ANÁLISE DAS MUDANÇAS DAS GRAFITAS DE DISCOS DE FREIOS DE FERRO FUNDIDO CINZENTO FC-250

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1 ANÁLISE DAS MUDANÇAS DAS GRAFITAS DE DISCOS DE FREIOS DE FERRO FUNDIDO CINZENTO FC-250 Lucemar Diogo de Oliveira 1, Emerson Augusto Raymundo 2, Jonas Renato Dias Alves Dinis 2, Willian Gonzaga Pereira 2, Giselia Alves de Souza 2 1 Unisal, Centro Universitário Salesiano de São Paulo, Rua Dom Bosco, 284 Centro Lorena/SP, Brasil, lucemardiogo@hotmail.com 2 FATEC de Pindamonhangaba, Rod. Vereador Abel Fabrício Dias, 4010, Água Preta - Pindamonhangaba/SP, , Brasil, emersonaugustoray@gmail.com, jonasprea@hotmail.com.br, wiliam.pereira@fatec.sp.gov.br, galvesdesouza@uol.com.br Resumo - Os ferros fundidos cinzentos são considerados ligas ternárias de ferro, carbono e silício, de certo modo poucos conhecidos e com aplicação restrita, isto se deve a alguns motivos, o principal deles, é o elevado teor de carbono, que resulta em um material duro. Porém, mesmo com elevado teor de carbono, uma de suas aplicações é na indústria automobilística através de peças destinadas a frenagem, como o discos de freio. Por meio de combinações de elementos como silício e carbono distribuído em uma matriz de ferro, denominado de grafita, propicia propriedades distintas. Esses veios pode promover processos de lubrificação espontânea entre os objetos de contato, tais como as pastilhas. O trabalho proposto apresenta uma análise metalográfica da evolução dessas grafitas em discos de freio, com diferentes quilometragens. As etapas realizadas durante o processo de análises de análise morfológica das grafitas teve como intuito de mostrar as características da grafita para essas quilometragens, pois as funções das grafitas seria de transporte de energia do sistema e lubrificação e que com sua mudança comprovada pode levar a perda de sua funcionalidade. Palavras-chave: Ferro fundido, discos de freio, grafitas, amortecedores. Área do Conhecimento: (engenharias) Introdução Considerado um dos principais itens de segurança de um veículo, o sistema de freio suporta todo o peso do veículo e as forças que atuam sobre ele, todas as peças que compõem este sistema devem ser de excelente qualidade, para que o mesmo atue de maneira segura. De acordo com Brezolin; et al. (2007), o princípio de funcionamento do freio a disco se dá através do uso de um disco de metal com diâmetro menor que a roda do veículo, sendo presa a esta, girando com a mesma velocidade de rotação. Dois elementos planos de material de atrito (pastilha de freio) estão fixos em relação ao eixo do veículo, e de forma a poderem se movimentar no sentido perpendicular as duas faces do disco de atrito do disco de freio. As pastilhas de freio ficam alojadas dentro de uma cela (cavalete de freio), que possui ao menos um pistão que converte a pressão em força capaz de pressionar as pastilhas contra o disco, provocando atrito. O atrito será responsável por reduzir a velocidade de rotação do disco e converter a energia cinética em calor. O freio a disco avaliado neste estudo é um disco ventilado, que é construído com canais internos que permitem uma melhor refrigeração. Segundo Leal; et al. (2012), Os freios a disco não sofrem perda de eficiência pela deposição de poeira gerada pelo desgaste da própria guarnição na região de fricção da guarnição, como nos freios a tambor, por terem a área de contato exposta. Essa mesma característica construtiva impede, também, a perda de eficiência devido à presença de água. De acordo com Leal; et al. (2012), Quanto a manutenção das pastilhas, lonas, discos e tambores de freio, a manutenção preventiva se restringe a acompanhar a vida desses componentes, efetuando o controle de desgaste, medindo a espessura dos mesmos. Esses componentes possuem recomendações bem precisas, quanto a espessura mínima de funcionamento, definidas pelo fabricante. O tempo de vida de cada um desses elementos depende do uso do veículo. 1

