Relatório Final de Atividades ANÁLISE DAS PROPRIEDADES METALOGRÁFICAS DE FIXADORES EMPREGADOS EM VEÍCULOS DA DÉCADA DE 40 E 60

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1 Relatório Final de Atividades ANÁLISE DAS PROPRIEDADES METALOGRÁFICAS DE FIXADORES EMPREGADOS EM VEÍCULOS DA DÉCADA DE 40 E 60 Pedro Luiz Avallone Relatório Final de Atividades de Iniciação Científica Relativo ao período de 01/02/2013 a 30/06/2013 Faculdade de Tecnologia de Sorocaba Sorocaba, 30 de Maio de 2013

2 ÍNDICE LISTA DE FIGURA... 2 LISTA DE TABELAS INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FIXADORES INTRODUÇÃO A METALOGRAFIA BREVE HISTÓRICO DA MACROGRAFIA ENSAIOS METALOGRÁFICOS PREPARAÇÃO DO MATERIAL CORTE EMBUTIMENTO LIXAMENTO POLIMENTO ATAQUE QUÍMICO MATERIAIS E MÉTODOS RESULTADOS DISCUSSÃO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS

3 LISTA DE FIGURA Figura 1. Imagens do fixador de Figura 2. Imagens do fixador de Figura 3. Imagens do fixador de 1966 ( Modelo A)...12 Figura 4. Imagens do fixador de 1966( Modelo B)...13 Figura 5. Imagens do Processo de corte utilizando a serra policorte Cut-Off...14 Figura 6. Equipamento Durômetro com escalas Rockwell B e C...14 Figura 7. Imagens do Processo de embutimento...15 Figura 8. Imagens do Processo de lixamento...15 Figura 9. Imagens do Processo de Polimento...16 Figura 10. Imagens do Processo de ataque químico...16 Figura 11. Imagens do Processo de Análise...16 Figura 12. Resultado da analise química das amostras...17 Figura 13. Imagens micrográficas ampliadas em duzentas vezes das estruturas dos fixadores...18 Figura 14. Imagens da macrografia dos fixadores...19 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Composição química dos fixadores analisados...17 Tabela 2. Média das durezas das amostras

4 1 INTRODUÇÃO A indústria automobilística movimenta o mercado brasileiro lançando automóveis com tecnologias avançadas e design para todos os gostos. Porém, existe um público específico que não se encanta com tanta modernidade e prefere os modelos mais clássicos, onde encontram principalmente a riqueza de detalhes que nos modelos mais modernos não são tão evidenciados. O grande alvo desse mercado é a paixão dos colecionadores, que não fazem esforços para comprar essas relíquias, independentemente do valor que irá ter que investir. Neste trabalho procurou-se determinar a metodologia de confecção, características mecânicas, químicas e metalográficas de fixadores de rodas de quatro automóveis fabricados entre as décadas de 40 e 60. E possíveis sinais de desgaste dos elementos em função do tempo de utilização e fabricação. Foram empregadas técnicas metalográficas que é o estudo dos produtos metalúrgicos onde se pode determinar algumas características micro e macroestrutural de um item de aço ou ferro fundido, testar uma hipótese relacionada ao comportamento ou desempenho de um item de aço ou ferro fundido e investigar as eventuais causas estruturais de determinado comportamento ou desempenho de um item de aço ou ferro fundido segundo Copaert (2008). Inicialmente foi discutido com o Orientador Prof. Dr. Marcos Chogi Iano o tema da Iniciação Científica e como seriam realizadas as pesquisas e partes práticas. Em seguida, iniciou-se a revisão bibliográfica na Biblioteca da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba José Crespo Gonzales e Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Campus Sorocaba. Após realizada essa etapa, iniciou-se os testes práticos com o auxílio dos Professores e Auxiliares de Docentes do laboratório de Materiais da FATEC Sorocaba. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 FIXADORES O Pequeno Dicionário Enciclopédico Koogan Larousse (1980), define fixador como: Peça ou aparelho para fixar. Os mesmos foram desenvolvidos para serem removidos e reintroduzidos sem reduzirem sua eficácia e podendo ser produzidos em diferentes classes dos materiais. 3

