão química mais profunda formará

uma região mais escura durante a observação no microscópio, como pode ser

observado no esquemático da Figura 13.

Figura 13 – Observações do contorno de grão.

(a) Esquema de observação.

(b) O contorno de grão reflete pouca luz por ser uma região irregular.

(c) Observação do contorno do antigo grão austenítico em aço 1020, pelo método Kohn

+ reativo de Béchet.

15


Figura 14 – Estruturas dos aços carbono após resfriamento lento (recozimento) e ataque

com Nital. Aumento de 430X.


16

2.5 Tratamentos térmicos

Operações de aquecimento e resfriamento controlados, que visam afetar as

características de aços e ligas especiais, são comumente chamados de tratamentos

térmicos, e quando essas operações são coadunadas a etapas de conformação

mecânica, passam a se chamar de tratamentos termomecânicos.

Tratamentos térmicos de aços e ligas especiais e específicas abrangem uma

das mais amplas faixas de temperaturas dentre os processos industriais, variando

desde o tratamento em que as temperaturas são abaixo de 0ºC, para estabilização,

até a austenitização de alguns tipos de aços rápidos a 1280ºC. Além disso, diversas

taxas de resfriamento são empregadas, visando obter a exata estrutura desejada.

Os principais tratamentos térmicos que existem são:

Recozimento.

Normalização.

Têmpera.

Revenimento.

Segundo COSTA E SILVA (2010), os três primeiros citados, ou seja,

recozimento, normalização e têmpera, envolvem transformações de fases a partir da

austenita. Só se aplicam, portanto, a aços transformáveis. Obviamente, às diversas

estruturas possíveis de se obter na transformação da austenita estão associadas a

diferentes propriedades, desde o máximo de ductibilidade e mínimo de dureza,

característicos das estruturas ferríticas, até elevados níveis de dureza e menor

ductibilidade, comumente associados à martensita. O tratamento de Revenimento,

por exemplo, é um tratamento associado basicamente a aços temperados.

Tratamentos de solubilização encontram aplicação em ampla gama de aços

e ligas, especialmente quando se deseja controlar a presença de segundas fases,

tais como, por exemplo, carbonetos em aços inoxidáveis austeníticos. Tratamentos

por envelhecimentos após solubilização também são bastante empregados e

permitem precipitar de forma controlada, partículas de segunda fase em aços e ligas

especiais. Esses tratamentos são responsáveis pelas excepcionais propriedades

atingidas por superligas à base de níquel, aços maraging e inoxidáveis PH

(endurecíveis por precipitação, do inglês), segundo COSTA E SILVA (2010).

17

2.6 Recozimento

O recozimento é um tratamento térmico que tem por objetivo reduzir a

dureza do aço, aumentando assim a usinabilidade e facilitando o trabalho a frio, ao

atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas.

COSTA E SILVA (2010), afirma que existem basicamente três tipos principais de

recozimento:

Recozimento pleno ou supercrítico.

Recozimento subcrítico.

Esferoidização ou recozimento intercrítico.

O recozimento pleno ou supercrítico, ou ainda simplesmente recozimento,

consiste em austenitizar o aço, resfriando-o lentamente a seguir. A temperatura de

recozimento é de mais ou menos 50ºC acima da linha A3 para aços hipoeutetoides e

de 50ºC acima da linha A1 para os hipereutetoides. Nos aços hipereutetoides, não se

deve ultrapassar a linha Acm, porque, no resfriamento posterior, ao ser atravessada

novamente esta linha, irá se formar cementita nos contornos dos grãos da austenita,

o que fragiliza a peça tratada. Essas definições de linhas podem ser observadas no

na Figura 15.

Segundo COSTA E SILVA (2010), quanto mais baixa for a temperatura de

austenitização, mais heterogênea será a austenita para o mesmo tempo de

tratamento, como está apresentado na figura 15 (b). Quanto mais heterogênea a

austenita, maiores serão as chances de nucleação de carbonetos em regiões de teor

de carbono mais alto ou de crescimento de carbonetos não dissolvidos, ao invés das

estruturas perlíticas lamelares, que ocorrem com mais facilidade a partir da austenita

homogênea. Consequentemente, devem-se escolher temperaturas de

austenitização mais altas quando se deseja estrutura perlíticas, e mais baixas

quando se deseja estruturas esferoidizadas (figura 16).

Figura 15 – Faixa de temperatura para a austenitização no recozimento (a) e curvas de

solubilização da perlita (b).

18


19

Figura 16 – Estrutura de carbonetos esferoidizados em matriz de ferrita a 1100X. Aço

1095. Atacado com Nital.


A Figura 17 mostra duas tabelas apresentadas na 3ª edição do livro Aços e

ligas especiais, de André Luiz V. da Costa e Silva e Paulo Roberto Mei. Nelas são

apresentados dados sobre a austenitização e resfriamento para o recozimento em

diversos aços. Além disso, pode ser observado que quanto mais próxima da

temperatura A1 a austenita se transformar, mais grosseira será a estrutura, seja ela

perlítica ou esferoidal. Entretanto, analisando-se as curvas TTT, observa-se que o

tempo necessário para a transformação completa em altas temperaturas é longo.

