UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
MAICON SILVEIRA
ANÁLISE COMPARATIVA DE MATERIAIS RESISTENTES À ABRASÃO PARA CANALIZAÇÕES AGRÍCOLAS
Panambi 2016
MAICON SILVEIRA
ANÁLISE COMPARATIVA DE MATERIAIS RESISTENTES À ABRASÃO PARA CANALIZAÇÕES AGRÍCOLAS
Projeto de pesquisa apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUI.
Orientador: Manfred Litz
Panambi 2016
MAICON SILVEIRA
ANÁLISE COMPARATIVA DE MATERIAIS RESISTENTES À ABRASÃO PARA CANALIZAÇÕES AGRÍCOLAS
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora
_____________________________________ Manfred Litz, Esp. Eng. – Orientador
_____________________________________ Patrícia Carolina Pedrali, Me. Eng.
DEDICATÓRIA
É com muita alegria que dedico este trabalho a minha esposa e companheira Sandreli Oliveira Silveira, a qual reservo o mais profundo e puro sentimento de amor e carinho, pela companheira que foi e esta sendo, me apoiando em todos os momentos durante a conquista de mais este sonho.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus pela força e capacidade para vencer os desafios que me proporcionaram realizar mais esta conquista em minha vida;
A minha esposa Sandreli Silveira pelo amor, compreensão, dedicação e suporte em todos os momentos;
Aos meus pais Aydo Silveira e Maria Izabel de Moura Silveira, pela educação transmitida, amor, apoio constante e compressão ímpar em períodos onde a busca pela graduação exigiu redobrado tempo e atenção;
Ao meu orientador Professor Eng. Manfred Litz pela dedicação, e atenção em todos os momentos que foi solicitado para apoiar este trabalho acadêmico;
A empresa Kepler Weber e demais colegas os quais, possibilitaram o desenvolvimento deste trabalho através da disponibilidade de recursos, informações, matérias e equipamentos necessários;
A empresa Irotek, pela disponibilidade de equipamentos e tempo para realização dos ensaios em polímeros.
RESUMO
Atualmente as empresas do setor agroindustrial, vem sofrendo muito com os fenômenos tribologicos ocorridos em seus equipamentos e máquinas. O principal problema evidenciado pelos agricultores diz respeito ao desgaste abrasivo nas canalizações agrícolas, ocasionado pela perda de massa durante o movimento relativo entre um meio abrasivo (grãos) e uma superfície de contato. Através do constante avanço da Engenharia de Materiais, esta sendo possível desenvolver soluções inovadoras para minimizar este efeito indesejado, correlacionando os produtos desenvolvidos com as condições de aplicação e características do meio de trabalho. Neste contexto o presente estudo ira abordar uma analise comparativa entre 5 metais e 4 polímeros (materiais de engenharia), quanto a sua resistência ao desgaste abrasivo, através de uma metodologia de testes normatizados em laboratório. Sendo posteriormente apresentado de forma sucinta os principais cálculos de viabilidade econômica envolvidos no processo de fabricação das canalizações agrícolas, sendo possível determinar a melhor concepção entre as soluções testadas.
ABSTRACT
Currently, companies in the agribusiness sector are suffering a lot from the tribological phenomena occurring in their equipment and machinery. The main problem evidenced by farmers refers to abrasive wear in agricultural pipes, caused by the mass loss during relative movement between an abrasive medium (grain) and a contact surface. Through constant advancement of Materials Engineering, you can develop innovative solutions to minimize this unwanted effect, correlating the products developed with the conditions of application and characteristics of the work environment. In this context, this study will address a comparative analysis of the 5 metals and polymers 4 (engineering materials), as its resistance to abrasive wear, through a methodology of standardized tests in the laboratory. It is then briefly presented the main calculations of economic viability involved in the process of channeling agricultural production, and can determine the best design among the tested solutions.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- lustração do problema a) curva elevador, b) canalização redonda, c)
contenção canalização redonda, d) contenção canalização quadrada. ... 17
Figura 2- Vazamento de produto causado pelo desgaste prematuro da canalização. 18 Figura 3 – Evolução da Engenharia de Materiais com o tempo ... 19
Figura 4– Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 á 2400 A.C ... 24
Figura 5 - Desenho esquemático dos quatro modos representativo de desgaste ... 25
Figura 6- Diagrama dos processos de desgaste em função do elemento interfacial e do tipo de movimento das interfaces ... 27
Figura 7– Representação do desgaste abrasivo produzido pelo movimento de partícula dura na superfície da peça ... 29
Figura 8– Ilustração esquemática dos quatro tipos de desgaste, a) abrasão a baixa tensão, b) abrasão a alta tensão, c) abrasão por arranque e d) polimento ... 30
Figura 9– Desenho representativo de Superfície abrasiva antes e depois do desgaste, e superfície abrasiva com partículas aderidas na superfície. ... 31
Figura 10– Desenho representativo de um grão abrasivo entre duas superfícies. ... 31
Figura 11– Ilustração esquemática dos principais micro-mecanismos de desgaste abrasivo: a) e b) microsulcamento, c) microcorte e d) microtrincamento. ... 32
Figura 12- Canalização de ligação Elevador com Silo. ... 35
Figura 13- Canalização de ligação Elevador com Maquina de Limpeza. ... 36
Figura 14- Canos de seção circular para transporte de grãos... 36
Figura 15- Canos de seção quadrada para transporte de grãos ... 37
Figura 16- Amortecedor Final ... 37
Figura 17- Bifurcada ... 38
Figura 18- Cano Flexível ... 38
Figura 19- Curva ... 39
Figura 20- Presilha ... 39
Figura 21- Transição ... 40
Figura 22- Ilustração esquemática do ângulo de repouso ... 41
Figura 23- Eixos perpendiculares para avaliação do tamanho ... 42
Figura 24- Determinação aproximada da esfericidade e da circularidade ... 42
Figura 25- Esquema equipamento para realização do ensaio de abrasão em metais 54 Figura 26- Esquema equipamento utilizado para realização do ensaio de abrasão em polímeros... 55
Figura 27- Organograma da metodologia experimental ... 57
Figura 28- Dimensões do corpo de prova para o ensaio de abrasão em metais ... 61
Figura 29- Propriedades Físicas UHMW. ... 62
Figura 30- Ilustração placa de revestimento Rhino Hide ... 64
Figura 31- Ilustração aplicação revestimento UREPLAY ... 65
Figura 32- Dimensões do corpo de prova para o ensaio de abrasão ... 66
Figura 33- Amostras enviadas para o ensaio ... 67
Figura 34- Pesagem inicial das amostras. ... 68
Figura 35- Perda de massa em aços (mg) ... 70
Figura 36- Perda Volumétrica em aços (mm³) ... 70
Figura 38- Amostra material SAE 1345 (após o ensaio) ... 71
Figura 39- Amostra material RAEX 500 (antes do ensaio) ... 71
Figura 40- Amostra material RAEX 500 (após o ensaio) ... 72
Figura 41- Identificação das amostras de polímeros ... 73
Figura 42- Ilustração do CP com área de desgaste na espessura do material ... 74
Figura 43- Ilustração do CP com área de desgaste na largura do material ... 75
Figura 44- Perda de massa em polímeros (mg) ... 76
Figura 45- Perda volumétrica em polímeros (mm³) ... 76
Figura 46- Índice de abrasão em polímeros ... 77
Figura 47- Ilustração desgaste ocorrido no material UHMW ... 77
Figura 48- Ilustração desgaste ocorrido no material Nylon ... 78
Figura 49- Ilustração desgaste ocorrido no material Rhino Hyde ... 78
