ANÁLISE DE AÇOS PARA ROLAMENTOS PARA ALTO DESEMPENHO EM FADIGA DE CONTATO 1

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1 ANÁLISE DE AÇOS PARA ROLAMENTOS PARA ALTO DESEMPENHO EM FADIGA DE CONTATO 1 RESUMO Cristiano Brunetti 2 Marcelo Denker 3 Giuseppe Pintaude 4 O presente estudo apresenta a caracterização metalográfica de inclusões em aços para rolamentos. O controle apropriado de inclusões resulta na melhoria do rendimento na fadiga por contato. O objetivo deste estudo é a comparação e a classificação das inclusões segundo literatura, para estimar o desempenho do aço para rolamentos em ensaios para fadiga de contato. Dois materiais de procedências diferentes foram analisados: aços nacional e europeu. Foi seguida a diretriz de um trabalho da literatura para a análise da distribuição do tamanho das inclusões, e a norma ABNT relativa ao assunto em relação ao método de preparação dos corpos-de-prova. Mostra-se que o aço nacional apresentou um número de inclusões superior ao europeu, além de uma distribuição de tamanhos maior para os tamanhos classificados como tamanhos críticos, para a iniciação de falhas por fadiga de contato, pela literatura. Palavras-chave: inclusões, aços para rolamentos, fadiga de contato. 1 Trabalho a ser apresentado no 59º Congresso Anual da ABM São Paulo, de Julho de Aluno de Iniciação Científica, bolsista PIBIC, curso Tecnologia Mecânica CEFET-PR 3 Engenheiro Mecânico, aluno do PPGEM-CEFET-PR 4 Eng. Metalúrgico, Prof. Dr. CEFET-PR, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais (PPGEM).

2 1. Introdução A indústria brasileira de rolamentos está se desenvolvendo continuamente, acompanhando o processo de globalização, mas para continuar competitiva precisa nacionalizar a matéria-prima para ter custo de produção menor que na Europa e nos Estados Unidos. A grande barreira para que essas metas sejam alcançadas é que o aço produzido no Brasil tenha o mesmo padrão de qualidade metalúrgica que o aço europeu quanto ao nível de inclusões. A figura 1 mostra o aumento de exigência da indústria européia de rolamentos nos últimos anos. L10 (em horas) Figura 1. Evolução do aumento das exigências da indústria européia de rolamentos. (L10) duração de vida nominal esperada por 90% de rolamentos idênticos utilizados nas mesmas condições. A iniciação das trincas que leva às falhas características da fadiga de contato, por exemplo, lascamento, se deve às tensões subsuperficiais [1]. Estas tensões devem ser minimizadas, controlando-se, por exemplo, a microestrutura, de modo a existir menores pontos concentradores de tensão. O controle fundamental se dá no processamento siderúrgico, obtido nos processos de refino do aço, de modo a reduzir a quantidade e modificar a morfologia das inclusões como mostram os resultados da figura 2 [1]. No Brasil, usualmente se utiliza o processo de forno elétrico a arco para a fabricação do aço para rolamentos. Entretanto, este processo ainda não atende aos requisitos mínimos para que os aços nacionais sejam considerados como materiais de alto desempenho. Este artigo apresenta uma comparação entre o aço para rolamentos europeu, que atende aos requisitos de exigência para altos desempenhos, e uma amostra do aço nacional.

3 Figura 2. Influência dos métodos de processamento do aço na vida de fadiga por contato de rolamento em esferas de rolamento fabricadas com aço AISI (Air-melted) fundição a ar, (VAR) refino sob vácuo com eletrodo consumível, (EFR) refundição por fluxo elétrico. 2. Metodologia 2.1. Materiais Foram analisadas amostras de aços AISI para rolamentos de fabricação nacional, fornecida como uma barra laminada de 30 mm, e européia, fornecida com diâmetro de 40 mm. A composição química do aço europeu está mostrada na Tab. (1). Tabela 1. Composição química do aço europeu AISI Ti O C% Si% Mn% P% S% Cr% Ni% Mo% Cu% Al% (ppm) (ppm) 1,01 0,24 0,26 0,012 0,006 1,39 0,16 0,03 0,14 0, , Metodologia A barra foi secionada transversalmente obtendo-se, inicialmente, a amostra com a geometria mostrada na Fig. (3).

