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SãoCarlos2016
INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA COM REVENIMENTO NA DUREZA DOS AÇOS SAE 5160 E SAE 9254.
TECNOLOGIAEMMANUTENÇÃODEAERONAVES
GUSTAVOBULDRINITEIXEIRA
Tecnologia em Manutenção de Aeronaves
Gustavo Buldrini Teixeira
INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA COM REVENIMENTO NA DUREZA DOS
AÇOS SAE 5160 E SAE 9254.
São Carlos - SP 2016
Gustavo Buldrini Teixeira
INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA COM REVENIMENTO NA DUREZA DOS AÇOS SAE 5160 E SAE 9254.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, campus São Carlos, visando à obtenção do grau de Tecnólogo em Manutenção de Aeronaves.
Orientador: Prof. Me. Roberto Ramon Mendonça
São Carlos - SP 2016
GUSTAVO BULDRINI TEIXEIRA
INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO
TÉRMICO DE TÊMPERA E
REVENIMENTO NA DUREZA DOS
AÇOS SAE 5160 E SAE 9254
Monografia apresentada ao Instituto Federal de
São Paulo — campus São Carlos, como parte
das exigências para a conclusão do Curso
Superior de Tecnologia em Manutenção de
Aeronaves.
Data de aprovação:
Me. Roberto Ramon Mendonça
Instituto Federal de São Paulo
Me. Athos Henrique Plaine
Instituto Federal de São Paulo
Me. João Fiore Parreira Lovo
Universidade de São Paulo
29
Dedico este trabalho a Deus.
A minha família, namorada, amigos
e a todos que contribuíram direta
ou indiretamente na minha formação.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus.
A minha família, os meus melhores amigos e
meu porto seguro, pelos conselhos e todo o apoio.
A Natalia, pelo incentivo e compreensão,
com toda a paciência e companheirismo.
Ao meu orientador Prof. Me. Roberto R. Mendonça,
por toda instrução e encorajamento,
pelo seu papel fundamental no desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus amigos, por todo o suporte,
toda a disponibilidade para ajuda e
pelos momentos de descontração.
RESUMO
Os aços SAE 5160 e SAE 9254 são comumente empregados como molas no sistema de suspensão de veículos. Atualmente, o principal tratamento térmico para a produção dessa aplicação consiste na já consagrada têmpera seguida pelo revenimento que confere, dentre várias características importantes para esses materiais, uma boa resistência à fadiga e aumento da dureza. Entretanto, pouco se encontra na literatura sobre as proporções dessa mudança para este tipo de aplicação. Sendo assim, este trabalho visa realizar o estudo da influência do tratamento térmico de têmpera e revenimento, na dureza do material. O teste de dureza Rockwell classe C foi efetuado com fins comparativos, verificando, após o tratamento térmico, alterações de 31,60 % na dureza média do aço SAE 9254 e de 29,84 % na dureza do aço SAE 5160 com relação à dureza dos aços como recebidos/normalizados. Palavras-chave: SAE 5160. SAE 9254. Têmpera e Revenimento. Ensaio de Dureza.
ABSTRACT
SAE 5160 and SAE 9254 steels are commonly used as springs in the vehicle suspension system. Currently, the main heat treatment for the production of this application consists of the already consecrated quenching followed by tempering that gives, among several important characteristics for these materials, a good resistance to fatigue and increase of hardness. However, not much can be found in the literature on the proportions of this change for this type of application. Therefore, this work aims to study the influence of quenching and tempering on the material hardness. The Rockwell class C hardness test was performed for comparative purposes, after heat treatment, changes of 31.60% in the average hardness of SAE 9254 steel and 29.84% in hardness of SAE 5160 steel in relation with the hardness of steels as received/standardized. Key-Words: SAE 5160. SAE 9254. Quenching and Tempering. Hardness Test.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Principais tipos de molas existentes e utilizados na indústria. ....................................... 1 Figura 2 - Sistema de amortecedor convencional. ......................................................................... 2 Figura 3 - Diferentes tipos de molas helicoidais, sendo: em vermelho molas utilizadas na
dianteira dos veículos e em azul, as utilizadas no amortecimento traseiro dos automóveis. .. 5 Figura 4 - Um dos primeiros tipos de molas feitos para uso em carruagens do século XV e XVI. 6 Figura 5 - Mola de torção. .............................................................................................................. 6 Figura 6 - Sistema de suspensão em fibra de carbono para veículos de alto desempenho............. 7 Figura 7 - Automação na indústria de molas. ................................................................................. 9 Figura 8 – Diagrama de transformação isotérmica completo para uma liga de Ferro-Carbono com
composição eutetóide utilizado para indicar a rota de tratamento térmico de Têmpera e Revenimento (I). .................................................................................................................... 11
Figura 9 - Método do ensaio de dureza Rockwell. ....................................................................... 12 Figura 10 – Efeito da quantidade de carbono na dureza dos aços. ............................................... 13 Figura 11 - Barras de aços-mola como recebido sendo as superiores, aço SAE 5160 e as
inferiores SAE 9254. ............................................................................................................. 14 Figura 12 - Forno de tratamento térmico. ..................................................................................... 15 Figura 13 - Distribuição dos 7 pontos de endentação na seção transversal do corpo de prova.... 15 Figura 14 - Equipamento de Ensaio de Dureza Rockwell Leco RT-240. .................................... 16 Figura 15 - Gráfico comparativo do Aço 5160. ........................................................................... 18 Figura 16 - Gráfico comparativo do Aço 9254. ........................................................................... 18