Por vezes excessivamente longo. Nos casos em que o tempo de transformação for

excessivo nesta temperatura, pode-se transformar parcialmente, seguindo-se o

procedimento em temperatura mais baixa. Há, portanto, duas possibilidades na

transformação da austenita: transformação isotérmica, ou resfriamento contínuo,

20

normalmente no interior do formo desligado ou em meio a isolantes que permitam se

obter as taxas de resfriamentos necessária e adequadas para o tratamento, como

mostrado na Figura 17.

Figura 17 – Tabelas 3.1 e 3.2 retiradas da página 87 do livro Aços e ligas especiais.


21

O recozimento subcrítico é aquele em que o aquecimento se dá a uma

temperatura abaixo de A1. Ele é usado para recuperar a ductibilidade do aço

encruado, ou seja, trabalhado a frio. Quando se executam operações de deformação

a frio, a dureza aumenta e a ductibilidade diminui, podendo ocorrer rupturas entre as

duas operações. Nesse caso há a necessidade de se executar um recozimento

subcrítico antes de novas deformações. “Normalmente, o aquecimento do aço

carbono na faixa de 595 a 675ºC, seguido de resfriamento ao ar é suficiente.”

(COSTA E SILVA, 2010). Nesse caso, as principais transformações ocorridas são a

recuperação e a recristalização das fases encruadas.

Figura 18 – Efeito da temperatura nas propriedades dos aços durante o recozimento

subcrítico.


22

Tratamentos de alivio de tensões também são aplicados quando se deseja

reduzir tensões residuais em estruturas ou componentes após a soldagem,

fabricação, lixamento, dobramento, têmpera, etc. o aumento de temperatura nesses

tratamentos é suficiente para reduzir o limite de escoamento do material, de modo

que as tensões residuais são atenuadas por meio de deformação plástica. No caso

de soldas, o alívio de tensões pode ter também a função de revenir microestruturas

de dureza exagerada e baixa ductibilidade encontradas na zona termicamente

afetada (ZTA), independentemente da existência de tensões residuais significantes.

Diversas normas estabelecem requisitos mínimos quanto à necessidade de

execução desse tipo de tratamento térmico. O alívio das tensões em aços carbono e

a variação do limite de escoamento com a temperatura pode ser observados na

Figura 18.

Já a Esferoidização, de acordo com Fagundes (2006):

É um processo de ajuste morfológico que se dá sob a ação da energia

superficial, onde ocorre uma evolução microestrutural da perlita pelo

mecanismo de coalescimento, com consequente formação de carbonetos

globulares em uma matriz ferrítica. Partículas de cementita lamelar,

presentes na perlita, têm uma área de superfície por unidade de volume de

partícula muito grande, e, portanto, uma elevada energia interfacial. A fim de

reduzir esta energia, as lamelas de cementita ou placas se quebram em

pequenas partículas que eventualmente assumem forma esférica. Uma vez

quebrada as lamelas, as menores partículas esféricas se dissolvem às

custas do crescimento das maiores, novamente em função da redução da

energia interfacial.

De acordo com COUTINHO et al (2010), o grau de esferoidização cresce

com a temperatura de recozimento subcrítico, porém, a esferoidização será parcial e

não se completa, mesmo a temperatura relativamente elevada de recozimento

subcrítico após elevadas reduções a frio.

A Figura 15 (b) mostra que um aço eutetoide, ao ser aquecido acima da

linha A1, começa a formar austenita. Dependendo do tempo e da temperatura, a

austenitização pode ser total ou parcial (ainda restar perlita ou carbonetos na

estrutura). A austenita formada também pode ter uma distribuição homogênea ou

heterogênea de carbono.

23

Sob a perspectiva de COSTA E SILVA (2010), ao ser resfriada abaixo da

linha A1, a austenita dará origem a um arranjo de ferrita e a carbonetos

esferoidizados ou ferrita e perlita, dependendo necessariamente das condições do

resfriamento e da estrutura anterior ao resfriamento. A austenita homogênea tende a

formar perlita, enquanto a austenita heterogênea tende a formar esses carbonetos.

Há várias formas de obtenção de uma estrutura de carbonetos esferoidizados em

matriz ferrítica após a austenitização total ou parcial: manutenção por tempo

prolongado à temperatura pouco abaixo de A1, resfriar lentamente após passar por

A1, ou descrever um padrão cíclico em torno da linha A1. Na Figura 19, observa-se

uma faixa de temperatura aventada para o processo de esferoidização de aços

carbono.

Figura 19 – Faixa de temperatura recomendada para a esferoidização de aços carbono.

24


2.7 Normalização

De acordo com a ASM internacional (2001), o tratamento térmico de

normalização consiste em aquecer o material a uma temperatura de

aproximadamente 55º C acima da temperatura crítica superior. Para um aço SAE

1045, por exemplo, essa temperatura é de 860º C. depois de passar tempo

suficiente nessa temperatura, denominada temperatura de austenitização, o aço é

retirado do forno e resfriado a ar. Esse tempo na temperatura de austenitização deve

ser de aproximadamente 1 hora para peças de até uma polegada, sendo

adicionadas 0,5 horas para polegada adicional.

