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FACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI CIMATEC
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GESTÃO E
TECNOLOGIA INDUSTRIAL
ROBERT SANTOS CORBACHO
ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO
DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO
ABNT 1075
Salvador
2014
ROBERT SANTOS CORBACHO
ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO
DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO
ABNT 1075
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Gestão e Tecnologia Industrial, da
Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, como
requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em
Gestão e Tecnologia Industrial.
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Oliveira de Souza
Salvador
2014
ROBERT SANTOS CORBACHO
ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO
DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO
ABNT 1075
Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre
em Gestão e Tecnologia Industrial, Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC.
Banca Examinadora
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Souza
Doutor em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo ITA – Instituto Tecnológico da
Aeronáutica, São José dos Campos, Brasil.
Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC
Membro Interno: Prof. Dr. Manoel Carreira Neto
Membro Externo: Prof. Dr. Charles Chemale Yurgel
Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC
Mestrado Profissional em Gestão e Tecnologia Industrial
A Banca Examinadora, constituída pelos professores abaixo listados, aprova a
Defesa de Mestrado, intitulada “ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO
PROCESSO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM
MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO ABNT 1075”, apresentada no dia 25 de julho
de 2014, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Mestre
em Gestão e Tecnologia Industrial.
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Oliveira de Souza
Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC
Membro Interno: Prof. Dr. Manoel Carreira Neto
Membro Externo: Prof. Dr. Charles Chemale Yurgel
____________________________________________________________
DEDICATÓRIA
_____________________________________________________________
Dedico este trabalho a toda minha família.
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AGRADECIMENTOS
_____________________________________________________________
A todos aqueles que colaboraram na preparação deste trabalho e que sem os
mesmos este projeto não seria possível, em particular:
A toda minha família, pelo apoio e paciência em todos os momentos.
Ao Professor Doutor Guilherme Oliveira de Souza, orientador que foi decisivo em
momentos de grandes dificuldades de prosseguimento dos trabalhos, e forneceu
subsídios e conhecimentos para viabilizar a conclusão deste projeto.
Aos meus filhos Arthur, Igor e Cecilia, pelos quais tenho amor incondicional.
A minha esposa Renata. Sem ela esta realização pessoal seria impossível. O
companheirismo, a paciência e o incentivo me ajudaram a transpor todas as
barreiras e dificuldades.
Aos amigos Daniel Amarante e Thiago Rangel pelo apoio decisivo e por sempre
estarem ao meu lado.
A Empresa em que trabalho pela oportunidade de desenvolvimento profissional e
capacitação técnica.
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RESUMO: ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSO DE REMOÇÃO DO
ÓXIDO DE FERRO ATRAVÉS DA DECAPAGEM MECÂNICA NA TREFILAÇÃO DO AÇO
ABNT 1075
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O objetivo principal deste trabalho é analisar a viabilidade técnica do pré-tratamento mecânico de remoção de carepa da superfície do fio-máquina ABNT 1075 para a produção de fios de aço como alternativa à decapagem química. A retirada da camada de óxidos ou carepa, conhecida por decapagem, tem grande importância e influência na qualidade superficial do fio de aço trefilado. A decapagem tem como objetivo eliminar a camada de óxidos, além de possibilitar uma condição superficial que permita facilitar o transporte do lubrificante sobre o fio trefilado antes mesmo do início da trefilação, evitando danos ao processo. Este trabalho apresenta uma revisão teórica e conceitual sobre o processo de conformação de metais denominado trefilação, associado a um estudo experimental sobre o processo de pré-tratamento superficial do aço ABNT 1075, através da decapagem mecânica, utilizando decapador mecânico por flexão. A análise do processo de remoção do óxido de ferro através de meios mecânicos contou com a realização de experimentos, onde foram avaliadas as influências da velocidade de trefilação e utilização de lubrificantes secos a base de sódio e cálcio. Foram utilizados como critérios de avaliação o número de fraturas de fio e a quantidade de trocas de fieiras, assim como os critérios de aceitação da qualidade do produto final, que são analisados através do aspecto visual da superfície, e ensaios físicos de medição de diâmetro, carga de ruptura e ensaios metalográficos realizados em laboratórios específicos. Os resultados dos experimentos possibilitaram verificar que o processo mecânico de remoção da carepa possui viabilidade técnica em três das quatro condições experimentais desenvolvidas. Apesar do processo de decapagem mecânica apresentar desempenho inferior quando comparado ao processo de decapagem química para requisitos como índice de fraturas na trefilação e processo pós-trefilação, o mesmo pode ser considerado tecnicamente viável.
Palavras-chave: Carepa, Decapagem, Fio de aço, Fio-máquina, Trefilação.
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ABSTRACT: TECHNICAL FEASIBILITY ANALYSIS OF THE IRON OXIDE REMOVAL BY
MECHANICAL DESCALING ON THE DRAWING OF ABNT 1075 STEEL
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The main objective of this work is to analyze the technical feasibility of the iron oxide removal by mechanical descaling on the drawing of ABNT 1075 steel wire as an alternative to descaling chemical. The removal of the oxide layer or mill scale, known as pickling, has great importance and influence on the surface quality of cold drawn steel wire. This process is used to eliminate the oxide layer and provide a surface condition which allows easy transportation of lubricant on the wire rod before the start of the drawing, preventing damage to the process. This work presents a review of the metal forming process called drawing, associated with an experimental study on the impacts of using mechanical descaling instead of chemical pickling as a surface pre-treatment process before the drawing of ABNT 1075 steel. Experiments were performed where the influence of the drawing speed and the use of sodium and calcium based dry lubricants were evaluated. The evaluation criteria for the technical feasibility analysis were the number of wire fractures and of dies changes, as well as the quality acceptance criteria for the final product, analyzed by visual inspection of the wire surface, diameter measurements, tensile strength tests and metallographic inspection. The results of the experiments show that the mechanical removal of the mill scale has technical feasibility for three of the four experimental conditions. Although mechanical descaling presented lower performance when compared to chemical pickling, the mechanical descaled wire has shown a rate of fractures in the drawing and post-drawing processes that allows the process to be considered technically feasible.
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LISTA DE TABELAS
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Tabela 1 – Composição química nominal do aço ABNT 1075 (% em peso), (NBR
87:2000, 2010)...........................................................................................................55
Tabela 2 – Dados do fio-máquina utilizado no experimento......................................56
Tabela 3 – Jogos de fieiras utilizados........................................................................64
Tabela 4 – Composição química básica (%) de sabões lubrificantes (relatório de
análise química da Alfa Metalúrgica, 2014 )...............................................................65
Tabela 5 - Dados do DOE (Design of Experiments)...................................................66
Tabela 6 – Dados e Resultados do Experimento.......................................................72
Tabela 7 – Avaliação de Fraturas Processo pós Trefilação.......................................83
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LISTA DE FIGURAS
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Figura 1 – Esquema de trefilação através de uma matriz (Adaptado de Mondardo,
2012),.........................................................................................................................23
Figura 2 - Fios de aço trefilados (próprio autor, 2014)...............................................23
Figura 3 – Alguns produtos que utilizam o fio-máquina como matéria-prima
(www.Belgo.com.br, 2013) ....................................................................................... 24
Figura 4 – Cargas tipo colmeia, para transportes de bobinas de fio-máquina
(Barbosa, 2006)..........................................................................................................25
Figura 5 – Estocagem de bobinas de fio-máquina (Barbosa, 2006)..........................26
Figura 6 – Carepas na superfície do aço (esquerda) e carepas eliminadas pelo
processo (direita) (CUNHA et al.,2006)......................................................................27
Figura 7 – Exemplo de carepa na superfície do aço (CUNHA et al., 2007)...............28
Figura 8 – Micrografia apresentando defeito superficial tipo carepa incrustada (Barbosa, 2006...........................................................................................................29
Figura 9 – Tanque de decapagem química de bobinas de fio-máquina (Gillstrom e
Jarl, 2006)...................................................................................................................30
Figura 10 – Superfícies decapadas de fios-máquina (Gillstrom e Jarl, 2006)............32
Figura 11 – Decapadores mecânicos por flexão (Eder, 2006)...................................33
Figura 12 – Caixa de fieira com matrizes refrigeradas a água (El-Domiaty e
Kassab,1998).............................................................................................................38
Figura 13 – Ilustração de rugosidades na superfície do fio trefilado (Cetlin, 2002)...41
Figura 14 – Graxadeira de máquina de trefilação de fios de aço (RUIZ et al., 2001, ...................................................................................................................................42
Figura 15 – Comparação de lubrificação primeiro bloco de trefilação (Dove, 1979..........................................................................................................................43
Figura 16 – Fieiras de trefilação (Sy-Wei e Yuung, 2002).........................................46
Figura 17 – Desenho da fieira em corte transversal (Oliveira, 2009).........................47
Figura 18– Representação esquemática de fratura dúctil (Callister, 2007)...............49
Figura 19 – Aspecto de fratura dúctil (Callister, 2007)...............................................50
Figura 20 – Aspecto de fratura frágil (Callister, 2007)................................................50
Figura 21 – Desenho do “pé de corvo” na superfície do fio de aço e ruptura típica em
função do crescimento do “pé de corvo” (Magalhães, 2011).....................................51
Figura 22 – Formação do defeito “rupturas centrais” (WRIGHT, 1996a)...................52
Figura 23 – Micrografia de defeito superficial em fio de aço denominado trinca
(Barbosa, 2006)..........................................................................................................53
Figura 24 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo dobra (Barbosa,
2006)..........................................................................................................................53
Figura 25 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo carepa incrustrada
(Barbosa, 2006)..........................................................................................................54
Figura 26 – Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem química
de fio-máquina (Adaptado de Eder, 2005).................................................................57
Figura 27 – Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem
mecânica de fio-máquina (Adaptado de Eder, 2005).................................................58
Figura 28 – Suporte desbobinador de bobinas de fio-máquina (Próprio autor,
2014)..........................................................................................................................59
Figura 29 – Decapador mecânico por flexão (Gillstrom, 2006)..................................60
Figura 30 – Bancada de escovas (Gillstrom, 2006)...................................................60
Figura 31 – Tanque de bórax pentahidratado (Cetlin, 1983).....................................61
Figura 32 – Máquina de trefilação Java China B302 (Meyers, 1982)........................61
Figura 33 – Carretel de acondicionamento de fio trefilado (Próprio autor, 2014)......62
Figura 34 – Microscópio estereoscópio modelo XTX 3C (Próprio autor, 2014).........66
Figura 35 – Micrômetro digital Digimess (Próprio autor, 2014)..................................67
Figura 36 – Máquina de Tração Instron modelo 3382 (Próprio autor, 2014).............68
Figura 37 – Fratura trefilado 1,27mm carretel no 10 (Próprio autor, 2014)................72
Figura 38 – Aspecto visual de fios trefilados 1,27mm (Próprio autor, 2014)..............72
Figura 39 – Análise metalográfica trefilado 1,27mm – carretel no. 12 (Próprio autor,
2014)..........................................................................................................................73
Figura 40 – Variação de diâmetro – 1ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......73
Figura 41 – Carga de ruptura - 1º teste e réplica (Próprio autor, 2014).....................74
Figura 42 – Amostras de fio-máquina (Próprio autor, 2014)......................................74
Figura 43 – Ampliação de amostras de fio-máquina para verificação de carepa
residual (Próprio autor, 2014).....................................................................................75
Figura 44 – Ampliação de amostras de fio-máquina para verificação de carepa
residual (Próprio autor, 2014).....................................................................................75
Figura 45 - Variação de diâmetro – 2ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......76
Figura 46 – Carga de ruptura – 2ª condição e réplica (Próprio autor, 2014)..............77
Figura 47 – Foto de fratura – amostra nº 58 (Próprio autor, 2014)............................78
Figura 48 - Foto de fratura – amostra nº 71 (Próprio autor, 2014).............................78
Figura 49 – Fio trefilado – amostra nº 58 (Próprio autor, 2014).................................79
Figura 50 - Variação de diâmetro – 3ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......79
Figura 51 – Carga de ruptura – 3ª condição e réplica (Próprio autor, 2014)..............80
Figura 52 - Variação de diâmetro – 4ª condição e réplica (Próprio autor, 2014).......81
Figura 53 - Carga de ruptura – 4ª condição e réplica (Próprio autor, 2014)..............81
Figura 54 – Efeito do parâmetro velocidade de trefilação (Próprio autor, 2014)........84
Figura 55 – Efeito dos parâmetros lubrificantes de trefilação (Próprio autor, 2014)..85
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16
1.1 Objetivos ...................................................................................................... 19
2 REVISÃO TEÓRICA .......................................................................................... 20
2.1 Processo de Trefilação ................................................................................. 21
2.2 Processos e Tratamentos Pré-Trefilação ..................................................... 27
2.2.1 Decapagem Química ............................................................................. 29
2.2.2 Decapagem Mecânica ........................................................................... 32
2.3 Qualidade e Produtividade no Processo de Trefilação .................................... 36
2.3.1 Influências da Velocidade na Trefilação .................................................... 36
2.3.2 Influência da Lubrificação na Trefilação .................................................... 38
2.3.3 Fieiras de Trefilação .................................................................................. 45
2.3.4 Fraturas na Trefilação ............................................................................... 48
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................. 54
3.1 Caracterização do Material (Fio-máquina) ................................................... 55
3.2 Fluxo de Processos ...................................................................................... 56
3.2.1 Decapagem Química ................................................................................. 56
3.2.2 Decapagem Mecânica ............................................................................... 58
3.3 Condições Experimentais ................................................................................ 62
3.4 Procedimentos de Análise do Experimento ..................................................... 65
3.4.1 Viabilidade de Processo e Produtividade .................................................. 65
3.4.2 Qualidade .................................................................................................. 66
3.4.3 Qualidade Pós-Trefilação .......................................................................... 69
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 70
4.1 Apresentações dos Resultados ....................................................................... 70
4.2 Análise da Viabilidade Técnica ........................................................................ 82
4.3 Análise do Efeito da Variação dos Parâmetros ................................................ 84
5 CONCLUSÃO .................................................................................................... 86
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 89
16
1 INTRODUÇÃO
Apesar da ciência e da engenharia estarem sempre buscando materiais alternativos
como a utilização de produtos poliméricos e cerâmicos (utilizados pela humanidade
antes dos metálicos) para a fabricação de artefatos diversos com inúmeras
aplicações, os metais, especialmente o aço, ainda possui extrema importância na
vida moderna. Isso se dá em função de que este material costuma apresentar
importantes propriedades que contribuem com grande aplicabilidade, como a
elevada resistência mecânica e ductilidade, e que pode assumir uma grande
diversidade de formas, favorecendo a sua utilização em vários segmentos (CETLIN;
HELMAN, 2005).
Segundo o Instituto Aço Brasil (2014), as atividades do mundo contemporâneo são
extremamente dependentes do aço. No atual estágio de desenvolvimento da
sociedade, é impossível imaginar o mundo sem o uso do aço. A produção de aço é
um forte indicador do estágio de desenvolvimento econômico de um país. Seu
consumo cresce proporcionalmente à construção de edifícios, execução de obras
públicas, instalação de meios de comunicação e produção de equipamentos.