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Materiais comuns para molas......................................................................................... 3 Tabela 2 - Efeito básico dos elementos de liga. .............................................................................. 7 Tabela 3 - Faixa de composições comumente utilizadas ao redor do mundo para aços mola. ....... 8 Tabela 4 – Dimensões dos aços. ................................................................................................... 14 Tabela 5 - Valores de Dureza Rockwell C e Vickers obtidas. ...................................................... 17
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
ADI Austempered Ductile Iron AISI American Iron and Steel Institute ASTM American Society for Testing and Materials Hb High Viscosity B HRC Hardness Rockwell C HV Hardness Vickers SAE Society of Automotive Engineers TCC Tetragonal de Corpo Centrado TeP Têmpera e Partição
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 1
1.1 SELEÇÃO DOS MATERIAIS USADOS EM MOLAS .......................................................................... 2 1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................................... 3 1.3 OBJETIVOS ............................................................................................................................... 3
1.3.1 Objetivos específicos ................................................................................................................... 4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................................... 5 2.1 AS MOLAS ................................................................................................................................ 5
2.1.1 A evolução das molas .................................................................................................................. 5 2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS ........................................................................................................ 7
2.2.1 Elementos de Composição Química ............................................................................................ 7 2.3 MANUFATURA DOS AÇOS-MOLA .............................................................................................. 9 2.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS NOS AÇOS MOLA ........................................................................... 10
2.4.1 Têmpera e Revenimento ........................................................................................................... 10 2.5 PROPRIEDADES DOS AÇOS-MOLA ........................................................................................... 11
2.5.1 Ensaio de Dureza Rockwell ........................................................................................................ 12
3 METODOLOGIA ................................................................................................................. 14 3.1 MATERIAIS ............................................................................................................................. 14 3.2 MÉTODOS .............................................................................................................................. 14
3.2.1 Tratamento térmico ............................................................................................................... 14 3.2.2 Ensaio de Dureza ................................................................................................................... 15
4 RESULTADOS ..................................................................................................................... 17
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................................... 20
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 21
1
1 INTRODUÇÃO
Devido às suas características, como fácil obtenção, baixo custo de produção, possibilidade de alteração de propriedades, fácil reciclagem e muitas outras, o aço continua sendo o principal material usado pelo homem há séculos (METAL, 2016). Como se sabe também, o aço é o principal material da indústria mecânica.
Dentre suas várias aplicações, há uma classe específica de aços que, desde a criação dos primeiros veículos automotores, é muito requisitada: os aços mola. As molas são elementos de máquinas que são utilizadas para, segundo Norton (2013), “...prover um intervalo de força dentro de um espaço significativo de deflexão e/ou para armazenar energia potencial.”.
Os aços selecionados para a utilização em molas devem possuir características específicas, como alto ponto de escoamento, alta resistência ao impacto e à fadiga, bem como um baixo módulo de elasticidade, que está relacionado diretamente com a rigidez do material (CARLSON, 1978).
Para Adetunji et al. (2012), uma mola é definida como um corpo elástico, que tem como função se deformar quando carregada e se recuperar, voltando à sua forma original, quando a tensão for retirada. Existem diversos tipos de molas, ver Figura 1, cada qual tendo uma finalidade específica.
Figura 1- Principais tipos de molas existentes e utilizados na indústria.
Fonte: NORTON (2013).
No caso deste trabalho, serão estudadas as molas utilizadas no conjunto de amortecimento dos veículos, que tem como principal função, absorver os impactos causados pelas irregularidades do piso, suportar o peso e conferir altura ao veículo, garantindo segurança e conforto ver Figura 2.
2
Figura 2 - Sistema de amortecedor convencional.
Fonte: AA SILENCERS (2014).
1.1 SELEÇÃO DOS MATERIAIS USADOS EM MOLAS
As características básicas para a seleção de materiais para molas que devem ser consideradas são:
x Propriedades mecânicas estáticas: resistência à tração, limite elástico, limite de deflexão da mola, dureza e módulo elástico;
x Propriedades dinâmicas: resistência à fadiga; x Fluência ou relaxação; x Resistência à corrosão; x Casos especiais: condutividade elétrica ou magnética. x Histerese.
Os materiais utilizados para molas podem também ser divididos em (i) materiais que sofrem
tratamento térmico durante o processo de conformação, em que a mola estará em altas temperaturas e (ii) materiais que as propriedades mecânicas são obtidas após o material ter sido conformado (YAMADA 2007). De maneira que (ii) possui uma desvantagem econômica, uma vez que necessita de dois processos distintos para a produção e, sendo assim, energia é gasta em forma de calor para reaquecer e finalizar o processamento dos materiais.