Figura 50- Ilustração desgaste ocorrido no material Ureplay ... 79
Figura 51- Ilustração desgaste ocorrido no material SAE 1020 (Comparativo) ... 79
Figura 52- Comparativo visual das amostras após ensaio ... 80
Figura 53- Ilustração do projeto Cano D320... 83
Figura 54- Solução de UHMW embutido na região interna da canalização redonda .. 85
Figura 55- Solução de Ureplay montado na região interna da canalização redonda .. 85
Figura 56- Ilustração do projeto Cano Q340 ... 89
Figura 57- Solução de UHMW embutido na região interna da canalização redonda .. 90
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Ângulo das tubulações ... 34
Tabela 2- Capacidade de transporte das tubulações redondas ... 34
Tabela 3- Capacidade de Canalizações Quadradas ... 35
Tabela 4- Ângulo de repouso ou de talude natural de algumas tipos de grãos ... 41
Tabela 5- Forma e tamanho de algumas espécies de grãos ... 43
Tabela 6- Propriedades dos aços- manganês austeníticos ... 48
Tabela 7- Informações técnicas Aço SAE 1008 ... 58
Tabela 8- Informações técnicas Aço ASTM A36 ... 58
Tabela 9- Informações técnicas Aço SAE 1345 ... 59
Tabela 10- Informações técnicas Aço SAE 1045 ... 60
Tabela 11- Informações técnicas Aço RAEX 500 ... 60
Tabela 12- Identificação das amostras pelo laboratório. ... 68
Tabela 13- Parâmetros de processo adotados no ensaio ... 69
Tabela 14- Resultado dos ensaios abrasivos em aços ... 69
Tabela 15- Comparativo de resistência a abrasão entre os materiais metálicos... 72
Tabela 16- Parâmetros adotados no ensaio em polímeros ... 73
Tabela 17- Resultado dos ensaios abrasivos em polímeros ... 75
Tabela 18- Comparativo de resistência a abrasão entre os materiais polímeros ... 80
Tabela 19- Características dos materiais metálicos nos processos de fabricação... 82
Tabela 20- Custos dos processos de fabricação cano redondo ... 84
Tabela 21- Demonstrativo custo do tubo redondo ASTM A36 revestido ... 86
Tabela 22- Demonstrativo custo do tubo redondo SAE 1045 revestido ... 87
Tabela 23- Demonstrativo custo do tubo redondo SAE 1345 sem revestimento ... 88
Tabela 24- Resumo melhores soluções de projeto ... 88
Tabela 25- Custos dos processos de fabricação canos quadrados ... 89
Tabela 26- Demonstrativo custo do tubo quadrado ASTM A36 revestido ... 92
Tabela 27- Demonstrativo custo do tubo quadrado SAE 1045 revestido ... 93
Tabela 28- Demonstrativo custo do tubo quadrado SAE 1345 revestido ... 94
Tabela 29- Demonstrativo custo do tubo quadrado RAEX 500 sem revestimento ... 95
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
Mapa Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento A.C Antes de Cristo
PVC Policloreto de Polivinila PET Politereftalato de etileno PBT Polibutileno Tereftalato NBR Norma Brasileira
SAE Society of Automotive Engineers CSN Companhia Siderúrgica Nacional
ASTM American Society for Testing and Materials UHMW Ultra High Molecular Weight Polyethylene
CCDM Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais
N/A Não Aplicável
LISTA DE SIMBOLOS
Fx Força Normal [N]
Fy Força Tangencial [N]
Ap Área projetada do grão em repouso natural [mm²]
Ac Área do menor círculo circunscrito [mm²]
di Diâmetro do maior círculo inscrito [mm]
dc Diâmetro do menor círculo circunscrito [mm]
Pvol Perda de volume [mm³]
Pmassa Perda de massa [g]
δ Densidade [g/cm³]
Pva Perda de volume ajustado [mm³]
Dpad Diâmetro do disco padrão [mm]
Duso Diâmetro do disco em uso [mm]
IA Índice de abrasão [adimensional]
da Densidade do aço [g/cm³]
de Densidade do material ensaiado [g/cm³]
m1a Massa inicial do aço padrão [g]
m2a Massa final (após ensaio) do aço padrão [g]
m1e Massa inicial do material ensaiado [g]
m2e Massa final do material ensaiado [g]
de Densidade do material ensaiado [g/cm³]
m1e Massa inicial do material ensaiado [g]
CT Custos Totais [R$]
Cmp Custo da matéria prima [R$]
∑ Somatório de todos os processos [adimensional]
Th/m Tarifa hora/maquina [R$/h]
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 OBJETIVO GERAL ... 16 2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16 3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 17 4 JUSTIFICATIVA ... 18 5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19
5.1 EVOLUÇÃO DOS MATERIAS NA HISTÓRIA ... 19
5.1.1 Materiais metálicos ... 20
5.1.2 Materiais cerâmicos ... 21
5.1.3 Materiais poliméricos ou plásticos ... 21
5.1.4 Materiais compósitos ... 23
5.2 TRIBOLOGIA... 23
5.3 DESGASTE ... 26
5.4 MECÂNISMO DE DESGASTE ... 26
5.4.1 Desgaste Abrasivo ... 28
5.5 CANALIZAÇÃO AGRÍCOLA PARA CEREAIS ... 33
5.5.1 Definições e características ... 33
5.5.2 Acessórios para tubulações de grãos ... 36
5.5.2.1 Canos ou Tubos Redondos ... 36
5.5.2.2 Canos ou Tubos Quadrados ... 37
5.5.2.3 Amortecedor Final ... 37 5.5.2.4 Bifurcada ... 38 5.5.2.5 Cano Flexível... 38 5.5.2.6 Curva ... 39 5.5.2.7 Presilha ... 39 5.5.2.8 Transição ... 40
5.6 PROPRIEDADES DOS GRANEIS ... 40
5.6.1 Ângulo de repouso ou talude natural dos grãos ... 40
5.6.2 Tamanho e forma dos grãos ... 41
5.7 LIGAS DE AÇO RESISTÊNTES A ABRASÃO ... 43
5.7.1 Generalidades ... 43
5.7.2 Efeito dos elementos de liga nos aços ... 45
5.7.2.1 Alumínio (Al) ... 45 5.7.2.2 Boro (B) ... 45 5.7.2.3 Cobalto (Co) ... 45 5.7.2.4 Cromo (Cr) ... 45 5.7.2.5 Enxofre (S) ... 46 5.7.2.6 Tungstênio (W) ... 46 5.7.2.7 Vanádio (V) ... 46
5.7.3 Ligas de aço Manganês Austeníticos ou “Hadfield” ... 47
5.8 UTILIZAÇÃO DE CARGAS NOS POLIMEROS ... 48
5.8.1 Fibra de Vidro ... 49
5.8.3 Microesferas de Vidro ... 50
5.8.4 Talco ... 51
5.8.5 Caulim ... 51
5.8.6 Pigmentos ... 51
6 METODOLOGIA ... 53
6.1 MÉTODO DE ENSAIO DE ABRASÃO EM METAIS ... 53
6.2 MÉTODO DE ENSAIO DE ABRASÃO EM POLIMEROS ... 55
7 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 57 7.1 METODOLOGIA ... 57 7.2 MATERIAIS ... 57 7.2.1 Aços ... 57 7.2.1.1 SAE 1008 ... 57 7.2.1.2 ASTM A36 ... 58 7.2.1.3 SAE 1345 ... 59 7.2.1.4 SAE 1045 ... 59 7.2.1.5 RAEX 500 ... 60
7.2.1.6 Corpos de prova metálicos ... 60
7.2.2 Polímeros ... 61
7.2.2.1 UHMW ... 61
7.2.2.2 Nylon ... 62
7.2.2.3 Rhino Hyde ... 64
7.2.2.4 Ureplay ... 65
7.2.2.5 Corpos de prova polímeros ... 65
8 RESULTADOS ... 67
8.1 ENSAIO EM AÇOS ... 67
8.2 ENSAIO EM POLIMEROS ... 73
8.3 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 80
9 CÁLCULO DE VIABILIDADE ECONÔMICA ... 82
9.1 CANOS REDONDOS ... 83
9.1.1 Tubo D320 com material ASTM A36 revestido... 86
9.1.2 Tubo D320 com material SAE 1045 revestido ... 87
9.1.3 Tubo D320 com material SAE 1345 sem revestimento ... 87
9.1.4 Considerações sobre os custos da canalização redonda ... 88
9.2 CANOS QUADRADOS ... 88
9.2.1 Tubo Q340 com material ASTM A36 revestido ... 92
9.2.2 Tubo Q340 com material SAE 1045 revestido ... 93
9.2.3 Tubo Q340 com material SAE 1345 com e sem revestimento ... 94
9.2.4 Tubo Q340 com material RAEX 500 sem revestimento ... 94
9.2.5 Considerações sobre os custos da canalização quadrada ... 95
10 CONCLUSÃO ... 96
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 98
APÊNDICE A – Detalhamento dos custos de fabricação cano redondo . 103 APÊNDICE B – Detalhamento dos custos de fabricação cano quadrado 104 ANEXO A- Certificado de calibração da balança utilizada... 105
1 INTRODUÇÃO
Diante do grande déficit na armazenagem de grãos no Brasil, que segundo o Ministério da Agricultura (Mapa) a capacidade de armazenagem estática de grãos no país em 2014 é 20% menor do que as 190 milhões de toneladas estimadas para a safra brasileira de 2014/2015.
