AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO EM FADIGA DO AÇO ABNT 4340 REVESTIDO COM CÁDMIO ELETRODEPOSITADO E ALUMÍNIO POR
DEPOSIÇÃO IÔNICA A VAPOR (IVD)
M. P. Peres¹, R. M. Peres¹, F. J. Grandinetti¹²
Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333 – Pedregulho - Guaratinguetá – SP CEP: 12.516-410
e-mail: mperes@feg.unesp.br
¹Universidade Estadual Paulista-Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá ²UNITAU-Universidade de Taubaté
RESUMO
O recobrimento usado pela indústria aeronáutica que combina proteção anticorrosiva e boas propriedades mecânicas é o de cádmio eletrodepositado, mas este é extremamente nocivo a saúde do ser humano. Na busca de um processo alternativo, têm-se a deposição iônica a vapor de alumínio. Neste estudo verifica-se o comportamento da viga em fadiga do aço ABNT 4340 em duas situações de revestimento, com eletrodeposição de cádmio e decomposição iônica a vapor de alumínio. Para realizar este trabalho foram feitos ensaios de fadiga por flexão rotativa em um grande número de corpos de prova, divididos em quatro diferentes condições de revestimento, sendo em corpos de prova do material base sem revestimento, corpos de prova revestidos com cádmio sem desidrogenação, corpos de prova com cádmio com desidrogenação e corpos de prova com deposição iônica a vapor de alumínio. Depois de obtida a resistência à fadiga (número de ciclos) para cada amostra ensaiada, foram traçadas as curvas σ – log N (diagrama de Wöhler) para a caracterização da vida em fadiga deste material.
INTRODUÇÃO
Considerações gerais
Para um melhor controle da resistência à fadiga dos materiais são realizados diversos estudos em um grande número de componentes aeronáuticos sujeitos a carregamentos cíclicos. Um dos ensaios de fadiga que melhor representa o comportamento para tais componentes é o de flexão rotativa [1]. Para que a vida em fadiga de um material seja recuperada ou que não seja curta, é necessário que um tratamento superficial seja realizado. Neste contexto, a eletrodeposição de cádmio ou a Deposição Iônica a Vapor (IVD) de alumínio são particularmente as mais utilizadas por permitirem uma proteção anticorrosiva em diversas partes do material.
A eletrodeposição de cádmio vem no decorrer dos anos sendo a mais utilizada, pois este processo garante que componentes mecânicos tenham sua resistência superficial aumentada além de garantir também uma boa proteção à corrosão. Porém este tipo de processo tem a desvantagem de ser muito perigoso à saúde humana e ao meio ambiente, devido o metal ser tóxico e muito pesado.
Devido o alumínio não ser um material tóxico, e consequentemente inofensivo à saúde humana, verificou-se que este metal possui uma característica vantajosa para ser utilizado na deposição iônica a vapor. Com isso, este tipo de processo é conhecido como deposição iônica a vapor de alumínio, que garante as mesmas propriedades quanto ao processo de eletrodeposição.
Objetivo
O objetivo principal deste trabalho é fazer um estudo comparativo do comportamento da vida em fadiga do aço ABNT 4340 com cádmio eletrodepositado e com deposição superficial de alumino usando a técnica de deposição iônica a vapor (IVD).
Para estudar esse comportamento foi preciso realizar ensaios de flexão rotativa em um grande número de corpos de prova. Depois de obter a resistência à fadiga (número de ciclos) para cada amostra ensaiada, foram traçadas as curvas σ – logN (diagrama de Wöhler) para caracterização da vida em fadiga deste material.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Material
O material em estudo é o aço ABNT 4340 de uso aeronáutico, é um aço de baixa liga com elevadas propriedades mecânicas e boas características em fadiga. Foi realizada a análise química pela EMBRAER(Empresa Brasileira de Aeronáutica), comprovando que o material encontra-se dentro das especificações desejadas.
CONFECÇÕES DOS CORPOS DE PROVA
Para o estudo em questão foram confeccionados 77 corpos de prova, destes sendo 4 para ensaio de tração, 4 para ensaio de impacto, 15 para o ensaio de fragilização e 54 para o ensaio de fadiga por flexão rotativa.
Corpo de prova de fadiga por flexão rotativa
Os 54 corpos de prova foram preparados em duas etapas. A primeira realizada na FEG/UNESP constituiu em usinar e identificar o material, pegando-o como fornecido com um diâmetro de 15,0 mm, desbastando-o até atingir um diâmetro de 13,0 mm e já no comprimento estabelecido pela norma. A segunda etapa foi realizada na EMBRAER em tornos CNC permitindo garantir a repetibilidade dos corpos de prova.
Após desbastar os corpos de prova tanto os de fragilização como os de fadiga por flexão rotativa, foram realizados na EMBRAER os tratamentos térmicos de têmpera e revenimento, que permitiu aos corpos de prova adquirir uma dureza entre 38 a 42 HRc, já que os mesmos antes desses tratamentos se encontravam com a dureza do material como fornecido, que era de 20 HRc.