No caso (i), o tamanho do componente a ser produzido é relativamente grande (no caso, o diâmetro ou espessura), uma vez que o trabalho é realizado à quente. O contrário acontece em (ii), em que o tamanho da peça deve ser menor, uma vez que o processo de conformação à frio requer
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forças maiores e devido a um tratamento térmico anterior que gerou um aumento da resistência mecânica da peça.
As melhorias e avanços na ciência dos materiais, têm trazido diversos benefícios para a indústria de molas, conseguindo aços com resistência à tração que podem facilmente ultrapassar os 1500 MPa em ensaios de tração (SANDVIK AB, 2016).
1.2 JUSTIFICATIVA
Segundo a literatura, os aços mais comuns utilizados para a produção de molas na indústria são apresentados na Tabela 1. Nela, é possível observar a nomenclatura desses aços, seus principais elementos e suas propriedades mecânicas.
Tabela 1 - Materiais comuns para molas.
Fonte: CARLSON (1978); YAMADA (2007) e NORTON (2013). Adaptado.
Dentre os possíveis materiais apresentados na tabela acima, serão estudados neste projeto dois aços utilizados em uma multinacional que possui filial no Brasil, devido ao seu amplo uso como aços-mola em sistemas de suspensão de veículos. Estes são aços-liga baseados nas normas SAE (Society of Automotive Engineers) ou AISI (American Iron and Steel Institute) 5160 e 9254, que tem grande aplicabilidade em molas (SILVA; MEI, 2010; VILLARES METALS S.A, 2015).
As propriedades dos materiais são determinadas pela sua microestrutura, processamento e composição química. Assim, propriedades mecânicas diferentes podem ser obtidas por modificações nos ciclos de tratamento térmico, sendo justificável a aplicação do ensaio de dureza para avaliar alterações da microestrutura do material (ADETUNJI et al., 2012).
O tratamento térmico mais comumente utilizado na indústria de molas é a têmpera com posterior revenimento (NORTON, 2013). Para estudo de desempenho, torna-se necessário avaliar esse processo para a aplicação em molas automotivas, sendo esta a proposta do presente trabalho.
1.3 OBJETIVOS
Avaliar a propriedade mecânica de dureza dos aços SAE 5160 e SAE 9254 após o tratamento térmico de têmpera e revenimento.
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1.3.1 Objetivos específicos
Após a obtenção dos aços comerciais SAE 5160 e SAE 9254 na condição “como recebido”, proveniente de uma empresa parceira do projeto, foram determinados os seguintes objetivos específicos:
a) Avaliação do estado inicial dos dois materiais através de seus processos de produção, no que diz respeito à sua dureza.
b) Tratar termicamente os aços através do processo de têmpera com posterior revenimento.
c) Reavaliação da propriedade mecânica de dureza.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 AS MOLAS
De acordo com Wahl (1963): “Uma mola pode ser definida como um corpo elástico que tem como função primária sofrer uma flexão ou torção sob ação de uma tensão (ou ainda absorver energia), e que recupera sua forma original quando essa tensão for retirada.”.
Se observado quão amplo é esta conceituação, é possível avaliar diversos itens do cotidiano considerados como molas. Um exemplo simples seria a atuação de um tênis, pois quando submetido às cargas impostas pelo peso ao caminhar do usuário, deforma-se e volta a forma original em instantes, absorvendo impacto.
Dessa forma, devido à variedade existente de molas, neste projeto foi escolhido o foco nas molas de compressão helicoidais para uso automotivo, como apresentado na Figura 3. Essas molas são muito utilizadas por esta indústria devido às suas propriedades atrativas para esta aplicação específica (PORTEIRO, 2010), suportando grandes cargas de trabalho durante seu ciclo de vida pré-determinado próximo aos 40 mil quilômetros de rodagem média em um carro popular. (ORTIZ, 2014). Figura 3 - Diferentes tipos de molas helicoidais, sendo: em vermelho molas utilizadas na dianteira dos veículos e em
azul, as utilizadas no amortecimento traseiro dos automóveis.
Fonte: RASSINI NHK (2015)
No que diz respeito ao projeto de uma mola para esta aplicação, os princípios básicos são (SILBERSTEIN, 2015):
x Quanto mais denso o arame, mais forte será a mola. x Quanto menor a espiral, mais forte será o efeito mola. x Quanto mais espiras, menos carga necessária para mover a mola em certa distância.
2.1.1 A evolução das molas
Tendo as molas como parte crucial em diversos conjuntos mecânicos da atualidade, praticamente todos os equipamentos utilizados pela população se beneficiam de alguma forma desses elementos de máquina. Alguns artigos estudando as molas datam dos anos 1770 e até os dias atuais ainda se estuda melhorias desse dispositivo.