É comumente indicada para a homogeneização da estrutura após o

forjamento e antes da têmpera ou do Revenimento. Perceptivelmente, aços que

temperam ao ar não pode sob qualquer hipótese serem normalizados. Segundo

COSTA E SILVA (2010), ao se comparar uma peça normalizada com uma recozida,

tem-se, na normalizada:

a) Em um aço hipoeutetoide, possivelmente menor quantidade de ferrita

proeutetoide e perlita mais fina (menor espaçamento entre as lamelas). Em termos

de propriedades mecânicas para baixos teores de carbono (C < 0,20%), não é

observada diferenças significativas, mas, com o aumento desse elemento, a dureza

e a resistência mecânica ficam mais elevadas, e a ductibilidade (medida por

alongamento ou pela redução de área no ensaio de tração) mais baixa, embora a

tenacidade pouco se altere. Acima, na Figura 20, segue uma tabela contendo

propriedades mecânicas para aços normalizados, laminados e recozidos.

b) Em um aço hipereutetoide, menos carbonetos em rede ou massivos, e

distribuição mais uniforme dos carbonetos existentes, devido à dissolução mais

completa desse elemento na austenitização para a normalização de que para o

recozimento, visto que na normalização a austenitização ocorre acima de Acm, como

pode ser apreciado na Figura 19. Como na normalização o resfriamento é mais

rápido que no recozimento, a precipitação de cementita proeutetoide no contorno de

grão austenítico é minimizada.

Figura 20 – tabela 3.4 da 3ª ed. Do livro aços e ligas especiais, de Costa e Silva (2010, p.

93), contendo propriedades mecânicas de aços laminados, normalizados e recozidos.

25


A normalização pode ser usada, portanto, para qualquer das seguintes

aplicações:

- Refino de grão por meio da recristalização, e homogeneização da estrutura visando

obter melhor resposta na têmpera ou revenimento posterior.

– melhoria da usinabilidade.

– Refino das estruturas brutas de fusão, em peças fundidas, por exemplo.

– obtenção de propriedades mecânicas desejadas.

26

COSTA E SILVA (2010), apresenta na tabela 3.5, algumas temperaturas de

austenitização para a normalização de diversos aços da norma SAE. A imagem

dessa tabela foi reproduzida do livro e é apresentada na Figura 22.

Figura 21 – comparação entre as faixas de temperaturas de austenitização para a

normalização e o recozimento.


2.8 Têmpera

Uma das mais importantes características dos aços como materiais de

construção mecânica é a possibilidade de desenvolver ótimas combinações de

resistência e tenacidade, a microestrutura responsável por essa idiossincrasia é a

matensítica revenida.

Em termos gerais, a têmpera consiste basicamente em aquecer o aço até

sua temperatura de austenitização e posteriormente resfria-lo, a uma velocidade

demasiadamente rápida em comparação a outros tratamentos térmicos, para se

27

evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça ou amostra em questão.

Desse modo obtém-se a estrutura metaestável martensítica.

Figura 22 – temperaturas de normalização para os aços carbono e baixa liga.


28

Segundo JUNIOR et al (2016), o processo de têmpera e aquecimento dos

aços está diretamente relacionado a densidade do fluxo de calor. Vários fatores

influenciam no mecanismo de têmpera do metal processado. Condições internas à

amostra afetam a difusão de calor e a superfície da amostra e outras condições

externas podem afetar o potencial de extração de calor do fluído, como: agitação,

pressão e temperatura de trabalho.

Como os mais diversos aços possuem curvas ITT’s diferentes, a velocidade

crítica de resfriamento para se evitar a formação de perlita e bainita varia em uma

faixa bastante ampla.

A Figura 25, abaixo, apresenta as curvas ITT’s de dois aços com características

de transformação de fase distintas. Em (b), no aço 4340, as transformações

perlíticas e bainíticas tem seu inicio retardado pela presença de elementos de liga,

facilitando a têmpera. Já no aço da Figura 24 (a), é mais árduo obter-se uma

microestrutura totalmente martensítica, mesmo com um resfriamento elevado, pois o

“nariz” da curva situa-se próximo ao eixo vertical.

COSTA E SILVA (2010) chama ainda a atenção para observar, na Figura 24,

que: ao se aumentar o teor de carbono no aço, diminui-se a temperatura para o

inicio e fim da formação da martensita. Também é possível ver, agora na figura 23,

que a dureza da estrutura matensítica aumenta com o teor de carbono. Por causa

disso, aços carbono com teores de carbono menores que 0,3% não são ideais para

aplicação de têmpera, devido a pouca variação nas suas propriedades.

Figura 23 – Variação da dureza martensítica em função do teor de carbono em aços.


29

Figura 24 – Efeito do teor de carbono nas temperaturas de inicio (Mi) e fim (Mf) da

transformação austenita → martensita.


Figura 25 – no aço ligado, em b, é mais fácil realizar a têmpera, que no aço carbono.


