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MOLAS DE SUSPENSÃO PRODUZIDAS EM DIFERENTES PROCESSOS DE JATEAMENTO.

VIEIRA, R. F. P (1); Silva, O. M. M (2); Hashimoto, T. M (3)

(1) Mubea do Brasil, Taubaté Av. Eurico Ambogi Santos 2400, CEP 12042-010. [email protected]. (2) Centro Técnico Aeroespacial - CTA, Departamento de Ciências e Tecnologia Aeroespacial DCTA. (3) Escola de Engenharia – Campus de Guaratingueta, UNESP – Univ. Estadual Paulista.

RESUMO

Molas de suspensão veicular de aço SAE 9254, podem ser produzidas por vários processos de jateamento distintos, dois desses processos foram investigados, sendo que a diferença entre os processos estudados é a temperatura em que a mola foi jateada. Através de ensaios de fadiga, análise de tensão residual via raio X e análise de falha via microscópio eletrônico de varredura (MEV), foi possível concluir que o processo de jateamento a temperatura elevada (300 ºC) apresentou profundidade e intensidades maiores de tensão residual quando comparado ao processo de jateamento a temperatura ambiente, como consequência o processo de jateamento a quente elevou a durabilidade da mola em 64 % quando comprado ao processo de jateamento a frio. As análises das fraturas demonstraram que todas as molas quebraram pelo mesmo motivo, sendo assim confirmado que a diferença do desempenho das molas no teste de fadiga é devido ao método de jateamento empregado.

Palavras-chave: Mola de suspensão veicular, Processos de Jateamento, tensão residual,

análise de falha.

1. INTRODUÇÃO

As empresas fabricantes de automóveis estão exigindo de seus fornecedores o desenvolvimento de produtos mais leves e resistentes, visando a melhora na função do componente, redução de custo, e a preservação do meio ambiente devido à redução de CO2 na atmosfera. Neste contexto as molas de suspensão também são foco de estudo.

Para atingir as metas de otimização das empresas fabricantes de automóveis, e também oferecer vantagens econômicas, os fabricantes de mola de suspensão realizam trabalhos junto aos fornecedores de aço para reduzir a quantidade e o tamanho de impurezas no metal e também investem cada vez mais na pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias de processo, tais como os processos de jateamento que tem por objetivo induzir tensões residuais compressivas na superfície da mola evitando a iniciação e propagação de trincas que levam a quebra do componente.

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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2. MATERIAIS E EXPERIMENTOS

Foram produzidas molas em três métodos diferentes, sendo o 1º método, molas sem jateamento, 2º método, molas com jateamento a frio seguido de um jateamento com a mola comprimida e o 3º método, jateamento a quente (300 ºC) seguido de um jateamento com a mola comprimida, a Figura 01 demonstra os fluxos de produção das amostras.

Figura 01. Fluxo de produção das molas.

A tabela 01 demonstra a composição química do aço SAE 9254 utilizado para a produção das amostras.

Tabela 1. Composição química do aço SAE 9254.

Elementos S C Mn P Si Cr

SAE 9254 especificado

Max. 0,040

0,50 0,59

0,60 0,80

Max. 0,030

1,20 1,60

0,60 0,80

Resultado 0,008 0,51 0,80 0,0047 1,30 0,69

Arame laminado, Ø 12,70 mm

Trefilação, Ø final do arame da

mola = 11,60 mm

Limite de resistência à tração após

têmpera em óleo e revenimento

(2000 – 2050) MPa

Enrolamento a frio

Forno de alívio de tensão

Pintura e identificação

Método 01 Método 02 Método 03

Jateamento a frio Granalha: 0,8 mm

Velocidade da granalha e tempo

de jateamento foi constante.

Temperatura ambiente

Jateamento com a mola

comprimida frio

Granalha: 0,6 mm




Te

Te

Sem

jateamento Jateamento com a mola

comprimida frio

Granalha: 0,6 mm




Jateamento a quente

Granalha: 0,8 mm



Temperatura: 300 - 325ºC


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Para que os resultados sejam comparáveis todas as amostras foram produzidas

a partir de um mesmo lote de material, sendo assim o arame laminado foi trefilado

para uma bitola de 11,60 mm. Posteriormente o arame foi tratado termicamente por

temperado e revenido por indução ao qual adquiriu uma tensão de 2000 – 2050 MPa.

A Figura 02 demostra a microestrutura do arame antes e após o processo de

tratamento térmico. As propriedades mecânicas estão demonstradas na tabela 02.

(a) –Superfície do Arame laminado (b) – Superfície do arame temperado Microestrutura: ferrita + perlita. Microestrutura: Martensite.

(c) – Núcleo do arame laminado (d) – Núcleo do arame temperado Microestrutrura: ferrita + perlita Microestrutura: Martensite.

Figura 02. Microestrutura, (a, b) superfície do arame antes e após o tratamento

térmico. (c, d) núcleo do arame antes e após o tratamento térmico (Nital 2%,

amplitude de 500X).

