23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

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1 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TRIBOLÓGICO DE REVESTIMENTOS METÁLICOS E POLIMÉRICOS PARA UM ÊMBOLO DOSADOR PNEUMÁTICO: ESTUDO DE CASO PARA UMA MÁQUINA DE PRODUTOS ALIMENTÍCIOS S. M. Bonin 1, R. M. Castro 2, E. I. M. Curi 3, V. S. Cancelier. A. S. Rocha 4 1,2,3 Faculdade SATC, Rua Pascoal Meller, nº 73, Universitário, , Criciúma, SC Brasil, 4 Universidade Federal do Rio Grande do Sul-UFRGS, Av. Bento Gonçalves, nº 9500, , Porto Alegre, RS Brasil RESUMO O desgaste de componentes mecânicos é um dos problemas que afeta todo processo das atividades industriais. A fim de solucionar o desgaste de um êmbolo que realiza a dosagem de maionese em embalagens do tipo sache de 6 g, um estudo foi realizado. Atualmente, esse desgaste gera um desperdício por vazamento do produto, além de um alto custo de manutenção do equipamento. Para o estudo, análises físicas e químicas do material do dosador foram realizadas, a fim de identificar o mecanismo de desgaste. Em seguida foi realizada uma análise comparativa com quatro diferentes materiais, sendo os polímeros Halar ECTFE e UHMW, e os revestimentos metálicos WC-CoCr e o cromo duro, fabricados estes metais por aspersão térmica (HVOF) e eletrodeposição, respectivamente. Para a caracterização tribológica dos materiais, foram realizados ensaios por roda de borracha e areia e de pino sobre disco, bem como medições de dureza e de rugosidade. No geral os revestimentos UHMW e o WC-CoCr apresentaram-se com um melhor desempenho tribológico. Palavras-chave: Desgaste Abrasivo, Revestimentos Metálicos e Poliméricos, Indústria Alimentícia. 1. INTRODUÇÂO Uma empresa da indústria de alimentos da região do sul do Brasil, produz uma grande diversidade de produtos, entre eles a linha de molhos e condimentos, no qual são empacotados alimentos como ketchup, maionese, mostarda e molho verde em embalagens do tipo sachê de 6 g. A atividade se realiza em uma máquina totalmente automatizada, e seu processo tem as seguintes etapas: desbobinamento, formação do pacote, dosagem e envase, soldagem, corte e encaixotamento dos sachês. As etapas de dosagem e envase se realizam utilizando um conjunto dosador pneumático. Durante seu funcionamento, o êmbolo dosador, realiza movimentos cíclicos circulares de 90º, e nesse movimento escoa o volume de molho para seu empacotamento. O excessivo e precoce desgaste do êmbolo dosador ocasiona frequentes falhas, elevase os custos e altera-se o controle do volume de molho. 4035

