MACROESTRUTURAS, MICROESTRUTURAS E PROPRIEDADES MECÂNICAS DE HÉLICES NAVAIS FABRICADOS NO ESTADO DO PARÁ

Transcrição

1 MACROESTRUTURAS, MICROESTRUTURAS E PROPRIEDADES MECÂNICAS DE HÉLICES NAVAIS FABRICADOS NO ESTADO DO PARÁ J. C. F. Valente, A. S. Barros, E. A. Fernandes, F. M. A. Bentes Neto, J. A. F. Rodrigues, O. F. L. Rocha Rua Augusto Corrêa nº 1, CEP: , Belém PA, joaocarlosfv@live.com Universidade Federal do Pará, Faculdade de Engenharia Mecânica, UFPA, Belém, PA, Brasil Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Pará, IFPA, Belém, PA, Brasil RESUMO O Estado do Pará contempla uma extensa área fluvial que influencia diretamente no desenvolvimento socioeconômico da maioria de seus municípios. Em função da intensa utilização de embarcações de madeira empregadas no transporte de cargas, deslocamento de passageiros, atividade pesqueira, serviços públicos etc, presentes no cotidiano da população, estudos abordando o comportamento mecânico dos propulsores navais tipo hélice utilizados por essas embarcações apresenta significativa relevância, uma vez que estes são produzidos por meio de procedimentos empíricos. O principal objetivo deste trabalho é analisar as estruturas de solidificação e correlacioná-las com o comportamento mecânico de hélices produzidos em diferentes municípios paraenses. Os resultados encontrados mostram que as estruturas de solidificação obtidas contribuem diretamente para o baixo desempenho mecânico dos propulsores navais investigados. Palavras-chave: produção artesanal, propulsores navais tipo hélice, estruturas de solidificação, propriedades mecânicas. 4618

2 INTRODUÇÃO O processo de fundição na região amazônica apresenta, ainda hoje, um elevado grau de empirismo que é utilizado na obtenção de diversos produtos acabados como, por exemplo, propulsores navais tipo hélice utilizados por dezenas de milhares de embarcações nas condições regionais. Tal fato compromete sobremaneira a qualidade requerida por esses propulsores sendo, portanto, bastante comum a presença de inúmeras descontinuidades em suas estruturas tais como porosidade, vazios, entalhes, trincas, etc, bem como a quebra e/ou empenamento dos mesmos quando utilizados por embarcações típicas da região (1). Assim, são frequentes os prejuízos gerados em virtude do baixo desempenho operacional desses hélices, o que torna evidente a necessidade do desenvolvimento de estudos capazes de contribuir para a minimização de problemas e limitações vivenciados pelo setor de transporte hidroviário na região impostos pelo empirismo utilizado no processo de fabricação destes componentes metálicos (2). Reinhart (3) mostra que os fundidos podem ser caracterizados por uma imensa variedade de estruturas que possibilitam os mais diversos comportamentos mecânicos aos mesmos. Estabelecer, por exemplo, correlações entre estruturas brutas de solidificação e propriedades mecânicas decorrentes é uma tarefa complexa e que se inicia pela análise dos diferentes aspectos estruturais. As características mecânicas dos produtos solidificados dependem do arranjo macroestrutural, contudo, principalmente do tamanho do grão, dos espaçamentos dendríticos, lamelares ou fibrosos, das heterogeneidades de composição química, do tamanho, da forma e distribuição das inclusões, de porosidade, segregação de soluto, etc (4,5). Considerando a importância tecnológica, econômica e, principalmente, social do assunto para a região, este trabalho objetiva desenvolver um estudo capaz de avaliar as macro e microestruturas de solidificação obtidas e as correspondentes propriedades mecânicas de hélices navais produzidos particularmente no Estado do Pará e que são utilizados pelas referidas embarcações, diagnosticando assim possíveis causas para o baixo desempenho dos mesmos. 4619