5 Inicialmente os fixadores não continham roscas, eram apenas lisos e por isso não eram eficazes na fixação das peças. Com o passar do tempo foi desenvolvida as primeiras roscas que eram afiladas a mão ou consistiam de um fio enrolado em volta de uma haste e posteriormente soldados. Com o tempo desenvolveu-se equipamentos para produzir a rosca, porém roscas menores eram cortadas por tornos primitivos o que significava ser impossível obter uniformidade na usinagem. Contudo, para a rosca da porca combinar com a do parafuso era uma questão de sorte, quando davam eles eram marcados como pares e nunca mais poderiam ser trocados. Sendo assim, era necessário existir a intercambiabilidade das partes, a qual eliminaria a falta de uniformidade do rosqueamento das porcas com os fixadores e proporcionaria rapidez e agilidade na montagem e desmontagem. Até o fim do século XVIII a técnica padrão para formas de roscas largas era a colocação de uma matriz ou de um instrumento de corte contra um fixador quente sem rosca. Outro problema era a quantidade de passos e diâmetros dos fixadores, que foi resolvido em 1800 pelo inglês Henry Maudeslay, o qual construiu o primeiro equipamento que possibilitava o operador fazer fixadores com qualquer passo e diâmetro. Hoje a técnica padrão é a de rolar roscas, mantendo as matrizes rosqueadas contra o fixador ainda sem rosca e girá-lo. Comparando a usinagem com essa técnica, a principal diferença é que o torno corta a rosca removendo material, enquanto as matrizes rolantes formatam a superfície sem perda de material. O forjamento contínuo a frio é o processo pelo qual a maioria das porcas e fixadores são produzidos atualmente. 2.2 INTRODUÇÃO A METALOGRAFIA A metalografia consiste no estudo da estrutura dos materiais. Subdivide-se em micrografia e macrografia. A macrografia serve para análise da estrutura dos materiais a olho nu, enquanto que a micrografia consiste em uma análise mais profunda da estrutura do material e são necessários equipamentos como microscópios. Para a análise da estrutura dos materiais é necessário que estes sejam preparados, a fim de que contornos de grão sejam vistos mais facilmente. É de extrema importância que a preparação do material seja feita corretamente, caso contrario os resultados podem ser alterados. Portanto para a realização das técnicas de preparação do material, é essencial que haja conhecimento e um bom treinamento para que os resultados não sejam alterados. Essas alterações podem decorrer em virtude de 4

6 temperaturas altas na superfície, por encruamentos, ou por outros fatores decorrentes da falta de conhecimento para realização do procedimento BREVE HISTÓRICO DA MACROGRAFIA A metalografia, encarada como uso de aspectos visuais do metal para controle de suas propriedades, teve origem no oriente por volta do ano 800 D.C. Nesta época usavam-se matériais compósitos como aço de alto carbono, ou combinação de aço e ferro, para produção de aço por forjamento, o que produzia uma microestrutura visível a olho nu. A conferência da macroestrutura do material servia não apenas para conferir a qualidade estética do material, mas também para conferir parâmetros de qualidade do aço Damasco. Também se supõe que está técnica era utilizada para determinar a qualidade das espadas Japonesas, que eram constituídas de um núcleo de ferro, cercado por aço temperável, que também foram desenvolvidas na mesma época. No século XVI, surgiu na Europa os primeiros livros que abordavam aspectos práticos da metalurgia extrativa, incluindo ensaios de controle de corpos-de-prova, pratica muito importante para o desenvolvimento da metalografia no inicio do século XX. A primeira descrição do uso da fractografia para aferir a qualidade do processo foi feita por Biringuccio, em Em 1574, Ercker descreveu um procedimento similar, mas usando ensaio de impacto em corpos-de-prova entalhados para controle de qualidade dos lingotes de cobre, bronze e prata. Em 1627, Savot usou o aspecto granulométrico mais refinado da fratura de corpos-de-prova como medida indireta da maior resistência ao impacto dos sinos fundidos em liga Cu-Sn-Bi (precursor da Lei de Hall-Petch, desenvolvida por volta de 1950). ( BREVE HISTÓRIA DA METALOGRAFIA USP) Outro fator muito importante foi à descoberta da microscopia ótica. Em 1665 Hook publicou a primeira imagem fractográfica obtida por microscopia. Em 1722 foi publicado por De Réaumur mais um estudo, onde revelava as superfícies de fratura de varias classes de aço e ferro. Em 1862, Kirkaldy relacionou a alteração no aspecto da fratura de ferro e aço forjados com tratamento térmico, enquanto, em 1868, Tschernoff discutiu o efeito do teor de carbono e do tratamento térmico do aço no tamanho de grão da fratura. O primeiro ensaio de investigação metalográfica em metal for realizado pelo inglês Henry Sorby em Sorby adaptou o microscópio óptico para trabalhar com a luz refletida na pesquisa da microestrutura de meteorito de ferro, e tornou-se o primeiro pesquisador a estudar como a microestrutura do aço variava com a sua composição 5

