MOLAS DE SUSPENSÃO PRODUZIDAS EM DIFERENTES PROCESSOS DE JATEAMENTO. VIEIRA, R. F. P (1); Silva, O. M. M (2); Hashimoto, T. M (3)

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1 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 renan.felipe@mubea.com. (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 CO 2 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. 6480

2 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. 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 ( ) MPa Enrolamento a frio Forno de alívio de tensão Método 01 Método 02 Método 03 Sem jateamento 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 Velocidade da granalha e tempo de jateamento foi constante. Temperatura ambiente Jateamento a quente Granalha: 0,8 mm Velocidade da granalha e tempo de jateamento foi constante. Temperatura: ºC Jateamento com a mola comprimida frio Granalha: 0,6 mm Velocidade da granalha e tempo de jateamento foi constante. Temperatura ambiente Pintura e identificação 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 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,

3 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 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 Microestrutura: ferrita + perlita. (b) Superfície do arame temperado Microestrutura: Martensite. (c) Núcleo do arame laminado Microestrutrura: ferrita + perlita (d) Núcleo do arame temperado 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) ,4 + 0,4 6482

4 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. Condições de jateamento Método Etapa de jateamento Granalha (mm) Tempo de jateamento (s) Velocidade da granalha e intensidade de jateamento 01 1º - Sem jato º - Jateamento a frio 0,8 02 2º - Jateamento a frio com a mola comprimida 1º - Jateamento a quente 0,6 0,8 Constante entre os processos de jateamento. Constante entre os processos de jateamento. 03 2º - Jateamento a frio com a mola comprimida 0,6 A figura 03 demonstra as condições superficiais das molas após o processo de jateamento. (a) (b) (c) 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 6483

5 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. (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). 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). 6484

6 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 Tensão mínima (σmin) Tensões aplicadas (MPa) Tensão média (σm) Tensão máxima (σmax) Frequência do teste (Hz) , , ,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

7 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

8 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) Método 2 (Jateamento a frio) Método 3 (Jateamento a quente) 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 Método 1 Sem jateamento Ciclos de fadiga para cada processo Método 2 Método 3 Jateamento a frio Jateamento a quente Média Média Média

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

10 quebraram com início de trinca em inclusões, a figura 08 demonstra um exemplo de quebra. Figura 08 Exemplo de análise da fratura da mola produzida pelo método 02. 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. Figura 09 Exemplo de análise da fratura da mola produzida pelo método 03. 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. 6489

11 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

12 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ALMEN, J. O.; BLACK, P. H. Residual stresses and fatigue in metals, New York: MacGraw Hill, p. FUCHS, H. O. Regional tensile stress as a measure of the fatigue strength of notched parts. Japan: Procedure of the international conference on mechanical behavior of materials, v. 488 p. FUCHS, H. O. Shot peening stress profiles. New Jersey, EUA: Metal Improvement Company, p. HORA, P.; LEIDENROTH, V. Quality of coil springs, material processing and technological measures. 1. ed. Stuttgart: Dr. Riederer Verlag, p. PAULA, R, F, V. et al. Influência das inclusões na fadiga de molas de suspensão conforme o processo de fabricação de aço. Joinville, Santa Catarina: 20º congresso brasileiro de engenharia e ciência dos materiais, p. SOARES, M. C. B. V. Influência das tensões residuais no comportamento em fadiga e fratura de ligas metálicas f. (Doutorado em Ciência Reatores Nucleares de Potência e Tecnologia do Combustível Nuclear) Autarquia Associada à Universidade de São Paulo, IPEN, São Paulo, TANGE, A; KOYAMA, H; TSUJI H; The effect of warm shot peening on the fatigue strength of springs. Japan: Japan Society for Spring Research, p. VIERECK, D. et al, Relaxation of residual stresses in a nickel-base super alloy due to dislocation creep. Inglaterra: Conference paper inconel 617Ni nickel base alloys, super alloys, p. 6491