Pensando neste déficit o Governo Federal vem alocando recursos e investimentos para a fabricação de Silos, com objetivo de melhorar as condições de armazenagem, e auxiliar no escoamento da produção de grãos no país.
Com esta crescente demanda de armazenagem e escoamento da produção no Brasil, aliada com a liberação de recursos e incentivos por parte do governo federal, as empresas do ramo Metal Mecânico com atuação no segmento de movimentação de graneis, estão cada vez mais alocando recursos para a pesquisa e inovação de seus produtos, aumentando sua capacidade e tecnologia empregada.
Quando se fala em armazenagem de grãos, os primeiros equipamentos que são lembrados são os silos e os armazéns graneleiros, no entanto poucos sabem que existem muitos outros equipamentos interagindo com os silos antes do armazenamento final, tais como moegas, transportadores (verticais e horizontais), máquina de limpeza e secagem, além das canalizações agrícolas.
A Canalização é um dos principais componentes para o escoamento de cereais em uma unidade armazenadora, tendo como finalidade principal realizar o manejo de grãos na entrada e saída dos transportadores até a armazenagem ou expedição.
Neste contexto o presente trabalho, ira abordar uma análise do mecanismo de desgaste abrasivo provocado pelo elevado fluxo de grãos (arroz e soja) no interior de uma canalização agrícola de cereais, de modo a pesquisar e comparar os materiais mais utilizados pela indústria metal mecânica, através de testes normatizados, encontrando uma alternativa viável para o efeito de desgaste prematuro das canalizações.
2 OBJETIVO GERAL
Comparar materiais (Metais e Polímeros) utilizados na indústria metal mecânica, com relação as suas propriedades de resistência ao desgaste abrasivo, através de uma metodologia de testes normatizados.
Com objetivo de entender o mecanismo de desgaste abrasivo ocorrido no interior de uma canalização agrícola com alto fluxo de grãos, analisando a melhor opção de material dentre os testados.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Entender o mecanismo de desgaste em uma canalização agrícola; Comparar à resistência a abrasão de diferentes materiais polímeros e
metálicos;
Selecionar através da metodologia de ensaios, o(os) materiais adequados para a aplicação;
Realizar analise de viabilidade econômica dos materiais ensaiados para a aplicação em canalizações agrícolas;
3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
O problema em questão diz respeito ao alto grau de desgaste das canalizações em um curto período de utilização. Se a canalização para manejo de grãos estiver funcionando em plena carga, estima-se que o problema ocorra em torno de três semanas, ou seja a canalização “fura” antes de terminar a safra, conforme detalhes da Figura 01.
Figura 1- lustração do problema a) curva elevador, b) canalização redonda, c) contenção canalização redonda, d) contenção canalização quadrada.
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2015).
4 JUSTIFICATIVA
Este trabalho de pesquisa se dá a partir da dificuldade enfrentada pelos médios e grandes agricultores/cooperativas voltadas para a produção e armazenagem de granéis, no que se diz respeito ao desgaste precoce em suas canalizações durante o beneficiamento dos grãos nos períodos de safra.
Os grãos são recebidos nas unidades de beneficiamento com grande teor de impurezas e presença de matérias estranhas com dimensões, formas e densidades muito diferentes daquelas características dos grãos.
Estas impurezas, aliadas com as propriedades abrasivas de cada cultura, bem como com o alto fluxo/vasão das unidades de recebimento e armazenagem, contribuem para o desgaste prematuro das canalizações agrícolas.
A necessidade de realização de constantes manutenções no decorrer da safra (estima-se de três em três semanas), gerando custos e estresse administrativo, tanto por parte dos clientes, quando pelos próprios fabricantes da canalização. Na Figura 2, pode-se verificar a imagem de uma unidade onde a canalização desgastou a ponto de furar, causando vazamento “desperdício” de produto.
Figura 2- Vazamento de produto causado pelo desgaste prematuro da canalização.
5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Como forma de amparar os estudos apresentados neste trabalho, pesquisas referentes ao tema tornam-se necessárias para o entendimento e compreensão do assunto, através do ponto de vista de diferentes autores.
5.1 EVOLUÇÃO DOS MATERIAS NA HISTÓRIA
Desde os primórdios, a história do homem está interligada aos materiais. Essa ligação é a soma de todos os materiais que inventamos, descobrimos ou manipulamos, interferindo diretamente nas atividades e necessidades do ser humano.
A relação entre o homem e os materiais foi e é tão representativa, que classificou-se as eras de acordo com a importância representada por um material em um determinado período histórico, comtemplando desde a Idade da Pedra (lascada e polida), Era dos Metais, Era Moderna e chegando-se hoje ao que se tem convencionado chamar de Era do Silício. (NAVARRO, 2006).
A Figura 3 esquematizada por Ashby (2005) exemplifica a evolução dos materiais no tempo, demonstrando a descoberta e utilização de diferentes materiais desde 10.000 AC, até a crescente estimativa para o ano de 2020.
Figura 3 – Evolução da Engenharia de Materiais com o tempo
Segundo Padilha (2000), os materiais sólidos são frequentemente classificados em três grupos principais: materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos ou plásticos. Esta classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas predominantes em cada grupo. Um quarto grupo, que foi incorporado nesta classificação nas últimas décadas, é o grupo dos materiais compósitos.
Materiais metálicos 5.1.1
Conforme Calister (1999) materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles possuem um número grande de elétrons não localizados, isto é, estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular.
Segundo Chiaverine (1986), a definição mais simples e usual de metal é a que considera esse elemento uma substância química elementar opaca, lustrosa, boa condutora de calor e eletricidade, boa refletora de luz quando convenientemente polida. Os metais, na sua maioria, caracterizam-se também por apresentarem certo grau de ductilidade e plasticidade e serem mais pesados que outras substâncias elementares. As características de maleabilidade, opacidade e condutividade térmica e elétrica são resultantes da ligação metálica ocorrida na microestrutura do material.
Os metais constituem o mais importante grupo de materiais de construção, graças às inúmeras aplicações nos vários campos da engenharia.
Alguns metais são encontrados no estado chamado nativo, ou seja, na forma praticamente pura, exemplos: ouro, platina, cobre, prata e mercúrio. Na maioria das vezes, contudo, os metais são encontrados na forma combinada com outros elementos, constituindo os chamados minerais ou minérios. (CHIAVERINE, 1986).
Os materiais nesse grupo são compostos por um ou mais elementos metálicos (tais como ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel) e com frequência também elementos não metálicos (por exemplo, carbono, nitrogênio e oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada. (CALISTER, 1999).
Materiais cerâmicos 5.1.2
Os materiais cerâmicos são normalmente combinações de metais com elementos não metálicos. Os principais tipos são: óxidos, nitretos e carbonetos. A esse grupo de materiais também pertencem os argilo-minerais, o cimento e os vidros. (PADILHA, 2000).
A argila foi o primeiro material estrutural inorgânico a adquirir propriedades completamente novas como resultado de uma operação intencional realizada por seres humanos, esta operação foi a “queima” (sinterização). A argila é usualmente plástica após ser suficientemente pulverizada e umedecida, e é nesta condição conformada. Após a secagem, ela se torna rígida e adquire alta dureza após a queima em temperaturas elevadas. (PADILHA, 2000).