2 O material do disco deve apresentar elevada resistência à tensão térmica, provocada pela variação cíclica de temperatura (aquecimento resfriamento) decorrente da condição de uso do freio (CANALI & TAMAGNA, 2002). O disco, além da função de dissipação de calor no sistema de freio. A maior parte da energia cinética do veículo que é convertida em energia térmica durante a frenagem, deve ser absorvida e dissipada pelo disco, com a maior rapidez possível (CANALI & TAMAGNA, 2002). Os ferros fundidos cinzentos apresentam grafitas em forma de veios. Na metalografia ótica a grafita aparece como partículas isoladas, constituindo, porém um esqueleto contínuo em cada célula eutética. A matriz pode ser ferrítica ou mais comumente perlítica. Os ferros fundidos cinzentos cobrem uma faixa de limite de resistência de 100MPa (mais comumente de 150 a 300MPa), sendo que o alongamento por ser muito pequeno não é especificado. A grafita em forma de veios fornece ainda bons valores de condutividade térmica, o que torna o ferro fundido cinzento um material muito empregado para componentes sujeitos a fadiga térmica (tambores e discos de freio, cabeçotes de motor). Em discos e tambores de freio utilizam-se ferros fundidos cinzentos com alto teor de carbono para diminuir a temperatura de trabalho, o que resulta em menores taxas de desgaste tanto para o disco para as pastilhas. (GUESSER, 2009) Materiais e Métodos O material utilizado para o trabalho foram discos de freios de ferro fundido cinzento da classe FC 250, neste sentido três discos de freios, sendo uma análise a partir de um disco novo, de e de quilômetros rodados respectivamente. O objetivo da análise do disco novo foi para identificar as condições ideais de uso e verificar as mudanças de parâmetros conforme as quilometragem. Os outros dois discos foram analisadas por conta de seu descarte conforme uma rede autorizada do veículo em questão. As análises propostas para os discos foram em sua maior característica, ou seja, as grafitas através dos tipos e formas dos veios de grafita e da evolução comparativas dos mesmos. Além disso, foram analisadas a dureza e a rugosidade, os instrumentos de medidas foram utilizados na FATEC de Pindamonhangaba. Foi feito todo o processo de metalográfico no laboratório da FATEC de Pindamonhangaba, porém as imagens foram feitas via microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura no laboratório INPE de São José dos Campos. A figura 1 a seguir mostra as imagens dos respectivos discos já seccionados, foram obtidas três amostras, dentro das três amostras foram obtidas outras amostras para as análises como já comentado, foram analisados a superfície da pista a seção transversal. Figura 1 Discos de freios de ferro fundido cinzento Zero Quilômetro quilômetros Fonte: Próprio autor 2

3 Fonte do próprio autor Após ser realizado o polimento metalográfico realizou-se o ataque químico nas amostras, escolheuse o reagente nital (2%). Na sequência do ataque com esse reagente pode-se verificar a presença de fases distintas nas amostras, com/provando as pesquisas bibliográficas desses materiais, o reconhecimento dessas fases foi fundamental para o entendimento das propriedades mecânicas relativas a aplicação do material. Por outro lado, foi analisado também as superfícies polidas das amostras, neste caso pode verificar a morfologia das grafitas com as efetivas comparações com a teoria. Resultados e Discussão De acordo com Serbino (2005), os veios de grafita sofrem transformações conforme o tempo de uso do veículo. Por meio das imagens das grafit nas figuras 2 e 3 pode-se iniciar a discussão pelas classe e tipo de grafitas pertencentes de ferro fundido cinzento. Figura 2 Imagens dos tipos e formas das grafitas. (a) Classe das grafitas (b) Tipos das grafitas Fonte: (ISO 945-1:2008) Onde: Imagem (a) Classe I - Cinzenta Classe II - Intermediária Classe III Vermicular Classe IV- Nodular Irregular 3

4 Classe V - Nodular Incerta Classe VI Nodular Imagem (b) A-Irregular desorientada: Placas finas e uniformes. B - Roseta: Agrupadas por rosetas (radial). C - Desigual irregular: Veios grosseiros. D -Interdendritica desorientada: Segregada interdendriticamente (orientação randômica). E -Interdendritica orientada: Segregada interdendriticamente (orientação preferencial). A Figura 3 apresenta os diferentes tipos de morfologia decorrentes dos discos de freio analisados. É possível observar que os veios de grafita do disco de 0 km (Figura 3 (a)) ficaram diferentes dos demais, pois são grosseiros, estão presentes em espessuras maiores e estão mais próximos. Todas essas imagens apresenta-se semelhantemente as classes 1, e 3, com pequenas regiões sementas a classe 2, mesmo sentido assemelham-se ao tipo irregular, porém vaiando-se veios grosseiro e finos, ainda pode-se observar uma morfologia roseta. Figura 3 Imagens dos discos de freios sem ataque químico. (a) Imagem do disco novo, pista (b) Imagem do disco novo, transversal (c) Imagem do disco de 60000, pista (d) Imagem do disco de 6000, transversal 4