Tabela 02. Propriedades mecânicas do arame temperado e revenido.

Tensão máxima

(MPa)

Tensão de escoamento

(MPa)

Redução de área

(%)

Dureza

(HRc)

2037 1811 49 54,4 + 0,4


6482

Após o tratamento térmico o arame foi conformado a frio em mola helicoidal

de suspensão, após a conformação a mola foi submetida ao forno de alívio de tensão,

jateamento e pintura. Os parâmetros dos processos de jateamento estão descritos na

tabela 03. As granalhas utilizadas nos processos estavam conforme a especificação.

Tabela 03. Parâmetros utilizados no jateamento.

Método

Condições de jateamento

Etapa de jateamento Granalha

(mm) Tempo de

jateamento (s)

Velocidade da granalha e

intensidade de jateamento

01 1º - Sem jato - - -

02

1º - Jateamento a frio

2º - Jateamento a frio com a mola comprimida

0,8

0,6

Constante entre os processos de

jateamento.

Constante entre os processos de jateamento.

03

1º - Jateamento a quente

2º - Jateamento a frio com a mola comprimida

0,8

0,6

A figura 03 demonstra as condições superficiais das molas após o processo de

jateamento.

Figura 03. Condição superficial das molas após o processo de jateamento, (a)

mola sem jateamento, (b) mola com jateada conforme método 2, (c) mola jateada

conforme método 3.

Após a preparação das amostras foi realizado as medidas de tensões residuais

que foram realizadas na segunda espira da mola por difração de raios-x com

(a) (b) (c)


6483

decapagem por ácido. As profundidades em que as tensões residuais foram medidas

foram de aproximadamente: 5 µm; 50 µm; 120 µm; 210 µm e 320 µm.

Os ensaios foram realizados em uma mola de cada método de jateamento em

estudo, o equipamento utilizado foi um difratômetro de raios-x da marca Bruker AXS,

modelo D8 advance, a Figura 04 demonstra o equipamento utilizado.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 04.

Para avaliar a durabilidade das molas foi realizado teste de fadiga em três níveis

de tensão, sendo testadas no mínimo quatro molas em cada nível de tensão,

totalizando no mínimo 12 testes por método de jateamento em estudo, sendo possível

determinar as curvas SN (Tensão aplicada, S / número de ciclos até a falha, N).

(a, b) Equipamento de difração de raios-x para determinação da tensão

residual; (c, d) equipamento para remoção de material com ácidos para

medir a tensão residual abaixo da superfície.

(Cortesia da Sra. Nicole Westerwinter – Mubea Weißensee, Alemanha).


6484

As tensões aplicadas na mola dependem das alturas de compressão mínima e

máxima a qual a mola é ajustada na máquina de teste de fadiga, não sendo aplicado

nenhum tipo de carga externa para a realização do teste. As amplitudes das tensões

aplicadas são constantes durante o teste de fadiga.

A Tabela 9 indica as condições dos testes de fadiga, sendo a condição de teste

02 a tensão aplicada para essa mola no automóvel.

Tabela 04. Condições dos testes de fadiga para cada processo em estudo.

Nº do teste

Tensões aplicadas (MPa) Frequência do

teste (Hz) Tensão mínima (σmin)

Tensão média (σm)

Tensão máxima (σmax)

1 268 709 1151 3,1

2 233 709 1186 3,1

3 203 709 1215 3,1

A Figura 04 mostra a máquina de teste de fadiga utilizada para os ensaios e o

ciclo de carregamento das tensões aplicadas nas molas.

Figura 04. Máquina de teste de fadiga e o modo de carregamento das tensões aplicadas no teste de fadiga.

As molas que falharam durante o teste de fadiga foram examinadas em

um microscópio eletrônico de varredura com EDS acoplado da marca Oxford

Instruments, modelo Quanta 400HV D8077, com o uso do programa INCA 4880.


6485

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1. Análise de tensão residual

A Figura 05 demonstra o resultado de análise de tensão residual realizado em

uma mola de cada método em estudo.

Figura 05. Comparação das tensões residuais.

A mola que não foi jateada (método 1) apresentou apenas tensões residuais

trativas, ou seja, susceptível à nucleação e propagação de trincas.

Nas molas jateadas pelo método 2 (jateamento a frio na qual a mola está a

temperatura ambiente) e pelo método 3 (jateamento a quente na qual a mola está a 300

ºC durante o processo de jateamento).

Comparando os resultados de tensão residual para ambos os métodos de

jateamentos podemos observar que, o efeito da temperatura na curva de tensão residual

foi significativo, tanto no valor máximo de tensão residual compressiva que aumentou


6486

em 14 %, como na profundidade da tensão residual que foi aumentada em 19 %,

conforme demonstrado na Tabela 05.

Tabela 05. Características da curva de tensão residual, Figura 05.