Para atender a demanda global por aços e seus derivados, a produção mundial tem
se mantido constante e em alta. Segundo o Word Steel Association (2014), a
produção mundial de aço bruto para os 65 países que notificaram a Associação
Mundial do Aço (IISI) foi de 127 milhões de toneladas em novembro de 2013, um
aumento de 3,6% em relação a novembro de 2012. De acordo com o mesmo órgão,
no acumulado dos onze primeiros meses de 2013, a produção global de aço
totalizou 1,321 bilhão de toneladas, uma alta de 3,2% frente ao registrado em igual
período de 2012.
Para os números nacionais, a produção brasileira de aço bruto em novembro de
2013 foi de 2,7 milhões de toneladas, uma queda de -2,8% em relação a novembro
de 2012, segundo dados da Word Steel Association (2014). Porém dados de
dezembro de 2013 divulgados pelo Instituto Aço Brasil (2014), revelam que a
produção brasileira de aço bruto em dezembro de 2013 foi de 2,7 milhões de
17
toneladas, alta de 4,0% quando comparada com o mesmo mês em 2012 e com esse
resultado, a produção nacional acumulada em 2013 totalizou 34,2 milhões de
toneladas de aço bruto, 1,5% maior comparando ao mesmo período de 2012.
Uma das formas de beneficiar o aço é através da trefilação. A trefilação é um dos
processos industriais de transformação e beneficiamento de metais, especialmente o
aço, no qual uma barra ou um fio de metal é forçado a passar através de uma fieira
mediante a aplicação de uma força de tração à saída desta fieira, contribuindo com a
fabricação de produtos com diversas formas geométricas possíveis, conferindo ao
material trefilado precisão dimensional e propriedades mecânicas controladas
(CETLIN e HELMAN, 2005; FELDER et al., 2012; EL-DOMIATY; KASSAB, 1998).
Arames trefilados são produtos oriundos da trefilação que podem ser aplicados em
uma enorme diversidade de produtos acabados como fios de aço para pneus,
grampos, pregos, vergalhões, arames para solda, fios para protensão, telas, arames
para construção civil, dentre outros (BELGO, 2013).
A qualidade superficial do fio de aço trefilado é uma das principais exigências, não
apenas do produto acabado, mas também em todas as fases do processo de
transformação nas empresas metalúrgicas. Possivelmente alguns dos principais
problemas do processo de trefilação estão relacionados com a sua grande
sensibilidade a variações de seus processos e operações, incluindo entre estes as
características que determinam o tratamento de pré-trefilação do aço, conhecido
como decapagem (CHATTOPADHYAY et al., 2009).
A decapagem é um processo de preparação superficial do aço que tem como
objetivo remover a carepa – camada superficial composta, no caso dos aços, por
óxidos de ferro – que se formam como consequência da laminação à quente do fio-
máquina, matéria-prima usada para o processo de trefilação (GILLSTROM; JARL,
2006).
Esta camada de óxidos é caracterizada por uma dureza muito elevada com relação
à dureza do restante do fio-máquina, e deve ser removida antes do processo de
trefilação, pois a sua permanência, ou sua remoção de forma irregular, pode
18
ocasionar danos ao processo e ao produto final, podendo inclusive, inviabilizá-lo
(GILLSTROM; JARL, 2006).
A decapagem de fios-máquina pode ser feita por dois tipos de processo, o químico
ou o mecânico.
No processo de decapagem química a retirada da carepa é feita por meio do ataque
químico controlado sobre a superfície do fio-máquina. Para tal, as bobinas deste
material são submergidas em tanques de ácido sulfúrico ou clorídrico para remoção
dos óxidos superficiais, depois passam por processo de lavagem com água e
neutralizantes, como banhos de bórax ou cal para evitar a corrosão do próprio fio
(DOVE, 1979).
Já no processo de decapagem mecânica, o fio-máquina passa por um equipamento
chamado decapador mecânico. O tipo mais comum deste equipamento é o
conhecido por decapador mecânico por flexão, composto normalmente por um
conjunto de polias posicionadas de maneira que faça com que o fio-máquina sofra
sucessivas flexões, provocando o rompimento e o descolamento da camada de
óxidos da superfície da matéria-prima (CHATTOPADHYAY et al., 2009;
GILLSTROM; JARL, 2006).
Segundo Hu et al. (2013), tendo em vista a produtividade e meio ambiente, a
decapagem mecânica tem sido amplamente utilizada recentemente como alternativa
para substituir a decapagem química.
O presente trabalho teve como motivação a proposta, em uma empresa do ramo
metalúrgico, de desenvolvimento de um processo de decapagem mecânica como
tratamento pré-trefilação, como alternativa à decapagem química, tradicionalmente
aplicada. A proposta visava verificar a viabilidade técnica deste processo na
preparação superficial de fios de aço ABNT 1075, diâmetro 4,75 mm, para trefilação.
A expectativa era de que a decapagem mecânica, mostrando-se viável
tecnicamente, permitiria à empresa a simplificação do fluxo de produção de fios
trefilados, uma vez que traria as seguintes vantagens:
19
• Redução do manuseio do fio-máquina, cujas bobinas não mais precisariam
ser levadas para os tanques de decapagem, lavagem e neutralização, assim
como para o galpão de secagem, nem necessitariam ser devolvidas ao
galpão de estoque;
• Eliminação dos custos com o tratamento dos efluentes da estação de
decapagem (ácidos, água e neutralizantes), com o armazenamento de ácidos
e neutralizantes e com a manutenção dos tanques desta estação;
• Redução de controles documentais e pessoal envolvido no processo;
• Redução dos impactos ambientais relacionados com a produção de fios
trefilados, uma vez que deixam de ser utilizados ácidos e neutralizantes, e
reduz-se o consumo de água empregada neste processo.
1.1 Objetivos
O objetivo principal deste trabalho foi analisar a viabilidade técnica da utilização do
processo de decapagem mecânica, como processo de tratamento pré-trefilação,
para a remoção de carepa de óxidos de ferro de fio-máquina de aço ABNT 1075,
diâmetro 4,75 mm, como alternativa à decapagem química.
Os objetivos específicos deste trabalho foram uma análise, com base na literatura,
dos processos de decapagem química e mecânica, e a avaliação, através de
métodos experimentais, dos efeitos da variação dos parâmetros do processo de
trefilação sobre produtividade e sobre a qualidade do produto final.
Os métodos aplicados para atingir os objetivos propostos por este trabalho foram
uma revisão teórica e conceitual sobre o tema, associada a um estudo experimental.
A revisão teórica apresenta os conceitos e teorias do processo de trefilação. O
estudo experimental foi composto por experimentos de trefilação e pós-trefilação,
analisando os impactos do processo de decapagem mecânica sobre os resultados
do processo de trefilação do aço ABNT 1075. Os capítulos a seguir trazem os
resultados destes estudos.
2 REVISÃO TEÓRICA
Tem sido uma constante a procura de novos materiais por parte do homem, de tal
forma que torne a sua existência mais cômoda e segura. A utilização de madeiras,
rochas e ossos em ferramentas agrícolas, domésticas e armas foram algumas das
primeiras iniciativas neste sentido. É provável também que o ouro e o cobre, por
serem encontrados na natureza sob a forma metálica, tenham sido os primeiros
metais a serem utilizados pelo homem (BARBOSA, 2006).
Atualmente a produção da maioria dos metais se dá na forma líquida a partir dos
minérios extraídos do subsolo terrestre e posteriormente solidificados em diversos
formatos, tais como lingotes e tarugos em indústrias siderúrgicas.
Para a confecção de uma peça adequada a ser utilizada como produto acabado,
haverá a necessidade de transformação das formas, dimensões e características
mecânicas desses lingotes e tarugos através da conformação mecânica. Os
processos de conformação mecânica alteram a geometria do material por meio de
forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas
matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação (BELGO, 2013).
O estudo iniciado nesse capítulo visa um melhor entendimento sobre variáveis do
processo de trefilação, que é uma das formas de conformação mecânica do aço.
Segundo Dieter (1981) e Giorgini (2013), a conformação mecânica dos metais,
também conhecida como transformação mecânica dos metais, é um campo de
grande importância dentro da área de técnicas de fabricação de peças metálicas, e
refere-se à mudança de forma e de dimensões de metais através da aplicação de
esforços mecânicos externos, que reagem com uma alteração irreversível de
dimensões, conhecida como deformação plástica. Além da mudança de dimensões,
outro resultado obtido comumente através da conformação mecânica é a alteração
das propriedades mecânicas do metal em relação àquelas anteriores ao
processamento (LUIS et al. 2005; CETLIN; HELMAN, 2005).
21
A grande importância dos metais a serviço da tecnologia deve-se ao fato da relativa
facilidade com que os mesmos podem ser modificados através da conformação, e
transformados em formas bastante eficazes e úteis, tais como fios, tubos, barras e
chapas. Estas modificações eficazes podem ser determinadas a partir da
deformação plástica, onde não se reduz a quantidade de metal, ou seja, através dos
quais o volume e a massa do metal são preservados, alterando apenas a forma
geométrica e a propriedade mecânica (HIGDON et al., 1981; ALTAN et al.,1999).
Os processos de conformação podem ser classificados em algumas categorias
como: forjamento, extrusão, laminação, dobramento, estampagem, trefilação dentre
outros processos (SCHAEFFER, 1995).
O processo de conformação mecânica através da trefilação consiste em forçar a
passagem de uma barra ou fio através de uma ferramenta, mediante a aplicação de
uma força de tração à saída desta ferramenta (CALLISTER, 2007; DIETER, 1998;
MAJTA et al., 1992; SCHAEFFER, 1995). O material, ao ser forçado a passar pela
matriz de trefilação, deforma-se, reduzindo sua seção transversal para assumir o
perfil de saída da mesma, obtendo-se propriedades mecânicas controladas e
controle dimensional desejado (CALLISTER, 2007). A trefilação é um processo de
fabricação que permite a produção de produtos contínuos, com os mais variados
perfis obtidos de grande variedade de materiais (NEVES, 2003).
Os fios metálicos de seção circular, provenientes da trefilação, são largamente
empregados pela indústria de transformação em diversos artefatos, além disso, os
produtos trefilados são utilizados como matéria-prima para posterior processamento
a frio, gerando uma enorme quantidade de produtos (MAGALHÃES, 2011).
2.1 Processo de Trefilação
O processo de trefilação é conceituado como um processo de conformação
mecânica que se realiza pela operação de conduzir um fio, barra ou tubo através de
uma ferramenta denominada fieira, de formato externo cilíndrico de dimensão
conhecida e controlada e que contém um furo em seu núcleo, por onde passa o
22
material trefilado, tracionado por uma força de tração à saída desta fieira (BUTTON
2007; DIETER 1998; BYON et al., 2011; BRESCIANI et al.,1996).
A trefilação normalmente é realizada à temperatura ambiente usando um número de
reduções através de fieiras consecutivas em máquinas de trefilação (CALLISTER,
2007).
Trata-se de uma das operações de conformação mecânica mais antiga e de grande
importância industrial, permitindo a produção de barras, arames e tubos, entre
outras formas (CETLIN; HELMAN, 2005). Segundo Button (2007), a passagem do fio
de aço por uma matriz de trefilação promove a redução de sua seção, alteração das
propriedades mecânicas e dimensionais do material.
Para Cetlin e Helman (2005), este processo industrial de produção permite que o
material trefilado reduza sua seção obtendo assim diversos perfis geométricos, além
de uma boa qualidade superficial.
A figura 1 ilustra o fluxo esquemático deste processo. Há uma deformação no
momento em que o material é forçado a passar pela fieira, reduzindo a sua seção
transversal, como não há a redução da massa do fio trefilado, ocorre o aumento do
comprimento do material. Os fios trefilados podem ser produzidos em diferentes
perfis, sendo mais comum os de seções circulares (CALISTER, 2007).
A trefilação representa um amplo campo de estudo, cujas investigações vão desde
os aspectos relacionados ao próprio processo (matéria-prima, tensão de trefilação,
lubrificação, matrizes de trefilação, máquinas, temperatura, velocidade, entre
outros), até a análise do comportamento ou propriedades subsequentes do material
trefilado (DIETER, 1998).
Para a produção de fios de aço a partir da trefilação utiliza-se a matéria-prima
denominada fio-máquina (ABDELKADER, 2012). A figura 2 apresenta fios de aço
em embalagem muito utilizada para acondicionar arames trefilados diversos,
denominada rolos trefilados.
23
Figura 1 - Esquema de trefilação através de uma matriz
Fonte: Adaptado de Mondardo (2012).
Segundo Magalhães et al. (2011), o fio-máquina é utilizado como matéria-prima na
trefilação de fios de aço, em formato cilíndrico, laminado a quente, elaborado com
alto, médio e baixo teor de carbono e processado em indústrias siderúrgicas.
Figura 2 – Fios de aço trefilados
Fonte: Próprio autor
As bobinas são acondicionadas e podem variar de uma a duas toneladas e meia de
massa, e produzidas em diâmetros que podem variar entre 5,50 mm e 32 mm. Em
alguns casos, no desenvolvimento de novos processos, podem ser solicitadas ao
fornecedor mudanças tanto na composição química dos aços como também em seu
diâmetro (DOVE, 1979).
24
O fio-máquina é a matéria-prima para produtos de aço, tais como: fios para lã de
aço, fixadores, molas, eletrodos e solda MIG, e, ainda, aplicações em agropecuária,
construção civil, eletrificação, cabos, linha branca e barras para construção
mecânica. Na indústria automobilística serão usados para produção de molas
helicoidais para amortecedores, fios de aço na constituição do talão e na banda de
rodagem de pneus, molas diversas, bases para estofados, volantes e muitos outros
(BELGO, 2013). A figura 3 mostra alguns produtos que são produzidos com essa
matéria-prima.
De acordo com Rizzo (2005), as aplicações do fio-máquina podem ser divididas de
acordo com o tipo de aço utilizado:
• Aços com baixo teor de carbono (inferior a 0,3%) – são utilizados na
fabricação de pregos, grampos, arames farpados e galvanizados para
aplicação na agropecuária, chapas automobilísticas, perfis estruturais e
construção civil;
• Aços com médio teor de carbono (entre 0,3% e 0,7%) – são aplicados em
molas de estofados, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas,
que necessitem de resistência equivalente a esse teor de carbono;
• Aços de alto teor de carbono (acima de 0,7%.) – são comumente utilizados
em molas mecânicas, ferramentas como talhadeiras, folhas de serrote,
martelos e facas.
Figura 3 - Alguns produtos que utilizam o fio-máquina como matéria-prima
Fonte: (BELGO, 2013)
25
A manipulação de fio-máquina pode levar a diferentes defeitos superficiais, e
segundo Yalamanchili et al. (2000), quando tais defeitos não ocasionam a ruptura do
produto durante sua trefilação, podem ser prejudiciais na produção subsequente de
produtos conformados a frio, comprometendo a qualidade, e inclusive levando até
mesmo ao sucateamento dos mesmos. Segundo Magalhães et al. (2011) e Griza et
al. (2009), o transporte, o local de estocagem e o manuseio são etapas que
antecedem a todo o processo de trefilação, e são de fundamental importância para
se obter a produção de um fio de aço trefilado com qualidade.