7 química, tratamento térmico e processo de manufatura, sendo reconhecido como o pai da metalografia, apesar de seu relativo desinteresse por metalurgia. A metalografia passou a ter destaque, em detrimento da fractografia, no final do século XIX. No Brasil, Antônio Francisco de Paula Souza, exerceu um papel estratégico para industrialização do estado de São Paulo, em certo ponto da vida dedicou-se à formação da Escola Politécnica, que foi inaugurada em Paula Souza tinha plena convicção da necessidade do ensino científico para a industrialização do Brasil. Para garantir o ensino prático de disciplinas tecnológicas, fundou-se junto à escola o Gabinete de Resistência dos Materiais (1899), projetado pelo professor suíço Ludwig von Tetmayer. Em 1906 enviou o engenheiro Hippolyto Pujol para a Europa visitar laboratórios onde nesta época a metalografia microscópica já estava consolidada. De volta ao Brasil, em 1907, Pujol trouxe material didático e um microscópio Zeiss do tipo Martens, permitindo a instalação de um laboratório de metalografia microscópica no Gabinete de Resistência de Materiais da Escola Politécnica. Em 1910, o ensino prático de metalografia fazia parte da cadeira de Curso experimental de Resistência dos Materiaes da Escola Politécnica e em 1912, a Revista Politécnica publicou os primeiros artigos de metalografia no país. Dos trabalhos de metalografia produzidos pelo Gabinete entre as décadas de 10 e 20 e que puderam ser recuperados, há uma indicação de que seu objetivo era o controle de qualidade de componentes metálicos usados na construção civil. A partir da década de 30, graças ao trabalho sistemático de Hubertus Colpaert, a técnica de metalografia se consolida no Brasil como uma importante ferramenta de ensino e de desenvolvimento industrial, principalmente em casos de análise de falha, controle de qualidade, engenharia reversa e otimização microestrutural através de tratamentos termomecânicos ENSAIOS METALOGRÁFICOS Os ensaios metalograficos relacionam a estrutura do material com suas propriedades físicas, mecânicas, processo de fabricação, tratamentos, desempenho de suas funções e outros. Pode ser Macrográfico ou micrográfico, o ensaio macrográfico é a análise da seção de uma peça previamente polida e em geral atacada por um reagente específico e apropriado para cada tipo de metal, de modo a expor à macro-estrutura da peça em análise. Esta análise macrográfica é feita a olho nu ou no máximo com auxílio de lupa. 6