2 O tipo de desgaste ou remoção de material é determinado pelos mecanismos de desgaste predominantes, que resume-se em quatro mecanismos: adesivo, abrasivo, desgaste por fadiga e corrosivo, sua comprensão é crucial para controlar adequadamente cada processo de desgaste [1]. Entretanto, o desgaste ocorre em função da cinemática do sistema, pode variar entre o deslizamento, rolamento, oscilação, impacto e erosão [2]. Nos materiais de peças que tem contato com alimentos, além das propriedades mecânicas, o foco é a prevenção da contaminação de alimentos com microorganismos, sujeira, produtos químicos e substâncias físicas no período de contato [3]. Os processos de desgaste também são classificados quanto aos elementos interfaciais reagindo, podendo ser um desgaste de dois corpos ou estar sob ação de partículas sólidas pressionadas entre duas superfícies, caracterizando um desgaste de três corpos [4]. O desgaste abrasivo ainda é classificado em severo ou leve. As superfícies com desgaste severo tendem a ter sua face com trilhas formadas pelo abrasivo caracterizando-se pelo mecanismo de micro corte que arranca material da superfície dúctil, enquanto que no degaste leve há a formação de cavidades na superfície. O desgaste do tipo três corpos envolvem além das duas superfícies de contato, um terceiro elemento ou substância dura entre as superfícies [5]. A forma geométrica do abrasivo influencia no mecanismo de desgaste. Conforme observado por Fang et al, (2013), as partículas com formato esférico tende a engastar em uma das superfícies e deslizar-se sobre a outra, em quanto que, em partículas com formatos de pontas ou de aristas pronunciadas tendem ao rolamento abrasivo, endentando-se em ambas superfícies [6]. Sem um terceiro corpo abrasivo as asperezas tornam-se polidas e perdem sua abrasividade pelo desgaste e converte as asperezas abrasivas em partículas opacas relativamente menos abrasivas [7]. No êmbolo dosador, a superfície é revestida por um material termoplástico que trabalha no interior de uma camisa cilíndrica de aço inox chamado de bloco, ambos materiais estão em contato com alimentos e estão submetidos ataques corrosivos e outros mecanismos de desgaste, durante seu funcionamento ou limpeza. Devido a que o fluido é uma mistura de produtos, sustâncias como a açúcar causam desgaste pela inserção de açúcar na interface do polimero [8], outras particulas duras, como a sal e algumas impurezas de maior dureza realizam o papel das partículas abrasivas. Em deslizamento as particulas abrasivas ocasionam o atrito nas superfícies e o desgaste abrasivo em ambas superfícies [9]. Se a superfície do êmbolo dosador se 4036

3 desgasta, o espaço para o reduzido volume do produto aumenta, isto ocasiona a variação de peso do molho no sachê influenciando na qualidade do produto final e perdas econômicas. O aço inoxidável é comumente usado como material em contato com alimentos. Em componentes de aço inoxidável, é preferível seu uso com materiais polímeros, mas pode ocorrer a contaminação nos alimentos, tais como os problemas provenientes do processo de fabricação ocasionados pelo residuo dos lubrificantes de corte porque seu desengraxamento e limpeza não são tão fáceis quanto as peças de metal, ou pela absorção de fluidos, assim como os solventes podem danificar os componentes [10]. Ensaios de desgaste abrasivo de 8 diferentes tipos de polimeros foram realizados colocando-se como corpos de provas em blocos que deslizarem sobre uma roda de aço inoxidavel 316 de 120 mm de diâmetro, introduzindo-se a açucar como o material abrasivo como o terceiro corpo. Os resultados mostraram-se com boa resistência ao desgaste e baixo atrito destacando-se o polímeros UHWM e PETP para diferentes condições de carga e velocidade [11]. Embora que os polímeros sejam mais dúcteis, eles podem ter uma alta resistência ao desgaste abrasivo, comparados aos metais com dureza semelhante, sua elevada durabilidade é determinada pela alta resistência à abrasão no arranchamento de grãos e sua incapacidade de quebrar os grãos que forma novas arestas de cantos vivos comparados aos metais [12]. Outra vantagem é que suas propriedades de resistência ao desgaste se podem alterar nos polímeros com o uso de aditivos, por exemplo na fibra de vidro. O desgaste superficial dos metais se caracteriza por que se tende a desgastar por deformação plástica promovendo a fadiga superficial, que é um processo de desgaste mais lento [13]. A resolução do problema está relacionada ao controle do desgaste superficial do êmbolo dosador, o qual requer de uma apropriada seleção de material ou revestimento por estar submetido a um meio tribológico agressivo, condicionado à seleção de materiais que não contamine os alimentos. Os materiais usados em máquinas que processam e ou empacotam alimentos, requerem de muito cuidados para realizar uma criteriosa seleção de materiais, devido a que podem ser potenciais fontes de contaminação de alimentos e sua seleção requer considerar a legislação territorial, por exemplo, em Europa the European Hygienic Engineering Design Group (EHEDG) e para Estados Unidos de America, é o Code of Federal Regulations of the Food e o Drugs Administration. No entanto a degradação dos materiais pode 4037