É recomendado que o transporte do fio-máquina seja realizado em cargas
específicas com proteção de emborrachados ou afins, evitando que aconteça o atrito
entre as bobinas e partes metálicas da carroceria do veículo, conforme pode ser
visualizado na figura 4. Segundo Yalamanchili et al. (2000), a estocagem deve ser
feita preferencialmente em local seco e coberto evitando processo de corrosão, e o
manuseio através de máquinas com específicos sistemas de proteção forrados de
materiais como polímeros, borrachas ou afins que possam evitar avarias superficiais
ao aço através do contato.
Figura 4 – Cargas tipo colmeia, para transporte de bobinas de fio máquina.
Fonte: Barbosa, 2006
Segundo Yalamanchili et al. (2000) e Geneve e François (1994), se o fio-máquina
apresentar defeitos em sua superfície, como avarias, escamas e dobras, podem
ocorrer fraturas, que diminuirão a produtividade do processo de trefilação. Afirma
Yalamanchili et al. (2000), que mesmo quando os defeitos não são graves o
26
suficiente para causar fraturas, será gerado um fio de aço com superfície irregular, e
essas irregularidades impedem a limpeza eficiente do arame, levando restos de
carepa para o processo subsequente, prejudicando a qualidade do produto e a
produtividade do processo. De acordo com Magalhães (2011), é muito importante a
inspeção das bobinas de fio máquina para impedir que eventuais defeitos de
superfície produzam fios de aço com qualidade inferior.
A figura 5 evidencia a forma de estocagem de bobinas de fios-máquina. Separados
entre os topos, evitando contato frontal entre as espiras, com proteção entre o piso e
as bobinas (BARBOSA, 2006).
Segundo Barbosa (2006), outra observação muito importante diz respeito às
amarras das bobinas. As mesmas devem estar e permanecer bem firmes fazendo
com que as espiras das bobinas permaneçam bem compactadas até o momento do
abastecimento das máquinas para início do processo. Caso contrário poderá haver
perda de material por espalhamento das espiras.
Figura 5 – Estocagem de Bobinas de fios-máquina, matéria-prima utilizada no processo de trefilação.
Fonte: Barbosa, 2006
As dimensões das bobinas de fio-máquina devem ser controladas. Segundo Geneve
e François (1994), dados como diâmetro e ovalização devem ser verificados para
evitar que irregularidades em sua forma gerem atrito desnecessário junto às fieiras,
acelerando seu desgaste ou criando a possibilidade de surgirem defeitos na
superfície do arame.
27
2.2 Processos e Tratamentos Pré-Trefilação
Segundo autores como Gillstron e Jarl (2006), Geneve e François (1994) e Pickens
(1984), antes de se iniciar o processo de trefilação, faz-se necessário à remoção da
camada de óxidos, conhecida como carepa, existente na superfície do fio-máquina.
Segundo Cunha et al. (2006), carepa é um co-produto resultante da oxidação da
superfície do aço, quando submetido ao gradiente térmico ou a simples ação do
tempo. A quantidade e o tipo das carepas existentes na superfície de fio-máquina
variam conforme o tipo de aço, o processo de laminação e seus parâmetros
(GILLSTRON; JARL, 2007). As imagens da figura 6 mostram, à esquerda, uma barra
de aço aquecida em cuja superfície pode-se observar a presença de carepa (regiões
escuras sobre a barra incandescente) e, à direita, uma porção desta carepa após ter
sido removida da superfície da barra.
Nos produtos do ramo siderúrgico, a carepa provém basicamente das operações de
lingotamento contínuo e laminação. São óxidos de ferro constituídos principalmente
por wustita (FeO), hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4). A proporção aproximada de
cada fase é de 95% wustita (FeO), 4% magnetita (Fe3O4) e 1% hematita (Fe2O3)
(CUNHA, et al. 2006).
Figura 6 - Carepas na superfície do aço (esquerda) e carepas eliminadas pelo processo (direita)
Fonte: Cunha et al., (2006)
A presença destes três tipos de óxidos na superfície de fio-máquina aço alto teor de
carbono pode ser observada na figura 7.
28
Segundo Gillstron e Jarl (2006) e Chattopadhyay et al. (2009), essa camada
superficial de óxidos possui natureza abrasiva e é mais dura e mais frágil que o aço.
Dentre as três camadas, a formação de hematita provoca má decapagem mecânica,
pois são considerados óxidos mais aderentes à superfície do aço, enquanto
magnetita e wustita são consideradas óxidos não aderentes, que podem ser mais
facilmente removidos (CHATTOPADHYAY et al., 2009).
Figura 7 – Exemplo de carepa em superfície do aço
Fonte: (Cunha, 2007)
Quanto aos impactos de resíduos de carepa no processo de trefilação, a não
remoção da carepa de forma eficiente antes da trefilação pode gerar o desgaste
prematuro das fieiras, encurtando a vida dessas matrizes e causando quebras de
fios durante o processo de trefilação, com isso causando aumento dos custos diretos
de produção e perda de produtividade (GILLSTROM; JARL, 2006).
Segundo Barbosa (2006), um exemplo que compromete a qualidade do fio trefilado
é a carepa incrustada, que forma uma superfície irregular no fio trefilado e acelera o
desgaste de fieiras. A figura 8 a seguir apresenta defeitos superficiais causados por
carepa incrustada.
29
Figura 08 – Micrografia apresentando defeito superficial tipo carepa incrustada em fio trefilado
Fonte: Barbosa, 2006
Segundo Geneve e François (1994) outro item que também pode contribuir como
limitação do processo é a contaminação do sabão lubrificante pelos óxidos.
Acontecendo isso, a função principal do lubrificante no processo de trefilação se
torna ineficaz, comprometendo o processo.
Já se encontram em desenvolvimento alguns trabalhos que tem por objetivo otimizar
as condições de processo durante o resfriamento do fio-máquina por testes
laboratoriais simulados, para favorecer a formação de escamas de óxido facilmente
removível durante a decapagem mecânica. Segundo Chattopadhyay et al. (2009), o
Fe2O3 é responsável pela formação de óxido aderente, e este tipo de óxido provoca
dificuldade no processo de descalcificação mecânica. Durante a laminação do aço,
testes experimentais já revelam que um resfriamento mais rápido na produção do
aço favorece a redução da quantidade de óxidos aderentes formados pelo Fe2O3, o
que pode favorecer a remoção dos óxidos de ferro (Chattopadhyay et al., 2009; HU,
et al., 2013).
2.2.1 Decapagem Química
De acordo com Bullough (1957), Hudson (1980), Geneve e François (1994),
decapagem é a remoção de óxidos de ferro formados sobre a superfície de metais,
podendo ser realizada de forma mecânica ou química.
Segundo Doernemamm (1997), Geneve e François (1994), Gillstron e Jarl (2007), no
processo de trefilação a retirada da camada de óxido sobre a superfície do fio-
máquina é uma etapa que antecede ao processo de trefilação e é de fundamental
importância na produção de fios de aço trefilados.
30
Escamas de óxidos que são depositadas sobre a superfície do aço durante o
processo de laminação de fio-máquina precisam ser removidas para não
comprometer processos de transformação, como a trefilação (CHATTOPADHYAY et
al., 2009; YANG, 2010).
Segundo Dove (1979) e Hudson (1980) o processamento do fio-máquina antes da
trefilação, ou seja, a retirada da carepa no processo de decapagem química é feita
por ação de reação química onde as bobinas de fios-máquina são imersas em
tanques de ácido sulfúrico ou clorídrico para remoção dos óxidos superficiais,
conforme ilustra a figura 9.
Figura 9 – Tanque de decapagem química de bobinas de fio-máquina
Fonte: Gillstrom e Jarl, 2006
No processo de retirada da carepa, após o fio-máquina ser totalmente imergido em
tanques contendo ácido, inicia-se a decomposição da mesma. O ácido atravessa a
camada de óxido através das trincas existentes na superfície do fio máquina e
desintegra a camada denominada wustita, que é totalmente solúvel em ácido, logo
após o ataque do ácido desintegra as camadas hematita e magnetita (BULLOUGH,
1957; MURPHY, 1997).
Na decapagem utilizando-se ácido sulfúrico adotam-se concentrações em torno de
5% a 12% em temperaturas que podem variar entre 55 ºC e 90 ºC (DOVE, 1979).
31
Segundo Cetlin (1983), a reação de H2SO4 com o Fe gera hidrogênio que, além de
remover a carepa, pode atacar o metal, fragilizando-o através da criação de trincas,
diminuição da ductilidade ou até mesmo ruptura, Entretanto, existem processos
comercialmente utilizados e seguros para evitar o enfraquecimento por hidrogênio,
globalmente utilizado na indústria.
O ácido sulfúrico ataca o ferro, mesmo após a retirada da carepa. Isto causa perda
de material, que pode fragilizar o metal, prejudicando inclusive a atmosfera pela
emissão de vapores ácidos. Para amenizar esses problemas, as bobinas de fio-
máquina são submetidas a banhos inibidores posteriores, que contêm substâncias
orgânicas como aldeídos e tiocianatos, que funcionam como neutralizantes e
protegem a superfície exposta do aço (DOVE, 1979; TANG, 2012).
Quanto à decapagem por HCl é realizada em banhos com temperaturas entre 40 oC
e 50 oC, e se dá através da decomposição de óxidos de ferro, através de reações
químicas que geram cloreto ferroso (FeCl2) (DOVE,1979). Segundo Cetlin (2002), a
decapagem com ácido clorídrico normalmente fornece superfícies mais claras e
limpas, porém deve ser seguida por uma lavagem cuidadosa do material, pois restos
do ácido reagirão com a cal do banho de neutralização, obtendo-se o cloreto de
cálcio que é muito higroscópico, podendo provocar oxidação, mesmo com prévia
secagem.
Segundo Tang (2012), apesar de fornecer superfícies do aço mais limpas, a
decapagem através do ácido clorídrico possui uma velocidade de descalcificação
inferior quando comparada à decapagem realizada pelo ácido sulfúrico.
Segundo Dove (1979), Gillstron e Jarl (2006) e Chattopadhyay et al. (2009), a
imersão do fio de aço a ser decapado em banhos de permanganato de potássio
(KMnO4) e hidróxido de sódio (NaOH) antes da decapagem em ácido sulfúrico
(H2SO4) ou ácido clorídrico (HCl) altera o estado de oxidação dos óxidos de ferro
encontrados na superfície do aço, tornando mais fácil a sua remoção e a obtenção
de uma superfície mais limpa. Após a decapagem química o aço deve passar por
um processo de lavagem com água, e posteriormente um banho de neutralização
para retirada de restos de ácidos para evitar processo de corrosão (DOVE, 1979). A
decapagem química, quando bem eficiente, forma rugosidades que facilitam a
32
retenção de sabões lubrificantes e condições favoráveis a todo o processo de
trefilação (CETLIN, 2002).
2.2.2 Decapagem Mecânica
Segundo Enghag, (2003), no processo de decapagem mecânica, a matéria-prima
(fio-máquina), passa por um conjunto de roldanas, chamado decapador mecânico
por flexão, podendo ter um ou mais planos, verticais ou horizontais, assumindo uma
posição de dobramento entre as polias, onde o fio-máquina é flexionado, desta
forma a carepa, que é dura e frágil, se quebra e se solta.
Segundo Gillstrom e Jarl (2006), para a retirada da carepa deve haver combinação
de flexão inversa e etapas seguintes, ou seja, a etapa de flexão para retirada da
carepa deve vir acompanhada de um sistema posterior que permitam auxiliar na
limpeza da superfície do fio de aço. A figura 10 a seguir ilustra um exemplo
comparativo, ampliado através de microscópio eletrônico em vinte vezes. Do lado
esquerdo, foto de superfície de fio-máquina decapado utilizando remoção química, e
do lado direito foto demonstrando superfície com remoção apenas por flexão
mecânica. Trabalhos experimentais tem demonstrado que apenas a flexão não
consegue eliminar totalmente os óxidos da superfície do fio-máquina. Segundo
Cetlin (2002), o fio máquina decapado mecanicamente deve passar por etapas
seguintes, como escovas metálicas, jatos de ar comprimido ou lixas rotativas para
remoção da camada fina de óxidos que ainda se encontra no fio. Logo após essa
etapa o material poderá ser trefilado normalmente na máquina.
Figura10 – Superfícies decapadas de fios-máquina
Fonte: Gillstrom e Jarl (2006)
33
Na figura 11 pode ser verificados tipos de decapadores mecânicos, também
conhecidos por decapadores por flexão, onde o fio-máquina é conduzido através de
roletes, de modo que os mesmos entrem em contato com todo o perímetro do fio-
máquina flexionando-o, quebrando e retirando o excesso de carepa da superfície do
aço.
Para Dove (1979), no processo de decapagem mecânica o arraste do lubrificante
sólido é realizado pela aspereza superficial do fio, que de uma forma geral é menor
que a observada no material decapado quimicamente, tornando as condições de
trefilação mais difíceis. Segundo Cetlin (2002), durante a trefilação de um fio de aço
decapado mecanicamente, faz-se necessário o uso de lubrificantes com boas
características de arraste e uma boa opção é a utilização de lubrificantes à base de
cálcio, com baixo teor de ácidos graxos e boa quantidade de aditivos, importantes
nos primeiros passes onde há extrema pressão e baixas velocidades de trefilação.
Figura11 - Decapadores mecânicos por flexão
Fonte: Gillstrom, 2006
Para Cetlin (2002) e Gillstrom (2007), auxiliam na trefilação do fio-máquina advindo
do processo de decapagem mecânica o uso de fieiras de pressão e agitadores e
pressionadores de lubrificantes dentro das graxadeiras.
Para Cetlin (2002), apesar de todos os cuidados com a utilização da decapagem
mecânica, é importante que a primeira caixa de lubrificação de uma máquina de
trefilação, denominada “graxadeira inicial de trefilação”, tenha um tempo menor de
troca do lubrificante em relação às demais caixas graxadeiras, pois durante o
34
processo pode haver um acúmulo lento e gradual de óxidos, o que pode
comprometer a qualidade do lubrificante e por consequência de todo o processo.
Segundo Gillstrom e Jarl (2007), a passagem do material pelo decapador mecânico
provoca um aumento de sua resistência, no entanto esta variação de resistência
inicial não leva a qualquer diferença nas propriedades mecânicas finais do fio
trefilado após vários passes.
Quanto à remoção da carepa como pré-tratamento à trefilação, alguns autores
destacam vantagens e desvantagens do processo químico e mecânico.
Segundo autores como Dove (1979) e Dieter (1998), quando comparado à
decapagem mecânica, o processo químico possui um elevado custo operacional
para a empresa, pois além do valor de aquisição, estocagem e manuseio dos
agentes decapantes, há também o custo de tratamento dos resíduos e efluentes
gerados por esse processo e contaminação do ambiente de trabalho através dos
vapores ácidos.