Enquanto as cerâmicas tradicionais são obtidas a partir de matérias primas naturais tais como argilo-minerais e areia; as cerâmicas avançadas são feitas a partir de óxidos, nitretos, carbonetos e boretos de alta pureza, têm composição definida e o tamanho, a forma e a distribuição das partículas são controlados. (PADILHA, 2000).
Os vidros tradicionais são misturas de óxidos e devem ser classificados como materiais cerâmicos.
Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que os metais e polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são duros, porém muito quebradiços. (CALISTER, 1999).
Materiais poliméricos ou plásticos 5.1.3
Segundo Guedes e Filkauskas (1986), os polímeros são substâncias de elevada massa molecular obtidas pela repetição em longas cadeias de uma mesma unidade molecular chamada monômero. São usualmente fabricados a partir de compostos químicos simples como por exemplo, fenol, formaldeído, ureia, melanina, acetato de vinil, metacrilato de metila, etileno, etc.
Padilha (2000), através de seus estudos sobre materiais de engenharia, descreve que os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas
ou naturais. Os plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a seda, o algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de macromoléculas orgânicas naturais.
Os materiais plásticos são divididos em três categorias básicas, os termofixos, termoplásticos, e os elastômeros.
- Termofixos: São materiais que adquirem plasticidade por meio de calor (termo), são moldados, e ao se resfriarem retém permanentemente a forma na qual foram moldados (fixos). Se aquecidos novamente, não mais se amolecerão nem irão adquirir plasticidade. Um exemplo de material termofixo é o baquelite. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986).
- Termoplásticos: São materiais que requerem calor (termo) para se tornarem moldáveis (plásticos), e uma vez resfriados, retém a forma geométrica na qual foram moldados. Se aquecidos novamente voltam a se tornarem plásticos, podendo ser moldados em novas formas. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986,)
Fazem parte do grupo dos termoplásticos:
Plásticos Comuns: Produzidos e consumidos em grandes quantidades com custo relativamente baixo. Não apresentam características físicas e estruturais como os plásticos de engenharia. Ex: Polietileno, Poliestireno, Polipropileno, PVC, etc; (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986). Plásticos de Engenharia: São termoplásticos mais nobres produzidos em
menores quantidades, com custo elevado. Apresentam propriedades físicas e químicas diferenciadas e superiores. Ex: Poliacetais, Poliamidas (Nylons), Policarbonato e os Poliésteres (PET e PBT); (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986).
Plásticos de Uso Especial: São as ultimas conquistas no desenvolvimento de termoplásticos, pesquisados para fins específicos. Ex: Copolimero de Eter Feníeno (Prevex), Polisulfeto de Feníleno (Ryton), Poleter Ímida (Ultem); (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986).
- Elastômeros: São materiais conformáveis plasticamente, que se alongam elasticamente de maneira acentuada até a temperatura de decomposição e mantém
estas características em baixas temperaturas. Os elastômeros são estruturalmente similares aos termoplásticos, isto é, eles são parcialmente cristalinos. Exemplos típicos de elastômeros são: borracha natural, neopreno, borracha de estireno, borracha de butila e borracha de nitrila. (PADILHA, 2000).
Materiais compósitos 5.1.4
Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais. É composto de duas fases distintas a matriz e o reforço. (PADILHA, 2000).
A matriz pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. O mesmo vale para o reforço, que pode estar na forma de dispersão de partículas, fibras, bastonetes, lâminas ou plaquetas. (PADILHA, 2000).
A Matriz proporciona ductilidade ao compósito, transmitindo os esforços mecânicos aos materiais de reforço, ela envolve e mantem outros constituintes em suas posições relativas. Já o Reforço, é caracterizado por ser descontínuo e suportar os esforços aplicados ao compósito, podendo apresentar elevada resistência e rigidez. (PADILHA, 2000).
Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das melhores características de cada um dos materiais que o compõe. A fibra de vidro por exemplo, adquire resistência do vidro e flexibilidade do polímero. Muitos dos desenvolvimentos recentes de materiais têm envolvido materiais compósitos. (CALISTER, 1999).
5.2 TRIBOLOGIA
Originalmente, o termo Tribologia tem sua origem no grego Τριβο (Tribo – que significa esfregar, atritar, friccionar) e Λογοσ (Logos - que significa estudo) que em tradução literal significa Estudo do Atrito. (STOETERAU, 2004).
Jost (1990) através de seus estudos, definiu a tribologia como sendo a ciência e tecnologia que estuda e analisa a interação entre superfícies com movimento relativo, de temas e praticas associadas.
Apesar de não dominar cientificamente, os conceitos de tribologia já eram compreendidos por civilizações antigas, quando á aproximadamente 2000 A.C. se utilizavam de artifícios para minimizar o atrito, e facilitar o deslocamento de grandes cargas, é o caso da imagem mostrada na Figura 4, onde uma estátua (colosso) de aproximadamente 60 toneladas era puxada por 172 escravos.(STOETERAU, 2004).
Na Figura 4 é possível verificar que a estatua esta sobre trenós e acima destes, um homem está posicionado, e derramando o que parece ser um liquido no caminho onde passará o trenó, muito provavelmente com a intenção de facilitar o deslocamento daquela carga. (STOETERAU, 2004).
Figura 4– Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 á 2400 A.C
Fonte: Stoeterau (2004, p. 10).
Em 1780, aproximadamente, Coulomb confirmou as leis de atrito de Amonton e estabeleceu a terceira lei, em que a força de atrito é independente da velocidade. Essas três leis ainda são usadas e podem ser encontradas nos livros atuais de física e engenharia sobre o atrito. (STOETERAU, 2004).
As leis clássicas do atrito podem ser descritas conforme tópicos abaixo:
A força de atrito é proporcional à força (ou carregamento) normal; A força de atrito é independente da velocidade de escorregamento; A força de atrito é independente da área de contato aparente;
Um dos principais focos de estudo da tribologia é o desgaste, tradicionalmente são aceitos quatro modos de desgaste que estão representados na Figura 5. (RADI, 2007).
Figura 5 - Desenho esquemático dos quatro modos representativo de desgaste
Fonte: Radi (2007, p. 3).
A tribologia apresenta diferentes interesses nas diversas áreas do conhecimento tecnológico, com uma série de disciplinas científicas se ocupando de problemas tribológicos, tais como: (STOETERAU, 2004).
A ciência dos materiais, com o desenvolvimento de materiais tribológicos especiais;
A química, com o estudo de lubrificantes, aditivos e problemas de camada limite;
A física, com estudos de novos materiais e processos de revestimentos, e estudo do atrito no nível atômico/ quântico;
A fabricação, com estudo da qualidade superficial proveniente da fabricação e suas relações com a tribologia;
A metrologia, com a qualificação de superfícies tribológicas e a automação de sistemas;
O projeto, com a aplicação de superfícies tribológicas;
A automação, com o estudo da influência do atrito em sistemas de controle; entre outras;
5.3 DESGASTE
Conforme Gahr (1987, p. 560) o desgaste nada mais é que a deterioração da superfície que ocorre no nível topográfico e microestrutural, ou ambos, com perda ou ganho de material em uma camada da superfície, ou apenas quando ocorre deformação plástica e consequentemente, mudança de forma.
Para Bayer (2004, p. 399), o desgaste é um progressivo dano a uma superfície, causado pelo relativo movimento desta com respeito à outra substância, apresentando ou não perda de material.
Outras definições citadas por Dias & Gomes (2003) e Davis (2001) incluem no fenômeno do desgaste o deslocamento de material causado pela presença de partículas duras que estão entre ou embutidas em uma ou ambas superfícies em movimento relativo.
5.4 MECANISMO DE DESGASTE
O desgaste é principalmente de natureza mecânica, mas reações químicas podem também estar envolvidos. (DUCTILE IRON SOCIETY, 2004).
O desgaste é um fenómeno complexo, e pode incluir um ou mais dos seguintes mecanismos: (DUCTILE IRON SOCIETY, 2004).