4 incorporar substâncias não adicionadas intencionalmente [14]. No Brasil os materiais utilizados em contato com alimentos (FCMs) são regulados pelo Mercado Comum do Sul (MERCOSUL), mas internamente pela ANVISA e compreende equipamentos, dispositivos, utensílios e recipientes para a fabricação industrial, armazenamento e embalagem de alimentos; utensílios de cozinha, utensílios e recipientes para a preparação doméstica e consumo de alimentos [15]. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O êmbolo dosador de uma máquina que empacota alimentos em estudo tem um êmbolo que está revestido por um material termoplástico. Este elemento trabalha dentro de uma camisa de aço inox chamado de bloco é analisado para identificar o tipo de desgaste. A Figura 1, mostra parte da máquina com o êmbolo em estudo. (a) Êmbolo dosador (b) Trilhas de Desgaste Revestimento - Halar Figura 1 Conjunto dosador: a) conjunto montado e b) êmbolo desgastado. Foi descartado o desgaste adesivo devido a que o material do êmbolo é o polímero Halar e do cilindro onde encaixa é de aço inoxidável AISI 316, por não ser materiais compatíveis para que ocorra adesão ou microsoldas na superfície. Os materiais do êmbolo e cilindro seleciona-se pelas propriedades anticorrosivas e por não gerar contaminação nos alimentos. A fadiga superficial como camadas superficiais que se desprendem como escamas de peixe não foi observada na superfície. O que se observou foram o desgaste com riscos na direção do escoamento do fluido no êmbolo, por tanto, provavelmente o desgaste é produzido pela presença de partículas duras interagindo como dois ou de três corpos. O êmbolo com maior desgaste foi onde se processa produtos com maionese. A metodologia do estudo seguiu-se em três principais etapas: Análise de 4038

5 microscopia para caracterizar o mecanismo de desgaste que predomina no êmbolo desgastado, ensaios de desgaste de quatro diferentes revestimentos com o levantamento de seus principais parâmetros, e a análise tribológica para reduzir o desgaste e aumentar a qualidade do produto. 2.1 Ensaios de microscopia Inicialmente foram retirados corpos de provas do êmbolo desgastado e se realizou ensaios de microscopia óptica e microscopia eletrônica por varredura (MEV), para a verificação do mecanismo de desgaste. O ensaio de microscopia de varredura eletrônica, foi realizado a uma mostra do revestimento Halar ECTFE, procurando a identificação do abrasivo. Na Figura 2, se mostra um dos resultados que identifica uma partícula dura incrustada entre o material onde termina o risco. Figura 2 Microscopia ótica com ampliação de 50 x. Por outro lado, foi realizado uma análise de microscopia salina tendo em vista que é o principal abrasivo presente no fluido utilizado. Esse ensaio seguiu-se de acordo com a AOAC (Association of Official Analytical Chemists International), utilizando o método , com adaptação A. Os equipamentos utilizados nos ensaios foram uma balança analítica, equipamento para filtragem a vácuo, microscópio e utensílios, como Béquer, pisseta e bastão de vidro. 2.2 Seleção e preparação dos corpos de prova Para recriar o desgaste dos materiais atualmente usados e outros possíveis de serem usados como substitutos, foram preparados corpos de prova para a realização de ensaios desgaste. Com este ensaio é possível avaliar o desgaste de forma acelerada utilizando um tribômetro que reproduza o atrito e desgaste considerando os 4039