5 (e) Imagem do disco de 80000, pista (f) Imagem do disco de 80000, transversal Fonte: do próprio autor As imagens das figuras a seguir mostra o material sem polimento com observação em microscopia eletrônica de varredura. Figura 4 Imagens dos discos em MEV (a) Imagem do disco novo, pista (b) Imagem do disco novo, pista 5

6 (c) Imagem do disco de 60000, pista (d) Imagem do disco de 60000, pista (e) Imagem do disco de 80000, pista (f) Imagem do disco de 80000, pista Fonte do próprio autor As imagens (e) e (f) do disco de quilômetros rodados mostra uma rarificação da grafita e ainda exemplifica mais a classe I e A, porém isto não é interessante pois diminuindo a grafita pode diminuir seu objetivo de lubrificação e dissipação de calor. Nas análises das imagens (b) e (d) pode observar as mudanças da perlita, que também passa de perlita fina para perlita grosseira, talvez pelo aquecimento. Como também forma de exemplificar de que realmente o material se trata de uma liga ternária e que o silício é o elemento grafitizante foi desenvolvido um ataque com nital 2% como descrito nos materiais e métodos, assim por meio das imagens da figura 5 adiante pode ser visualizado as fases, perlita, ferrita e grafita típicas do ferro fundido. (a) Imagem da pista do disco novo (b) Imagem da pista do disco de

7 Com relação as medidas de dureza dos materiais foram analisados discos de freio novo e de rodados, a diferença foi tão grande que não precisou medir o terceiro disco, a média do disco novo ficou em torno de 287 Rockwell e do disco de ficou em torno de 350 Rockwell, isto demonstra que as tensões residuais provocadas pelas pastilhas endurecem a pista do disco aumentando o desgaste das mesmas e aumentando a dificuldade de dissipar o calor. A rugosidade do disco novo ficou em torno de 2,155 microns e do disco usado de em torno de 0,5, isto também demonstra que com o uso do carro deixa a superfície cada vez mais alisada prejudicando ainda mais o processo de frenagem. Conclusão As análises metalograficas revelaram compatibilidade nas amostras obtidas, tanto na seção transversal quanto na face de contato, foi observado que a disposição da base (perlita), apresentou uma sutil diferença pela ação do uso, ou seja, no disco novo a base estrutural encontrada foi disposta em perlita fina, já no disco usado, a base estrutural obtida foi de perlita grossa, porém a mudança estrutural causada pelo desgaste, ou aquecimento, não é um fator suficiente para ocasionar a troca prematura do disco. Os resultados de dureza também estavam dentro da faixa considerada para esta liga, de acordo com as normas consultadas foi encontrada o disco de freio pertencente a classe ABNT FC250, porém a diferença foi notada nos discos usados talvez provocado pelo acúmulo das tensões residuais. Houve uma redução significativa na concentração da grafita presente nos discos usados, porém essa alteração microestrutural no disco de 60000, não torna o disco passível de troca nestas condições, já no disco de pode sim entrar no processo de troca, era de se esperar que sua dureza também diminuísse e isto não foi comprovado após a realização do respectivo ensaio. As trocas de discos são feitas em empresas especializadas, a análise é feita pela espessura do disco, sob norma, porém não são considerados os aspectos da metalografia, dureza e rugosidade, muito por a conta da dificuldade de mão de obra especializada ou falta de instrumentos. Referências BREZOLIN, A. Estudo de Geração de Trincas Térmicas em Disco de Freio de Veículos comerciais. CAXIAS DO SUL, LEAL, L.C.M. ROSA, E. NICOLAZZI, L.C. Uma introdução à modelagem quase-estática de automóveis. Publicação interna de GRANTE departamento de engenharia mecânica da UFSC, fevereiro de Canali, R. & Tamagna, A. Evaluation of properties of disc and pad materials and their relation with disc brake noise - an experimental investigation. SAE Congress, Detroit, 2002, paper GUESSER,W.L. Propriedades mecânicas dos ferros fundidos. 1ª Ed. São Paulo: Blücher SERBINO, E. M. UM Estudo dos Mecanismos de Desgaste em Disco de Freio Automotivo Ventilado de Ferro Fundido Cinzento Perlítico com Grafita Lamelar. São Paulo,