3 MATERIAIS E MÉTODOS O levantamento das informações necessárias para a realização deste estudo baseou-se principalmente na observação direta do processo de fabricação bem como na aplicação de um questionário técnico junto aos proprietários de embarcações e produtores dos hélices investigados localizados em municípios estratégicos do Estado do Pará, como Bragança, Breves, Marabá, Santarém, Tucuruí e Vigia, destacados na Fig. 1. Os questionários mencionados abrangiam informações como a especificidade das embarcações e dos hélices, considerando critérios como matéria prima utilizada na fabricação, critérios de dimensionamento, etapas e limitações do processo de fabricação, mão de obra envolvida e tempo de vida útil média dos propulsores. Figura 1. Municípios paraenses visitados. Para a realização das análises química e macroestrutural das amostras, foram coletadas diversas amostras de hélices produzidos empiricamente nos municípios visitados. A análise química foi realizada por meio de espectrometria óptica em um analisador modelo Bruker Q4 Tasman. Após análise química, as pás e os cubos dos propulsores foram cortados longitudinalmente sendo em seguida lixados e polidos para que as superfícies se tornassem adequadas ao procedimento metalográfico. Estas etapas foram realizadas utilizando-se, respectivamente, lixas d agua de granulometria crescente (60, 120, 220, 320, 400, 600 e 1200 mesh) e politriz modelo Fortel PFL de dupla velocidade. O ensaio mecânico de tração foi realizado em Máquina de Tração AROTEC WDW 100E acoplada a um sistema de aquisição e tratamento simultâneo de dados. 4620

4 Tal ensaio foi realizado a uma velocidade de 2 mm/min. A célula de carga utilizada foi de 5 kn. Cada ensaio de tração considerou dois diferentes corpos de prova referentes a um mesmo hélice. Para o ensaio de dureza, utilizou-se um Durômetro WOLTEST Modelo 100 MR para efetuar as identações e levantar os dados de Dureza Brinell dos corpos de prova. Os corpos de prova para os referidos ensaios foram preparados no Laboratório de Fundição do Instituto Federal do Pará IFPA, de modo que o processo de fundição fosse semelhante ao encontrado nas oficinas artesanais visitadas e que a usinagem fosse realizada de acordo com as normas aplicáveis. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tab. 1 apresenta as composições químicas das amostras dos hélices coletados. Verifica-se que os propulsores são produzidos principalmente a partir de quantidades bastante variáveis de sucatas de cobre e zinco e em algumas amostras são observadas teores significativos de alumínio. Os resultados demonstram que não existe qualquer critério técnico para seleção da matéria prima utilizada na fabricação dos propulsores fato que, certamente, contribui significativamente para o comprometimento do desempenho dos mesmos. A Tab. 2 apresenta composições químicas indicadas para o processo de fabricação de hélices navais (6). Tabela 1. Composição média dos principais elementos químicos identificados. Amostra Cu Zn Sn Al Si Fe Pb Ni Mn P Ti Belém 1 26,40 14,40 0,55 34,17 2,68 3,96 0,67 5,40 0,82 0,02 0,13 Belém 2 26,30 14,40 0,62 39,00 3,28 1,59 0,84 5,40 0,49 0,02 0,01 Bragança 1 4,76 1,50 0,04 80,89 8,65 1,39 0,08 0,88 0,38 0,02 0,08 Bragança 2 4,43 1,39 0,08 82,80 8,43 0,58 0,13 0,61 0,24 0,02 0,08 Vigia 1 26,40 14,40 1,20 36,12 5,21 3,70 1,20 5,40 2,96 0,02 0,10 Vigia 2 26,40 14,40 1,20 35,97 5,24 3,53 1,20 5,40 1,25 0,02 0,01 Santarém 0,01 0,01 0,01 98,55 0,06 0,60 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 Tucuruí 26,40 14,40 1,20 35,83 5,00 3,60 1,20 5,40 0,90 0,02 0,10 Tabela 2. Composições químicas utilizadas na fabricação de hélices navais. Liga Cu Zn Sn Al Fe Pb Ni Mn Bronze Mn 1 52 a a 40 1,5 máx 0,5 a 3 0,5 a 2,5 0,5 máx 1 máx 0,5 a 4 Bronze Mn 2 50 a a 38 1,5 máx 0,7 a 2 0,5 a 2,5 0,5 máx 2,5 a 8 1 a 4 Bronze Al 3 77 a 82 1 máx 0,1 máx 7 a 11 2 a 6 0,03 máx 3 a 6 0,5 a 4 Bronze Al 4 70 a 80 6 máx 1 máx 6,5 a 9 2 a 5 0,05 máx 1,5 a 3 8 a 20 Latão Amarelo 55 a 60 Restant 1,5 máx 0,7 a 1 0,9 a 2 0,4 máx - x - 0,3 a 0,9 e 4621