Para Gillstrom e Jarl (2006), apesar de ser a forma mais eficiente de eliminação da
carepa, o processo de decapagem química gera três tipos de produtos residuais: o
ácido usado para o banho de decapagem, o lodo de filtro dos tanques de
decapagem e a água acidulada de enxaguar.
Cetlin (2002) ressalta que a remoção através de meios químicos prejudica inclusive
a atmosfera pela emissão de vapores ácidos, contaminando o ambiente de trabalho,
aumentando os custos de recuperação dos banhos utilizados.
Segundo Chattopadhyay et al. (2009), para se realizar a remoção de carepa, foi
bastante difundido e utilizado o processo químico de decapagem através do ácido
clorídrico, porém hoje em dia, devido ao rigor das leis de proteção ambiental, e altos
custos, está sendo desestimulado o uso desse processo. Muita ênfase é dada ao
emprego de métodos alternativos de remoção como o processo de decapagem
mecânica.
Tratando da decapagem mecânica, Gillstrom e Jarl (2007), afirmam que a
descalcificação do óxido de ferro por flexão reversa pode não limpar completamente
35
o fio de aço, dando qualidade inferior à superfície do fio trefilado e um maior
desgaste das fieiras causado pelos óxidos que são duros e encurtam a vida das
matrizes e a maior dificuldade de lubrificação da superfície do fio trefilado. Partículas
restantes poderão ainda ser identificadas na superfície do aço. Tal fato pode ser
atenuado ou removido por métodos alternativos como aplicação após o decapador
mecânico de escovas metálicas (GILLSTROM; JARL, 2007).
Algumas das possíveis desvantagens do processo mecânico de remoção da carepa
segundo Chattopadhyay (2009) podem ser resumidas como: menor eficácia na
retirada completa do óxido, geração de contaminante em pó (pó de carepa) que
pode causar danos aos equipamentos do processo e ser um contaminante do
ambiente de trabalho através de partículas em suspensão.
Segundo Eder (2005) o processo de decapagem química é mais agressivo ao meio
ambiente, contribuindo para os problemas de acidificação, aumentando a geração
de resíduos e exigindo um espaço adequado para tratamento dos mesmos. Mesmo
com uma maior dificuldade de remoção da carepa, o método mecânico atende aos
requisitos de qualidade e produtividade.
Para Eder (2005), Destacam-se também menores investimentos, custos e espaço
necessário para o processo mecânico, eliminação de controle de banhos
decapantes, diminuição da movimentação do fio-máquina e redução do tempo de
produção em função de redução do fluxo pré-trefilação.
Segundo Cunha et al. (2006), a carepa desprendida através da decapagem
mecânica se torna um coproduto, podendo ser beneficiada e comercializada sendo
reaproveitada nas aciarias das usinas siderúrgicas.
Para Tang (2012), a decapagem química significa enorme investimento e risco
ambiental. Assim, minimizar a decapagem ácida como processo deve ser uma
prioridade, tanto para meio ambiente quanto para questões econômicas.
36
2.3 Qualidade e Produtividade no Processo de Trefilação
Esse subcapítulo aborda variáveis que influenciam diretamente na qualidade do
produto final e na produtividade do processo de trefilação de fios de aço.
2.3.1 Influências da Velocidade na Trefilação
No processo de trefilação de fios de aço, apesar do trabalho de conformação ser
realizado a frio, a temperatura no local de contato entre a ferramenta matriz e o fio
pode se elevar consideravelmente em função das condições de atrito, da velocidade
e da deformação plástica (EL-DOMIATY; KASSAB, 1998; DIETER, 1998).
Segundo El-Domiaty e Kassab (1998), geração de calor é um fato inerente à
trefilação e transmitido ao material trefilado. Para Cetlin (1983), quando se trefila a
velocidades muito baixas, há tempo para que o calor gerado dentro da fieira, pelo
atrito e deformação plástica, seja dissipado. Altas velocidades de trefilação podem
modificar as condições de deformação, as condições de lubrificação e, portanto, de
atrito, provocando aumento de temperatura no material trefilado. Neste caso podem
ocorrer modificações sensíveis na estrutura e nas propriedades mecânicas do
material trefilado (MARTINEZ, 1998).
Segundo Martinez (1998), verificam-se alguns problemas decorrentes de altas
velocidades:
• aumento do acúmulo de calor, que afeta o desempenho do lubrificante, pela
redução de sua viscosidade;
• como afeta a viscosidade, ocorre uma diminuição na eficiência da separação
material-matriz, provocando maior força de trefilação;
• têm-se também problemas no acabamento superficial do produto acabado;
• redução da vida útil das fieiras de trefilação;
• redução da produtividade, uma vez que há aumento na troca das fieiras, com
elevação do tempo de máquina parada.
Os materiais utilizados para a fabricação do núcleo da fieira, geralmente a base de
metal duro ou PCD (diamante policristalino), apresentam maior resistência ao
desgaste durante o processo, comparando aos confeccionados em aços-liga,
37
possibilitando velocidades de trabalho mais elevadas (DIETER, 1998). Contudo,
esses materiais apresentam baixa condutividade térmica, o que dificulta a dissipação
do calor da região de conformação e, para reduzir a temperatura, os núcleos de
fieiras construídas com materiais de elevada resistência ao desgaste são fixados em
carcaças metálicas de aço ou latão, que apresentam maior facilidade de transmissão
térmica (DOVE, 1979; DIETER, 1998).
A intensidade de aquecimento é também influenciada diretamente pelas condições
de lubrificação. A trefilação de aços decapados química ou mecanicamente é
inviável sem a interferência de lubrificação na interface metal-fieira. As forças de
atrito e a temperatura seriam altas e haveria excessivo desgaste da fieira, com
danos superficiais do fio de aço. Uma boa lubrificação conduz à redução de atrito e
por consequência redução da temperatura no processo (WRIGHT, 1992).
Outro importante aspecto que contribui de forma decisiva para redução da
temperatura de trefilação de fios de aço a altas velocidades é a refrigeração do
processo (BRESCIANI, 1996). Convencionalmente existem várias formas de
redução de temperatura do sistema, uma delas é a utilização de jatos de água
direcionados sobre as paredes internas das bobinas de trefilação, o que também
atenua a temperatura de processo, uma vez que o fio de aço se acumula nas partes
externas das mesmas (DIETER, 1998).
Para El-Domiaty e Kassab (1998), outra forma de atenuar a temperatura de
processo, é a refrigeração da fieira através de água corrente. Acredita-se que este
procedimento objetiva também resguardar a integridade térmica e física da fieira,
uma vez que devido à diferença do coeficiente de expansão do aço que compõe a
carcaça e o núcleo, sem a refrigeração a água, a fieira poderia arrebentar durante o
processo de trefilação. A figura 12 mostra a refrigeração através de água corrente
indicado através de seta vermelha, atuando diretamente na caixa onde se
encontram as fieira de pressão e trefilação.
Outra forma de redução de temperatura seria a ventilação de ar comprimido
soprando diretamente nas paredes externas das bobinas de trefilação sobre o
material acumulado. Trabalhar com um maior acúmulo nos blocos ou bobinas,
38
aumenta o tempo disponível para uma melhor refrigeração (DIETER, 1998; CETLIN
1983).
Figura 12 – Caixa de fieira com matriz refrigerada a água
Fonte: El-Domiaty e Kassab,1998
Segundo Dieter (1998) e Cetlin (1983), especialmente para fios de aço de alto teor
de carbono, que resultam em maior temperatura por possuírem uma maior
resistência mecânica e exercerem uma maior pressão sobre as fieiras, quando
comparados a fios de baixo e médio carbono, recomenda-se redução de velocidades
de trefilação, objetivando uma menor variação de temperatura.
Portanto, sob o ponto de vista térmico, para altas velocidades, as condições de
operação do processo tendem a ser de difícil troca de calor e, para velocidades mais
baixas, de fácil troca de calor. Tais condições térmicas influem, de forma evidente,
nas propriedades mecânicas do fio de aço trefilado. Quanto melhor a refrigeração
melhor controle da ductilidade e da resistência mecânica do fio trefilado (MEYERS;
CHAWLA, 1982).
2.3.2 Influência da Lubrificação na Trefilação
Segundo Felder e Levrau (2011), lubrificação na trefilação é a técnica empregada
para reduzir o atrito das superfícies em contato e em movimento, através de uma
camada ou filme lubrificante, reduzindo o atrito e tornando a resistência ao
deslocamento muito menor que a produzida quando há o contato direto. De acordo
com Byon et al. (2011), lubrificante pode ser considerado qualquer substância que,
quando posta na interface de dois corpos, possa reduzir o atrito e consequente
39
desgaste dos mesmos, criando um filme plástico que serve para reduzir em grande
medida o contato metal-metal. No caso da trefilação o contato direto entre fio
trefilado e fieiras.
A causa fundamental das forças de atrito na trefilação são as irregularidades
microscópicas existentes nas superfícies metálicas (CETLIN, 2002). Em processos
de conformação, o movimento entre duas superfícies ocasiona deformações,
aquecimento e desgaste, o que resulta em perda da eficiência e solicitação de maior
potência. Isso se deve ao fato de que as superfícies, ainda que cuidadosamente
trabalhadas, quando examinadas microscopicamente, apresentam-se constituídas
de saliências e reentrâncias que ocasionam interação e intertravamento superficial
(MARTINEZ, 1998).
A ausência de um lubrificante na trefilação de um fio de aço inviabiliza todo o
processo, gerando maiores esforços para trefilar, aumento do índice de desgaste de
fieiras, danos à superfície do fio e maior geração de calor (YANG, 1999; CETLIN;
HELMAN, 2005). A melhor maneira de minimizar desgaste e danos superficiais de
peças rígidas em contato e com velocidade relativa não nula, segundo Duarte Junior
(2005), é separá-las por um filme de lubrificante.
Segundo Altan et al. (1999), no processo de trefilação de fios de aço, a lubrificação
pode ser úmida ou seca. Na úmida o fio de aço é imerso em tanques com
lubrificantes líquidos do tipo emulsão com aditivos. Segundo Dove (1979), os
lubrificantes líquidos são utilizados para a trefilação de arames finos que receberão
uma camada de recobrimento de materiais como cobre, zinco, latão ou bronze,
conhecida como lubrificação hidrostática ou por imersão do conjunto de fieiras em
um tanque com lubrificante, gerando um movimento entre as superfícies, conhecida
como lubrificação hidrodinâmica. Na trefilação seca é utilizado lubrificante do tipo
sabão em pó ou em flocos, colocados em caixas denominadas graxadeiras,
localizadas antes da entrada das fieiras. O fio de aço ao ser tensionado passa por
dentro das graxadeiras e carrega partículas de lubrificantes sólidos para dentro da
fieira (DOVE, 1979; ALTAN et al., 1999).
No processo de trefilação de fios de aço, é possível usar lubrificante à base de óleo,
quando se tem a lubrificação úmida, e a base de sódio (Na) e cálcio (Ca) para
40
trefilação a seco (ENGHAG, 2003). Para a escolha do melhor lubrificante a ser
usado na trefilação, é muito importante o conhecimento do processo, bem como
todas as variáveis envolvidas, e é indispensável também conhecer a aplicação do
material produzido em processos posteriores (GZESH, 2004).
Como fatores que influenciam na seleção do lubrificante, Gzesh (2004) cita entre
outros: diâmetro de entrada e saída do fio de aço, redução do arame por passe,
velocidade de trefilação da máquina, condição de resfriamento do processo e tipo de
decapagem utilizada.
Hillery e McCabe (1995) caracterizam um lubrificante ideal como sendo aquele
capaz de ser facilmente aplicável ao arame em movimento, assegurando, durante a
deformação, superfícies isentas de defeitos. A condição superficial inicial do material
a ser trefilado, sendo ele decapado química ou mecanicamente, é um dos fatores
mais importantes a influenciar a trefilação, pois determina o regime de lubrificação
da zona de deformação, pelo carreamento e manutenção do lubrificante durante a
trefilação (SARGENT; TSAO, 1980).
Analisando o fio-máquina de aço decapado quimicamente, pode-se afirmar que o
mesmo apresenta em sua superfície uma rugosidade composta por pequenos poros
que favorecem o arraste do lubrificante. Então, quanto maior for a rugosidade e
menor o teor granulométrico do sabão lubrificante, tenderá a haver uma melhor
lubrificação (COCKCROFT, 1976).
Segundo Cetlin (2002), o fio-máquina decapado quimicamente demonstra uma
superfície irregular, criada a partir da ação dos ácidos, gerando microscópicas
porosidades que ajudam na lubrificação, enquanto que o material decapado
mecanicamente pode apresentar longos “vales” na direção longitudinal, conhecido
também como rugosidades paralelas, o que permite a expulsão do lubrificante para
trás ao longo desses vales, quando o fio passa pela fieira, o que pode impor
dificuldades à lubrificação. É o que ilustra a figura 13.
41
Figura 13 – Ilustração de rugosidades na superfície do fio trefilado
Fonte: Cetlin, 2002
A depender da utilização posterior do fio de aço, para aços decapados
mecanicamente, podem ser utilizadas coberturas antes de se iniciar a trefilação, com
a finalidade de promover o aumento do arraste de sabão lubrificante (HANGLUND;
ENGHAG, 1996), um exemplo é a utilização de tetraborato de sódio, também
conhecido como bórax pentahidratado. A camada de bórax aumenta o arraste,
devido a fatores como a boa compatibilidade com lubrificantes de sódio e cálcio,
criando uma camada aderente que funciona como condutor de lubrificante, ajudando
bastante o processo de trefilação (HANGLUND; ENGHAG, 1996).
Para promover um melhor arraste de lubrificantes, experimentos demonstram,
segundo Dove (1979) e Cetlin (1983), que é importante a utilização de recursos
complementares como mexedores e pressionadores automatizados nas graxadeiras,
principalmente na primeira, objetivando a aderência do lubrificante ao arame e o
arraste do mesmo para dentro da área de trabalho. O lubrificante é pressionado e
adere à superfície do aço, que o carrega até a fieira.
Um exemplo disto pode ser verificado na figura 14, onde é apresentada uma
graxadeira de lubrificação usada no processo de trefilação de fios de aço. Neste
caso, tem-se a visão de uma graxadeira de uma máquina de trefilação. Pode-se
42
verificar no lado esquerdo da figura 14 a entrada do fio de aço indicado por seta
vermelha, e no lado direito indicado por seta amarela os rolos pressionadores do
lubrificante na superfície do fio de aço através das roldanas pressionadoras internas,
objetivando a fixação do lubrificante na superfície do fio de aço.
Segundo Dove (1979) e Cetlin (1983) os lubrificantes sólidos mais utilizados para a
trefilação são os sabões granulados a base de cálcio (Ca) ou sódio (Na), e ainda
pode ser usada uma combinação entre os dois tipos. Segundo Ruiz et al. (2001) os
lubrificantes a base de cálcio são muito utilizados nos passes iniciais de trefilação, e
possuem uma grande importância quando opta-se pelo processo de decapagem
mecânica do aço, por ter um elevado teor de aditivos com alto poder reativo, que
reagem com a superfície do metal, formando uma densa película lubrificante. Os
principais aditivos são enxofre, fosfato e grafite (RUIZ et al., 2001).