Desgaste abrasivo: Causado pela remoção de material de um corpo, devido ao contato com um corpo mais duro;
Desgaste adesivo ou de desgaste por fricção: Causado pelo contato de deslizamento relativo de dois corpos;
Desgaste por fricção ou fadiga: Resultante de tensões cíclicas causadas pelo movimento relativo de dois corpos em contato;
Desgaste por cavitação: Causado pelo movimento de um fluido a alta velocidade ao longo da superfície de um corpo;
Já Bayer (1994), afirma que existem pelo menos três modos em que o desgaste pode ser classificado.
Pela aparência dos vestígio de dano: Sulcamentos, cavacos, lascamentos, riscamentos, polimentos, fissuras e trincas, entre outros;
Pelos mecanismos físico-químicos que causam a perda de material: adesão, abrasão, delaminação e oxidação;
Pelas condições onde o desgaste ocorreu: desgaste lubrificado ou não lubrificado, desgaste por deslizamento metal-metal, desgaste por rolamento, desgaste por deslizamento em alta tensão, desgaste metálico em altas temperaturas, etc.
Figura 6- Diagrama dos processos de desgaste em função do elemento interfacial e do tipo de movimento das interfaces
Os modos de desgaste podem ocorrer através de diversos mecanismos. Os mecanismos de desgaste são descritos pela consideração de mudanças complexas na superfície durante o movimento. Em geral, o desgaste ocorre através de mais de um modo, portanto a compreensão de cada mecanismo de desgaste em cada modo se torna importante. A Figura 6 demonstrada anteriormente aborda um breve resumo destes mecanismos. (Kato, 2001).
Neste trabalho será abordado basicamente o mecanismo de desgaste por abrasão, pois caracteriza o movimento dos graneis no interior de uma canalização agrícola.
Desgaste Abrasivo 5.4.1
O desgaste abrasivo é definido como o deslocamento de material causado por partículas com alta dureza, entre ou incorporado em uma ou ambas as superfícies em movimento relativo, ou pela presença de protuberâncias com dureza elevada em uma ou ambas as superfícies em movimento relativo. (ASM METALS HANDBOOK, 1996).
Diferentes processos físicos podem estar envolvidos na abrasão, dependendo do material de desgaste e as condições de operação tais como tipo de partículas de abrasão, ângulo de ataque, etc. (PEREIRA, 2010).
Segundo Casteletti (1994 apud ISRAEL, 2005, p. 28) em escala microscópica, a maior parte dos processos de abrasão pode ser escrita como uma ação de corte similar a uma operação de usinagem, na qual o grão do abrasivo penetra na superfície do metal produzindo pequenos cavacos. É, obviamente necessário que o grão do abrasivo seja mais duro que o do material em uso.
O desgaste abrasivo é causado por tensões de compressão concentradas no ponto de contato com o abrasivo, ocorrendo a deformação plástica e fadiga de constituintes dúcteis, e a quebra dos constituintes duros do material empregado. (METALS HANDBOOK, 1990, apud ISRAEL, 2005, p. 27).
A Figura 7 representa ação da partícula dura na superfície do material. A variação de tensão aplicada pelas componentes Fx e Fy (forças normal e tangencial
atuantes na partícula), determinam a característica do mecanismo de desgaste, que pode ocorrer sob baixas ou altas tensões. (ALLEN, 1996).
Figura 7– Representação do desgaste abrasivo produzido pelo movimento de partícula dura na superfície da peça
Fonte: ALLEN (1996, p. 108).
Budinski (1988 apud GARCIA, 2011, p.11) classificam o desgaste abrasivo baseados na quantidade do dano exercido sobre a superfície, tais como: Abrasão a baixa tensão, Abrasão a alta tensão, abrasão por arranque e Polimento.
- Abrasão a baixa tensão: É definida como o desgaste que ocorre pelo contato entre as pequenas partículas abrasivas e o metal, levando a um sulcamento da superfície O critério estabelecido para a abrasão a baixa tensão é que as forças devem ser o suficientemente baixas para evitar o esmagamento do abrasivo. Esse tipo de abrasão ocorre frequentemente na superfície de equipamentos que direta ou indiretamente manuseiam terras, areias, minérios ou carvão, tais como, máquinas agrícolas, equipamentos de escavação, transporte, manuseio de minérios, etc. A Figura 8 (a) apresenta este mecanismo de desgaste.
- Abrasão a alta tensão: É o desgaste produzido sobre um nível de tensão elevado que é capaz de esmagar o abrasivo, aumentando a dureza por deformação na superfície. Nesta o abrasivo é forçado a penetrar entre as superfícies de dois metais e, por serem três os elementos envolvidos é também denominada de “abrasão a três corpos”. A Figura 8 (b) apresenta este mecanismo de desgaste.
- Abrasão por arranque: É caracterizada pela ação de impacto que as partículas submetem à superfície do metal, produzindo desta forma, a remoção. Este tipo de
desgaste se apresenta em peças como as camisas dos trituradores, martelos de impacto, pulverizadores, etc. a deformação plástica é um dos fatores dominantes neste tipo de abrasão. A Figura 8 (c) apresenta este mecanismo de desgaste.
- Polimento: É representado pela Figura 8 (d), é uma forma muito suave de desgaste onde o mecanismo não tem sido claramente identificado, mas envolve desgaste por partículas numa escala muito fina.
Figura 8– Ilustração esquemática dos quatro tipos de desgaste, a) abrasão a baixa tensão, b) abrasão a alta tensão, c) abrasão por arranque e d) polimento
Fonte: BUDINSKI (1988, p. 37).
O Desgaste Abrasivo é uma forma de desgaste que ocorre quando uma superfície rugosa e dura se desloca sobre uma superfície de material mole, neste deslocamento as asperezas da superfície mais dura risca a superfície mais mole e remove partículas da mesma, estas partículas geralmente ficam soltas e se deslocam pelas duas superfícies, podendo sofrer adesão em outro ponto da superfície mais mole. (STOETERAU, 2004).
O Desgaste abrasivo envolvendo uma superfície dura e rugosa com outra mole é conhecida como desgaste abrasivo de dois corpos, este tipo de desgaste pode ser mostrado na Figura 9, podendo ser eliminado ou minimizado se a superfície mais dura for lisa (menor rugosidade possível). (STOETERAU, 2004).
Figura 9– Desenho representativo de Superfície abrasiva antes e depois do desgaste, e superfície abrasiva com partículas aderidas na superfície.
Fonte: STOETERAU (2004, p. 87).
O desgaste abrasivo envolvendo um grão duro e abrasivo, e duas outras superfícies moles, é conhecido como desgaste abrasivo de três corpos, este tipo de desgaste pode ser mostrado na Figura 10. Este tipo de desgaste pode ser eliminado ou minimizado se as partículas duras forem muito pequenas ou de dureza inferior ao material das superfícies. (STOETERAU, 2004).
Figura 10– Desenho representativo de um grão abrasivo entre duas superfícies.
Fonte: STOETERAU (2004, p. 90).
No estudo dos fenômenos tribológicos associados à abrasão é importante identificar os micro mecanismos de desgaste, os quais definem os processos de interação entre o abrasivo (ou asperidade dura) e a superfície desgastada. (HUTCHINGS, 1992).
Segundo Davis (2001 apud GARCIA, 2011, p. 12), os micro mecanismos de desgaste abrasivo podem ser dúcteis (microsulcamento e microcorte) ou frágeis (microtrincamento ou lascamanento), conforme detalhes da Figura 11 abaixo.
- Microsulcamento: No mecanismo demonstrado na Figura 11 (a), e Figura 11 (b) ocorre a interação entre a partícula e o abrasivo em condições dúcteis, provocando o deslocamento total do volume de material (ou fase), deformado plasticamente para as laterais do sulco e formando saliências. Durante a primeira etapa do microsulcamento não há perda de material efetivo, entretanto pela interação simultânea e sucessiva de várias partículas, as condições de desgaste (carga, tipo de material e abrasivo) podem levar à perda de material.