Não se sabe ao certo a data precisa de quando foi criada a primeira mola como conjunto mecânico. Alguns artefatos mais sofisticados são datados da Idade do Bronze, no qual ocorreu o
6
desenvolvimento da liga de bronze, resultante da mistura de cobre com estanho, entre 3300 a.C. até 700 a.C. (BLOIS; SPEK, 2008).
No período de guerra, um exemplo de aplicação na área militar eram as catapultas usadas para atacar os inimigos, as quais eram feitas utilizando molas. Usos mais modernos de molas vieram de invenções como fechaduras e relógios, datados dos séculos XV e XVI, além do uso nas suspensões de carruagens, como apresentado na Figura 4 (PORTEIRO, 2010). Com o advento da Revolução Industrial no século XVIII, os métodos, materiais e técnicas de fabricação desenvolvidos na época permitiram a produção em massa das molas, como a mola de torção observada na Figura 5 (PORTEIRO, 2010).
Figura 4 - Um dos primeiros tipos de molas feitos para uso em carruagens do século XV e XVI.
Fonte: PORTEIRO (2010).
Figura 5 - Mola de torção.
Fonte: PORTEIRO (2010).
Hoje, o principal material utilizado para a produção de molas são os chamados “aços-mola”,
materiais que devem possuir propriedades específicas para seu uso. Esses aços podem ser trabalhados a frio ou a quente, em função das necessidades e do diâmetro desejado (BUDYNAS; NISBETT, 2014; MARGHITU, 2001).
Neste contexto, o desenvolvimento de novos materiais, processos e métodos de fabricação são extensamente estudados nas universidades e centros de pesquisa de todo o mundo. Com o surgimento de materiais compósitos, uma recente aplicação é a construção de molas em fibra de carbono para utilização em carros de competição devido a sua menor densidade em relação ao aço (PORTEIRO, 2010; CHOI, 2011), ver Figura 6.
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Figura 6 - Sistema de suspensão em fibra de carbono para veículos de alto desempenho.
Fonte: HYPERCO MW INDUSTRIES, INC. Devido ao seu alto custo, complexidade de manufatura e de manutenção, as molas
fabricadas com materiais compósitos ainda têm seu uso restrito. Sendo assim, os aços-mola são largamente empregados para aplicação em sistemas de suspensão em veículos populares. 2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS
Devido à grande variedade de tipos de aços, sistemas de classificação foram criados para facilitar sua catalogação. Sendo assim, eles podem ser divididos em grupos com base em propriedades semelhantes provenientes de suas composições químicas (como aços-carbono e aços-liga), processos de manufatura (a quente e a frio) e formato do produto acabado (chapas grossas e finas, barras e tubos, por exemplo). 2.2.1 Elementos de Composição Química
Normalmente os aços-mola possuem uma quantidade maior do elemento carbono do que outros aços, tendo sua quantidade em torno de 0,6 % em massa. Além disso, os outros elementos existentes na crosta terrestre influenciam, direta ou indiretamente, nas propriedades físicas e mecânicas dos materiais. Na Tabela 2 a seguir, são apresentadas essas interferências nos aços de acordo com introdução de cada elemento específico na liga, segundo Carlson (1978), Yamada (2007), Maalekian, (2008) e Silva; Mei (2010).
Tabela 2 - Efeito básico dos elementos de liga.
Elementos Efeitos nos aços Alumínio (Al) Refina os grãos do cristal e endurece a superfície quando em nitretação. Boro (B) Aumenta sua dureza e previne fragilidade em baixas temperaturas. Cobalto (Co) Aumento da dureza em ferramentas de corte de alta velocidade. Cromo (Cr) Aumenta a resistência à tração, dureza e tenacidade. Além de aumentar
a penetração da dureza e a resistência à corrosão. É um importante elemento nos aços inoxidáveis em quantidades variando de 12 a 20%.
Fósforo (P) e Enxofre (S) Eles reduzem a resistência à tração, ductilidade, impacto e aumentam a fragilidade. Por essas razões há uma tentativa de deixá-los nos níveis mais baixos possíveis.
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Manganês (Mn) Melhora a formabilidade dos aços e aumenta sua dureza. A quantidade que aparece nos aços molas varia de 0.6 a 1.20% de Mn. Sendo o mínimo encontrado de 0.3%
Molibdênio (Mo) Aumenta a penetração da dureza, sua tenacidade e a capacidade de trabalhar em altas temperaturas.
Nióbio (Nb) Refina os grãos do cristal. Níquel (Ni) Aumenta sua dureza e previne fragilidade em baixas temperaturas. Silício (Si) É responsável pelo aparecimento de determinadas fases durante os
tratamentos térmicos, aumenta a resistência à tração e facilita o trabalho a quente do material. É importante ressaltar que este elemento aparece em quantidades que variam de 0.1 a 0.3% em grande parte dos aços, porém frequentemente encontram-se aços com quantidades superiores à esta, variando de 1.80 a 2.20%. Com quantidades maiores, aumenta-se a resistência à tração sem comprometimento da ductilidade e tenacidade, além de facilitar o trabalho à quente do material. Usa-se em associação com o elemento Mn, criando as chamas ligas de silício-manganês, muito importante nos estudos dos aços-mola e também neste trabalho.