8 Já no ensaio micrográfico também é necessário que seja feito o ataque com reagentes específicos, para que seja exposta a microestrutura do material e assim possibilitar sua análise. Neste tipo de ensaio são necessário aparelhos de microscopia ótica para que sejam determinados os constituintes, e textura do material. Através deste método de ensaio é possível verificar os grãos do material e como este é formado, e assim chegar a conclusões sobre as propriedades mecânicas do material conforme análise de como estes se organizam na estrutura do material. A formação de diferentes tipos de grãos pode se dar por diversos motivos, tais como processo de fabricação, trabalhos mecânicos aplicados, ou ainda tratamentos térmicos efetuados no material. O Ensaio de Micrografia pode fornecer as seguintes características de um metal: tamanho de grão, nível de inclusão, classificação de estruturas cristalinas, dimensão e distribuição de grafitas, dimensionamento de descarbonetação superficial, dimensionamento de profundidade de tratamentos. 2.3 PREPARAÇÃO DO MATERIAL A preparação do material a ser analisado, segue a seguinte ordem; corte, embutimento, lixamento, polimento, e ataque químico CORTE Conforme o que se deseja verificar, deve se escolher a seção a ser cortada, Longitudinal ou transversal, pois cada uma permite a análise de pontos distintos, sendo assim, temos: O corte longitudinal permite verificar: Se a peça é fundida, forjada ou laminada; Se a peça foi estampada ou torneada; A solda de barras A extensão de tratamentos térmicos superficiais, etc. O corte transversal permite verificar: A natureza do material; A homogeneidade; A forma e dimensões das dendritas; 7

9 A profundidade de têmperas, etc Os cortes podem ser feitos por abrasão a seco ou úmido, torneamento, serragem, e cisalhamento. Destes os que mais se adapta a metalografia é o de abrasão a úmido, que é feito com disco abrasivo, e uma boa refrigeração, que é feita para solucionar o aquecimento do material, o que poderia vir a alterar sua estrutura EMBUTIMENTO É utilizado para peças e corpo de prova de pequeno porte e pode ser a frio ou a quente. Este processo é de grande importância, pois facilita o manuseio de peças pequenas e evita que as arestas rasguem a lixa e o pano de polimento, além de evitar o abaulamento dos corpos de prova durante o polimento, o que influencia na observação microscópica. O embutimento com resinas sintéticas são neutros em relação às soluções de ataque e impedem a infiltração das soluções em poros e fendas. A dureza pode ser adaptada à dureza do material a ser embutido, através de aditivos específicos. O embutimento pode ser: A frio quando se usa resinas sintéticas de polimerização rápida; A quente quando a amostra é embutida em materiais termoplásticos por meio de prensas LIXAMENTO Este processo ocorre para que se possa preparar o material para o polimento e sejam eliminados riscos e marcas mais profundas. É um dos processos mais demorados, e deve ser executado de maneira cautelosa, sempre obedecendo à ordem de lixas. Existem dois processos de lixamento, o manual que pode ser úmido ou seco e o automático. A técnica de lixamento manual consiste em se lixar a amostra sucessivamente com lixas de granulometria cada vez menor, mudando-se de direção (90 ) em cada lixa subsequente até desaparecerem os traços da lixa anterior. A sequência adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços deve ser 220, 320, 400, 600. Para um lixamento eficaz é necessário o uso de técnicas adequadas, pois de acordo com a natureza da amostra, pressão de trabalho e velocidade de lixamento, pode surgir deformações na superfície por amassamento e aumento da temperatura. 8

10 2.3.4 POLIMENTO Está operação visa um acabamento superficial polido, livre de marcas, para este fim utilizam-se abrasivos como pasta de diamante ou alumina. Antes, porém é necessário que seja feita uma limpeza cautelosa no material, a fim de que sejam retiradas quaisquer impurezas, como solventes, poeiras e outros. A operação de limpeza pode ser feita comumente com água, no entanto como este material deverá ser seco antes do inicio do polimento, aconselha se que está limpeza seja feita com líquidos de baixo ponto de ebulição, tal como o álcool etílico, para que essa secagem seja mais rápida. Alguns cuidados devem ser tomados nesta operação: A superfície deve estar rigorosamente limpa; A escolha adequada do material do polimento; Evitar polimentos demorados Nunca polir amostras diferentes sobre o mesmo pano de polimento (por causa da diferença de dureza entre elas, um pequeno cavaco da amostra mais dura irá riscar a mais macia); Evitar fricção excessiva; Evitar pressão excessiva sobre a amostra. (aplicar um pouco mais que o próprio peso da amostra) ATAQUE QUÍMICO Depois de pronta a amostra é submetida ao ataque químico, após se ter a superfície polida, está reflete a luz, o que impossibilita a analise do material. O ataque é feito agitando-se a superfície polida mergulhada no reativo posto numa pequena cuba. A duração do ataque depende da concentração de reativo e da natureza e textura da amostra. Em média, a duração do ataque para ferro fundido e aços comuns é de 5 a 15 segundos. Após o ataque lava-se imediatamente a superfície atacada com álcool e em seguida efetua-se a secagem, passando-se primeiramente um pequeno chumaço de algodão umedecido com álcool e depois um jato de ar quente à superfície. O ataque químico pode ser divido em dois grupos: Micro ataque - Evidencia a estrutura íntima do material em estudo para que este seja analisado por microscópio óptico. 9