6 parâmetros similares aos de trabalho do conjunto êmbolo cilindro. Para os ensaios foram preparados três corpos de provas para cada material, para avaliar o comportamento tribológico dos revestimentos mais adequados para sua aplicação, sendo eles o polímero termoplástico Halar ECTFE, por ser o material atualmente utilizado, o UHMW por ter alta resistência ao desgaste abrasivo, o cromo duro, usado anteriormente no projeto original do conjunto e o revestimento por aspersão térmica WC-CoCr, por ter alta resistência o desgaste e baixo coeficiente de atrito. Os revestimentos do cromo duro e do WC-CoCr ficaram com 200 μm de espessura após o polimento, o Halar ECTFE com aproximadamente 3 mm de espessura e o UHMW foi retirado de uma barra sólida. 2.3 Ensaio de atrito e desgaste lubrificado Para avaliar o coeficiente de atrito e o desgaste lubrificado foram realizados os ensaios no tribômetro pino sobre disco, adaptado da norma ASTM G99. O corpo de prova (disco) foi fabricado com um diâmetro de 60 mm e sua espessura de 12 mm. O outro corpo de prova (pino) foi fabricado em aço inoxídável AISI 316 e foi usado para todos os ensaios. Neste ensaio o pino suporta a massa que produz a carga normal à superfície em deslizamento, deste modo foram simulados o deslizamento lubrificado e o contato entre o êmbolo e o bloco do conjunto dosador. Os ensaios para os quatro materiais foram realizados a uma velocidade de rotação de 50 RPM, numa distância de 200 m. Foram realizados 3 ensaios na mesma velocidade e distância, mas variando sua carga, sendo elas de 6, 8 e 10 N, respectivamente. Durante o ensaio era adicionado 2 g de maionese como lubrificante entre um intervalo de 5 minutos, garantindo a formação do filme lubrificante. Os sinais foram adquiridos no tempo através do software LabVIEW e seu tratamento e processamento de dados foi realizado no software Excel. 2.3 Ensaio de desgaste abrasivo O tribômetro recomendado para os ensaios abrasivos é de roda de borracha e areia, em que comumente é usado areia como material abrasivo, segundo a norma ASTM G

7 Foram preparados três corpos de provas para cada material de forma retangular com dimensões de 55 x 26 x 12,7 mm. Nos matérias revestidos se utilizou aço A36 como sua base. Para monitorar a perda de massa durante os ensaios foi utilizado uma balança analítica de 0,001 g de resolução. O tempo de ensaio depende da dureza do material, o qual se classifica com a norma ASTM G65 em 5 grupos de procedimentos compreendendo um tempo de 1800 s para um material duro no procedimento A e de 30 s para um material de dureza média no procedimento C. A granulometria da areia utilizado no ensaio foi de 270 a 368 µm e a vazão média da areia foi ajustada em 350 g/min. A Tabela I apresenta os parâmetros dos ensaios. Tabela I - Parâmetros de ensaio conforme ASTM parâmetros G65. Material Dureza Procedimento Carga Rotação Halar ECTFE 73 Shore D C UHMW 58 Shore D C Cromo Duro 1042 HV C WC-CoCr 1361 HV A 130 N 200 rpm A diferença nos parâmetros para os ensaios dos materiais se faz necessário pelas orientações da norma, é possível uma correlação entre os materiais com os diferentes parâmetros através da projeção das linhas de tendências de cada curva. Para avaliar o desgaste abrasivo, o modelo mais confiável é a equação dimensional de desgaste (Eq. 1) [5]: Q = k. N. L (1) Q [mm³]: material removido; k [mm²/n]; Coeficiente de desgaste dimensional; N [N]: Carga aplicada; H [N/mm²]: Dureza do material; L [mm]: Distância percorrida. O coeficiente de atrito é avaliado com o modelo de Coulombs Amonton s, com os dados das massas que aplicam a carga normal e com a força de atrito medido com a célula de carga. O coeficiente é calculado com a Eq. 2: F µ = a (2) N μ [--]: Coeficiente de atrito; N [N]: Carga aplicada; F a [N]: Força de atrito. 4041