Figura 14 – Graxadeira de máquina de trefilação de fios de aço
Fonte: RUIZ et al., 2001
Segundo Felder e Levrau (2011), sabões à base de sódio, com alto teor de ácidos
graxos são utilizados em passes de trefilação com maiores velocidades, onde as
temperaturas são maiores e as reduções promovidas no fio são menores.
No processo de lubrificação como um todo, destaca-se que os lubrificantes, a partir
de suas características e propriedades físicas e químicas, devem ser capazes de
suportar as temperaturas de trabalho entre fios de aço e fieiras, e que a preparação
da superfície do arame é condição essencial para se obter um bom resultado
(COCKCROFT, 1976).
43
Segundo Button (2007), um bom lubrificante deve apresentar as seguintes
características: um baixo coeficiente de atrito, garantir a completa separação das
superfícies da matriz e do material trefilado, ser resistente ao calor, favorecer ao
bom acabamento superficial do produto trefilado, ser limpo e resistir à pressão de
deformação.
Contudo, nem sempre um alto teor residual de sabão na superfície do produto
acabado é considerado bom para fios trefilados (FELDER et al., 2012), a utilização
do produto no processo de produção subsequente é o que vai determinar qual a
camada ideal de lubrificantes. Segundo Yang (2010), alguns produtos exigem
superfície mais polida e com baixo resíduo de lubrificante, nesta categoria incluem-
se, como exemplo, arames para eletrodeposição, soldagem e para grampeação,
aplicações para as quais o produto final deve ter uma superfície praticamente isenta
de lubrificante. Por outro lado, segundo Dove (1979), quando se produz arames para
pregos ou molas de estofados, por exemplo, a alta camada de resíduo lubrificante
ajuda no processo seguinte, aumentando a vida útil das ferramentas utilizadas.
A figura 15 apresenta imagens de lubrificação eficiente e ineficiente no primeiro
passe de trefilação, onde se pode verificar, à esquerda, o lubrificante aderente na
superfície do fio em trefilação, que adquire uma coloração opaca e facilmente
evidenciada pelo aspecto visual e pelo contato manual. Comparativamente, pode ser
verificada, à direita, uma lubrificação não eficiente no primeiro passe de trefilação,
onde há um aspecto visual de fios brilhantes e lisos, indicando a falta do lubrificante.
Figura 15 – Comparação de lubrificação primeiro bloco de trefilação
Fonte: Dove, 1979
44
Cockcroft (1976), Hillery e McCabe (1995) relatam que procedimentos que
contemplam melhoria das condições da lubrificação proporcionam uma série de
vantagens para o processo de conformação:
• Redução de atrito – índice elevado de atrito gera perdas de potência e
aumento das cargas de trabalho das máquinas de trefilação, isso implica
também em tensões elevadas no material trefilado e danos à superfície que
podem provocar fraturas.
• Redução do desgaste – a redução do desgaste das matrizes (fieiras) reflete-
se no custo da operação do processo e nos acabamentos superficiais do
produto; o lubrificante, quando utilizado, além de reduzir o desgaste, atua
também como refrigerante.
• Controle da deformação – na medida em que o lubrificante controla o atrito
reduzindo as tensões atuantes no material trefilado, consegue a distribuição
das deformações no sentido de homogeneizar essas deformações e
minimizar o aparecimento de defeitos.
A mais vantajosa condição de lubrificação é a hidrodinâmica, que ocorre quando um
filme de fluido lubrificante se desenvolve entre duas superfícies em movimento
relativo. Nesse caso, a resistência ao movimento das superfícies depende somente
da viscosidade do fluido (HONDROS, 1971).
Segundo Dove (1979) e Cetlin (1983), Algumas técnicas especiais são utilizadas
com o objetivo de acentuar o fluxo do lubrificante para a zona de deformação da
fieira:
• Fieiras de pressão – consiste em utilizar duas fieiras justapostas, sendo a
primeira com a função de pressionamento de lubrificante e a segunda para
trefilação. A primeira deve ter o diâmetro um pouco superior que o do fio de
aço a ser trefilado (fio-máquina). A utilização da fieira de pressão faz com que
entre as duas fieiras ocorra uma pressão muito elevada, forçando assim a
entrada do lubrificante na fieira de trefilação, formando um filme mais
uniforme. As fieiras de pressão proporcionam um aumento da produtividade
com consequente redução de custos em função de um menor desgaste de
fieiras de trefilação com menor número de arrebentamentos.
45
• Agitadores de lubrificante – são equipamentos instalados dentro das
graxadeiras que se movimentam, mantendo constante o contato do fio de aço
com o lubrificante. Esses equipamentos agitam o lubrificante e evitam a
formação de túneis e vazios que podem ser formados com a passagem do fio
em trefilação.
• Pressionadores de lubrificantes – são polias que pressionam o sabão
lubrificante contra a superfície do fio de aço, melhorando o arraste.
2.3.3 Fieiras de Trefilação
Independente do tipo de produto obtido, a trefilação caracteriza-se sempre pelo
tracionamento do produto trefilado através de uma matriz que lhe confere a
geometria e as dimensões finais especificadas (BUTTON, 2007; ALTAN et al., 1999;
ABDELKADER et. al., 2102).
Segundo Dove (1979), Button, (2007) e Abdelkader et al. (2012), a matriz utilizada
no processo de trefilação denomina-se fieira, e é a partir das fieiras que se dá a
redução de seção do fio-máquina, ou seja, é a ferramenta responsável pela
deformação plástica do material que resulta na redução do diâmetro. Normalmente o
material utilizado para a construção do núcleo das fieiras para a trefilação de arames
de aço é o metal duro (carboneto de tungstênio sinterizado em uma matriz de
cobalto), ou diamante policristalino (PCD). As matrizes são adquiridas em tamanhos
e furos (diâmetros) padronizados (ALTAN et al., 1999; CETLIN, 1983; DOVE, 1979).
Como um dos problemas das fieiras é a sua fragilidade sob tensões de tração
(CETLIN, 1983; DOVE 1979; KIM et al. 1997), as fieiras devem ser encarcaçadas
em peças de aço, que podem então suportar as tensões aplicadas ao núcleo
durante a trefilação. Segundo Dove (1979) e Cetlin (1983), a junção da carcaça ao
núcleo da fieira é feita sob pressão, com o propósito de a carcaça abraçar
firmemente o núcleo da fieira em toda sua extensão, e que suas paredes exerçam
sobre o núcleo uma pressão de fora para dentro, para que durante a trefilação as
forças que o arame exerce contra as paredes do núcleo sejam anuladas,
propiciando um melhor desempenho da fieira. A figura 16 mostra exemplos de fieiras
de trefilação.
46
Como já foi citado, existem também no mercado fieiras com núcleo de diamante,
porém possuem um alto custo. Normalmente são utilizadas, segundo Cetlin (1983),
para produção de arames muito finos, geralmente abaixo de 0,5 mm, quando a
fabricação através de fieiras de metal duro começa a ficar inviável. Para diâmetros
menores, tem-se uma tolerância de diâmetro também menor, e as fieiras de
diamante, por possuírem uma elevada resistência ao desgaste comparada às de
metal duro, se adequam melhor para esse tipo de material (CETLIN, 1983).
Figura 16 – Fieiras de trefilação
Fonte: Sy-Wei e Yuung, 2002.
A figura 17 mostra um corte da seção transversal de uma fieira com suas respectivas
regiões.
Segundo Sy-Wei e Yuung (2002), o ângulo de entrada da fieira (2β), apresentado na
figura 17, região 1, é o ponto de entrada do fio-máquina na fieira. Esta região é
responsável por guiar o material em direção ao cone de trabalho e ajuda na entrada
do lubrificante na fieira. O ângulo de entrada também é responsável por conduzir o
fio de aço de forma que evite movimentos intensos e abruptos diretos ao núcleo da
fieira, evitando assim quebras e danos ao mesmo. Nenhuma redução de área do fio
de aço deve ocorrer nesta região.
47
O ângulo de redução (2α) também conhecido como ângulo de trabalho da fieira,
mostrado na Figura 17, como região 2, é onde se inicia a redução da seção do
material.
Adota-se o perfil cônico para a zona de trabalho por duas razões principais: primeiro,
torna-se mais fácil à manufatura da matriz e, em segundo lugar, porque facilita o
arraste do lubrificante para a zona de deformação, tornando a lubrificação mais
eficiente (MARTINEZ, 1998).
A região 3, mostrada na Figura 17, é denominada de região de calibração (I3),
segundo Sy-Wei e Yuung (2002), esta região confere ao material trefilado seu
diâmetro final, geometria e acabamento superficial, é onde ocorre o valor máximo da
Figura 17– Desenho da fieira em corte transversal
Fonte: Adaptado de Oliveira, (2009).
taxa de deformação, essa é a região responsável pela deformação plástica do fio de
aço. Segundo Cetlin e Helman (2005), a vida útil da matriz também depende desta
dimensão. Um comprimento reduzido desta região implica em desgaste prematuro
da fieira. Segundo Martinez (1998), um comprimento maior implica em aumento da
força de tração para trefilação para vencer o atrito, podendo causar variação do
dimensional desejado por deformação do fio ou desgaste do núcleo.
48
Segundo Sy-Wei e Yuung (2002) O ângulo de saída (2y), na região 4 da figura 17, é
o responsável por evitar que o região de calibração termine abruptamente e opera
como um guia na saída da fieira.
O degaste prematuro de fieiras em um processo de trefilação tem significativos
impactos sobre indústria de fios, podendo provocar fraturas e tolerâncias com
dimensões fora de especificações, provocando danos ao processo (ABDELKADER,
2012).
Segundo Cetlin e Helman (2005), com o uso contínuo, é normal o desgaste da
região de entrada do arame na fieira, originado pelo contato do fio de aço, e
conhecido como “anel” de desgaste, o que pode provocar danos ao fio trefilado
através de riscos e arranhões ao arame. O alinhamento entre fieira e fio trefilado é
outro aspecto importante de manutenção da vida útil da fieira, Segundo Dove (1979)
e Sy-Wei e Yuung (2002). O desalinhamento causa desgaste mais rápido em uma
região, que é aquela mais pressionada pelo fio na entrada da fieira.
Segundo Dove (1979), também pode ocorrer à quebra de fieiras, numa região onde
há folga entre o núcleo e a carcaça. A causa desta quebra em condições normais de
trefilação deve ser atribuída a falhas de fixação entre a carcaça e o núcleo da fieira.
Em condições normais de operação, toda fieira deverá ser substituída após
ultrapassar o limite de tolerância do diâmetro do arame trefilado em processamento.
Segundo Dieter (1998), após sua utilização as fieiras passam por operações de
recuperação através de retificação de seu núcleo para serem usadas novamente,
porém em diâmetros superiores ao anterior.
2.3.4 Fraturas na Trefilação
A fratura de fio de aço durante a trefilação é tida como um grande problema para
este que é um processo de produção contínuo, pelo tempo perdido para reinício da
atividade, pelas demoras que possam existir no processo de emenda por soldagem
e reinício de trefilação e pela consequente perda de produtividade (LEE et al., 2010;
BRZOSTEK, 2012). De uma forma convencional, uma fratura ocorre quando se tem
sobre o fio trefilado uma força de tração e outra força de deformação presentes, que
excedem o valor de resistência do material (CAGNA; CEPEDA, 1996).
49
Para a ciência dos materiais existem dois tipos principais de fraturas possíveis:
fratura dúctil e fratura frágil (CALLISTER, 2007). Fraturas dúcteis tipicamente exibem
uma grande deformação plástica e se caracterizam pela propagação lenta de trincas
resultante do crescimento de micro cavidades. A ductilidade geralmente é
quantificada em termos de alongamento, e da redução percentual da área. A fratura
frágil é caracterizada, de uma forma geral, pela ausência ou pouca deformação
plástica (CALLISTER, 2007).
Segundo Callister (2007), a figura 18 apresenta o perfil mais comum de fratura em
tração para materiais dúcteis a partir da aplicação constante de carga. Em (a), a
figura 17 apresenta o início da deformação plástica. Após o inicio da deformação,
pequenas microcavidades ou “microvazios” formam-se no interior da seção
transversal (b). Com o crescimento da deformação, esses microvazios aumentam,
aproximam-se e se unem para formar uma microtrinca elíptica (c). A trinca continua
a crescer em uma direção paralela ao seu eixo principal pelo processo de união de
microvazios (d). Finalmente, a fratura ocorre (e) por meio de cisalhamento, onde o
ângulo é de aproximadamente 45º em relação ao eixo de tração, nesse ângulo a
tensão é máxima (CALLISTER, 2007).
Figura 18 – Representação esquemática de fratura dúctil
Fonte: Callister, 2007
A figura 19 ilustra aspecto de fratura dúctil, na qual pode se observar a ocorrência de
deformações plásticas precedendo a ruptura.
50
Segundo Callister (2007), a fratura frágil ocorre com pouca ou nenhuma deformação
plástica apreciável, quaisquer sinais de deformação plástica bruta estarão ausentes,
e se dá pela propagação rápida das trincas e falhas existentes.
Figura 19 – Aspecto de fratura dúctil
Fonte: Callister, 2007
Superfícies de fratura de materiais que falharam de forma frágil terão seus próprios
padrões distintos, com superfícies relativamente planas como ilustra a figura 20.
Figura 20 – Aspecto de fratura frágil
Fonte: Callister, 2007
Na trefilação, alguns fatores podem contribuir para gerar fraturas, diversas delas
podem ser causadas pela matéria-prima, ou seja, danos superficiais e má qualidade
do fio-máquina e outras através do próprio processo de trefilação (WRIGHT, 2002).
51
Cagna e Cepeda (1996) e Wright (1996 b), afirmam que a classificação das fraturas
de fios durante o processo de trefilação se dá em três categorias:
• Categoria I: fraturas ocasionadas por motivos quaisquer que não sejam
relacionados às condições de processo ou à qualidade da matéria-prima.
Como manuseio incorreto do fio de aço, desgaste de fieira, mau
funcionamento da máquina ou solda mal realizada.
• Categoria II: fraturas decorrentes de problemas relacionados ao processo,
parâmetros inadequados como velocidade de trefilação, redução excessiva
de diâmetro, jogos de fieiras mal dimensionados, lubrificação e refrigeração
ineficientes.
• Categoria III: fraturas ocasionadas por defeitos metalúrgicos ou
microestruturais no fio.
Como exemplo da categoria I, as fraturas em “V”, do tipo “pé de corvo”, são as mais
comuns, podendo ser consequência dos defeitos superficiais existentes no fio-
máquina como a remoção ineficiente da carepa (WRIGHT, 2002). A figura 21 (a)
ilustra esquematicamente a presença do pé de corvo na superfície do material e a
figura 21 (b) mostra um fio de aço com uma fratura proveniente desse tipo de
defeito.
Figura 21 – (a) Desenho do pé de corvo na superfície do fio de aço (b) ruptura típica em função do crescimento do “pé de corvo”
Fonte: Magalhães (2011)
Conhecida por esta denominação devido ao formato geométrico característico que a
configura, essa quebra geralmente começa com um pequeno defeito na superfície,
que cresce com a forma “V” ocasionando a quebra do fio sob a tensão de saída na
fieira ou durante a flexão do material em torno das polias, frequentemente,
52
empregadas durante o processamento. Esse tipo de fratura em “V”, geralmente é
mais comum nos passes finais no fluxo de trefilação (WRIGHT, 2002).