- Microcorte: A perda de massa ocorre devido ao corte do material pelo abrasivo Figura 11 (c). Se as condições favorecem o microcorte puro o volume de material perdido é igual ao volume do risco produzido
- Microtrincamento: Nesse mecanismo, típico de condições frágeis de desgaste, a interação entre a partícula e o material leva ao destacamento de grandes fragmentos, os quais podem ser maiores que a dimensão do próprio risco devido à formação e a propagação de trincas durante o evento, conforme detalhes da Figura 11 (d)
Figura 11– Ilustração esquemática dos principais micro-mecanismos de desgaste abrasivo: a) e b) microsulcamento, c) microcorte e d) microtrincamento.
Quanto aos mecanismos causadores do desgaste abrasivo, Hutchings (1992) classifica por deformação plástica e por fratura frágil. Na fratura frágil, o trincamento ocorre em contatos repetidos quando as partículas duras concentram tensões maiores que o limite de resistência nas superfícies do material, geralmente frágeis. Nestes casos, grandes fragmentos de desgaste são destacados das superfícies devido a formação e propagação de trincas.
5.5 CANALIZAÇÃO AGRÍCOLA PARA CEREAIS
Definições e características 5.5.1
Conforme Milman (2002), canalizações agrícolas são acessórios que interligam o fluxo de grãos entre maquinas e equipamentos utilizados em seu beneficiamento. Compõem-se basicamente de canos, curvas, registros manuais/pneumáticos, bifurcadas manuais/pneumáticas, entradas e saídas especiais para transportadores, reduções e demais acessórios para movimentação e manejo de grãos em uma unidade armazenadora.
Define-se movimentação de grãos, como sendo a transferência de uma massa de grãos de um ponto a outro em qualquer direção ou sentido, com o menor dano mecânico possível. (MILMAN, 2002).
Os dutos ou canalizações, podem ser classificados como transportadores gravitacionais, ou seja os grãos se movimentam apenas pela ação da gravidade sem que seja necessária qualquer fonte motora, apesar dos grãos adquirirem energia potencial para possibilitar o fluxo. (MILMAN, 2002).
Segundo Milman (2002), para que seja possível realizar o deslocamento do produto no interior das canalizações com eficiência, deve ser levado em consideração alguns fatores ligados ao transporte por gravidade, dentre eles pode-se citar:
Ângulo de repouso dos grãos: o fluxo de escoamento dos grãos através das tubulações é inversamente proporcional ao ângulo de repouso ou talude natural dos grãos; menor ângulo de repouso, maior fluxo;
Material de constituição dos tubos ou calhas: quanto mais lisas forem as superfícies das tubulações, mais fica favorecido o fluxo de grãos pelo seu interior, superfície mais lisa, maior fluxo;
Vibração dos Canos ou Calhas: o fluxo de grãos no interior das tubulações fica favorecido pela vibração das tubulações, maior vibração, maior fluxo; Inclinação dos tubos ou calhas: a inclinação das tubulações é diretamente
proporcional ao fluxo de escoamento dos grãos no seu interior, maior inclinação, maior fluxo;
Devido a estes fatores, as canalizações agrícolas ou transportadores gravitacionais, devem ser projetados considerando a inclinação necessária para cada produto, de modo que os grãos escoem por naturalidade (sem intervenção mecânica). Esta inclinação necessária por produto está representada na Tabela 1 abaixo.
Tabela 1- Ângulo das tubulações
Fonte: Milman (2002, p. 75).
Os fabricantes de equipamentos agrícolas, projetam seus produtos de modo a atender uma vasta gama de clientes, portanto as canalizações são planejadas para diferentes capacidades “fluxo” de grãos, os quais estão representados nas Tabela 2, para canos de seção redonda, e na Tabela 3 para canos de seção quadrada.
Tabela 2- Capacidade de transporte das tubulações redondas
Tabela 3- Capacidade de Canalizações Quadradas
Fonte: EIMAN 819 (2006, p.10).
Para exemplificar a utilização e importância das canalizações em uma unidade armazenadora de grãos, está representado da Figura 12 o esquema usual de interligação de um Elevador de Caçambas com um Silo metálico. Já na Figura 13 está representado a utilização das canalizações para interligar um Elevador de Caçambas com uma Máquina de Limpeza de Cereais.
Figura 12- Canalização de ligação Elevador com Silo.
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2015).
Canalização para grãos
Figura 13- Canalização de ligação Elevador com Maquina de Limpeza.
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2015).
Acessórios para tubulações de grãos 5.5.2
5.5.2.1 Canos ou Tubos Redondos
Tubulação circular que interliga os equipamentos, deve permitir o giro em torno do seu eixo para evitar o desgaste em um só lado. Não deve possuir nenhuma proeminência interna, como pontos de soldas, etc., e serem emendados a prumo para evitar desgaste imediato pela abrasão dos grãos. (MILMAN, 2002).
Figura 14- Canos de seção circular para transporte de grãos
5.5.2.2 Canos ou Tubos Quadrados
Apresenta a mesma finalidade da tubulação de seção redonda, interligar os equipamentos. É utilizada para elevados fluxos de escoamento de grãos, pode ou não ser revestido com material polimérico para minimizar o desgaste abrasivo. (MILMAN, 2002).
Figura 15- Canos de seção quadrada para transporte de grãos
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2016).
5.5.2.3 Amortecedor Final
É usado como peça final das tubulações antes da entrada em equipamentos, com a função de reduzir a velocidade do fluxo de escoamento dos grãos. (MILMAN, 2002).
Figura 16- Amortecedor Final
5.5.2.4 Bifurcada
É usada com a função de dividir em duas direções, uma de cada vez, o fluxo da massa de grãos nas tubulações, abaixo segue imagem representada pela Figura 17. (MILMAN, 2002).
Figura 17- Bifurcada
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2016).
5.5.2.5 Cano Flexível
É usado com a função de expedição de grãos onde a canalização não deve ser rígida, como exemplo carga de caminhões e também na carga de silos armazenadores para nivelar melhor o seu enchimento, abaixo segue imagem na Figura 18. (MILMAN, 2002).
Figura 18- Cano Flexível
5.5.2.6 Curva
É usada com a função de mudar a direção das tubulações, feita de ferro fundido com anéis nas bordas para ligação com as presilhas, abaixo segue imagem na Figura 19. (MILMAN, 2002).
Figura 19- Curva
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2016).
5.5.2.7 Presilha
É usada com a função de fixação das peças de um sistema de tubulações de grãos, abaixo segue imagem na Figura 20. (MILMAN, 2002).
Figura 20- Presilha
5.5.2.8 Transição
É usada com a função de conectar uma tubulação de seção circular com uma de seção retangular, abaixo segue imagem na Figura 21. (MILMAN, 2002).
Figura 21- Transição
Fonte: Arquivo Kepler Weber (2016).
5.6 PROPRIEDADES DOS GRANEIS
O conhecimento das características físicas dos produtos agrícolas e dos seus princípios tem grande importância para a construção e operação de equipamentos de secagem e armazenagem, bem como para a adaptação de equipamentos já existentes, visando obter maior rendimento nas operações de processamento.
Abaixo serão representados alguns fatores característicos dos granéis, que são estudados para compreender o seu movimento relativo e escoamento no interior das tubulações e transportadores de grãos.
Ângulo de repouso ou talude natural dos grãos 5.6.1
A massa de grãos, ao ser descarregada sobre um plano horizontal, se acumula de forma cônica conforme detalhes da Figura 22. Define-se ângulo de talude natural de uma massa de grãos, que depende do formato, tamanho, teor de umidade e pela constituição externa do grão como sendo a inclinação da superfície lateral do volume formado, em relação ao plano horizontal. (MILMAN, 2002).
O ângulo de repouso dos grãos determina a inclinação dos equipamentos e superfícies que escoam grãos por gravidade. A inclinação deverá ser maior que o ângulo de repouso. (MILMAN, 2002).
Figura 22- Ilustração esquemática do ângulo de repouso
Fonte: Silva (2008, p. 30).