Após os tratamentos térmicos os corpos de prova foram novamente usinados até atingirem sua forma final. Com isso, uma nova etapa foi realizada nos corpos de prova de flexão rotativa e nos corpos de prova para verificação da fragilização por hidrogênio, que foi o tratamento térmico de alivio de tensões a 190ºC por um tempo de 4 horas. Durante o procedimento experimental 20 corpos de prova de flexão rotativa foram submetidos ao tratamento mecânico de shot peening, bem local onde são presos no cabeçote da máquina de fadiga antes que ocorresse a cadmiagem, pois esse tratamento introduz tensões residuais de compressão na superfície da
peça, aumentando o limite de resistência à fadiga do material. A penúltima etapa na preparação dos corpos de prova é o processo de eletrodeposição com o cádmio (cadmiagem).
O cádmio / cadmiagem
Elemento químico metálico possui cor branca prateada com pequenos reflexos azuis, é maleável e mole e funde a uma temperatura de 321ºC. Possui características muito similares às do zinco, com o qual sempre se encontra associado na natureza. O cádmio é utilizado em operações de recobrimento superficial, principalmente para proteger o ferro e o aço da corrosão, seus vapores são altamente tóxicos, daí seu uso ser muito restrito e nunca podendo estar em contato com alimentos.
A cadmiagem é um processo de eletrodeposição que consiste na deposição de uma camada de cádmio sobre a superfície do material a ser recoberto, com o objetivo de proteger contra a corrosão. No processo de cadmiagem os banhos são de composições simples, contendo um sal de cádmio em forma de complexo duplo de cianeto de sódio e cádmio e cianeto de sódio e hidróxido de sódio. Os anodos de cádmio são encontrados em forma de bolas com pureza de 99,9%.
A última fase na fabricação dos corpos de prova é o tratamento de desidrogenação, feito nos corpos de prova de fadiga e fragilização.
A temperatura de desidrogenação para os corpos de prova de fadiga foi de 190°C ± 5ºC, por um tempo de 3 horas.
O tratamento de desidrogenação para os corpos de prova de fragilização foram realizados nas temperaturas de 190°C, 230°C e 250°C ± 5°C, por um tempo de 3 horas.
O alumínio / deposição iônica a vapor
Elemento químico metálico de cor branca prateada, leve, não magnético e não produtor de centelhas. É um dos metais mais maleáveis e dúcteis e também bom condutor de calor e funde a 660,3°C [2,3]. O processo de revestimento de alumínio por IVD é o método para a aplicação de uma camada de alumínio em peças para a proteção à corrosão do metal base. O processo é feito em um sistema a vácuo e um alto potencial negativo é aplicado às peças a serem recobertas. A câmara é
preenchida com gás argônio e neste instante é iniciado um bombardeio de moléculas de argônio à superfície do metal para remover contaminantes e vapor
d’água, em seguida alumínio puro é vaporizado em cadinhos móveis ou fixos
beneficiando as peças. O alumínio é ionizado durante colisões com moléculas de argônio e são atraídas pela carga negativa das peças a serem recobertas [4].
ENSAIOS MECÂNICOS
Ensaios mecânicos básicos
Os ensaios mecânicos de tração, impacto e dureza foram realizados na EMBRAER para verificar as propriedades mecânicas do material, sendo os valores médios encontrados descritos a seguir:
Tensão limite de escoamento σe = 1260 MPa
Tensão limite de ruptura σr = 1350 MPa
Alongamemto percentual específico em (50 mm) Ae = 15,2 %
Estricção z = 15,1 %
Energia absorvida EA = 32 J
Energia absorvida por unidade de área RI = 64 J/cm2
Dureza 41 HRc
Ensaio para verificação da fragilização por hidrogênio
Este ensaio foi realizado na EMBRAER conforme norma ASTM – F – 519 [5]. Após o tempo de 200 horas de exposição à carga, nenhum dos corpos de prova apresentou ruptura, o que garante que os corpos de prova não foram fragilizados.
Ensaio de fadiga por flexão rotativa
Este ensaio foi realizado na UNESP/FEG e o equipamento utilizado foi o equipamento de flexão rotativo modelo UBM 520/86/9 da VEB Werkstoffprufmaschinen Leipzig. A rotação de ensaio foi de 3.000 rpm, estando de acordo com os parâmetros recomendados pelo fabricante.
O equipamento para realização dos ensaios de fadiga é dotado de 4 cabeçotes. Adotou-se que seria mantido sempre o mesmo cabeçote para um mesmo valor de carga, para as 4 diferentes condições a que foram submetidas as 54 amostras.
RESULTADOS E DISCUSSÕES Ensaios de fadiga
A construção das curvas com todos os resultados obtidos de todas as condições de tratamentos foram feitas através da relação entre a tensão aplicada e o número de ciclos até o material se romper, pode ser visto na Fig. 1. Pode-se verificar que o comportamento dos cdp´s sob tensões elevadas foram bem críticos e que em condições próximas ao seu comportamento elástico o material teve uma vida longa. Foram utilizados também outros valores de tensões, que variaram entre 60% e 95% do limite de escoamento, sendo que sob tensões menores alguns cdp´s obtiveram uma vida maior.