5 A Fig. 2 mostra a seção longitudinal da pá de um hélice na qual é evidenciada uma acentuada heterogeneidade estrutural, ou seja, apresenta grãos equiaxiais finos em sua região central bem como a formação de grãos colunares e equiaxiais grosseiros localizados próximo à região do cubo bem como na extremidade da mesma. A Fig. 3 indica a seção longitudinal de cubos de diferentes propulsores estudados os quais apresentam, predominantemente, a intensa formação de grãos equiaxiais de grandes dimensões. Por outro lado, a imagem do cubo localizado abaixo e à esquerda na figura em questão, revela a presença apenas de cristais equiaxiais de dimensões bastante reduzidas quando comparadas às anteriores. As Figuras mostradas evidenciam o elevado grau de anisotropia que caracteriza as macroestruturas formadas no produto fundido que contribui fortemente para a redução do desempenho das propriedades mecânicas dos propulsores estudados. Figura 2. Macroestrutura da seção longitudinal de um hélice estudado. Figura 3. Seções longitudinais de diferentes cubos de propulsores analisados com predominância de estruturas colunares e equiaxiais grosseiras. As Fig. 5(a) e 5(b) apresentam as microestruturas brutas de fusão referentes às amostras Bragança 2 e Belém 2 da seção transversal das pás de hélices. A Fig. 5(a) indica a presença de uma estrutura tipicamente dendrítica bem definida (cor clara) assim como regiões ocupadas por soluto interdendrítico (cor cinza) constituído principalmente de cobre e silício. A Fig. 5(b) mostra a microestrutura do hélice Belém 4622

6 2 com aumento de 50x onde é observada uma microestrutura fina, não homogênea, com formação de solução sólida de fase alfa (áreas claras), com intensa segregação interdendrítica rica em zinco (áreas escuras). Figura 5. Microestruturas das amostras Bragança 2 (a) e Belém 2(b) da seção transversal da pá de um hélice (aumento de 50x). Além disso, um alto grau de defeitos de fundição é introduzido nos propulsores estudados ao longo do processo produtivo, comprometendo sobremaneira suas propriedades mecânicas. Tais efeitos podem ser explicados pelo fato do não controle de determinados fatores operacionais, tais como seleção e controle da matéria-prima, temperatura e altura de vazamento, propriedades da areia utilizada (granulometria, umidade, composição, etc), características do molde (dimensão, espessura e material). A Tab. 3 compara algumas propriedades mecânicas dos propulsores navais estudados com aquelas estabelecidas pela norma NBR 6314/1982-ABNT. Observa-se que as características mecânicas dos referidos propulsores encontram-se muito abaixo daquelas recomendadas pela norma em questão. Amostra Liga ABNT C Tabela 3. Propriedades mecânicas de alguns hélices estudados. Resistência à Tração (MPa) 590,00 (valor de referência) Limite de Escoamento (MPa) 240,00 (valor de Alongamento (%) 15,00 (valor de referência) Dureza Brinell (HB) 160 (valor de referência) referência) Belém 1 131,9 ( 15,0) 8,9 ( 3,0) 20,0 30,5 Belém 2 144,8 ( 0,7) 10,2 ( 4,0) 26,5 32,5 Santarém 64,3 ( 5,0) 5,48 ( 4,0) 8,7 16,5 Vigia 1 141,05 ( 2,0) 14,3 ( 1,0) 10,2 40,5 Vigia 2 155,3 ( 40,0) 9,4 ( 5,0) 9,6 49,3 Bragança 1 117,4 3,5 10,9 40,2 Bragança 2 56,7 3,7 10,3 40,0 Tucuruí 112 ( 5,0) 10,6 ( 1,0) 9,2 45,1 4623