4 Figura 3. Geometria inicial da amostra. Maiores valores de dureza evitam a deformação ou a remoção das inclusões durante o polimento (NBR 9208,1986). A amostra foi temperada em óleo a partir de 850 ºC e revenida por duas horas a 200 ºC, atingindo uma dureza média de 63 HRC. Neste sentido, a Norma ABNT 9208 [2] foi seguida apenas para a identificação dos tipos de inclusão e em relação aos métodos de preparação metalográfica. Com o auxílio de cortadeira de precisão com disco diamantado, a amostra sofreu corte longitudinal, sendo retirado então o corpo-de-prova medindo 5 mm de comprimento por 1 mm de espessura abaixo da superfície, como apresentado na Fig. (4). Figura 4. Corte e obtenção do corpo de prova de 5 mm X 1 mm. As amostras foram preparadas metalograficamente para um atingir acabamento superficial equivalente ao do polimento com pasta de diamante de 1µm. A observação foi feita no sentido da laminação, sendo utilizada uma

5 bancada metalográfica Neophot 32 (Carl Zeiss) para a identificação e quantificação das inclusões. Estes procedimentos foram realizados de acordo com a proposta apresentada por Qinq e colaboradores [3], para análise do tamanho e da distribuição estatística dos tamanhos das inclusões. Entretanto, a espessura das amostras neste trabalho foi maior que a utilizada por Qing e colaboradores, em parte por causa da geometria de corpos-de-prova utilizados em ensaios de fadiga de contato. Desta forma, o presente resultado é mais abrangente que o destes pesquisadores, pois se analisou uma área maior. 3. Resultados e Discussões Nas duas amostras foram identificadas inclusões dos tipos sulfeto e óxido globular. A escala do tamanho das inclusões e as respectivas freqüências são apresentadas na Tabela 2 para o aço europeu e na Tabela 3 para o aço produzido no Brasil. Tabela 2. Análise da distribuição de tamanhos das inclusões identificadas no aço europeu. Escala de Tamanhos (μm) Número de Inclusões Freqüência < ,31% 1 3, ,46% 4 5,9 45 5,87% 6 7,9 15 1,96% 8 9,9 13 1,70% 10 11,9 3 0,39% > ,31% Total e Inclusões % Tabela 3. Análise da distribuição de tamanhos das inclusões identificadas no aço nacional. Escala de Tamanhos (μm) Número de Inclusões Freqüência < ,45% 1 3, ,67% 4 5,9 19 0,52% 6 7,9 6 0,16% 8 9,9 2 0,06% 10 11,9 1 0,03% > ,11% Total de Inclusões % Com os dados apresentados nas Tabelas 2 e 3 é possível verificar que o número total de inclusões do aço europeu é aproximadamente 5 vezes menor que o número encontrado no aço de fabricação nacional. Embora irá se proceder a uma análise sobre a distribuição dos tamanhos destas inclusões, a quantidade total é sem dúvida um parâmetro importante na possibilidade de ocorrência por falha em fadiga de contato.

6 De modo a realizar a análise da freqüência da distribuição de tamanhos, construiu-se a Figura 5 com os dados apresentados nas Tabelas 2 e Freqüência (%) Classe 1 Classe 2 <1 um um aço nacional aço europeu Classe um Classe um Classe de tamanho de inclusões Classe um Classe um Classe 7 >12 um Figura 5 Comparativo sobre a freqüência de distribuição dos tamanhos das inclusões entre as amostras de aço AISI de fabricação européia e nacional. A Figura 5 mostra que o aço nacional concentra a maior freqüência de inclusões em tamanhos menores que 1 m. Por sua vez, para as inclusões maiores que 1 m, as freqüências encontradas para o aço europeu são maiores que as do aço nacional. A faixa de freqüência das inclusões para o aço europeu aparece de uma forma mais homogênea, sendo que a maior parcela tem o seu tamanho entre 1 μm e 5,9 μm, enquanto que para o aço nacional mais de 85% das inclusões tem tamanho menor que 1 μm representando uma grande possibilidade de surgimento de microtrincas originárias dessas pequenas inclusões. Qing e colaboradores [3] propuseram uma classificação do tamanho das inclusões com base no desempenho de aços submetidos a ensaios de fadiga de contato. A preocupação destes pesquisadores é com a variação dos tamanhos encontrados dentro de cada faixa proposta nesta classificação, que é a seguinte: Inclusões submicrométricas: inclusões de tamanhos menores que 3 m. Nesta classe, a variação de tamanho afeta de forma significativa o desempenho quanto à fadiga de contato. Isto explica o porquê do menor valor encontrado para o aço europeu em inclusões menores que 1 m. Micro-Inclusões: inclusões com tamanhos entre 3 e 15 m. Para esta faixa de tamanhos, as tensões de contato variam proporcionalmente com o tamanho das inclusões, portanto, conhecendo-se os esforços do sistema, pode-se aplicar um padrão para os materiais de modo a maximizar a vida em fadiga de contato. Pode-se verificar que a amostra de aço europeu existe uma distribuição de tamanhos