30

Segundo DUBIELA (2016), o processo de têmpera é um exemplo de

transformação de fase fora do equilíbrio, pois nela o material é aquecido lentamente

até uma determinada temperatura seguida de um patamar de forma a garantir a

homogeneidade de temperatura na peça e em seguida, a mesma sofre um rápido

resfriamento.

2.8.1 Meios de têmpera

COSTA E SILVA (2010, p. 97), afirma que, para um controle efetivo da taxa de

resfriamento, são utilizados diversos meios de têmpera, com diferentes capacidades de

extração de calor. Os meios de têmpera mais comuns são: agua pura, com sal ou

polímeros, óleo e ar, embora outros meios gasosos possam ser empregados, como

nitrogênio, hélio, argônio, etc.

A têmpera em meio líquido ocorre em três estágios à proporção que a peça

esfria:

1º - Formação de filme contínuo de vapor sobre a peça. A taxa de

resfriamento é baixa, pois o filme de vapor atua como isolante térmico. A adição de

mais de 5% de KCl, LiCl, dentre outros sais, pode suprimir esse estágio. Esse

estágio não é observado quando o meio de resfriamento não é volátil como o banho

de sal fundido. A água pura apresenta um estágio de filme contínuo particularmente

longo. Para aliviar esse problema, pode-se agitar a peça durante o início da têmpera

para romper o filme de vapor.

2º - Durante esse estágio o filme vapor colapsa e a taxa de resfriamento

aumenta, com nucleação de bolhas de vapor sobre a superfície da peça. Nesse

estágio, também é importante a agitação do meio para se evitar a permanência de

bolhas sobre os mesmos locais por tempo excessivo, causando pontos resfriados

mais lentamente, chamados pontos moles.

3º - Este estágio começa quando a temperatura da peça fica abaixo do

ponto de ebulição do meio de têmpera, interrompendo a formação de bolhas de

vapor. O resfriamento agora ocorre por condução e convecção. O estágio é

controlado, basicamente, pela capacidade calorífera do meio de tempera, pelas

condições interfaciais entre a peça e o meio de têmpera e pela agitação. Se todos os

31

outros fatores forem mantidos constantes, a taxa de resfriamento diminuirá com o

aumento da viscosidade do meio. Além disso, a utilização de polímeros solúveis em

água permite obter taxas e resfriamentos intermediários entre água e óleo e tem sido

amplamente utilizados.

Figura 26 – Efeito do teor de poliacrilato de sódio (PA) na curva de resfriamento de uma

peça de aço inoxidável austenítico de 10 mm de diâmetro por 60 mm de comprimento. A

temperatura do meio, que era água + PA, era de 27º C.


Figura 27 – Efeito do diâmetro, da massa e do meio refrigerante nas curvas de resfriamento

de um aço SAE 1045.

32


33

Figura 28 – Efeito do diâmetro da barra e do meio refrigerante nas curvas do resfriamento

do aço SAE 1045. As curvas referem-se ao centro da barra.


Dependendo da magnitude das tensões resultantes da combinação desses

esforços, podem ocorrer: deformação plástica, ruptura ou trincas de tempera, e tensões

34

residuais. Basicamente, o estágio mais importante de tempera , quando se considera as

tensões, é o terceiro, pois durante esse estágio ocorrerá a transformação martensítica,

acentuando o estado de tensões na peça, como mostra a Figura 29, abaixo. O

recomendado é que o terceiro estágio seja lento e demorado, pois já não há o risco de

transformações ferríticas, perlíticas e bainíticas acontecerem, e deste modo obtém-se

menos tensões na têmpera. Do mesmo modo, quanto mais severo for o meio de têmpera,

maior será a possibilidade de dano e maior será a deformação. Operacionalmente, a

têmpera poderá ser realizada em lotes ou em equipamentos contínuos.

Figura 29 – Ilustração esquemática do estado de tensão existente em um bloco de aço

durante os estágios da têmpera em água.


35

2.8.2 Temperabilidade

O termo temperabilidade é a característica que define a variação de dureza

do material, desde a superfície até o seu núcleo e está relacionado com a

capacidade desse material de formar martensita (COLPAERT, 2008).

Dessa forma, há alguns fatores a serem considerados nesse fenômeno, tais

como, o teor de carbono, os elementos de liga presentes, os meios de têmpera (taxa

de resfriamento), a severidade de têmpera, a geometria da peça e sua transferência

de calor. (SCHEIDEMANTEL, 2014).

Existem três métodos para avaliar a temperabilidade: taxa de resfriamento

crítico, ensaio Grossmann e ensaio Jominy.

Taxa de resfriamento crítico:

Corresponde a menor taxa de resfriamento que pode ser utilizada para que

toda a estrutura obtida ainda seja martensítica. É um método simples e pode ser

empregado diretamente na curva CCT do aço, como mostra a Figura 30, abaixo.

Figura 30 – Diagrama de resfriamento contínuo do aço 1045. A taxa de resfriamento crítico

para esse aço é de 110º C por segundo.