Processo Tensão superficial

(MPa)

Tensão de compressão

Máxima (MPa)

Profundidade

(µm)

Método 1

(Sem jateamento) 71 - -

Método 2

(Jateamento a frio) -863 - 1223 230

Método 3

(Jateamento a quente) -758 - 1394 274

3.2. Resultado do teste de fadiga

Os resultados de fadiga são mostrados na Tabela 06 e na Figura 06 que mostra a

curvas S-N, as molas produzidas pelo jateamento a quente (método 03) apresentou o

melhor desempenho em fadiga, seguido pelas molas produzidas no jateamento a frio

(método 02) e o prior desempenho foi das molas produzidas sem jateamento (método

01).

Tabela 06. Resultado do teste de fadiga para cada método de jateamento.

Tensão

aplicada

(MPa)

Nº.

amostra

Ciclos de fadiga para cada processo

Método 1

Sem jateamento

Método 2

Jateamento a frio

Método 3

Jateamento a quente

1151

1 28.203 309.540 549.288

2 23.635 1.232.858 1.603.289

3 29.587 1.542.398 2.167.550

4 26.184 2.645.457 3.139.784

5 - - 3.726.382

Média 26.902 + 2.588 1.432.563 + 963.369 2.237.259 + 1.253.800

1186

1 15.474 226.225 182.934

2 18.698 325.832 409.630

3 16.546 576.595 536.392

4 16.907 576.595 801.368

5 - - 1.210.998

Média 16.906 + 1.341 426.312 + 178.233 628.264 + 395.001

1215

1 17.847 238.647 596.453

2 17.847 259.469 670.058

3 19.025 407.671 844.032

4 21.811 621.293 1.155.668

Média 19.133 + 1.870 381.770 + 176.527 816.553 + 248.770


6487

Figura 06. Curva tensão versos o número de ciclos (cursa SN).

3.3. Resultado da análise de falha das molas

As molas do método 01 (sem jateamento) quebraram com o menor número de

ciclos em todos os níveis de tensão aplicados, as origens das quebras foram na região de

maior tensão na superfície da mola. Provavelmente as molas quebraram por

apresentarem tensões residuais tratativas em toda a superfície, o que contribuiu para a

geração e a propagação de trincas em pequenos defeitos superficiais, a Figura 07

demostra um exemplo de fratura da mola sem jateamento.

Figura 07 – Exemplo de análise da fratura da mola produzida pelo método 01.

As molas produzidas pelo método 02 (jateamento a frio) apresentaram o segundo

melhor desempenho em fadiga em todos os níveis de tensão aplicados. Todas as molas


6488

quebraram com início de trinca em inclusões, a figura 08 demonstra um exemplo de

quebra.


As molas produzidas pelo método 03 (jateamento a quente) apresentaram o

melhor desempenho em fadiga em todos os níveis de tensão aplicados. Todas as molas

quebraram com início de trinca em inclusões, a figura 09 demonstra um exemplo de

quebra.


Foi realizada uma análise comparativa entre as inclusões que geraram a quebra

das molas do método 2 e do método 3, a dimensão das inclusões, a distancia entre a

inclusão até a superfície da mola e a composição química das inclusões foram

comparadas e as mesmas apresentam as mesmas características, portanto ficou

evidente que o motivo da diferença no número de ciclos das molas produzidas pelo

método 2 e pelo método 3 foi devido as diferenças nas tensões residuais compressivas

geradas pelo método de jateamento.


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4. CONCLUSÃO

O jateamento aumenta a vida em fadiga das molas significativamente e cada

processo estudado obteve um desempenho diferenciado. O método de jateamento 02

aumentou a vida em fadiga em 3560 % quando comparado ao desempenho das molas

sem jateamento. O método de jateamento 03 aumentou em 5850 % quando comparado

ao desempenho das molas sem jateamento.

Comparando os métodos de jateamento 02 e 03 a diferença entre eles é a

temperatura da mola no 1º estágio de jateamento. No método 03 a mola é jateada a

quente e no método 02 a mola é jateada a frio. A diferença entre os processos gerou

diferentes perfis de tensão residual, onde a máxima tensão residual compressiva e a

profundidade da tensão residual compressiva do jateamento a quente (método 03) é

maior que a do método com jateamento a frio (método 02) em 14 % e 19 %

respectivamente. O efeito do jateamento a quente foi à elevação da vida em fadiga das

molas em 64 %.

As molas do método 01 (sem jateamento) falharam devido a pequenos

concentradores de tensão e devido às tensões residuais trativas na superfície das molas.

As molas do método 02 e 03 quebraram por trincas iniciadas em inclusões,

comparando as características das inclusões foi constatado que as inclusões apresentam

as mesmas características de tamanho, distancia da inclusão até a superfície e

composição química, portanto é possível concluir que as inclusões não tiveram

interferência na comparação da vida em fadiga das molas dos processos de jateamento

estudados.


6490

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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fadiga e fratura de ligas metálicas. 1998. 116 f. (Doutorado em Ciência – Reatores

Nucleares de Potência e Tecnologia do Combustível Nuclear) – Autarquia Associada à

Universidade de São Paulo, IPEN, São Paulo, 1998.

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