A tabela 4 abaixo determina o ângulo de repouso de diferentes granéis em função da umidade relativa do grão.
Tabela 4- Ângulo de repouso ou de talude natural de algumas tipos de grãos
Fonte: BROOKER et al, (1974).
Tamanho e forma dos grãos 5.6.2
O tamanho e a forma são características específicas de cada produto, definidas geneticamente, podem ser influenciadas pelo ambiente durante e após o período de
sua formação e que influencia as demais propriedades físicas do produto. (SILVA, 2008).
Conforme Silva (2008), o tamanho dos grãos é determinado pelas medições dos eixos perpendiculares do grão, e, quanto mais irregular maior o número de medições (Figura 23). Já a forma é determinada pela comparação com um formato padrão predeterminado. Por exemplo, o grão é comparado visualmente com formas esféricas, cilíndricas, ovais, cônicas, etc.
A circularidade e a esfericidade são os principais parâmetros a serem definidos, ou seja, quanto mais próximos da unidade estiverem estes valores, mais próximos de um círculo ou de uma esfera estará o grão em estudo. A circularidade é a razão entre a maior área projetada do grão em repouso natural (Ap) e a área do menor círculo circunscrito (Ac). Já a esfericidade é a razão entre o diâmetro do maior círculo inscrito (di) e o diâmetro do menor círculo circunscrito (dc) conforme detalhes da Figura 24. (SILVA, 2008).
Figura 23- Eixos perpendiculares para avaliação do tamanho
Fonte: Silva (2008, p. 31).
Figura 24- Determinação aproximada da esfericidade e da circularidade
A Tabela 5, demonstra os valores de X, Y e Z para algumas espécies de grãos, medidos experimentalmente. (SILVA, 2008).
Tabela 5- Forma e tamanho de algumas espécies de grãos
Fonte: Moshenin (1978 apud Silva, 2008, p. 32).
5.7 LIGAS DE AÇO RESISTÊNTES A ABRASÃO
Generalidades 5.7.1
Conforme Chiaverini (1988), quaisquer que sejam as explicações das causas que produzem o desgaste abrasivo, é certo que o mesmo são reduzidos pelo melhor acabamento das superfícies em contato e pelo aumento da dureza e da resistência mecânica do metal.
Em outras palavras a resistência ao desgaste dos metais depende dos seguintes fatores: (CHIAVERINI, 1988).
Acabamento da superfície metálica, a qual deve se apresentar tão dura e plana quanto possível, de modo a eliminar depressões projeções que ao coincidirem umas com as outras, produzem o arrancamento de partículas além de propiciar, pela energia produzida, uma elevação de temperatura; Dureza, a qual deve ser elevada, para que o metal resista à penetração
inicial;
Resistência mecânica e tenacidade que, quanto mais altas, mais dificultam o arrancamento das partículas metálicas, quais quer que sejam as causas passiveis de produzir tal efeito;
O mais importante dos fatores citados, com certeza é a dureza, pois dela depende o inicio do desgaste abrasivo. Outro fator também ponderável e que deve ser levado em consideração é a estrutura metalográfica do material. (CHIAVERINI, 1988).
Os requisitos de alta dureza, elevados valores de resistência e tenacidade e estrutura adequada são conseguidos nos aços mediante os seguintes artifícios: (CHIAVERINI, 1988).
Composição química conveniente, pela introdução em altos teores de determinados elementos de liga;
Tratamentos térmicos ou termo químicos de aços de composição apropriadas;
Sendo assim, a resistência ao desgaste dos metais pode ser obtida mediante os seguintes meios: (CHIAVERINI, 1988).
Mecânicos, pelo trabalho a frio ou encruamento proporcionados por laminação, estiramento ou deformação a frio, ou pela aplicação de processos de “jato abrasivo” nas superfícies das peças;
Térmicos, pela têmpera total ou tempera superficial (por chama ou indução);
Termoquímicos, pelos tratamentos de cementação, nitretação, etc;
Revestimentos superficiais, pela adição de “cromo duro”, siliconização, eletrodeposição, metalização, etc;
A resistência ao desgaste geralmente aumenta conforme a microestrutura é mudada de ferrita para perlita, desta para bainita e finalmente bainita para martensita; isto, desde que seja acompanhada de aumento de dureza. (DETTOGNI, 2010).
Efeito dos elementos de liga nos aços 5.7.2
5.7.2.1 Alumínio (Al)
É um elemento desoxidante eficiente, contribuindo para a formação de óxidos e nitretos que ofereceram resistência ao crescimento do tamanho de grão. Sua adição se faz necessária principalmente nos aços para nitretação. (CHIAVERINI, 1986).
5.7.2.2 Boro (B)
Quando utilizado nas porcentagens de 0,003 a 0,005% nos aços, melhoram a termperiabilidade, a penetração da têmpera, a endurecibilidade e a resistência a fadiga. Em conjunto com molibdênio, o boro forma um grupo de aços bainíticos de alta resistência à tração (CHIAVERINI, 1986).
5.7.2.3 Cobalto (Co)
O Cobalto quando adicionado aos aços, aumenta a resistência de corte a quente do material, no entanto opõe-se a formação de granulação grossa, tornando o aço insensível ao super aquecimento. (CHIAVERINI, 1986).
Apresenta alta solubilidade em ferro alfa e gama, porem uma fraca tendência a formar carbeto. Reduz a temperabilidade do aço mas mantém a dureza durante o revenimento. (CHIAVERINI, 1986).
Contudo deve sempre estar presente em liga com os elementos Cromo, Molibdênio, Tunsgstênio e Vanadio. (CHIAVERINI, 1986).
5.7.2.4 Cromo (Cr)
O Cromo quando adicionado aos aços, possibilita a formação de carbonetos, aumenta a resistência a corrosão e à oxidação, bem como a endurecibilidade dos aços. Geralmente é adicionado junto com o Níquel e Cobre. (CHIAVERINI, 1986).
Combinado com altos teores de carbono, torna-se resistente ao desgaste (devido a formação de carbetos de cromo), melhora a resistência a temperatura, reduz a
velocidade critica de resfriamento tornando a granulação dos aços mais refinadas. (CHIAVERINI, 1986).
5.7.2.5 Enxofre (S)
O Enxofre quando presente aos aços, é um elemento prejudicial, tornando- o frágil e quebradiço ao rubro. Seu uso só é recomentado em aços de “corte fácil” e “usinagem fácil” a altas velocidades. (CHIAVERINI, 1986).
5.7.2.6 Tungstênio (W)
O Tungstênio quando adicionado como elemento de liga, produz partículas duras e resistentes ao desgaste, conferindo ao aço características de dureza ao rubro. Sua adição refina a granulação tornando o aço mais tenaz. (CHIAVERINI, 1986).
Atribui aos aços maior capacidade de corte, através do aumento da dureza e resistência a temperaturas elevadas, sendo bastante empregado nos aços rápidos. (CHIAVERINI, 1986).
Para um percentual em torno de 1,5% a resistência ao desgaste aumenta moderadamente. Em percentagem de 4%, em combinação com alto carbono, aumenta fortemente a resistência ao desgaste. (CHIAVERINI, 1986).
5.7.2.7 Vanádio (V)
O Vanádio, quando adicionado como elemento de liga, aumenta a temperatura de crescimento de grão da austenita promovendo refino de grãos. (CHIAVERINI, 1986).
A adição de Vanádio nos aços melhora a característica de forjamento e usinagem, aumenta a endurecibilidade, a resistência ao calor, o limite de escoamento e de resistência ao revenido. (CHIAVERINI, 1986).
Em porcentagem acima de 1%, confere alta resistência ao desgaste especialmente para aços rápidos. Pequenas quantidades de vanádio em
combinação com cromo e tungstênio aumentam a dureza ao rubro. (CHIAVERINI, 1986).
Ligas de aço Manganês Austeníticos ou “Hadfield” 5.7.3
Conforme Chiaverini (1988), o melhor meio de elevar a dureza superficial do aço e, consequentemente, a sua resistência ao desgaste, é pelo encruamento de determinados tipos de aços austeníticos onde a austenita é pouco estável, sendo que pelo encruamento, podem ser tonadas/transformadas em martensíticos.