36

Ensaio Grossmann:

Consiste em resfriar, a partir do estado austenítico, uma série de barras

cilíndricas, de diâmetros crescentes, em condições controladas de resfriamento. As

barras são serradas e mede-se a dureza no centro delas. Coloca-se então em um

gráfico, a dureza dos centros das barras versus o seu diâmetro (Figura 31). Na

região na qual ocorre uma inflexão nessa curva, é definido como “diâmetro crítico,

Dc”.

Figura 31 – Curva esquemática do ensaio Grossmann.


CHIAVERINI (2008) explicita que “o método de Grossmann foi desenvolvido

de forma a definir a profundidade de endurecimento do material, onde barras

cilíndricas de aço, com diâmetros crescentes, são austenitizadas e resfriadas

37

rapidamente, em um sistema controlado, sofrendo transformações martensíticas.

Após esse processo, as seções transversais das barras têm seu perfil de dureza

determinado do centro até a superfície”.

Segundo COSTA E SILVA (2010), essa inflexão ocorre devido à transição

entre estrutura martensítica e a estrutura ferrítica ou perlítica, de menor dureza.

Assim, se um aço A apresenta um diâmetro crítico de 2,5 cm e um aço B, um

diâmetro crítico de 4 cm, isso significa dizer que o aço B tem maior temperabilidade

que o aço A, e portanto, que o aço B apresenta uma maior profundidade de

endurecimento.

Ensaio Jominy:

Uma das grandes limitações do ensaio Grossmann é que, para se

determinar o diâmetro crítico, necessita-se de uma série de barras com diâmetros

distintos. Visando uma maior simplicidade e a mesma eficiência, Jominy apresentou

um ensaio utilizando uma única barra de uma polegada de diâmetro por quatro de

polegadas de comprimento. Essa barra é austenitizada e posteriormente resfriada

com um jato de água em condições padronizadas (ver Figura 33).

Figura 32 – Curva Jominy para dois aços: A e B. os aços têm a mesma dureza superficial,

mas o aço A tem maior temperabilidade.


38

Figura 33 – Ensaio Jominy de Temperabilidade.


Depois de resfriada, faz-se, longitudinalmente, uma trilha retificada na

amostra (Figura 33), e mede-se a dureza a partir da extremidade resfriada.

Comparando-se o ensaio Jominy realizado em dois aços (figura 32), observa-se que,

embora ambos tenham igual dureza máxima (66RC), o aço A tem uma maior

profundidade de dureza que o aço B. Assim, o aço A apresenta uma maior

capacidade de endurecimento, e portanto tem uma maior temperabilidade que o aço

B.

A norma ASTM A255, rege o ensaio Jominy e estabelece limites de

concentrações de elementos de liga, os quais estão listados na Tabela 1.

39

Tabela 1 – Limites de concentração dos elementos constituintes para a aplicabilidade do

ensaio Jominy.

ELEMENTO VARIAÇÃO EM MASSA (%)

Carbono 0,10 – 0,70

Manganês 0,50 – 1,65

Silício 0,15 – 60

Níquel 0,0 – 1,35

Cromo 0,0 – 1,50

Molibdênio 0,0 – 0,55

Fonte: ASTM 2004.

Além disso, MARTINS (2002) afirma que as curvas de temperabilidade dos

ensaios Jominy, relacionam a dureza do material com o seu comprimento. Os

resultados dessas medições geram uma curva que decresce da posição de 100% de

transformação martensítica até obtenção de microestrutura perlítica ou ferrítica-

perlítica.

2.9 Revenimento

O revenimento tem como objetivo fazer o controle da relação de dureza e

tenacidade obtida após o processo de têmpera, reduzindo as tensões produzidas

durante esse processo e aumentando a ductibilidade e a tenacidade. O revenimento

é realizado em temperaturas inferiores à zona crítica com tempos de duração e

velocidades de resfriamentos controlados (MACÊDO, 2008).

A martensita é extremamente dura e bastante quebradiça e frágil. Isso

ocorre devido a vários fatores que incluem a distorção do retículo cristalino causada

pelo aprisionamento dos átomos durante a têmpera. Segundo MOREIRA (2008), o

revenimento é o tratamento térmico que permite redução do efeito quebradiço,

aumentando a ductibilidade.

40

3 Metodologia

Para e realização desse trabalho, foi estudada a substituição do material das

facas de um moinho de polímeros da KIE máquinas, modelo 800x400, localizado na

Rua Major Antônio Delmiro, sem número, no centro da cidade de Macaíba, no Rio

Grande do Norte (RN). Foram adotados os seguintes passos:

Coleta das amostras;

Fluorescência de raios X;

Metalografia;

Microdureza.

3.1 Coleta das amostras

Inicialmente, depois de identificado a necessidade do estudo, foi-se

necessário escolher e preparar duas amostras. A primeira delas é das facas originais

do equipamento e foi retirada de uma das lâminas sugeridas, vendidas e entregue

pela Kie, cujo material era o aço SAE 5160. Sua dimensão e o gume são mostrados

na Figura 34.

Figura 34 – Amostra 1: dimensões e localização do gume da faca.

Fonte: Autor.