8 O volume removido é calculado com a perda de massa e a densidade do material usando a Eq. (3): Q m m ρ o f i = (3) Onde: Qi [mm³]: Volume removido; ρ [g/mm³]: Massa específica; mo [g]: Massa do corpo de prova antes do ensaio; mf [g]: Massa do corpo de prova depois de um ensaio; 3. RESULTADOS E DISCUSÕES 3.1 Caracterização do desgaste do êmbolo dosador Na Figura 3, é possível observar o abrasivo engastado na superfície e sua trilha de riscos, o que se caracteriza como desgaste abrasivo a três corpos, conforme descrito por Czichos [16]. Figura 3 Caracterização do abrasivo feito por MEV e EDS nas regiões A, B, C e D A identificação da partícula incrustado nos corpos de prova do êmbolo dosador se realizou com análise química usando espectroscopia por dispersão de energia (EDS), determinando-se o silício como a partícula abrasiva. 3.2 Microscopia salina A microscopia salina confirmou a má qualidade do sal utilizado. Com essa caraterização, o sal substituído a fim de aumentar a qualidade de nossos produtos, e consequentemente diminuir o desgaste do mecanismo. 4042

9 Na Tabela II é apresentado os resultados qualitativos da mostra A e B do sal utilizada com o êmbolo em funcionamento e da amostra B do sal analisada para substituir. Na Figura 4 estão apresentados os resultados quantitativos e qualitativos para a microscopia salina realizada no produto anteriormente e atualmente utilizado, notando-se uma redução significativa no volume de impurezas. Tabela II Partículas insolúveis presentes no sal. Amostra Partículas insolúveis (g) Porcentagem % Proporção A 0,2895 0,290 3,4 B 0,860 0,086 Figura 4 - Microscopia óptica do sal (ampliação de 10x). a) sal utilizado anteriormente e b) sal atualmente utilizado. Após realização da análise, é possível ver uma redução significativa da quantidade de partículas insolúveis no sal, ficando dentro do parâmetro estabelecido pela resolução a ANVISA, que estabelece um limite máximo de 0,28 %. 3.3 Coeficiente de atrito e desgaste Nas Figuras 5, 6 e 7 são apresentados os valores do coeficiente de atrito em regime de lubrificação com maionese para cada material para cada carga. Figura 5 - Coeficiente de atrito para uma carga de 6 N. 4043

10 Figura 6 - Coeficiente de atrito para uma carga de 8 N. Figura 7 - Coeficiente de atrito para uma carga de 10 N. Pode-se observar nas Figuras 8, 9 e 10, que independente da carga aplicada o coeficiente de atrito não se altera para os quatro materiais submetidos aos testes. Compreende-se também que há uma grande diferença nos coeficientes de atrito dos revestimentos metálicos e poliméricos. Uma interpretação física para este fato é de que os elementos metálicos tem afinidade química com a esfera de aço AISI 316 utilizada como pino nos ensaios, pode-se ver esta combinação conforme apresentado por Rabnowicz [17]. Os elementos presentes tanto no cromo duro quanto no WC-CoCr estão propensos a se ligarem com o alto cromo do aço inox estando sujeitos assim a um desgaste, como são observados na Figura 8, em que se compara o desgaste das esferas ensaiadas contra os revestimentos. O desgaste formado nas esferas ensaiadas contra as superfícies metálicas não ocorreu nos polímeros, indicando que houve o desgaste causado pela combinação dos revestimentos metálicos com a esfera de aço inox, resultando em um elevado coeficiente de atrito. De acordo com o aumento da carga aplicada, é perceptível também o aumento da área da face de cada esfera. Nos polímeros fica evidente que seus comportamentos são contrários, ou seja, o UHMW tende a diminuir seu coeficiente de atrito ao longo do tempo e o Halar ECTFE tende a aumentar. 4044

11 Figura 8 Trilha de desgaste nos discos nas esferas. a) cromo duro, b) WC-CoCr, c) Halar ECTFE e d) UHMW. Através da Tabela III, observa-se que no Halar inicialmente a rugosidade é menor no passar do tempo a trilha altera-se com aparecimento de riscos. Ao contrário do UHMW que foi se tornando cada vez mais polida, observado também por Siniawski, et al. [18], o que explica sua queda no coeficiente de atrito. 3.4 Ensaio de desgaste abrasivo roda e borracha com areia Nas Figuras 9 e 10 é possível avaliar o comportamento dos materiais através das curvas dos coeficiente de desgaste de cada material. Figura 9 Perda de volume dos revestimentos. a) poliméricos e b) Metálicos. 4045