Quaisquer defeitos superficiais do fio-máquina como remoção indevida de carepas,
falta de lubrificação ou ineficiência da mesma também podem configurar uma
situação propícia para a formação dessa falha (CAGNA; CEPEDA, 1996).
Como exemplo da categoria II, a partir de estudos realizados por Wright (1996b), as
quebras do tipo ruptura central são caracterizadas por apresentar no centro da
superfície fraturada do fio de aço uma grande cavidade. Esse modelo de fratura é
consequência de uma grande deformação, representada por uma linha central de
tensão, como demonstrado pela figura 22. Variáveis como alta redução de área,
jogos de fieiras mal dimensionados e trefilação com ângulo inadequado na entrada
do fio na fieira, gerando alta fricção entre a matriz e o fio trefilado, podem causar
essa linha central de tensão (ENGHAD, 2003).
Figura 22 – Formação do defeito “rupturas centrais”
Fonte: Wright (1996a)
As fraturas denominadas rupturas centrais também são chamadas de fratura em
cone, e a grande maioria das quebras deste tipo ocorre na saída ou dentro da fieira.
É comum o problema se apresentar nos primeiros passes, à medida que o dano
interno do fio vai aumentando (MAXWELL, 2001; NIEWOEHNER, 1993).
Como exemplo da categoria III, a figura 23 ilustra um defeito superficial denominado
trinca que é um defeito na microestrutura do aço, originada em qualquer etapa do
ciclo de laminação do aço. Essas trincas penetram no fio de forma perpendicular ou
53
oblíqua em relação à superfície do material e posteriormente, durante a trefilação,
irão gerar fraturas (BARBOSA, 2006).
Figura 23 – Micrografia de defeito superficial em fio de aço denominado trinca
Fonte: Barbosa (2006)
Segundo Barbosa (2006), outro defeito microestrutural do aço que pode gerar
fraturas, considerando variações do processo de laminação são as dobras. Que são
fendas longitudinais inclinadas que se desenvolvem na superfície de fios-máquina
laminados, penetrando de maneira mais ou menos oblíqua para o interior. Às vezes
aparecem como linhas duplas paralelas, e é um defeito essencialmente ligado à
laminação, conforme pode ser visto na figura 24.
Figura 24 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo dobra
Fonte: Barbosa (2006)
A carepa incrustrada é outro defeito estrutural no fio-máquina que contribui com
fraturas de trefilação conforme figura 25. Essa camada de óxidos pode ter camada
variável em função do tempo de permanência em altas temperaturas e atmosfera do
54
forno de aquecimento durante a laminação. O defeito aparece irregularmente quanto
à forma e dimensões (Curtinaz, 2012).
Figura 25 – Micrografia demonstrando defeito de laminação tipo carepa incrustrada
Fonte: Barbosa (2006)
Outros defeitos provenientes do processo de laminação que podem contribuir para o
surgimento de fraturas no fio-máquina são os riscos e escamas. Os riscos são
depressões de forma irregular, contínuos na direção longitudinal e possuem formas
e dimensões variáveis. Formam-se quando o fio-máquina raspa sob pressão em
cantos vivos dos condutos irregulares, guias maus usinadas, gastas e quebradas
(Curtinaz, 2012). As escamas são tipos de defeitos superficiais que podem se
originar de defeitos pontuais na laminação do fio-máquina, ou por defeitos em
tarugos de laminação, como rebarbas ou estriais.
55
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para possibilitar a análise da viabilidade técnica da utilização do processo de
decapagem mecânica, como processo de tratamento pré-trefilação, para a remoção
de carepa de óxidos de ferro de fio-máquina de aço ABNT 1075, diâmetro 4,75 mm,
assim como para analisar o efeito da variação dos parâmetros de trefilação,
recorreu-se a um estudo experimental cujos métodos, procedimentos e materiais
utilizados serão descritos ao longo deste capítulo.
3.1 Caracterização do Material (Fio-máquina)
O material utilizado para a realização dos experimentos foi o fio-máquina IA75,
equivalente ao ABNT1075 no diâmetro de 4,75 mm com tolerância de +/- 0,30 mm.
em bobinas com massa entre 2201 a 2260 kg.
Todo o fio-máquina processado no experimento foi recepcionado através de suas
informações existentes nas etiquetas de identificação, com indicações sobre o tipo
de aço, diâmetro, corrida, número da bobina, código do material e peso líquido, além
do código de barras.
O fio-máquina utilizado no experimento é um aço alto carbono comum com 0,80%
de carbono em sua composição. As tabelas 1 e 2 a seguir apresentam
respectivamente a composição química nominal deste aço e os dados referentes à
massa e ao número da bobina do fio-máquina utilizado.
Tabela 1 - Composição Química nominal do aço ABNT 1075 (% em peso)
S C Mn P Si Al Cr Cu Ni Mo N Sn
Mínimo 0,75 0,40 0,150
Máximo 0,050 0,85 0,70 0,040 0,280 0,005 0,050 0,050 0,050 0,010 0,006 0,020
Fonte: Tabela composição química de aços carbonos - NBR 87:2000
56
Tabela 2 - Dada do fio-máquina utilizado no experimento
No. Bobina do
fio-máquina Massa em
toneladas
No. bobina
do fio-
máquina
Massa em
toneladas
01 2,254 10 2,238
02 2,219 11 2,239
03 2,260 12 2,221
04 2,232 13 2,221
05 2,224 14 2,226
06 2,205 15 2,239
07 2,221 16 2,236
08 2,211 17 2,230
09 2,227 18 2,225
Fonte: Próprio autor
3.2 Fluxos de Processos
A análise da viabilidade técnica da decapagem mecânica apresentada aqui tem
como referência os dados e índices do processo de decapagem química atualmente
utilizada na empresa em que estes experimentos foram realizados.
Com o objetivo de prover um melhor entendimento das análises que serão feitas, o
fluxo do processo de trefilação precedida pelo tratamento por decapagem química é
apresentado a seguir, e na sequência, o fluxo do processo de trefilação precedida
pelo tratamento por decapagem mecânica adotado nos experimentos será
detalhado.
3.2.1 Decapagem Química
Na trefilação deste fio-máquina utilizando-se a decapagem química as bobinas são
recepcionadas e enviadas para os tanques contendo ácidos decapantes. Logo após
a retirada dos óxidos de ferro da superfície do aço, as bobinas são mergulhadas em
tanques contendo água e a seguir em tanques com soluções alcalinas com efeitos
neutralizantes. Após a secagem, as bobinas são conduzidas ao interior da fábrica.
Sequencialmente serão levadas para os suportes de desenrolamento de fio-
máquina.
57
O passo seguinte é a passagem do fio-máquina direto do desbobinador para o
tanque de bórax e em seguida para a máquina trefiladora. A figura 26 ilustra um
fluxograma simplificado do processo de decapagem química.
Figura 26 - Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem química de fio-máquina
Fonte: Adaptado de Eder (2005)
No que diz respeito à lubrificação, são empregadas fieiras de pressão e os
lubrificantes utilizados para trefilação do fio-máquina decapado quimicamente são a
base de cálcio e base de sódio, ambos do tipo sólido.
Fio-máquina
com carepa
Fio-máquina decapado e com resíduo ácido
Fio-máquina decapado e com água
Fio-máquina decapado contendo líquidos alcalinos
Fio-máquina decapado e seco
Fio-máquina decapado e recoberto com bórax
Fio trefilado
Banho ácido
Lavagem água
Lavagem líquidos
alcalinizantes
Secagem
Banho de bórax
pentahidratado
Máquina Trefiladora
58
Os atuais dados e índices referentes à decapagem química deste aço são os
seguintes:
• Máquina com onze passes de trefilação;
• Velocidade de trefilação: 10 m/s;
• Configuração das graxadeiras de lubrificantes: uma inicial à base de cálcio e
demais graxadeiras com lubrificante à base de sódio;
• Índice de fraturas na trefilação: 0,07 fraturas / tonelada produzida;
• Índice de fraturas na linha pós-trefilação: 0,08 fraturas / tonelada produzida;
• Índice de uso de fieiras: 0,15 fieiras / tonelada produzida.
3.2.2 Decapagem Mecânica
A figura 27 apresenta um fluxograma simplificado do processo trefilação precedido
por decapagem mecânica, adotado na execução dos experimentos aqui descritos.
Figura 27 - Fluxograma do processo de trefilação precedido por decapagem mecânica de fio-máquina
Fonte: Adaptado de Eder (2005)
Fio-máquina
com carepa
Fio-máquina decapado e com resíduo de carepa
Fio-máquina decapado
Fio máquina decapado e recoberto com bórax
Fio trefilado
Decapador mecânico
Bancada de escovas e
sopradores
Tanque de bórax
pentahidratado
Máquina Trefiladora
59
Os principais equipamentos utilizados neste experimento, obedecendo ao fluxo de
processo apesentado, foram: um suporte de desbobinador de fio-máquina, um
decapador mecânico por flexão, uma bancada de escovas e sopradores, um tanque
de bórax pentahidratado, uma máquina modelo Júpiter B302 com onze passes
sequenciais de trefilação e carretéis de acondicionamento.
Os suportes desbobinadores de bobinas de fio-máquina têm capacidade para
suportar uma bobina de fio-máquina conforme ilustra a figura 28. São dispositivos
fixos, com eixo horizontal, destinados a alojar e desbobinar de modo controlado
bobinas de fio-máquina a fim de alimentar a máquina trefiladora de fio de aço.
Figura 28 – Suporte desbobinador de bobinas de fio-máquina
Fonte: Próprio autor
Sequencialmente utilizou-se um decapador mecânico por flexão com uma fieira-guia
na entrada do equipamento com diâmetro superior ao fio-máquina decapado. Este
equipamento possui base fixa, dobramento sobre polias com um total de roldanas
fabricadas com metal duro e com base coletora de carepas, conforme ilustra a figura
29.
60
Figura 29 – Decapador mecânico por flexão
Fonte: Gillstrom, 2006
Dando sequência, foi utilizada uma bancada fixa, conforme ilustra a figura 30,
contendo uma escova espiralada com fios de aço recobertos com latão de diâmetro
de 0,25 mm na entrada do equipamento, conforme seta indicativa vermelha, e
sopradores de ar comprimido atuando em todo o diâmetro do fio em sentido
contrário ao seu deslocamento.
Figura 30 – Bancada de escovas
Fonte: Gillstrom, 2006
Outro equipamento utilizado no procedimento experimental, logo após a retirada do
óxido de ferro, foi o tanque de banho de bórax pentahidratado, o mesmo pode ser
visualizado na figura 31.
61
Figura 31 – Tanque de bórax pentahidratado
Fonte: Cetlin, 1983
A máquina de trefilar (figura 32), utilizada no experimento possui as seguintes
características:
• Fabricante: Java China B302;
• Ano de fabricação: 2005;
• N° de Passes de trefilação: 11;
• 11 Bobinas;
• Velocidade final real: variável por bitola (velocidade máxima para o
experimento de 10 m/s);
• Bobinador de 560 mm de diâmetro com mesa rotativa;
• Duas possibilidades de acondicionamento, cesto metálico e carretel;
• Graxadeiras com misturador de lubrificante e fieiras rotativas.
Figura 32 – Máquina de trefilação
Fonte: Meyers, 1982
62
E, por fim, após o fio-máquina ser convertido em fio de aço trefilado com 1,27 mm de
diâmetro, este era distribuído pelo bobinador e acondicionado em carretéis, outro
equipamento utilizado, conforme mostra a figura 33.
Figura 33 – Carretel de acondicionamento do fio trefilado
Fonte: Próprio Autor
3.3 Condições Experimentais
Os experimentos foram desenvolvidos nas instalações de uma unidade industrial
metalúrgica. Sua realização se deu no período de 10 de dezembro de 2013 a 18 de
janeiro de 2014, no horário das 07:00 h às 22:00 h, sendo acompanhadas por 1
técnico de processo, 1 técnico de laboratório e 1 engenheiro de produção, além de 1
operador de produção. Durante o experimento a temperatura ambiente média ficou
em 27 ºC e a umidade relativa do ar em torno de 55%.
O método utilizado para o planejamento deste trabalho foi o Planejamento e Análise
de Experimentos DOE (Design of experiments). O DOE é considerado uma
metodologia apropriada para estudar variáveis de processo e a diversidade de suas
interações, de forma a aumentar a probabilidade de solucionar problemas através de
análises estatísticas (ILZARBE et al., 2008). Por essa razão, nos últimos anos, ela
tem sido aplicada, em diversos segmentos industriais, sendo, portanto um método
de extrema importância para a indústria, pois a sua utilização permite resultados
muito confiáveis, que podem repercutir em ganhos de produtividade e de qualidade.
63
Para início do experimento, houve a recepção e conferência das bobinas de fio-
máquina e transferência dessas bobinas para o estoque interno da planta industrial.
Sequencialmente foram levadas para os suportes de desenrolamento de fio-
máquina, ou seja, abastecimento da máquina trefiladora. O passo seguinte foi à
passagem do fio-máquina pelo decapador mecânico por flexão para fragmentar e
fazer soltar a carepa existente na superfície do fio trefilado, seguindo para o sistema
de bancada de escovas espirais e enceradeiras, rotativas, para retirada da camada
fina de óxido de ferro e, ainda fazendo parte desse sistema, na saída desse
conjunto, um soprador com ar comprimido atuando em todo o perímetro do fio-
máquina com o fluxo de ar em sentido contrário ao deslocamento do fio.
Após a retirada da carepa, o fio trefilado passa por um tanque onde há um banho
contendo tetraborato de sódio ou bórax pentahidratado (Na2B4O7�10H2O) à
concentração de 100 gramas por litro de água com uma tolerância de +/- 10%,
temperatura de 65 oC, com variação de +/- 10 ºC, e volume de capacidade do tanque
de aproximadamente 200 litros. Na sequência, o fio adentra a trefiladora equipada
com fieiras conforme identificado na tabela 3.
Tabela 3 – Jogos de fieiras utilizados
Passes de trefilação
4,75mm (diâmetro fio-máquina)
1,27mm (diâmetro final do fio)
Diâmetro das Fieiras de
pressão (mm)
Fieiras de trefilação (mm)
1o 5,13 4,20
2o 4,55 3,60
3o 3,89 3,10
4o 3,35 2,60
5o 2,91 2,37
6o 2,55 2,00
7o 2,26 1,88
8o 2,03 1,65
9o 1,83 1,52
10o 1,66 1,45
11o 1,51 1,27
Fonte: Próprio Autor
64
Para a lubrificação foram utilizadas fieiras de pressão, indicadas na tabela 3, e os
seguintes lubrificantes: o sabão T1 a base de cálcio e o T2 a base de sódio. A tabela
4 apresenta a composição química dos lubrificantes utilizados.
