CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DO EQUIPAMENTO DE ENSAIO DE DESGASTE ABRASIVO DE MESA DO TIPO PINO SOBRE LIXA

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1 CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DO EQUIPAMENTO DE ENSAIO DE DESGASTE ABRASIVO DE MESA DO TIPO PINO SOBRE LIXA Lueders, L. (1); AL-RUBAIE, K.S. (2) Rua Frederico Weege, 1630 Pomerode/SC (1) Catolicasc- Jaraguá do Sul; (2)UNISOCIESC-Joinville Para realizar o ensaio de desgaste abrasivo, desenvolveu-se um abrasômetro do tipo pino sobre lixa, com movimentos de deslocamento linear controlado por CNC, permitindo variações nas distâncias dos ensaios e na velocidade de avanço, através da programação, tornando o equipamento flexível e de fácil manuseio. Com este controle de movimento, pode-se programar a trajetória do corpo de prova e garantir desta forma que todos os movimentos de desgaste sejam realizados em abrasivos novos. Os ensaios podem ser realizados com ou sem rotação no corpo de prova e a carga é aplicada com pesos colocados no sistema de fixação do corpo de prova, regulada com contrapeso e o valor da carga é verificado com célula de carga. Para realizar a validação do equipamento foi feito um planejamento experimental de forma aleatória, de dois níveis, cinco fatores de entrada (abrasivo, granulometria, carga, material e dureza) e três réplicas. Os materiais testados foram os aços AISI 4140 e AISI D6. A taxa de desgaste abrasivo foi relacionada com os fatores de entrada. Os resultados obtidos mostram que o tipo de abrasivo foi o fator de maior influência na taxa de desgaste. Palavras chave: Desgaste; Abrasão; Ensaios. 6429

2 1 INTRODUÇÃO Componentes mecânicos estão presentes em todos os equipamentos das indústrias e mesmo com todo o desenvolvimento tecnológico dos materiais de construção mecânica, melhoria de projetos, sistemas de lubrificação e proteção, eles continuam sujeitos ao desgaste. Nos Estados Unidos, estudos demonstram que os custos gerados pela substituição de componentes mecânicos, em função do desgaste, está entre 6% e 7% do Produto Nacional Bruto (1) e o desgaste abrasivo nas nações industrializadas representa um custo entre 1% a 4% do Produto Interno Bruto (2). Aplicando os conhecimentos atuais referentes aos sistemas tribológicos, pode-se diminuir em 20% as perdas geradas pelo desgaste (3). Considerando a competitividade nas indústrias e sua busca pela diminuição de custos operacionais, o fato de diminuir em 20% as perdas geradas com o desgaste, pode significar uma economia significativa e também uma grande vantagem competitiva. A economia gerada pela diminuição de perdas pode significar, maior investimento em novos produtos, ampliação de mercados e vantagens em relação aos concorrentes. O desgaste abrasivo é comum em todos os segmentos da indústria brasileira, mas pode-se citar segmentos importantes na economia, tais como: a mineração, energias renováveis, o segmento produtivo do álcool, a indústria siderúrgica e toda a cadeia produtiva do petróleo. Para realizar os estudo em relação ao desgaste abrasivo utiliza-se uma classificação bastante aceita e difundida dividindo-a em dois tipos: abrasão de dois corpos e a três corpos. No desgaste abrasivo a três corpos as partículas duras estão livres para rolar e deslizar entre duas superfícies em movimento relativo, já no desgaste abrasivo de dois corpos o desgaste é causado por protuberâncias na superfície oposta (4). O desgaste abrasivo representa aproximada-mente 36% das perdas geradas por desgaste, sendo superado apenas pelo desgaste por adesão (5). O estudo do desgaste pode ser realizado com diferentes equipamentos, no entanto, o equipamento desenvolvido para os ensaios desta dissertação, é do tipo pino sobre lixa, que mantém movimentos lineares e será utilizado para um ensaio de desgaste de dois corpos. 6430