12 Figura 10 Comparativo entre as tendências de desgastes dos materiais. Na comparação dos polímeros, o UHMW apresentou uma taxa de desgaste, cerca de 2 vezes menor que o Halar. Para os revestimentos metálicos, a princípio o cromo duro teve uma maior taxa de desgaste. Já o WC-CoCr mostrou se como um ótimo material para revestimento tendo um valor muito baixo para o coeficiente de desgaste e apresentando boa correlação linear. 3.5 Rugosidade A Tab. III apresenta as rugosidades dos materiais antes e depois os ensaios de desgaste abrasivo. Tabela III Comparação das rugosidades Ra antes e após o ensaio. Material Vertical Horizontal Antes Depois Antes Depois Variação y Variação x Cromo Duro 0,14 ± 0,01 0,20 ± 0,01 0,16 ± 0,02 0,23 ± 0,01 0,06 ± 0,01 0,07 ± 0,02 WC-CoCr 0,09 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,13 ± 0,01 0,30 ± 0,01 0,12 ± 0,01 0,17 ± 0,01 Halar 0,96 ± 0,01 2,19 ± 0,11 0,77 ± 0,02 2,02 ± 0,02 1,23 ± 0,11 1,25 ± 0,01 UHMW 0,70 ± 0,01 1,60 ± 0,24 0,65 ± 0,01 2,79 ± 0,17 0,90 ± 0,24 2,14 ± 0,24 Com os valores apresentados na Tabela III é possível afirmar após os ensaios, que entre os revestimentos metálicos, o cromo duro teve um melhor desempenho com relação a variação dos parâmetros de Ra. 4046

13 3.6 Relação de custos A Tabela IV apresenta os custos e a viabilidade de cada revestimento, levando como parâmetro inicial um diâmetro do êmbolo de 45 mm e um limite máximo de desgaste correspondente a 0,01 mm no diâmetro, o que já ocasiona problemas no mecanismo e uma carga de 6 N. Utilizando Eq. 1, foi simulado a quantidade de ciclos que cada material suportaria até ao volume desgastado máximo estipulado. Material Tabela IV Viabilidade econômica. k (desgaste) Nº de ciclos nº de meses Custo do revestimento (R$) Custo anual (R$) Halar 1,10E-11 2,27E+06 3,81 840, ,28 UHMW 5,73E-12 4,36E+06 7,35 115,38 188,43 Cromo Duro 2,93E-11 8,53E+05 1,44 889, ,34 WC-CoCr 3,48E-13 7,18E ,90 400,00 39,70 O Halar atualmente utilizado tem um tempo de vida de 3 a 4 meses. Ao final o WC-CoCr e o UHMW mostraram-se o melhor custo benefício. 4. CONCLUSÕES A areia encontrada no mecanismo de desgaste é provinda do sal utilizado como matéria prima para produção da maionese. Com isso, foi efetuada a troca para outro sal com menor contaminação. A taxa de desgaste permitiu avaliar o tempo de vida de cada material. O WC- CoCr teve um ótimo resultado quanto à resistência ao desgaste, o revestimento de UHMW obteve melhores resultados quando comparado ao Halar ECTFE, chegando um tempo de vida maior. Os coeficientes de atrito para os revestimentos poliméricos se mostraram mais baixos que os revestimentos metálicos. O UHMW apresentou melhores resultados comparado ao revestimento atualmente utilizado, tendo uma tendência de redução do coeficiente ao longo do ensaio. Os revestimentos metálicos não mostraram bons resultados quanto a combinação com o pino de aço inox AISI 316, ambos os revestimentos apresentaram um maior coeficiente de atrito

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