Tabela 4 – Composição química básica (%) de sabões lubrificantes
Produto Ácidos graxos
Bórax Ca Cinzas K Mo Na S Si Mg P Ti
T2 78,40 12,50 0,21 <0,02 9,07 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02
T1 37,68 0,21 29,00 47,20 0,02 0,02 0,13 0,10 0,04 0,16 2,38
Fonte: Relatório de Análise Química – (Alfa metalúrgica, 2014)
O fio trefilado, ao final do processo, era bobinado e acondicionado em carretéis com
massa aproximada de 400 kg.
O experimento foi realizado com a variação controlada de dois fatores: condições de
lubrificação e velocidade de trefilação.
A tabela 5 apresenta o planejamento dos testes realizados. Para iniciar cada
condição, foram utilizados novos jogos de fieiras e substituído o lubrificante nas
graxadeiras de trefilação. E, para cada condição, a quantidade de matéria prima
processada foi a mesma, ou seja, cinco toneladas de fio-máquina.
Os parâmetros velocidade e número de graxadeiras com lubrificante à base de
cálcio em detrimento às graxadeiras com lubrificante à base de sódio foram
variáveis. Quanto à velocidade, variou em função da busca pela maior produtividade.
Para tal procurou-se utilizar como teste a velocidade máxima do processo que é de
10 m/s, atualmente utilizada para material decapado quimicamente. A variação do
lubrificante se deu em função da busca pela qualidade do fio trefilado. Fios isentos
de danos superficiais são o que se pretende obter.
Sabões lubrificantes à base de cálcio são muito utilizados quando se tem a
decapagem mecânica e baixas velocidades de trefilação, e os lubrificantes à base
65
de sódio são recomendados para serem utilizados em passes com altas velocidades
(CETLIN, 1993 e DIETER, 1998).
Tabela 5 - Dados do planejamento do experimento
Ordem
executada
Graxadeiras
com
lubrificante
Cálcio
Graxadeiras
com
lubrificante
Sódio
Velocidade
(m/s)
Produção
(toneladas)
1 3 8 10 5
2 3 8 8 5
3 2 9 10 5
4 3 8 10 5
5 2 9 8 5
6 2 9 10 5
7 3 8 8 5
8 2 9 8 5
Fonte: Próprio autor
Os fatores que não foram controlados durante o experimento foram mantidos
constantes como foi o caso da concentração, da temperatura e do volume do banho
de bórax, das reduções (jogos de fieiras) e do nível de sabão lubrificante das
graxadeiras.
3.4 Procedimentos de Análise do Experimento
Este subcapítulo se propõe a apresentar os procedimentos, métodos e critérios
utilizados para o levantamento e análise dos resultados.
3.4.1 Viabilidade de Processo e Produtividade
Como forma de verificar a viabilidade do processo quanto ao desgaste de fieiras, fica
estabelecido o índice de 0,25 fieiras por tonelada de fio de aço produzido como
índice máximo convencionado pela planta industrial onde se processa o
experimento.
O número de fraturas do fio trefilado para tornar o processo viável também é definido
pela planta industrial, e estabelecido como número máximo aceitável em 0,15
66
fraturas por tonelada de fio de aço produzido. Valores encontrados acima deste
índice torna o processo inviável.
3.4.2 Qualidade
A primeira análise do material que serve como forma de avaliação é a observação
do aspecto visual superficial do fio de aço trefilado. De cada carretel produzido foi
retirada uma amostra de aproximadamente 50 cm de comprimento do fio trefilado
para avaliação do aspecto visual. Ressalta-se que nesta primeira avaliação para
identificação dos defeitos superficiais, o procedimento se dá através da simples
observação visual, seguida da observação através do microscópio estereoscópio,
modelo XTX-3C, apresentado na figura 34, ampliando a visão das amostras em
quatro vezes.
Foram retiradas noventa e seis amostras, cada uma com aproximadamente 50 cm
de comprimento de um total de noventa e seis carretéis produzidos, e estabelecida
avaliação comparativa do aspecto superficial do fio trefilado decapado
mecanicamente com o fio trefilado advindo do processo de decapagem química.
Como critério de aceitação, as amostras devem ser isentas de defeitos superficiais
facilmente visíveis como pés de corvo, soldas mal feitas, frisos gerados por roldanas
ou rolamentos danificados, marcas de fieiras por desgaste natural ou por excesso de
temperatura na trefilação e marcas oriundas de defeitos estruturais do aço.
Figura 34 - microscópio estereoscópio, modelo XTX-3C.
Fonte: Próprio autor
67
Outro procedimento utilizado para a avaliação da qualidade das amostras
experimentais foi a análise dimensional do fio trefilado.
Para a execução da análise dimensional foi utilizado um Micrômetro Digital, marca
Digimess, de resolução 0,001 mm e campo de medição de 0 mm a 25 mm, com
graduação no tambor e com calibração válida até 06 de junho de 2014. Conforme
figura 35, o instrumento está sobre um suporte para micrômetros externos, o que
facilita o manuseio em função do técnico executor da medição manter ambas as
mãos livres para operações com o micrômetro.
Quanto ao procedimento, foi utilizada norma técnica interna da empresa onde o
experimento foi realizado. O objetivo desta norma técnica é estabelecer o método e
os requisitos para a realização de análises dimensionais em arames, dentre eles:
diâmetro de arames (bitola), diâmetro de arames entalhados dentro e fora do
entalhe, estricção, passo, profundidade do entalhe e defeitos superficiais no arame.
Quanto aos critérios de aceitação, a especificação de tolerância de diâmetro é
determinada também por norma técnica interna. Essa norma estabelece que o
diâmetro dentro da especificação é aquele encontrado através de instrumento de
medição com status de calibração atualizada, devendo se manter no intervalo de
1,25 mm a 1,29 mm, ou seja, bitola nominal de 1,27 mm com tolerância de +/- 0,02
mm.
Figura 35 – Micrometro digital Digimess
Fonte: Próprio autor
Como forma de atestar a qualidade, também foi realizado o ensaio de tração dos fios
trefilados. Para a execução do ensaio de tração das amostras do experimento foi
68
utilizado uma máquina de ensaio universal dinâmica com garra hidráulica, conforme
figura 36. A mesma possui as seguintes características: marca INSTRON, modelo
3382 e faixa nominal de 0 a 100 kN.
O ensaio de tração de fios de arames trefilados é disciplinado por norma técnica
interna. O objetivo desta norma é estabelecer as definições, parâmetros e
procedimentos para a realização de ensaio de tração de arame.
O critério de aceitação é determinado também por norma interna. A especificação
define que a carga de ruptura para o arame trefilado de 1,27 mm de diâmetro deverá
ser igual ou superior a 2200 N.
Figura 36 – Máquina de tração, à esquerda vista geral da máquina, à direita detalhe da execução do ensaio.
Fonte: Oliveira, 2009
Para a execução das análises metalográficas, as amostras foram enviadas para
laboratório específico fora da unidade industrial de onde se desenvolveu o trabalho.
Para as análises foi usado o microscópio eletrônico óptico de reflexão, com
capacidade de ampliação de 1500 vezes com dois conjuntos de lentes. Os
resultados da caracterização microestrutural, obtida por microscopia óptica, e
realizada em amostras de seções longitudinais e transversais do fio máquina e do fio
trefilado, foram atacadas em solução de nital 2%.
O critério de aceitação é definido pela ausência de defeitos superficiais e de carepa
residual.
69
3.4.3 Qualidade Pós-Trefilação
Como forma de complementar o estudo e ter uma visão completa sobre as fraturas
do processo, após a conclusão dos experimentos de trefilação e ensaios previstos,
todo material utilizado inicialmente no experimento, cerca de quarenta toneladas, foi
processado em uma linha de produção que representa a fase seguinte do processo,
após a trefilação, objetivando avaliar o desempenho do fio trefilado. Essa etapa pós-
trefilação é uma linha produtiva que processa materiais já trefilados dando apenas
alguns tratamentos superficiais e conferindo ao fio a condição de produto acabado.
O número de fraturas do fio trefilado para tornar o processo viável no processo pós-
trefilação, também definido pela empresa, é estabelecido como número máximo
aceitável de 0,18 fraturas por tonelada de fio de aço produzido. Valores encontrados
acima deste índice tornam o processo inviável.
70
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo, serão apresentados os resultados obtidos a partir da realização do
experimento. Serão apresentados também os dados dos ensaios realizados nas
amostras do fio trefilado 1,27 mm, além da análise de viabilidade.
4.1 Apresentações dos Resultados
Este experimento foi realizado com a configuração de dois fatores controláveis, as
condições de lubrificação e a velocidade de trefilação, ambos variados em dois
níveis e com réplica.
A tabela 6 a seguir, apresenta todos os dados do experimento, os resultados
encontrados nos experimentos e em suas respectivas réplicas, assim como
resultados encontrados na linha pós-trefilação.
1ª Condição Experimental
Os resultados obtidos na primeira condição do experimento e réplica, ou seja, das
unidades 01 a 24, serão apresentados a seguir.
Houve uma fratura durante a trefilação do carretel no 10, entre o oitavo e nono bloco
da máquina trefiladora, identificado através do relatório metalográfico. Essa fratura
iniciou em região com defeito mecânico do tipo pé de corvo, as fotos 1 e 2 da figura
37 foram ampliadas em 32 e 100 vezes respectivamente.
Essa fratura é classificada como dúctil, e pode ter sido causada por algum defeito
superficial existente no fio-máquina ou falhas no processo, como a remoção
ineficiente da carepa, ou ainda por deficiências na lubrificação. Como é
característico dessa fratura, ocorreu nos passes finais do fluxo de trefilação.
71
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Dados do Experimento
Resultados Obtidos
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72
Figura 37 – Amostra de Fratura trefilado 1,27 mm - carretel no 10 da 1ª condição experimental
Fonte: Próprio autor
Segue na figura 38, uma foto da amostra do carretel produzido nº 12, ampliada 9
vezes, selecionada aleatoriamente, analisada e comparada a uma amostra de
mesmo diâmetro e aço, produzida através do processo trefilação precedido por
decapagem química. Evidencia-se que não apenas a amostra selecionada, mas
todas as demais analisadas não possuem defeitos superficiais nem há presença de
carepa residual na superfície dos fios.
Figura 38 – Aspecto visual de fios trefilados 1,27mm, à esquerda fio decapado quimicamente, à direita fio decapado mecanicamente.
Fonte: Próprio autor
Para essa amostra de trefilado (no 12), decapado por processo mecânico, também
foi solicitada análise metalográfica, figura 39, ampliada 500 vezes para verificação
de defeitos superficiais e resíduos de carepa que não foram encontrados.
73
Figura 39 – Amostra metalográfica do trefilado 1,27mm – carretel no 12
Fonte: Próprio autor
A variação de diâmetro da primeira condição e réplica, num total de vinte e quatro
unidades produzidas, teve resultados conforme figura 40, através da medida do
diâmetro das amostras, foi encontrada a bitola 1,265 mm como média de todas elas,
sendo, portanto, considerado dentro das especificações. Não houve troca de jogo de
fieiras para essa primeira condição e réplica.
Figura 40 – Variação Diâmetro – 1ª condição e réplica
Fonte: Próprio autor
A carga de ruptura média encontrada no primeiro teste e réplica foi de 2774 N. O
histograma das cargas está apresentado na figura 41.
74
Figura 41 – Carga de ruptura - 1ª condição e réplica
Fonte: Próprio autor
Também para essa primeira condição do experimento foram retiradas duas amostras
de fio-máquina (carretel 20) e enviado para avaliação metalográfica para verificação
da existência de carepa residual. A primeira amostra foi retirada após o decapador e
antes da bancada de escovas e sopradores, e a segunda amostra após as escovas
e antes da máquina trefiladora, conforme figura 42 a seguir.
Figura 42 - Amostras de fio-máquina
Fonte: Próprio autor
Os resultados encontrados indicam que para a primeira amostra há alguns pontos
em relevo, aspecto de bolha de carepa residual, enquanto que a segunda amostra
retirada após a bancada de escovas e sopradores não há evidência de carepa
residual. A figura 43 ampliada 9 vezes, refere-se a amostra que foi retirada após o
75
decapador e antes da bancada de escovas e sopradores. Neste caso ficou
evidenciado que apenas o decapador mecânico por flexão não foi capaz de remover
toda a carepa existente na superfície do aço, conforme destacado por retângulo azul
na figura 43. Equipamentos auxiliares após o decapador possuem grande
importância no processo de decapagem mecânica do fio-máquina.
Figura 43 – Ampliação de amostra de fio-máquina para verificação de carepa residual
Fonte: Próprio autor
Ainda com relação à amostra retirada após o decapador mecânico e antes dos
equipamentos auxiliares, verifica-se através do corte longitudinal e ampliação da
imagem, a presença de carepa residual, conforme ilustra a figura 44. Na foto 1, com
ampliação de 200 vezes, pode-se observar relevo entre as setas. Na foto 2, com
ampliação de 1000 vezes, pode-se observar a presença de carepa residual.
Figura 44 – Ampliação amostra de fio-máquina para verificação de carepa residual
Fonte: Próprio autor
2ª Condição Experimental
Os resultados obtidos na segunda condição do experimento e sua réplica, ou seja,
das unidades produzidas numeradas de 25 a 48, são tratados a seguir.
76
Não foram identificadas fraturas de trefilação. Foram retiradas amostras de todas as
unidades produzidas, também com comprimento de aproximadamente 50 cm, para
verificação do aspecto visual, e todas foram consideradas aprovadas. Conforme
relatório de análise metalográfica, a amostra de número 30 foi considerada sem
defeito superficial e sem evidência de carepa residual.
Não houve troca de jogo de fieiras durante esse segundo teste.
A variação de diâmetro da segunda condição e réplica, também num total de vinte e
quatro unidades produzidas (25 a 48), tiveram resultados conforme figura 45,
através da medida do diâmetro das amostras, foi encontrada a bitola 1,267 mm
como média de todas elas.
Figura 45 – Variação Diâmetro - 2ª condição e réplica
Fonte: Próprio autor
A carga de ruptura média encontrada na segunda condição e réplica foi de 2725 N,
ou seja, todas as amostras dentro da especificação. O histograma das cargas está
apresentado na figura 46.
77
Figura 46 – Carga de ruptura – 2ª condição e réplica
Fonte: Próprio autor
3ª Condição Experimental
A seguir os resultados obtidos da terceira condição do experimento e réplica, ou
seja, das unidades produtivas numeradas de 49 a 72.
Foram identificadas quatro fraturas de trefilação (carretéis 58, 59, 71 e 72), e duas
delas foram submetidas a análise metalográfica. A primeira delas referente à
amostra do carretel no 58 pode ser visualizada através da figura 48. Segundo análise
é uma fratura frágil que ocorreu na região da solda, realizada para unir as pontas
das bobinas do fio-máquina para dar sequência ao processo.
A segunda fratura analisada, referente ao carretel no 71, apresentou a face de fratura
com algumas poucas regiões escurecidas, sendo que, este escurecimento
apresentou aspecto que pode ter sido provocado por uma lubrificação ineficiente na
região, é uma fratura frágil, conforme figura 47. As amostras dos carretéis 59 e 72,
que também tiveram fratura, apresentaram mesmo aspecto visual de fratura da
amostra 71.