41

A segunda amostra, confeccionada de aço A36 e com recobrimento de solda

no gume, foi retirada de uma faca fabricada pela A&D reciclagem, exclusivamente

para a substituição das originais. Suas dimensões e indicação do gume são

mostradas na Figura 35, abaixo.

Figura 35 – amostra 2: dimensões e localização do gume da faca.

Fonte: Autor.

É relevante dizer que não existe a necessidade de padronização geométrica,

tendo em vista que todos os ensaios realizados exigem somente padronização

superficial. Portanto, desde que a superfície esteja tratada de forma correta para o

ensaio metalográfico e para o teste de Microdureza, a geometria da amostra não

interferirá nos resultados.

3.2 Fluorescência de raios X

O ensaio de Fluorescência de raios X, ou simplesmente FRX, é uma técnica

analítica multi-elementar por dispersão de energia, não destrutiva, capaz de

42

identificar elementos com número atômico Z maior ou igual a 12, através dos raios X

característicos Kα, Kβ ou Lα e Lβ dos elementos que estão presentes em uma

amostra particular. É um ensaio que pode ser utilizado para saber quais elementos

estão presentes em uma determinada amostra.

Esse ensaio foi realizado no Laboratório de Materiais na UFRN, utilizando

espectrômetro de fluorescência de raios X da marca Shimadzu, e foram analisadas

três amostras do aço SAE 5160 de três facas rotativas diferentes, de 10 mm X 10

mm.

O principal objetivo desse ensaio foi verificar a composição do aço de

confecção das facas rotativas originais. Os resultados obtidos estão apresentados

na tabela 2, abaixo.

Tabela 2 – resultado do FRX da amostra AM1.

ELEMENTOS ENCONTRADOS RESULTADOS (%)

Ferro 98,001

Manganês 0,823

Cromo 0,785

Silício 0,264

Cobre 0,127

Fonte: Autor.



Ferro 98,040

Manganês 0,879

Cromo 0,802

Silício 0,278

Fonte: Autor


43


Ferro 97,758

Manganês 0,875

Cromo 0,799

Silício 0,352

Alumínio 0,216

Fonte: Autor.

3.3 Metalografia

Para a realização da metalografia, foi necessário polir a superfície da

amostra que se pretendia observar. Inicialmente, lixaram-se as faces que foram

estudadas, de ambas as amostras, com lixas grãos 80, 120, 200, 400, 600, 800, e

1200, nessa sequência.

Posteriormente, poliu-se a amostra na politriz da marca Teclago, modelo

PVVD, utilizando pasta de diamante. A figura 36 mostra o equipamento de

polimento.

. Em seguida, atacou-se a amostra com Nital 10% e observou-as no

microscópio marca Nikon, modelo Eclipse MA200, com aproximações de 50, 100,

250 e 500 µm. Posteriormente as diversas fotografias foram salvas. A figura 37

mostra o microscópio utilizado.

Figura 36 – Politriz Teclago, modelo PVVD, utilizado no ensaio de metalografia.

Fonte: Autor.

44

Figura 37 – Microscópio Nikon Eclipse MA200.

Fonte – Autor.

3.4 Microdureza

Para executar o ensaio de Microdureza, utilizou-se o microdurômetro da

marca PANTEC, modelo MV2000A, com parâmetros de 100 gramas-força (gf) para

força (F) e tempo de endentação (t) de 10 segundos.

Esses parâmetros foram escolhidos experimentalmente, na medida em que

se ia testando as endentações nas amostras. Primeiramente foram-se escolhidos os

parâmetros F = 25 gf e t = 10 s, porém, a endentação foi muito pequena e não se

conseguiu medir as diagonais. O mesmo aconteceu com F = 50 gf e t = 10 s. por

fim, encontrou-se medidas de diagonais satisfatórias para o cálculo de HV com

parâmetros de F = 100 gf e t = 10 s.

Todas as endentações foram executadas perpendiculares à aresta da base

da peça, e como está disposto no esquemático da figura 38 e 39. A linha amarela,

em ambas as figuras, mostram como foram dispostas as dez endentações em cada

45

amostra, espaçadas uma da outra de aproximadamente 0,5 mm. A linha azul

apresenta a aresta de referência na qual a disposição das endentações está

perpendicular. Essa configuração foi escolhida porque a hipótese é de que as facas

rotativas tenham duas regiões de durezas distintas devido ao tratamento térmico

aplicado. Além disso, Foram realizadas 20 endentações: dez na amostra 1 e dez na

amostra 2.

Figura 38 – Esquemático das disposições das endentações no ensaio de microdureza na

amostra 1.

Fonte – Autor.

Figura 39 – Esquemático das disposições das endentações no ensaio de microdureza na

amostra 2.

46

Fonte – Autor.

3.5 Teste experimental

As facas de aço A36 foram confeccionadas e colocadas em funcionamento

para teste, no mesmo regime de operação das facas originais: máxima quantidade

de material para corte na linha de produção, que é aproximadamente 400 kg por

hora. As imagens da faca rotativa original e das facas confeccionadas são

apresentadas nas Figuras 41 e 42, respectivamente.