11 Macro ataque - Evidencia a macroestrutura, para que melhor possa ser observado a olho nu, ou com lupa com aumento de no Maximo 10X. 3 MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foram analisados parafusos de fixação das rodas de automóveis da década de 40 e 60 (Figura 1, 2, 3 e 4): Amostra ; Figura 1. Imagens do fixador de

12 Amostra ; Figura 2. Imagens do fixador de

13 Amostra , Modelo A; Figura 3. Imagens do fixador de 1966 ( Modelo A) 12

14 Amostra , Modelo B. Figura 4. Imagens do fixador de 1966( Modelo B) 13

15 As amostras foram divididas ao meio no sentido longitudinal através da serra policorte Cut-off, para se analisar as linhas de conformação reveladas no ataque macrográfico e os filetes da rosca. O equipamento utiliza discos abrasivos 3045, indicado para aços de até 0,45%C com refrigeração forçada (Figura 5). Figura 5. Imagens do Processo de corte utilizando a serra policorte Cut-Off Após seccionadas as amostras foi obtida a dureza das mesmas na escala Rockwell. O equipamento durômetro (Figura 6) deve estar ajustado para escala B com indentador de esfera com 1/16 e carga de 100Kgf e para escala C com indentador de diamante e carga de 150Kgf. Figura 6. Equipamento Durômetro com escalas Rockwell B e C 14

16 A operação de embutimento (Figura 7) foi realizada inserindo resina baquelite no equipamento que alojava a peça, a temperatura começa subir até se estabilizar em 170 C permanecendo por 3 minutos, a pressão é da ordem de 125kgf/mm² realizada pelo macaco hidráulico durante todo o procedimento. Após realizada a cura, automaticamente o equipamento libera água para resfriar a resina até 55 C, desligando posteriormente. Figura 7. Imagens do Processo de embutimento A etapa de lixamento (Figura 8) consistiu em se lixar as amostras sucessivamente com lixas de granulometria 220, 320, 400 e 600, mudando-se a direção de lixamento em 90º em cada lixa subsequente até que superfície fique sem riscos da lixa anterior. Figura 8. Imagens do Processo de lixamento Após esta etapa, o polimento (Figura 9) foi realizado com pasta diamantada de 3 mícrons a fim de proporcionar um bom acabamento da superfície. 15

17 Figura 9. Imagens do Processo de Polimento Logo após foi realizada a limpeza com algodão e álcool etílico, deixando a peça preparada para ser atacada. O reagente utilizado para o ataque químico (Figura 10) na micrografia foi o Nital 3% ( 3% HNO3 + 97% álcool etílico). Figura 10. Imagens do Processo de ataque químico Por fim, foram analisadas as amostras com o auxílio de um microscópio óptico (Figura 11) com ampliação de 100 vezes. Figura 11. Imagens do Processo de Análise 16