Tungstênio (W) É utilizado em aços ferramenta, em que uma elevada dureza é necessária. Quando empregado em conjunto com outros elementos, pode se tornar um material com maior dureza em altas temperaturas.
Vanádio (V) Aumenta a resistência à tração, tenacidade e a capacidade do material de suportar impactos e choques.
Fonte: CARLSON (1978), YAMADA (2007), MAALEKIAN (2008) e SILVA e MEI (2010). Adaptado.
Além dos materiais supracitados, o carbono possui um grande papel nas ligas metálicas. Como se sabe, ele é um dos principais elementos no aço e aumenta a resistência à tração, ponto de escoamento e dureza, porém reduz a ductilidade, tenacidade e resistência ao impacto.
Em raros casos, observa-se aços-mola com teor de carbono superior a 1,05 % massa, uma vez que quantidades maiores causam fragilidade sem aumento significativo na dureza (CHIAVERINI, 2012; YAMADA, 2007). Existem diversas ligas que podem ser usadas como aços-mola, a Tabela 3 mostra algumas das principais faixas de composições usadas para este fim.
Tabela 3 - Faixa de composições comumente utilizadas ao redor do mundo para aços mola.
Fonte: YAMADA (2007). Adaptado.
Classe (SAE)
%Composição Química Composição do Sistema
C Si Mn P S Cr Mo V B
1075 0.75 - 0.90
0.15 -0.35
0.30 - 0.60
≤ 0.035
≤ 0.035 - - - - Aço com alto teor
de carbono
9260 0.56 - 0.64
1.80 - 2.20
0.70 - 1.00 ≤ 0.035 ≤ 0.035 - - - - Aço Si-Mn
5155 0.52 - 0.60
0.15 - 0.35
0.65 - 0.95 ≤ 0.035 ≤ 0.035 0.65 -
0.95 - - - Aço Mn-Cr
5160 0.56 - 0.64
0.15 - 0.35
0.70 - 1.00 ≤ 0.035 ≤ 0.035 0.70 -
1.00 - - -
6150 0.47 - 0.55
0.15 - 0.35
0.65 - 0.95 ≤ 0.035 ≤ 0.035 0.80 -
1.10 - 0.15 -0.25 - Aço Cr-V
51B60 0.56 - 0.64
0.15 - 0.35
0.70 - 1.00 ≤ 0.035 ≤ 0.035 0.70 -
1.00 - - ≤ 0.0005 Aço Mn-Cr-B
9254 0.51 - 0.59
1.20 - 1.60
0.60 - 0.90 ≤ 0.035 ≤ 0.035 0.60 -
0.90 - - - Aço Si-Cr
4161 0.56 - 0.64
0.15 - 0.35
0.70 - 1.00 ≤ 0.035 ≤ 0.035 0.70 -
0.90 0.25 - 0.35 - - Aço Cr-Mo
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Um enfoque especial deve ser dado as ligas SAE 5160 e 9254, uma vez que estas foram utilizadas para a realização desta pesquisa. Ambas apresentam porcentagens próximas de carbono (0,51 a 0,64 % massa), manganês (0,60 a 1,00 % m), fósforo (≤0,035 % m), enxofre (≤0,035 % m), e cromo (0,60 a 1,00 % m), sendo a maior quantidade de silício no SAE 9254 a diferença entre elas. 2.3 MANUFATURA DOS AÇOS-MOLA
O processamento dos aços-mola é o mesmo de qualquer outro aço em uma indústria siderúrgica, passando pelo alto forno e aciaria. Suas rotas de processamento completas podem ser obtidas em diversas literaturas (CARLSON, 1978; YAMADA, 2007; MURRAY, 1997; COLPAERT; SILVA, 2008).
Em relação à conformação, até então, praticamente todas as molas eram feitas em tornos mecânicos, conformados a frio. Ainda hoje utilizam-se destes equipamentos, porém a tecnologia trouxe avanços significativos nesta área. O principal diferencial encontra-se na automação, que dominou o setor, trazendo eficiência, segurança e melhoria da qualidade, como é possível observar na Figura 7.
Figura 7 - Automação na indústria de molas.
Fonte: RASSINI NHK (2015)
Diversos métodos e projetos de produção e conformação de molas surgiram no meio de
século XX (LAHER SPRING AND TIRE CORP, 1950). Atualmente, para a confecção de uma mola de compressão utilizada nas suspensões de veículos, primeiramente as barras são aquecidas em fornos que podem ser de indução ou a gás, com temperatura de patamar variando entre 940°C e 980°C e em seguida levadas para um torno adaptado, aonde ocorrerá a conformação. Neste ponto a barra é enrolada no formato da mola. Após conformada, a mola é levada para o banho de têmpera e, então, a temperatura do material estará em torno de 880°C. A temperatura do óleo de têmpera gira em torno de 60°C a 80°C e sua
10
viscosidade é de 415 a 477 Hb. Após resfriada é aquecida novamente, dessa vez para realizar o revenimento, a uma temperatura de 650 °C. No caso da indústria que apoia este trabalho, todas as etapas são automatizadas e realizadas por robôs, onde a cada 35 segundos uma mola é produzida.