Fazendo-se uma análise comparativa isolada de cada condição é possível verificar que o material-base sem recobrimento, evidencia que atingiu um ciclo de vida superior a 107 ciclos, que se deve aos níveis de tensões aplicados serem inferiores a 80% do limite de escoamento.
Figura 1 – Curvas σ x log N para todas as condições de tratamento.
Por fim, analisando a curva referente ao material-base recoberto com alumínio, verifica-se que os cdp´s apresentaram melhores resultados em relação aos outros
700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08
CICLOS [log N] TE N S Ã O A P LI C A D A [ M P a ] Material Base Cd sem desidrogenação Cd com desidrogenação IVD
dois tratamentos. É possível verificar que os cdp´s com alumínio atingiram os 107 ciclos quando submetidos a níveis de tensões inferiores a 80% do limite de escoamento, ou seja, semelhante ao material-base sem recobrimento.
Fazendo uma comparação entre todos os ensaios realizados, verifica-se que os cdp´s que apresentaram melhores resultados quanto à resistência à fadiga foram aqueles com material-base sem recobrimento. Dos ensaios dos cdp´s que sofreram tratamentos superficiais os que apresentaram um melhor comportamento à resistência à fadiga foi o material-base recoberto com alumínio.
Contudo, foi possível também verificar que o processo de cadmiagem sem desidrogenação foi o que menos contribuiu para a resistência à fadiga do material, ou seja, fica evidente que a fragilização por hidrogênio tem uma influência no tratamento estudado, já que ele interfere na resistência à fadiga dos materiais.
CONCLUSÕES
Comparando o ensaio do material com cádmio sem desidrogenação com o material-base foi verificado que os resultados da resistência à fadiga daquele exibiram valores bem abaixo.
Já os valores obtidos nos ensaios do material com cádmio desidrogenado apresentaram, em relação ao material-base, uma pequena queda quando comparados entre si. Isto se deve ao fato do processo de desidrogenação à temperatura de 190ºC durante 3h não fragilizar o aço estudado.
O ensaio que melhor apresentou resultados de resistência à fadiga foi o que sofreu o tratamento de recobrimento de alumínio, comparando com o material-base sem recobrimento, foi possível verificar que o corpo de prova que atingiu uma vida em fadiga sem que ocorresse a fratura suportou uma carga de 510N, enquanto que o material-base suportou uma carga de 515N.
Comparando os resultados dos dois processos de recobrimento (no caso o de eletrodeposição de cádmio desidrogenado e o de alumínio depositado por IVD), verifica-se foram bem próximos e o que difere na utilização de um dos dois é a sua aplicação, pois a eletrodeposição de cádmio e a deposição iônica de alumínio são tratamentos que apresentam boas condições contra a corrosão e que de certa forma não influenciam na vida em fadiga do aço. Porém, a utilização do tratamento de
eletrodeposição de cádmio tem a desvantagem deste metal ser nocivo para o ser humano e ao meio ambiente, além de ser pesado, enquanto que o alumínio é um metal leve e não representa risco nenhum tanto ao meio ambiente como à saúde humana.
REFERÊNCIAS
1. PERES, M. P., Estudo do efeito do tempo e da temperatura de desidrogenação na resistência à fadiga do aço ABNT 4340 que sofreu eletrodeposição de cádmio. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Faculdade de Engenharia Química de Lorena, Lorena, 1996.
2. MUEHLBERGER, D. E., REILLY, J. J., Improved Equipment Productivity Increases Application for Ion Vapor Deposition of Aluminum, p. 19-28, AAA Plating and Inspection, Inc., 2001.
3. NEVILL, B. T., An alternative to cadmium: Ion Vapor Deposition of Aluminum, Plating and Surface Finishing, p. 14-19, January 1993.
4. Norma ASTM – F – 519, confecção dos corpos de prova de fragilização.
5. PEEL, C. J., Aluminum alloys for airframes limitations and developments, Materials Science and Technology, p. 1169 – 1175, 1986.
Comparative study of the fatigue behavior of the ABNT 4340 steel covered with electroplated cadmium and aluminum by ion vapor deposition (IVD)
ABSTRACT
The covering used for the aeronautical industry that combines anticorrosive protection and good mechanical properties is of cadmium electroplated, but this is extremely harmful the health of the human being. In the search of an alternative process, the aluminum vapor is had it ionic deposition. In this study the behavior of the beam in fatigue of steel ABNT 4340 in two covering situations is verified, with electroplating of cadmium and ionic decomposition the aluminum vapor. To carry through this work assays of fatigue for rotating flexion in a great number of test bodies had been made, divided in four different covering conditions, being in bodies of test of the material base without covering, coated bodies of test with cadmium without dehydrogenization, bodies of test with cadmium with dehydrogenization and bodies of test with ionic deposition the aluminum vapor. After gotten the fatigue strength (number of cycles) for each assayed sample, the curves had been traced σ - log N (Wöhler’s diagram) for the characterization of the life in fatigue of this material.