78
Figura 47 – Foto de fratura de amostra do carretel no. 58
Fonte: Próprio Autor
Figura 48 – Foto da fratura de amostra do carretel no. 71
Fonte: Próprio autor
Quanto ao aspecto visual referente às amostras de carretéis de números 49 a 60, foi
verificado que, a partir da amostra de número 58, começam a aparecer alguns
defeitos superficiais, como pode ser verificado através da figura 49. Na réplica deste
teste os mesmos defeitos também foram encontrados a partir da amostra do carretel
de número 71, apresentando frisos longitudinais, originados de desgaste de fieiras o
que pode ser atribuído a uma condição mais severa de processo.
Ressalta-se que houve a necessidade de troca de jogos de fieiras para essa terceira
condição no exato momento em que foram identificados os defeitos superficiais.
79
Figura 49 – Fio trefilado – amostra do carretel nº 58
Fonte: Próprio autor
A medição de diâmetro dos fios obtidos a partir da terceira condição e réplica,
também num total de vinte e quatro unidades produzidas (49 a 72), teve resultados
apresentados na figura 50, e a média do diâmetro encontrado foi de 1,267 mm.
Figura 50 – Variação Diâmetro - 3a condição e réplica
Fonte: Próprio autor
A carga de ruptura média encontrada nesta terceira condição e réplica foi de 2733 N.
O histograma das cargas está apresentado na figura 51.
80
Figura 51 – Carga de ruptura - 3a condição e réplica
Fonte: Próprio autor
4ª Condição Experimental
Os resultados obtidos na quarta condição e réplica do experimento, das unidades
produtivas numeradas de 73 a 96, são os descritos a seguir.
Não foram identificadas fraturas de trefilação. Foram retiradas amostras de todas as
unidades produzidas, também com comprimento de aproximadamente 50 cm para
verificação do aspecto visual, e todas foram consideradas aprovadas. Sem defeitos
superficiais e sem evidência de carepa residual, revelou a análise metalográfica da
amostra 90.
Não houve necessidade de troca do jogo de fieiras nesse último teste e réplica.
A variação de diâmetro desta condição e réplica, também num total de vinte e
quadro unidades produzidas (73 a 96), é apresentada na figura 52. Através da
medida do diâmetro das amostras, foi encontrada a bitola 1,264 mm como média de
todas elas, e todas dentro da especificação exigida.
81
Figura 52 – Variação Diâmetro - 4ª condição e réplica
Fonte: Próprio autor
A carga de ruptura média encontrada no para esta condição e réplica foi de 2735 N.
O histograma das cargas está apresentado na figura 53.
Figura 53 – Carga de ruptura – 4ª condição e réplica
Fonte: Próprio autor
82
Qualidade Pós-trefilação
Para verificação da qualidade no processo seguinte, denominado de pós-trefilação,
os carretéis de fios trefilados processados por cada condição experimental foram
sequencialmente processados, conforme tabela 7. Observam-se na mesma tabela
os dados do experimento correspondente às noventa e seis amostras do teste
experimental e a seguir os dados obtidos do processo seguinte (pós-trefilação),
assim como o número de fraturas na linha de produção e os índices de fraturas
ocorridos, comparando ao limite máximo do índice de rupturas aceitáveis.
Tabela 7 - Avaliação de Fraturas Processo pós Trefilação
Fonte: Próprio autor
Analisando individualmente os resultados, verifica-se que houve quatro fraturas na
terceira condição e réplica, com índice de fraturas por toneladas de 0,40, bem
superior ao índice aceitável para o processo que é de 0,18.
4.2 Análises da Viabilidade Técnica
Avaliando os experimentos desenvolvidos, fica evidenciado que a viabilidade técnica
da decapagem mecânica do fio-máquina 1075 foi comprovada. Através dos testes
de qualidade e índices obtidos, pode-se concluir que a terceira condição
experimental foi à única que não obteve resultados aceitáveis, sendo considerada
por vários fatores como inviável.
Para a terceira condição do experimento, considerada como inviável tecnicamente, a
verificação de diâmetro e carga de ruptura tiveram resultados positivos, porém o
índice de fraturas na trefilaria foi de 0,40 fraturas por tonelada produzida, ficando
acima do máximo aceitável para o processo que é de 0,15 por tonelada. O desgaste
de fieiras também se manteve acima do aceitável, ficando em torno de 1,1 fieiras por
Processo Seguinte
Produção (t)
Quantidade de carretéis produzidos
Unidades Produzida
s
Número de
fraturas na linha
Indice fraturas por
tonelada produzida
Indice máximo aceitável de
fraturas/tonelada produzida
1a Condição + Réplica 10 24 01 a 24 1 0,100 0,180
2a Condição + Réplica 10 24 25 a 48 0 0,000 0,180
3a Condição + Réplica 10 24 49 a 72 4 0,400 0,180
4a Condição + Réplica 10 24 73 a 96 1 0,100 0,180
Dados do experimento
83
tonelada produzida, contra 0,25 fieiras por toneladas como índice máximo aceitável.
Foram produzidos 05 carretéis com defeitos superficiais, e, processando os carretéis
desta terceira condição e réplica na linha pós-trefilação, foi obtido um resultado de
0,40 fraturas por tonelada, superior aos 0,18 estabelecidos como índice máximo
aceitável.
As demais condições experimentadas obtiveram êxito e foram consideradas viáveis.
Entretanto, Além dos resultados encontrados nos testes de qualidade através dos
ensaios realizados e índices alcançados, pode-se afirmar que a primeira condição
experimental gera uma maior produtividade em função da aplicação de uma maior
velocidade de trefilação. Comparando os dados encontrados no experimento da 1ª
condição, considerada melhor em produtividade, com os padrões de trefilação e pós-
trefilação de fios 1,27 mm decapados quimicamente, tem-se:
Decapado quimicamente:
• Velocidade de trefilação: 10 m/s;
• Configuração das graxadeiras de lubrificantes: uma inicial à base de cálcio e
demais graxadeiras com lubrificante à base de sódio;
• Índice de fraturas na trefilação: 0,07 fraturas / tonelada produzida;
• Índice de fraturas na linha pós-trefilação: 0,08 fraturas / tonelada produzida;
Decapado Mecanicamente:
• Velocidade de trefilação: 10 m/s;
• Configuração das graxadeiras de lubrificantes: três iniciais à base de cálcio e
demais graxadeiras com lubrificante à base de sódio;
• Índice de fraturas na trefilação: 0,10 fraturas / tonelada produzida;
• Índice de fraturas na linha pós-trefilação: 0,10 fraturas / tonelada produzida;
O processo de decapagem mecânica apresenta desempenho inferior quando
comparado ao processo de decapagem química para o índice de fraturas na
trefilação e processo pós-trefilação, entretanto o mesmo possui índices que se
encontram dentro dos padrões estabelecidos como plenamente aceitáveis pela
planta industrial.
84
4.3 Análises do Efeito da Variação dos Parâmetros
A variação de parâmetros como velocidade de trefilação e quantidade de
graxadeiras com lubrificante à base de cálcio nos primeiros passes em detrimento
das graxadeiras à base de sódio, se dá respectivamente em função da busca pela
maior produtividade e qualidade do fio trefilado. A análise que segue busca elucidar
a relação existente entre estes dois parâmetros de processo e o número de fraturas
na trefilação, a qualidade do fio trefilado, o desgaste de fieiras e a qualidade pós-
trefilação.
Analisando o efeito da variação de parâmetros de processo no procedimento
experimental de forma individual, verifica-se que a partir do aumento da velocidade
de trefilação ocorre aumento do número de fraturas e aumento do desgaste de
fieiras, conforme ilustra a figura 54. Segundo Dieter (1998) e Cetlin (1983) com
velocidades maiores de trefilação, a camada de lubrificante pode se decompor,
devido ao aumento da temperatura, e perder a sua eficiência lubrificante e
refrigerante. Com isso maiores esforços de trefilação irão existir, contribuindo para o
aumento das fraturas e desgaste de fieiras, especialmente para fios de aço de alto
teor de carbono, por possuírem uma maior resistência mecânica e exercem uma
maior pressão sobre as fieiras comparada ao fio de baixo e médio teor de carbono
em sua composição química.
Figura 54 – Efeito do Parâmetro Velocidade de Trefilação
Fonte: Próprio Autor
85
Ainda analisando os efeitos individuais dos parâmetros de processo no experimento,
evidencia-se que a partir do aumento das graxadeiras com lubrificantes à base de
cálcio na trefilação, reduz-se o número de fraturas do fio trefilado e não há desgaste
de fieiras, conforme pode ser visualizado na figura 55.
Figura 55 – Efeito dos Parâmetros Lubrificantes de Trefilação
Fonte: Próprio Autor
Segundo Ruiz et al. (2001) os lubrificantes a base de cálcio são muito utilizados nos
passes iniciais de trefilação, e possuem uma grande importância quando opta-se
pelo processo de decapagem mecânica do aço, por ter um elevado teor de aditivos
usados em condições de extrema pressão com alto poder reativo, que reagem com
a superfície do metal, formando uma densa película lubrificante, favorecendo ao
processo de trefilação.
A partir do experimento evidenciou-se que quando utilizados apenas nos dois
passes iniciais da máquina de trefilação lubrificantes à base de cálcio e demais
passes com lubrificantes à base de sódio e velocidade de 10 m/s, o número de
fraturas na trefilação foi maior quando comparado à utilização de três passes iniciais
à base de cálcio e demais à base de sódio com a mesma velocidade. Verificou-se
também que esta configuração além de gerar cinco carretéis com falha de
qualidade, contribuiu com índices de desgaste de fieiras e fraturas pós-trefilação
acima do índice máximo aceitável para o processo pela planta industrial.
Segundo Dove (1979) e Felder e Levrau (2011), pelas maiores dificuldades de
lubrificação de arames decapados mecanicamente, é comum a utilização de
86
lubrificantes à base de cálcio com baixo teor de ácidos graxos nos primeiros passes,
onde se encontram baixas velocidades e alta deformação do material.
Quando à velocidade de trefilação é reduzida de 10 m/s para 8 m/s e varia-se a
configuração de graxadeiras de cálcio nos passes iniciais, verifica-se que não há
impactos quanto às fraturas, a qualidade superficial do fio trefilado, o desgaste de
fieiras e fraturas pós-trefilação. Menores esforços de trefilação podem explicar
esses resultados.
Quanto aos resultados de fraturas ocorridos na linha pós-trefilação, constatou-se
que as amostras advindas do processo de trefilação com três graxadeiras de cálcio
nos passes iniciais, tiveram apenas uma fratura, enquanto que a configuração de
trefilação com apenas duas graxadeiras de cálcio gerou cinco fraturas. Os efeitos da
velocidade de trefilação na linha de processamento pós-trefilação foram os
seguintes: para as amostras produzidas a uma velocidade de 10 m/s ocorreram
cinco fraturas, enquanto que apenas uma foi gerada a partir da velocidade de 8 m/s.
4 CONCLUSÃO
Apesar de sua crescente difusão e utilização em ambientes fabris, com sólida
importância para a fabricação de fios de aço trefilados, a decapagem mecânica de
aços ainda não é um método cujo conhecimento está tecnologicamente dominado
em sua totalidade, de forma que ainda restam diversos estudos a serem explorados,
tanto relativos ao próprio processo como suas aplicações.
A proposta do trabalho aqui apresentado foi a de fazer uma análise da viabilidade
técnica da remoção de carepa da superfície do aço ABNT 1075, utilizando o método
pré-trefilação de decapagem mecânica. Foram abordados temas de relevada
importância na revisão bibliográfica para essa aplicação, assim como a realização
de um procedimento experimental.
Sintetizando as conclusões sobre o procedimento experimental objetivando a
decapagem mecânica do aço ABNT 1075, pode-se afirmar que:
87
• Diante dos testes desenvolvidos e requisitos do projeto, os resultados
possibilitaram verificar que o processo mecânico de remoção da carepa
possui viabilidade técnica em três das quatro condições experimentais
avaliadas;
• Os resultados da terceira condição experimental e réplica evidenciam
limitações ao processo, considerada inviável, uma vez que requisitos de
processo como índices de fratura na trefilação e pós-trefilação, além de
utilização de fieiras, ficaram acima do limite padrão estabelecidos pela
unidade industrial;
• A primeira condição experimental corresponde a um processo com mesma
velocidade comparada ao processo associado à decapagem química, o índice
de fratura ficou acima do encontrado no processo com decapagem química,
porém abaixo do que a empresa determina como limite aceitável;
• Ficou evidenciado que utilizando apenas o decapador mecânico por flexão
não foi possível retirar toda a carepa da superfície do fio. Equipamentos
auxiliares sequenciais, como escovas rotativas e sopradores
complementaram o processo, o que concorda com a revisão da literatura;
• O fio de 1,27 mm de diâmetro decapado mecanicamente possui
características mecânicas e físicas iguais ao fio decapado quimicamente;
• O método mecânico de decapagem permitiu a simplificação do fluxo de
produção de fios trefilados, assim como a redução do manuseio do fio-
máquina comparado ao método químico de decapagem;
• Houve a redução de controles documentais e pessoal envolvido no processo;
• Eliminação dos custos com o tratamento dos efluentes da estação de
decapagem (ácidos, água e neutralizantes);
• Eliminação dos custos de armazenamento de ácidos e neutralizantes e com a
manutenção dos tanques desta estação;
• Verificou-se a redução dos impactos ambientais relacionados com a produção
de fios trefilados, uma vez que deixam de ser utilizados ácidos e
neutralizantes, assim como redução do consumo de água.
88
Quanto à variação dos parâmetros velocidade e número de graxadeiras à base de
cálcio nos passes iniciais de trefilação em detrimento do número de graxadeiras à
base de sódio, conclui-se que:
• A configuração de lubrificantes capaz de trefilar o fio-máquina de aço 1075
decapado mecanicamente de 4,75 mm de diâmetro, para um diâmetro final de
1,27 mm a uma velocidade de 10 m/s foi a seguinte: três graxadeiras nos
passes iniciais á base de cálcio e demais à base de sódio.
• Utilizando apenas duas graxadeiras à base de cálcio e processando o fio-
máquina a condições menos severas, ou seja, a uma velocidade de 8 m/s,
obtêm-se também viabilidade técnica. Entretanto há perda de produtividade
• Apenas duas graxadeiras à base de cálcio nos passes iniciais da máquina é
um fator limitante para processar o fio-máquina 4,75 mm aço 1075 a uma
velocidade de 10 m/s.
Sugestões para Trabalhos Futuros
A partir deste trabalho seguem sugestões para trabalhos futuros:
• Fazer o mesmo estudo para outros tipos de aços alto teor de carbono, assim
também como para aços com baixo teor de carbono;
• Conhecer detalhadamente as causas que levam às rupturas do material
quando este é trefilado, através de ferramentas estatísticas e de
experimentos que possam isolar algumas das muitas variáveis existentes;
• Analisar detalhadamente, através de uma abordagem experimental, as
causas que levam aos vários tipos de desgaste de fieiras no processo de
trefilação.
89
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