A fabricação desses elementos foi realizada pelo Grupo Compal, localizado

na Avenida Felizardo Firmino Moura, 87, Bairro Nordeste, em Natal – RN. Foi-se

solicitado que a confecção fosse feita com as mesmas dimensões das facas

originais, como mostra a Figura 40, abaixo.

Figura 40 – dimensões de fabricação das facas rotativas.

Fonte – Autor.

Figura 41 – Faca rotativa original do moinho 800x400. Gume protegido por um protetor de

papelão.

47

Fonte: Autor.

Figura 42 – três facas rotativas (as três primeiras de baixo para cima) e duas fixas (a quarta

e a quinta, de baixo para cima) do moinho 800X400, confeccionadas a partir de aço A36.

Fonte – Autor.

48

4 Resultados e Discussões

A seguir serão apresentados os resultados obtidos a partir dos ensaios de

metalografia e Microdureza realizados nos laboratório de metalografia e Grupo de

estudos de tribologia (GET).

4.1 Amostra 1

Pela observação microestrutural através do microscópio, pôde-se perceber

que a amostra 1 apresenta uma microestrutura martensítica revenida (Figura 43), na

região do gume da faca, o que faz com que a peça confeccionada seja dura nessa

região. Já a Figura 44 apresenta a região central da amostra. Lobriga-se que há

pouca martensita nesse região, o que deixa o centro menos duro.

Figura 43 – amostra 1: Nital 10%. Escala de 50 µm. Região do gume.

Fonte: Autor.

49

Figura 44 – Amostra 1: Nital 10%. Escala de 250 µm. Região do centro.

Fonte – Autor.

Além disso, o ensaio de microdureza para essa amostra obteve os seguintes

resultados:

Tabela 5 – Valores obtidos no ensaio de Microdureza para a amostra 1.

Espaçamento (mm) Valor (em HV)

0,5 576,3

1 503,7

1,5 494

2 425,5

2,5 328,8

3 286,6

3,5 255,6

4 286,6

4,5 320,3

5 281

Fonte – Autor.

Utilizando esses valores, foi gerada a curva Jominy, com o programa

Microsoft Excel 2010, para ambas as amostras.

50

Figura 45 – curva de dureza (Jominy) da amostra 1.

Fonte – Autor.

Percebe-se que a Microdureza Vickers inicia com um valor alto

(aproximadamente 576 HV), mas decai rapidamente na medida em que a

profundidade aumenta. Depois, essa dureza se estabiliza em torna de 300 HV e se

mantém constante a partir de 2,5 mm. Isso acontece porque saímos da região de

têmpera, de alta dureza, e entramos em uma região menos dura.

Segundo (LUZ, 2018), como o aço SAE 5160 tem entre 0,56 a 0,64% p C.

Portanto, como processos de cementação não são indicados para aços com esse

teor de carbono, esse comportamento da curva Jominy pode indicar que a peça

passou por um processo de têmpera superficial.

4.2 Amostra 2

Já a amostra 2 apresentou basicamente ferrita e perlita em seus

componentes do metal de base (Figura 46). Esse resultado coincide com a literatura,

já que a composição do aço A36 é semelhante a do aço SAE 1020. Foi-se estudada

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

HV

Espaçamento (em mm)

Curva Jominy do SAE 5160

HV (SAE 5160)

51

somente essa região, porque foi inserida uma camada de metal de adição, composto

de carboneto de cromo, na região do gume, e para caracteriza-lo somente a dureza

é suficiente.

Figura 46 – Amostra 1: Nital 10%. Escala de 250 µm.

Fonte – Autor.

O ensaio de microdureza para a amostra 2 gerou os valores dispostos na

tabela abaixo:

Tabela 6 – Valores obtidos no ensaio de Microdureza para a amostra 2.

Espaçamento (mm) Valor (em HV)

0,5 560,6

1 632,3

1,5 572,3

2 646,4

2,5 627,7

3 131,9

3,5 127,2

4 144,3

4,5 147,1

5 138,7

Fonte – Autor.

A partir desses valores, foi possível gerar a curva Jominy para essa amostra,

o que resultou no gráfico abaixo, apresentado na Figura 47.

52

Figura 47 – curva de dureza (Jominy) da amostra 2.

Fonte – Autor.

Através da curva Jominy pode-se claramente depreender que há uma

brusca redução no valor de microdureza Vickers. Isso ocorre justamente ao se

ultrapassar a região de solda para a região de metal de base. Pode-se inferir

também que a amostra 2 pode substituir a amostra 1 para a realização da mesma

função, já que, apesar de materiais diferentes, o valor de dureza de ambos os

gumes se mantém próximos: aproximadamente 580 HV para a amostra 1, e

aproximadamente 650 para a amostra 2.

Pode-se constatar também, que a região em que sofre o maior desgaste

tribológico no elemento mecânico é a região do gume. Como, segundo a literatura, o

carboneto de Cromo é mais resistente a esse tipo de intempérie do que o aço SAE

5160 temperado e revenido, a nova faca tem uma vantagem perante a faca original.