7 CONCLUSÃO Os resultados obtidos permitem concluir que o não controle das condições operacionais de solidificação produz características não desejáveis à estrutura dos hélices estudados, ou seja, macroestruturas e microestruturas anisotrópicas além de diversos defeitos como vazios, trincas de contração, porosidade, produtos segregados, presença de outras fases etc que proporcionam propriedades mecânicas inferiores aos mesmos, promovendo menor qualidade ao produto final. Assim, é muito importante a realização de futuros estudos que possam oferecer possibilidades de desenvolvimento tecnológico ao processo de produção desses hélices visando a melhoria do desempenho dos mesmos. REFERÊNCIAS 1. LOUREIRO, J. C. S.; OLIVEIRA, M. F. S.; PINTO, R. O.; ROCHA, O. F. L.; PERALTA, J. L.; MOREIRA, A. L. S. Influência do processo de fabricação no desempenho de propulsores navais tipo hélice utilizados por embarcações nas condições amazônicas. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14, São Pedro, Anais do 14º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS CBECIMAT. 2. FREITAS, E. S.; BARROS, A. S.; AVIZ, J. A. S.; BARROS, R. S. N.; MOREIRA, A. L. S. Produção artesanal de propulsores navais tipo hélice no estado do Pará. In: CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA, 7, São Luís, Anais do VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica CONEM. 3. REINHART, G.; MANGELINCK-NOËL, N.; NGUYEN-THI, H.; SCHENK, T.;GASTALDI, J.; BILLIA, B.; PINO, P.; HÄRTWIG, J.; BARUCHEL, J. Investigation of columnar equiaxed transition and equiaxed growth of aluminium based alloys by X-ray radiography. Materials Science & Engineering A v p ,

8 4. MOREIRA, A. L.; SILVA, J. N.; MOUTINHO, D. J.; FERREIRA, I. L.; ROCHA, O. L. The columnar to equiaxed transition during the horizontal directional solidification of Sn-Pb alloys. Journal of Alloys and Compounds, v. 478 p , OSÓRIO, W. R.; BORTOLOZO, A. D.; PEIXOTO, L. C.; GARCIA, A. Mechanical performance and microstructure array of as-cast lead-silver and lead-bismuth alloys. Journal of Power Sources (Print), v. 271 p , METALS HANDBOOK, 1961, Properties and Selection of Metals - Copper and Copper Alloys, American Society for Metals-ASM, Vol. 1, Ohio, USA, pp MACROSTRUCTURES, MICROSTRUCTURES AND MECHANICAL PROPERTIES OF MARINE PROPELLERS USED BY TYPICAL SHIPS IN PARÁ STATE ABSTRACT The privileged location of Pará State near the largest waterwashed all over the world, naturally leads to river navigation to the condition of dominant modal matrix of region transport. In spite of that, most of the ships and some of its mechanical componentes are projected in a handmade way which is based upon the empirical knowledge. Thus, some of these components are the marine propellers which present generally a low performance as a function of its low mechanical properties. Considering the social and technological importance of this subject for the region, this work presents a study about the macrostuctures, microstructures and mechanical properties of marine propellers manufactured in Pará state to contribute in understanding of low mechanical properties presented by these propellers. Keywords: handmade production, screw propellers, solidification structures, mechanical properties. 4625