3 2 EQUIPAMENTO O abrasômetro do tipo pino sobre lixa para ensaio de desgaste abrasivo de dois corpos éde mesa,do tipo pino sobre lixa que realiza movimentos lineares, no eixo longitudinal e no eixo transversal. Este abrasômetro está representado de forma esquemática na Fig.1 (6). Fig. 1 - Abrasômetro do tipo pino sobre lixa, de movimentos lineares (6) O equipamento desenvolvido manteve os movimentos em dois eixos horizontais controlados por motores de passo, um eixo vertical livre, para receber a carga e realizar um movimento de rotação do corpo de provae está representado na Fig. 2. Fig.2 - Conjunto do Abrasômetro de mesa para ensaios do tipo pino sobre lixa. O sistema de controle eletrônico dos conjuntos é realizado com uma placa Isoladora amplificadora para porta paralela. Esta placa recebe o sinal via porta paralela do micro computador, utilizando o software específico e amplifica os sinais para o drive de cada motor. A placa isola eletricamente o computador dos driver s de acionamento dos motores de passo, possui entrada para sensores de fim de curso e 6431

4 dois relês para ligar outros periféricos. Este controle eletrônico permite a programação das distâncias e velocidades de deslocamento dos eixos longitudinais (eixo X) e do eixo transversal (eixo Y). 3 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL O planejamento foi realizado com o software estatístico MINITAB, com cinco fatores e dois níveis, conforme Tab. 1. Com os cinco fatores e dois níveis, e três réplicas, obteve-se um total de 96 ensaios. Os materiais AISI D6 e AISI 4140 quando fornecidas em barras, sem tratamentos, apresentam durezas diferentes e para realizar o planejamento experimental no software, optou-se por classificar o material sem tratamento como normal. Esta denominação normal significa 210HVpara SAE 4140 e 268HV para o AISI D6. Tab. 1-Fatores e níveis do planejamento experimental Fator Nome Nível (baixo -) Nível (alto +) A Granulometria 80 Mesh 180 Mesh B Lixa R477 ( SiC ) R984 (Al 2O 3Sinterizado) C Carga 3,7 kg 5,9 kg D Material AISI D6 SAE 4140 E Dureza Normal Temperado O resultado do desgaste do corpo de prova foi controlado pela perda de massa, que foi verificada com a utilização de uma balança com capacidade máxima de 210 g, com divisão de escala de 0,1 mg, de gabinete fechado, prato de pesagem de diâmetro 80mm e tempo de estabilização de 4 s. 4 MATERIAIS Aço AISI 4140 A composição química do material foi verificada em um espectrômetro, e a Tab.2 especifica a composição máxima e mínima de cada elemento e o valor encontrado no material analisado. Tab. 2- Composição química (em peso%) do aço AISI AISI 4140 Valores de referência Valores encontrados C% Mn% P máx.% S máx.% Si% Cr% Mo%

5 Aço AISI D6 A composição química do material foi verificada em um espectômetro, e a Tab.3 especifica a composição máxima e mínima de cada elemento e o valor encontrado no material analisado. Tab.3- Composição química (em peso%) do aço AISI D6. AISI D6 C% Mn% P máx.% S máx%. Si% Cr% Mo% Valores de referência , Valores encontrados As durezas dos materiais AISI D6 e AISI 4140 e seu tratamento térmico estão representados na Tab. 4. Material AISI D6 Tab. 4- Tratamentos térmicos, dureza e micro dureza dos corpos de prova Tratamento térmico 1 Pre- aquecimento 450 C /1hr; 2 Pré-aquecimento 850 C/30min.; Aquecimento 970 C/10min.; Resfriamento 280 à 320 /10min.; 1 Revenimento 200 C à 270 C/2hr; 2 Revenimento 550 C/2hr; Dureza Vickers(HV 10 ) AISI D6 Fornecimento laminado a quente, descascado 268 com alívio de tensões Pré-aquecimento 450 C /1hr.; AISI 4140 Aquecimento 870 C/18 min.; Resfriamento 180 C à 200 C/10 min.; Revenimento 180 C à 200 C /2hr; 2 Revenimento 260 C/2hr; AISI 4140 Fornecido laminado Média da micro dureza da matriz (HV 0,10 ) 6433