Assim como outros aços produzidos, os aços-mola também sofrem tratamentos térmicos com o intuito de garantir a sequência de processos posteriores, após o lingotamento contínuo. Os tratamentos mais comuns são recozimento e esferoidização, sendo que até mesmo normalização pode ser realizada (YAMADA, 2007).
2.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS NOS AÇOS MOLA
Os tratamentos térmicos são métodos de processamento altamente difundidos na indústria. Desses, o mais utilizado é a têmpera com posterior revenimento, que proporcionam aos aços as características necessárias para sua aplicação já descritas nos tópicos anteriores.
Existe também o processo de austêmpera, que possibilita a formação de aços com estrutura bainítica a qual possui características muito interessantes do ponto de vista das suas propriedades mecânicas (LEFEVRE; HAYRYNEN, 2013; SAXENA et al., 2006). Inicialmente, usou-se este processo nos ferros fundidos, em um tratamento chamado de ADI (Austempered Ductile Iron) e, atualmente, ocorre uma migração no uso deste processo para aços (PÁEZ; FUENTES; BATTAGLIESE, 1996; MANDAL et al., 2009).
Em 2002, o Prof. John Speer da Universidade do Colorado nos EUA, utilizou uma nova rota de processamento para a obtenção de uma estrutura que continha uma certa quantidade da fase austenita retida. Este novo processo ficou conhecido por Têmpera e Partição (TeP) e é muito estudado desde então (MARTINS, 2007).
A seguir, serão apresentados maiores detalhes sobre o tratamento térmico por meio de têmpera e revenimento. Esse processo foi escolhido por sua simplicidade e eficiência para atingir as propriedades necessárias em um aço-mola.
2.4.1 Têmpera e Revenimento
Os aços utilizados para molas eram tratados apenas pelo processo de têmpera e revenimento. A escolha dessa rota de processamento se dá pelas ótimas características mecânicas que são possíveis obter nesses materiais.
A têmpera é um dos processos de aumento de resistência mecânica dos aços mais antigos conhecidos pelo homem. Suas etapas consistem, basicamente, de um aquecimento à altas temperaturas atingindo a temperatura de austenitização do aço, acima de 760 °C (CALLISTER, 2000), seguida por posterior resfriamento rápido em meios diversos (óleo, água, sal, etc). Dessa forma, a estrutura básica encontrada em um aço temperado será a martensita, que possui alta resistência mecânica e dureza (HTUN; KYAW; LWIN, 2008).
Em seguida, é comum levar o aço novamente ao forno, dessa vez em uma temperatura mais baixa, com objetivo de aumentar sua tenacidade e ductilidade, em um processo chamado de revenimento.
A Figura 8 apresenta o ciclo de processamento dos aços na têmpera e posterior revenimento (I) para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide.
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Figura 8 – Diagrama de transformação isotérmica completo para uma liga de Ferro-Carbono com composição eutetóide utilizado para indicar a rota de tratamento térmico de Têmpera e Revenimento (I).
Fonte: CALLISTER 2000. Adaptado.
2.5 PROPRIEDADES DOS AÇOS-MOLA
Segundo Yamada (2007), alguns dos itens básicos para a seleção dos materiais usados em molas são:
x Materiais e processos que atendam requisitos de qualidade; x Disponibilidade do material; x Baixo custo; x Reciclagem; x Baixo nível de poluição; x Segurança.
No que diz respeito as funções básicas de uma mola: x Quando retirada a carga, a mola deve voltar a sua forma e posição original; x Deve absorver vibração; x Deve ocorrer relaxação ou absorção de forças impactantes; x Armazenamento de energia.
Com relação às propriedades mecânicas, é necessário que este possua as seguintes características, segundo Chiaverini (2004):
x Alto ponto de escoamento, para evitar que haja deformação plástica após altas cargas aplicadas;
x Baixo módulo de elasticidade, para favorecer um trabalho constante da mola na região elástica;
x Alto limite de fadiga, que é a falha mais comum apresentada nas molas; x Resistência ao impacto, uma vez que as molas utilizadas em projetos mecânicos,
como por exemplo nos automóveis, normalmente sofrem este tipo de carregamento.
12
Outras propriedades são comumente requeridas, como por exemplo a resistência à corrosão. Entretanto, serão focadas neste trabalho a propriedade básica de dureza em uma mola e que, sem ela, estes dispositivos não poderiam ser aplicados como tal.
2.5.1 Ensaio de Dureza Rockwell
Segundo Callister (2000), a propriedade mecânica da dureza está relacionada à propensão do material à deformação plástica localizada, isto é, a resistência que um material determinado oferece às pequenas impressões, penetrações e riscos.
Dentre os diversos tipos de ensaios de dureza possíveis, como Brinell (HB), Vickers (HV), Knoop (HK) entre outros, foi selecionado o Rockwell (HR) em escala C. Este último se caracteriza por atingir cargas próximas a 140 kgf, sendo assim, utilizado para ensaios em aços endurecidos, ferro fundido e titânio, por exemplo.