4.3 Teste experimental

Foi-se observado a produtividade do moinho durante uma semana para cada

jogo de facas. Os resultados encontram-se nas tabelas 3 e 4, abaixo:

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

HV

Espaçamento (em mm)

Curva Jominy do aço A36

HV (A36)

53

Tabela 3 – produtividade do jogo original de facas.

Dia Quantidade (em kg)

1 395

2 388,2

3 400

4 392,8

5 375,1

Fonte – Autor.

Tabela 4 – produtividade do novo jogo de facas.

Dia Quantidade (em kg)

1 288,9

2 310

3 308,6

4 291,5

5 320,5

Fonte – Autor.

Figura 48 – Produtividade das facas rotativas originais e novas.

Fonte – Autor.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 2 3 4 5

Kg

Dias

produtividade diária dasfacas originais

produtividade diária dasfacas novas

54

Diante dos resultados obtidos, é nítido que a mudança do material nos

componentes de corte da máquina não conseguiu superar a produtividade das facas

originais, o seu ganho foi obtido na redução de custo, dada a menor quantidade de

falhas e trocas dos componentes, que em muitos casos era comprado fora do estado

gerando custos de frete e aumentando a matriz de custo da fábrica.

Outro fato a ser observado, é que ao final do turno de produção, o operador

visualizou a presença de algumas falhas na zona de corte das facas. Isso

provavelmente foi ocorrido pelo aumento da dureza do material, elevada pela

soldagem com adição de carboneto de cromo. Sendo a causa da diminuição da

produtividade da máquina, ficando como sugestão para trabalhos futuros.

55

5 Conclusões

A partir desse trabalho, é possível concluir que a substituição proposta pela

empresa, apesar de não embasada cientificamente, pôde obter êxito sem perda

significativa de produção.

A microdureza mostra que as respectivas durezas nas regiões de gumes das

facas originais e novas são próximas, o que pode indicar que a substituição foi bem

sucedida.

A partir das metalografias podemos perceber a grande diferença entre os

materiais principais de fabricação das facas do moinho: o aço SAE 5160 e o aço

A36. Sendo o aço A36 muito mais mole que o aço SAE 5160, justifica-se a

deposição de um material mais duro e resistente na região do gume da nova faca

confeccionada.

O teste experimental de produtividade indica que a substituição pode ser

feita permanentemente, mas que é preciso realizar melhorias nas novas facas, a fim

de corrigir esse decaimento na produtividade. É necessário também analisar essa

formação de dentes nos gumes das novas facas, ficando isso como sugestão de

estudos futuros.

56

6 Referências

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cooRDENACÅo DO CURSO DE ENGENHAR看A MECÅNICA

Natal, 01 de、nOVembro de 2019・

Ao(S) primei「o dia(S) do m合s de novembro do ano de dois mil e dezenove’aS 15:50

horas, na Sala}414 - CTEC, neSte Campus Universit釦O, instalou-Se a banca

examinadora do T「abaiho de Conclusao de Curso do(a) aluno(a) DENIS IVIAX DE

LIMA BEZERRA, matricuia 2016008110’do curso de Engenha「ia Mec含nica" A banca

examinadora foi composta pe-os seguintes membros‥ EFRAIN PAN丁ALEON

MATAMOROS, Orientador; L=lZ GUILHERME MEIRA DE SOUZA’eXaminador

interno; SALOMÅo sAV看O BATISTA, eXaminador exter=O" Deu-Se infcio a abertura

dos trabaIhos pe-o EFRAIN PANTALEON MATAMOROS・ que aP6s apresentar os

membros da banca examinadora, SOIicitou a (O) candidato (a) que iniciasse a

apresentaeao do traba-ho de conc-usao de curso, intituIado ‖ESTUDO E

DIAGN6sTIVO DA SUBS丁ITUleÅo DAS FACAS DE MOINHO”’marCando um

tempo de trinta minutos para a aPreSentaeaO" Concluida a exposie急o’Orientado「,

passou a pa-avra aos examinadores para arguirem o(a) candidato(a); aP6s o que fez

suas considerae6es sobre o traba-ho em juigamento; tendo sido

o(a) candidato(a), COnforme as nOrmaS Vigentes na

do trabaiho devera ser

蛇βV金石>㊨

Federal do印o Grande do Noれe. A vers各o finalヽ○○ ○　○, ▼ ヽ○′○　ヽ〇〇〇ヽ○○"ヽ.○○ヽ〇〇〇〇′　　"　「"′ 、.-「“" -　‾‾-　　‾‾ i‾　　葛　‾‾　‾　　　‾

entregue a coordenaeao do Curso de Engenharia‾Mec含nica, nO PraZO de畳2- dias;

contendo as modificae6es sugeridas pe-a banca examinadora e constante na folha de

correeao anexa・ Conforme o que rege O Projeto Politico Pedag6gico do Curso de

Engenharia Mec合nica da UFRN, O(a) candidato(a) n各o sera O aPrOVado(a) se n負O

Universidade

Examinador intemo

estudo e diagnÓstico da recuperaÇÃo das facas de um … · equipamento, aumentando a produção...

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