6 Perda de massa ( g ) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados dos ensaios demonstram que o tipo de abrasivo foi o fator de maior relevância no desgaste, seguido pela carga aplicada no corpo de prova, pela dureza do material, pela granulometria e pelo material utilizado. A influência dos fatores nos desgastes pode ser verificada na Fig.3. Gráfico de influência dos fatores na média de perda de massa Média 0,024 Granulometria Lixa carga 0,022 0,020 0,018 0, SiC Al2O3 3,7 5,9 0,024 material Dureza 0,022 0,020 0,018 0,016 D6 AISI4140 Normal Temperado Fig. 3 - Significância dos fatores na perda de massa do corpo de prova No desgaste dos corpos de prova, pode-se observar que além dos fatores individuais apresentarem grande significância no desgaste dos materiais, como demonstrado no Fig.3, as interações destes fatores também podem ser importantes na análise de desgaste. A importância destes fatores e suas interações estão representadas na Fig.4 e Fig

7 Percentual Fatores 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados (Resposta é perda de massa, Desvio padrão = 0,05) BE DA CE BC DE AD AB AC AE ADE ACDE ABCD BD ABC BDE ABDE ABE CD BCDE ACE ACD ABD CDE ABCE BCD BCE 2,00 B C E Efeito padronizado Fator A B C D E Nome Granulometria Lixa carga material Dureza Fig.4 - Significância dos fatores e suas interações no desgaste dos corpos de prova Gráfico normal dos efeitos padronizados (Resposta perda de massa, Desvião padrão = 0,05) A AC AB DE CE BE D BC AE AD ADE ACDE C B Fator A B C D E Tipo de efeito Não significativo Significativo Nome Granulometria Lixa carga material Dureza E Efeitos Padronizados Fig. 5 - Significância dos fatores e suas inter-relações na perda de massa do corpo de prova 6435

8 Frequencia Residual Percentual Residual 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais O objetivo na construção do abrasômetropara ensaios de desgaste por abrasão de dois corpos, foi atender as especificações de movimentos e de controle de carga conforme Fig.1 (6). O equipamento gerou todos os ensaios, conforme planejamento experimental, atendendo desta forma este objetivo proposto. Na Fig. 6 (a)observa-se que os resultados estão dentro da normalidade e que os valores se aproximam da reta da normalidade. O histograma nafig.6 (c) comprova esta afirmação. Na Fig. 6(b) pode-se perceber o quanto os valores se afastam dos valores padronizados e na Fig. 6 (d) pode-se verificar a aleatoriedade dos valores amostrais, resultantes do planejamento experimental no software MINITAB. 99,9 99 Gráfico da probabilidade normal (a) 0,0010 Residuos x valores (b) 90 0, , ,1-0,0010-0,0005 0,0000 Residual 0,0005 0,0010-0,0005-0,0010 0,010 0,015 0,020 0,025 Valores marcados 0,030 Histograma (c) Ordem dos ensaios 20 0, , , , ,0008-0,0004 0,0000 0,0004 Residual 0,0008 0,0012-0, Ordem de observação 90 Figura 6 - Teste de normalidade e aleatoriedade dos ensaios A variação da granulometria nos ensaios, apresentou a mesma tendência de desgaste com aço SAE 1045, em ensaios de desgaste abrasivo de dois corpos (7). Ensaiosde abrasão em aço AISI 1090 com cinco abrasivos de alumina (# 320, # 240, # 150, # 80 e # 36) também apresentaram uma tendência de desgaste maior para uma lixa de grãos maiores (8). Os materiais temperados e revenidos, com dureza superior aos materiais sem tratamento, apresentam maior resistência ao desgaste e uma carga maior, aumenta o desgaste do corpo de prova (9,10,11). O Carbeto de silício, mesmo apresentando uma 6436