7 correspondente a esta classe de inclusões, provavelmente em função do conhecimento prévio deste tipo de informação. Macro-Inclusões: inclusões maiores que 15 m. Nesta faixa de tamanho, a qualquer variação contribui de forma pouco significativa para a vida em fadiga de contato Mesmo com estas diferenças, percebe-se que o aço nacional, em comparação com os materiais encontrados no mercado, mostrou que os processos de refino que estão sendo aplicados atualmente são capazes de atingir a qualidade metalúrgica dos aços fabricados para alto desempenho em solicitações de fadiga de contato. Em outro trabalho, Brunetti e colaboradores [4] analisaram um aço nacional fabricado para o mercado de reposição e a quantidade de inclusões encontrada foi ainda superior a apresentada neste trabalho, o que colabora com a afirmação feita sobre a possibilidade da indústria nacional atender aos requisitos mínimos para a fabricação de rolamentos de alto desempenho. A continuidade deste trabalho será com relação a metodologia aplicada para análise das inclusões. Como comentado, no método aplicado conseguiuse analisar uma área abaixo da superfície maior que a utilizada no trabalho de Qing e colaboradores. Entretanto, sabe-se que os corpos-de-prova sofrem processo de forjamento para a confecção de pistas de rolamento, o que pode modificar a distribuição das inclusões nas amostras. Além disso, é possível que a análise realizada utilizando-se a espessura total do corpo-de-prova submetido a ensaios de fadiga de contato seja rigorosa demais para os critérios de desempenho exigidos pela indústria de rolamentos. 4. Conclusões 1. O aço europeu apresentou um número de inclusões 5 vezes menor que no aço nacional. 2. A amostra de fabricação nacional apresentou uma grande concentração de inclusões com tamanho menor que 3,9 μm, sendo que nesta faixa de tamanhos, segundo classificação proposta por Qing e colaboradores, a variação no tamanho das inclusões tem uma grande influência na tensão ou no tempo de vida de componentes sujeitos à fadiga de contato. 5. Referências bibliográficas [1] HUTCHINGS, I. M. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, Edward Arnold, [2] NBR9208. Materiais Metálicos Normas Técnicas. ABNT, [3] QING, C., ERYN, S., DONGMEI, Z. JUWEM, G., ZHONGHE, F. Wear, v.147, 1991 [4] BRUNETTI, C., PINTAÚDE, G., LEITE, M.V., Análise de Micro Inclusões em aço ABNT 52100, In: VIII Seminário de Iniciação Científica e Tecnológica do CEFET-PR, p a 15 de agosto de 2003.

8 ABSTRACT ANALYSIS OF BEARING STEEL FOR HIGH- PERFORMANCE IN CONTACT FATIGUE This paper presents the metallographic characterization of inclusions in bearing steel. The appropriate controlling of inclusions results in the improving of the contact fatigue performance. The aim of this paper is to compare and classify the critical size of inclusions according to literature, in order to estimate the performance of the bearing steel in contact fatigue test. Two sources of manufacturing were analyzed: Brazilian and European steel. It was applied the guidelines defined in a literature to analyze the statistical distribution of inclusions size, and the guidelines of Brazilian Standard, ABNT, to prepare the specimens. The analysis shows that the Brazilian steel have more inclusions than the European steel, and a larger frequency of inclusion size classified by the literature as critical size, required to initiate the fails by means contact fatigue. Key-words: inclusions, bearing steel, contact fatigue.