Esses aços são caracterizados por elevados terrores de carbono e de manganês, alta resistência mecânica, alta ductilidade, além de excelente resistência ao desgaste. (CHIAVERINI, 1988).
Os tipos comerciais apresentam o carbono entre 1,0% a 1,4% e o manganês entre 10% e 14%.
Outros elementos presentes nos aços manganês austênticos são: (CHIAVERINI, 1988).
Silício, com objetivo principal de prover a desoxidação raramente ultrapassando 1%. Entretanto, as vezes pode ser utilizado em teores até 2%, para produzir um certo aumento do limite de escoamento e certa resistência à deformações plásticas sob choques repetidos;
Fósforo, com teores entre 0,06% e 0,10% (máximo), garantindo boa soldabilidade ao aço;
Outros elementos de liga como Níquel, Molibdênio, Cromo, Cobre e Vanádio, podem ser adicionados ao aço para melhorar o limite de escoamento e usinabilidade;
Chiaverini (1988), especifica que quando tratados termicamente pelos processos de austenitização a temperaturas relativamente altas assegurando a completa solução dos carbonetos, seguido de resfriamento muito rápido em agua, o aço torna-se mais resistente e mais dúctil, apretorna-sentando um alongamento que pode variar de 30% a 60%, uma dureza Brinell de 180 a 220, limite de escomanto de 290 a 410
Mpa, e limite de resistência a tração de 560 a 980 Mpa, conforme detalhes da Tabela 6 abaixo.
Tabela 6- Propriedades dos aços- manganês austeníticos
Fonte: Adaptado de Chiaverine (1988, p. 357).
Estes aços quando solicitados ao serviço severo, possibilitam grande encruamento (geralmente devido golpes repetitivos), causando o aumento da dureza de cerca de 200 Brinell para 600 Brinell. Provavelmente nenhum aço supera o aço Hadfield na capacidade de endurecer pelo encruamento. (CHIAVERINI, 1988).
Os aços manganês austeniticos, devido as suas propriedades são utilizados nas industrias de construção, mineração, exploração de pedreiras, perfuração de poços de petróleo, fabricação de cimento e produtos cerâmicos, estradas de ferro, dragagem, etc. (CHIAVERINI, 1988).
5.8 UTILIZAÇÃO DE CARGAS NOS POLIMEROS
Cargas são substâncias que são misturadas a um material base, de forma a não se solubilizar ou reagir, e sim permanecerem difundidos uniformemente no mesmo. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986).
No caso da borracha uma pequena porcentagem de carga favorecem na vulcanização. Já com respeito aos termofixos e os termoplásticos, as cargas são utilizadas para conseguir ou aumentar algumas propriedades definidas dos mesmos. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986).
Nos termofixos, as cargas incluem uma vasta gama de materiais, incluindo asbestos, serragem de madeira, pós metálicos, etc. Na borracha, é mais frequente o uso de minerais , como caulim, e pós de diversas rochas. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986). kgf/mm² Mpa kgf/mm² Mpa Fundido 1,11 12,7 0,54 36,4 354 45,5 445 4 ... ... Fundido* 1,0 / 1,4 10,0 / 14 0,2 / 1,0 35,0 / 39,9 340 /389 70 / 101,5 690 / 995 30 / 65 30 / 40 185 / 210 Laminado* 1,1 / 1,4 11,0 / 14 0,2 / 0,6 30,1 / 46,9 291 / 459 91,7 / 110,6 897 / 1086 40 / 63 35 / 50 170 / 200 Dureza Brinell *Tratado termicamente Estado C Mn Si Limite convencional n Composição Propriedades
Limite de resistência à tração Alongam ento %
Estricção %
As cargas mais utilizadas nos termoplásticos são: fibra de vidro, microesferas de vidro, o talco e o caulim. Com menor frequência, e visando conferir ao termoplástico características bastante especificas, são usados grafite em pó, bissulfeto de molibdênio em pó, e em casos muito especiais pós metálicos. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986).
Fibra de Vidro 5.8.1
As fibras de vidro são usadas para reforçar peças moldadas de resinas plásticas, laminados, e peças injetadas de termoplásticos. É utilizada na forma de feixe de fibras longas com diâmetro de 0,01 a 0,02mm, formando uma espécie de tecido ou manta. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 124)
Quando utilizadas em porcentagem de 5 a 30% possibilitam melhora nas propriedades mecânicas dos termoplásticos, bem como sua resistência ao calor. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 124)
Nas poliamidas a adição de fibra de vidro modifica consideravelmente suas características físicas, concedendo-as as seguinte propriedades: (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 104).
Diminui a hidroscópia e a fluidez a frio; Aumenta a estabilidade dimensional; Aumenta a resistência térmica; Aumenta a rigidez;
Aumenta a resistência ao desgaste; Aumenta a resistência ao impacto; Aumenta a resistência a tração;
Piora porem, o aspecto superficial das peças, que se tornando-as foscas
Fibra de Carbono 5.8.2
São fibras formadas por longas cadeias de átomos de carbono. Estas fibras são longas, de cor preta e aspecto sedoso, muito mais resistentes que as fibras de vidro. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 124).
Na maioria das aplicações são usadas na forma de mantas tecidas com as fibras, dispostas em camada sobrepostas, obtendo peças leves e muito resistentes, com aplicações na indústria aeronáutica e aeroespacial. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 124).
Embora menos utilizada como reforço em termoplásticos para injeção do que a fibra de vidro, quando utilizadas são apresentadas em forma de fibras de seção circular com diâmetro aproximado de 0,1mm. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 125).
As vantagens obtidas com o uso de fibras de carbono como reforço em termoplásticos são o aumento da resistência mecânica e da rigidez, bem como a resistência ao desgaste. Aumentam também a estabilidade dimensional das peças. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 125).
Microesferas de Vidro 5.8.3
São esferas microscópicas e maciças com diâmetro médio aproximado de 0,025mm, muito utilizada como carga para as poliamidas, conferindo-as maior resistência ao calor, e melhor resistência à tração e à compressão, melhorando inclusive o módulo de elasticidade à flexão. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 125).
As microesferas de vidro, além dos motivos mencionados acima, são usados como cargas nas poliamidas e poliestirenos em porcentagens de 5 a 30%, para melhorar a fluidez e conferir a estes termoplásticos um comportamento mais isotrópico. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 125).
Nas poliamidas a adição de fibra de vidro modifica consideravelmente suas características físicas, concedendo-as as seguinte propriedades: (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 104).
Aumenta a rigidez;
Aumenta a resistência ao desgaste; Aumenta a resistência ao impacto; Aumenta a resistência a tração;
Talco 5.8.4
O talco, silicato de magnésio hidratado, em partículas com tamanho médio de 2 a 20 microns, dureza mohs de 1,0 é usado principalmente como carga para o polipropileno. Neste termoplástico, o talco em porcentagens de 10 a 40, aumenta a rigidez e eleva a temperatura de deflexão ao calor, mantendo boas as propriedades de resistência a tração, compressão e impacto. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 126)
Caulim 5.8.5
O Caulim é um componente mineral, utilizado como carga de reforço em poliamidas e outros plásticos de engenharia, devido a melhora que proporciona na resistência mecânica dos mesmos. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 126).
Devido ao seu desempenho, são inseridos aos plásticos de engenharia em porcentagens similares as aplicadas para fibra ou esferas de vidro. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 126).
Pigmentos 5.8.6
Os pigmentos são substâncias de natureza diversa com a característica intrínseca de serem portadores de cores. Na terminologia técnica, faz-se uma destinação entre pigmento e corante. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 127).
Pigmento são substâncias de origem inorgânicas, geralmente insolúveis em solventes convencionais, como a agua e o álcool, e que conferem a cor por dispersão através de um sistema. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 127).
Corantes são substâncias orgânicas, solúveis nos solventes mencionados, e reativos em alguns sistemas. Os corantes são fortes, brilhantes, e por serem solúveis são também transparentes. (GUEDES; FILKAUSKAS, 1986, p. 127).