9 dureza maior do que o óxido de alumínio, resultou em um desgaste menor nos materiais analisados. Este resultadoé influenciado pela elevada fragilidade do grão de carbeto de silício. Todos os ensaios foram realizados em regime severo de desgaste, pois em todos os casos a dureza do abrasivo é 20% maior que o do material dos corpos de prova. 6 CONCLUSÕES O equipamento de ensaio de desgaste por abrasão de dois corpos, de mesa, com movimentos lineares, para ensaios do tipo pino sobre lixa, foi concluída com exito, pois os resultados obtidos nos ensaios estão de acordo com os resultados apresentados por outros equipamentos. O planejamento fatorial e o estudo estatístico dos dados, demonstram que os resultados de desgaste do material AISI 4140 e AISI D6 estão alinhados com os resultados de outras pesquisas relativas ao desgaste abrasivo. Verificou-se que todos os fatores estudados apresentaram significativa influência no desgaste dos corpos de prova, sendo que o fator de maior influência foi o tipo de abrasivo. Os ensaios demonstraram que mesmo que as interações dos fatores demonstram ser significativas, os fatores individualmente são os mais relevantes nos desgastes ocorridos nos ensaios. 7 BIBLIOGRAFIA (1) SEIRIG, A. A. Friction and lubrication in mechanical design. New York: Marcel Dekker Inc, (2)TYLCZAC, J. H.Abrasive wear. In P. J. Blau et al. (Eds.). ASM Handbook, Vol. 18. Friction, lubrification and wear technology. ASM Internacional, USA, (1992) (3)JOST, H. P.Tribology origin and future. Wear, 136, 1990, p (4) HUTCHINGS, I. M. Tribology:Friction and wear of engineeringmaterials. Edward Arnold, Londres, (5)RABINOWICZ, E. Friction and wear of materials. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, p. (6) AL-RUBAIE, K.S. Verschleissverhalten von eisenbasis-legierungen bei abrasiver und erosiver beanspruchung. Aachen,ShakerVerlag, 1996, 251p. 6437

10 (7)MARIN, J.J.C. Efeito do tamanho do abrasivo no desgaste de metais. Tese (Doutorado), Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010, 150f. (8)DATE, S.W.; MALKIN, S. Effects of grit size on abrasion with coated abrasives, Wear 40, 1976, p (9)ZUM GAHR, K.-H. Microstructure and wear of materials. Amsterdam: Elsevier, p. (10)VILLABÓN, R.L.Construção e instrumentação de abrasômetro do tipo rodade-borracha para o estudo do comportamento tribológico de aços. Dissertação (Mestrado), Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005, 82f. (11)MISRA, A.; FINNIE, I. A classification of three-body abrasive wear and design of a new tester, Wear 60, 1980, p ABSTRACT Abrasion testing equipment with a configuration of pin on abrasive paper was developed. It consists of a system controlled by CNC for linear movements, allowing variations in the distance and speed of the tests, thereby making the equipment flexible and easy to handle. With this motion control, all tests were performed on new abrasive particles, avoiding the influence of grain breakage or large variations in the abrasion results on passing on the same abrasive particles during the course of abrasion. Abrasion testscan be performed with or without specimen rotation. A load cell was used for controlling the applied load. To validate the abrasion equipment, an experimental design, two-level, five input factors (abrasive type,abrasive particle size, load, material type, and material hardness), three replicas,was randomly carried out. The materials tested were AISI 4140 and AISI D6 steels. The abrasion ratewasrelated to input factors. The results showed that the type of abrasive was the most influential factor on the wear rate. Keywords: Wear; abrasion; Tests. 6438