No ensaio de dureza é aplicada uma força superficial no material a ser analisado. Essa carga, por sua vez, é empregada por um agente penetrador padronizado que produz uma endentação no material. Com isso, a variação da força exercida para a máquina penetrar o material é catalogada.
No ensaio Rockwell C, o endentador é feito com diamante e possui formato de cone com ângulo de 120°. Na Figura 9 é mostrado o procedimento do ensaio, onde o endentador é pressionado contra a superfície do corpo de prova com uma pré-carga F0, de 10 Kgf até ser atingido um equilíbrio devido à quebra da interface do material em e. Ainda com a pré-carga aplicada, uma nova carga (F1) é introduzida, aumentando a penetração para E. Após alcançar novamente equilíbrio essa carga é removida, mantendo F0.
Figura 9 - Método do ensaio de dureza Rockwell.
Fonte: RODRIGUES, 2016. A retirada de F1 provoca uma recuperação parcial elástica, reduzindo altura da penetração,
com isso, a profundidade não-recuperada é utilizada para calcular o valor da dureza Rockwell por meio da Equação (1) abaixo.
HR = E - e (1)
Onde: HR é o valor da dureza Rockwell; E, a constante que depende do formato do endentador (sendo 100 para endentador de diamante); e, por último, e é o aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga F1, medido em unidades de 0,002 mm.
Nos metais, características microestruturais como tamanho de grão e direções cristalográficas, assim como trabalho a frio e os elementos de liga influenciam no aumento da dureza.
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Como visto na seção 2.2.1, os aços têm suas propriedades afetadas devido à presença de elementos de liga. A Figura 10 é um gráfico comparativo do efeito da quantidade de carbono na dureza dos aços temperados. Em sua grande maioria, os aços-carbono irão apresentar quantidades que variam entre 0.50 a 0.65 %massa desse elemento, fazendo com que sua dureza seja maior do que um aço-liga quando temperado.
Figura 10 – Efeito da quantidade de carbono na dureza dos aços.
Fonte: YAMADA (2007).
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3 METODOLOGIA
Para alcançar os objetivos propostos será utilizada a metodologia apresentada a seguir. 3.1 MATERIAIS
Foram escolhidos dois tipos de aços-mola para avaliação da dureza. Os aços SAE 5160 e SAE 9254 foram obtidos por doação de uma empresa internacional com filial no estado de São Paulo e os materiais como recebido/normalizados apresentam as dimensões organizadas na Tabela 4, seguida pela fotografia das barras na Figura 11.
Tabela 4 – Dimensões dos aços.
SAE 5160 SAE 9254 Comprimento da barra (mm) 144,00 111,50
Seção transversal (mm) 13,50 14,00 Fonte: Próprio autor
Figura 11 - Barras de aços-mola como recebido sendo as superiores, aço SAE 5160 e as inferiores SAE 9254.
Fonte: Próprio autor. As barras foram cortadas com 240 mm de comprimento, utilizando uma serra manual, para tratamento térmico e, posteriormente, em corpos de prova de 30 mm para análise da dureza, mantendo a seção transversal original.
3.2 MÉTODOS
3.2.1 Tratamento térmico
O tratamento térmico de têmpera e revenimento foi efetuado com o objetivo de simular o que já é realizado atualmente na indústria, porém não tão presente na literatura sobre suas intervenções nas propriedades dos materiais.
As barras de aço foram tratadas termicamente utilizando um forno disponível no Departamento de Engenharia de Materiais (SMM), EESC-USP como pode ser visto na Figura 12.
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Figura 12 - Forno de tratamento térmico.
Fonte: Próprio autor.
Os aços foram aquecidos a temperaturas próximas a 950 °C com posterior resfriamento em óleo a 70 °C. Em seguida foram reaquecidos até 650 °C e resfriados no ambiente, como descrito na seção 2.3. 3.2.2 Ensaio de Dureza
Tanto o material como recebido/normalizado como aquele tratado termicamente foram submetidos ao ensaio de dureza Rockwell escala C (HRC), por meio de 7 pontos alinhados ao decorrer de toda a seção transversal do corpo de prova, ver Figura 13. Isso possibilitou a comparação entre a dureza da borda e do centro de cada corpo de prova, além da comparação da influência ou não do tratamento térmico.
Figura 13 - Distribuição dos 7 pontos de endentação na seção transversal do corpo de prova.
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos no Departamento de Engenharia de Materiais e Manufatura da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP), utilizando a máquina de ensaio de dureza Rockwell da marca Leco RT-240 (Figura 14) como equipamento aferidor, seguindo a norma padrão American Society for Testing and Materials, ASTM E18-15 (2015).
Foram utilizadas cargas F0 = 10 Kg e F1 = 90 Kg, tendo assim, uma carga total de 100 Kg.
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Figura 14 - Equipamento de Ensaio de Dureza Rockwell Leco RT-240.