18 Para a macrografia, foi preparada uma solução inserindo 20ml de Ácido Sulfúrico em um recipiente contendo 80ml de água osmose. Essa solução foi aquecida em 90 C e foram inseridos os fixadores durante um período de dez minutos. Em seguida retiraram-se os fixadores da solução e foi realizado a limpeza com álcool e algodão contendo sabão ( Sapólio ). Após realizada a limpeza a peça foi secada com o auxílio de um secador. 4 RESULTADOS A análise química (tabela 1 e figura 12) e medição das durezas (tabela 2) foram realizadas em todos os fixadores retirados dos veículos. Tabela 1. Composição química dos fixadores analisados C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Co Cu Amostra 01 0,430 0,208 0,830 0,012 0,011 0,016 0,003 0,011 0,003 0,005 0,043 Amostra 02 0,443 0,256 0,790 0,022 0,009 0,227 0,005 0,047 0,008 0,017 0,026 Amostra 03 0,397 0,249 0,850 0,027 0,013 0,025 0,004 0,006 0,009 0,005 0,029 Amostra 04 0,407 0,236 1,000 0,018 0,010 0,306 0,003 0,010 0,038 0,004 0,032 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Amostra 01 Amostra 02 Amostra 03 Amostra 04 0,2 0 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Co Cu Figura 12. Resultado da analise química das amostras 17

19 Tabela 2. Média das durezas das amostras Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 89HRB 27HRC 90HRB 22HRC As micrografias das estruturas das amostras dos fixadores são mostradas na figura 13. AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 AMOSTRA 3 AMOSTRA 4 Figura 13. Imagens micrográficas ampliadas em duzentas vezes das estruturas dos fixadores As macrografias das amostras dos fixadores são mostradas na figura

20 AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 AMOSTRA 3 AMOSTRA 4 Figura 14. Imagens da macrografia dos fixadores 19

21 4 DISCUSSÃO O resultado das micrografias das estruturas das amostras apresentam semelhanças entre as amostras 2 e 3, compostas por matriz ferrítica e entre as amostras 1 e 4, que são martensíticas. A estrutura ferrítica apresenta propriedades mecânicas inferiores em relação à martensítica. Através dos resultados da análise química, podem-se verificar semelhanças na composição dos fixadores retirados dos automóveis da década de 40 e 60. Observa-se que as amostra 1 e 2 contém uma porcentagem muito superior de cromo quando comparadas com a 3 e 4 e que na amostra 1 o manganês apresenta uma proporção maior do que as demais amostras. Este elemento, nesta porcentagem, Souza (1989) descreve: proporcionará melhores propriedades ao impacto, também interessantes nestes elementos que estão sujeitos a estas solicitações. A verificação dos resultados obtidos das durezas dos materiais indicam relações mútuas com as estruturas que formam o mesmo e que a amostra da década de 40 é a que apresenta a maior dureza. Observa-se também na amostra 1 (Figura 13) a estrutura próxima do filete da rosca grãos alongados devido a conformação, região a qual passa a ter uma resistência maior comparada a outras regiões. E também se observa em todas as imagens da macrografia (Figura 14) na região da cabeça do fixador, as linhas de conformação que foram deformadas através de uma grande força exercida para identificação do fixador quando foram produzidos. 5 CONCLUSÃO Baseado nas análises realizadas pode-se afirmar que os fixadores têm características muito parecidas, composições e processo de produção. Analisando a Macrografia (Figura 14) percebe-se nitidamente a intercalação dos dentes e as linhas de conformação com o mesmo sentido na região da rosca, indicando que as roscas dos fixadores foram usinadas. Mas acima, na região central é possível perceber através das linhas e coloração diferente que o fixador sofreu algum esforço quando fabricado, pois, as linhas não estão homogêneas. E na região da cabeça do fixador, é evidente a distorção das linhas, indicando que essa região sofreu a atuação de 20

22 uma grande força, que deve ser a força executada para marcar as especificações dos fixadores. Os esforços dos fixadores são explicados pela terceira lei de Newton: A toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentido contrário e sabemos que esses esforços sofridos pelos fixadores são tração, flexão e torção. Visando esses esforços não foram detectados indícios de desgaste prematuro ou incisivo dos fixadores em função do tempo de utilização. 21

23 REFERÊNCIAS COPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª ed. São Paulo: Blucher, SOUZA, S, A de. Composição química dos aços. São Paulo: Edgard Blucher, CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7ed. LTC, São Paulo, LAROUSSE, K. Pequeno Dicionário Enciclopédico. Rio de Janeiro: Larousse do Brasil, (Terça 12/03/2013 às 18:27hs) ( Segunda 24/06/2013 às 20:54hs) 22