Fonte: Próprio autor
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4 RESULTADOS
Os tratamentos térmicos foram realizados no primeiro semestre de 2016 e o ensaio de dureza no semestre seguinte.
Para uma apresentação mais clara dos resultados de dureza obtidos, a Tabela 5 apresentará as informações dos dois diferentes tipos de aços, seus tratamentos térmicos e durezas em Rockwell C (HRC) e Vickers (HV), esta última obtida por meio de uma tabela de conversão de durezas (METALÚRGICA VERA, 2011).
Tabela 5 - Valores de Dureza Rockwell C e Vickers obtidas.
Fonte: Próprio autor.
Assim, pode-se constatar o real aumento da dureza do material após tratamento térmico de têmpera e revenimento. Os valores destacados em vermelhos são as médias dos setes pontos onde foram realizadas as medições.
Adicionalmente à tabela exposta é possível observar, os resultados dos ensaios de dureza a partir das Figuras 15 e 16, sendo estes gráficos comparativos.
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Fonte: Próprio autor.
Na Figura 15, podemos reparar que tanto o aço SAE 5160 temperado e revenido quanto normalizado, possuem uma tendência linear semelhante. Entretanto, os pontos com maior divergência no gráfico, possivelmente foram causados pela qualidade das técnicas de processamento aplicadas.
Figura 16 - Gráfico comparativo do Aço 9254.
Fonte: Próprio autor.
É possível perceber que nos pontos próximos a extremidade do material temperado e revenido, há uma grande mudança em sua dureza. Isso é causado devido a pequena secção transversal da amostra, onde, no momento da realização do teste, a peça pode ter sido levemente movimentada e, assim, os resultados foram possivelmente alterados.
Com isso, para o aço 9254 após o tratamento térmico, optou-se por desconsiderar o ponto 6, o qual apresentou grande discrepância quando comparados aos outros valores, para efetuar o
Figura 15 - Gráfico comparativo do Aço 5160.
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cálculo das porcentagens finais em uma média de valores. Para o aço SAE 9254 foi notado então, um aumento de 31,60 % na dureza média do material
na escala HRC e um aumento de 31,39 % na escala Vickers. Já no aço SAE 5160, o aumento foi de 29,84 % na Dureza HRC e de 27,84 % na Dureza Vickers. Apesar de próximas, as diferenças entre as porcentagens existentes se devem as aproximações realizadas nas conversões de uma escala para a outra.
Esse fato pode ser explicado pelas influências dos tratamentos realizados na microestrutura dos materiais. A têmpera tem como principal característica, resfriar rapidamente o aço à uma taxa crítica, ou seja, utilizando a menor taxa de resfriamento permitida para que a microestrutura obtida seja ao menos 50% martensítica no centro da amostra. Essa microestrutura resultante é monofásica tetratogonal de corpo centrado (TCC), encontra-se instável e sua dureza depende diretamente do teor de carbono e dos elementos de liga do aço. Sendo utilizado os aços de médio teor de carbono, a resultante será uma martensita, caracterizada por tornar o material significantemente duro, porém, frágil (CALLISTER, 2000).
Já o processo seguinte, o revenimento, mantém a microestrutura martensítica. Contudo, controla a relação de dureza e tenacidade reduzindo as tensões superficiais produzidas no processo de têmpera. Esses dois métodos de processamento, quando unidos, resultam em uma estrutura martensítica com aumento de ductilidade, a qual possui dureza superior ao material normalizado.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os aços-mola são largamente empregados na indústria automotiva nos sistemas de suspensão veicular. Esses possuem como principais características sua alta resistência à fadiga, ao impacto, alta disponibilidade de material e baixo custo. Esses materiais passam por tratamentos térmicos antes de sua aplicação para melhoria das propriedades mecânicas. Com isso, foram estudadas as influências de um tratamento térmico, o de têmpera seguido por revenimento, na dureza do material.
Os objetivos propostos neste trabalho foram alcançados. A exposição do tema reforçou o conhecimento de que materiais temperados e revenidos apresentam um valor final em sua dureza superior aos somente normalizados. Através dos dados obtidos, foi observado como as molas são afetadas pela têmpera e revenimento, mais especificamente a porcentagem média da variação da dureza: para o aço SAE 9254 notou-se aumento de 31,60 % na dureza média do material na escala HRC e um aumento de 31,39 % na escala Vickers. No aço SAE 5160, o aumento foi de 29,84 % na Dureza HRC e de 27,84 % na Dureza Vickers.
Os resultados indicam que esse aumento da dureza pode possibilitar a aplicação desses aços em sistemas com uma menor densidade e mesma propriedade mecânica em comparação aos apenas normalizados. Sendo assim, é proposto para uma futura pesquisa o estudo do comportamento desses materiais sob outros testes mecânicos, sendo eles: tração e fadiga, análise microestrutural e da composição química. Além disso, sugere-se analisar a incorporação de outros tratamentos térmicos que possam aprimorar a microestrutura dos aços-mola para suportar maiores esforços com menores massas do material.
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