Desenvolvimento de talões de pneus de elevada performance

(1)

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Paulo Miguel da Costa Bessa e Silva

Desenvolvimento de talões de pneus de

elevada performance

Tese de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor Filipe Samuel Silva

Coorientação do

Professor Doutor Raul Manuel Esteves de

Sousa Fangueiro

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Anexo 3

DECLARAÇÃO

Nome

Endereço electrónico: Telefone:

Número do Bilhete de Identidade: Título dissertação n/tese •

Orientador(es):

Ano de conclusão: Designação do Mestrado ou do Ramo de Conhecimento do Doutoramento:

Nos exemplares das teses de doutoramento ou de mestrado ou de outros trabalhos entregues para prestação de provas públicas nas universidades ou outros estabelecimentos de ensino, e dos quais é obrigatoriamente enviado um exemplar para depósito legal na Biblioteca Nacional e, pelo menos outro para a biblioteca da universidade respectiva, deve constar uma das seguintes declarações:

1. É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA TESE/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;

2. É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO PARCIAL DESTA TESE/TRABALHO (indicar, caso tal seja necessário, n" máximo de páginas, ilustrações, gráficos, e t c ) , APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, , MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;

3. DE ACORDO COM A LEGISLAÇÃO EM VIGOR, NÃO É PERMITIDA A REPRODUÇÃO DE QUALQUER PARTE DESTA TESE/TRABALHO

Universidade do Minho, Assinatura: B!BMVOPTVNJOIPQU 1BVMP.JHVFMEB$PTUB#FTTBF4JMWB %FTFOWPMWJNFOUPEFUBMÜFTEFQOFVTEFFMFWBEBQFSGPSNBODF .FTUSBEP*OUFHSBEPFN&OHFOIBSJB.FDÉOJDB 1SPGFTTPS%PVUPS'JMJQF4BNVFM4JMWBF1SPGFTTPS%PVUPS3BVM.BOVFM&TUFWFTEF4PVTB'BOHVFJSP

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AGRADECIMENTOS

O desenvolvimento deste projeto deve-se em grande parte à contribuição de várias pessoas que sempre se mostraram disponíveis para me apoiar ao longo deste ano. Por isso, a todas essas pessoas, gostaria de expressar o meu sincero agradecimento.

Aos meus orientadores Prof. Filipe Silva, Prof. Raúl Fangueiro e Dr. Carlos Torres pelo apoio, disponibilidade e sugestões para o projeto.

Ao Eng.º Fernando Cunha e Eng.º Carlos Mota pelos esclarecimentos acerca de materiais compósitos e pelo auxílio prestado na preparação e realização dos testes no Laboratório de Investigação de Física Têxtil.

Aos meus amigos de curso, Bruno Arcipreste, Fernando Dias, Francisco Oliveira, Helena Sá, José Oliveira, Paulo Mendes, Rita Ferreira e Tiago Costa, com quem partilhei os últimos cinco anos, pelo apoio, companheirismo e amizade.

À Sara, pelo carinho, apoio e incentivo constantes.

Por fim, à minha família, principalmente aos meus pais, pelo esforço que fizeram ao longo do meu percurso académico para que sempre dispusesse de todas as ferramentas necessárias para atingir os meus objetivos, pelo apoio que me deram nas minhas decisões e pelo acompanhamento atento durante a minha vida.

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(5)

RESUMO

Os pneus são constituídos por vários componentes como a camada interna, as telas, as cintas, os talões, o piso, as paredes, entre outros. Pode dizer-se que são principalmente constituídos por borracha mas existem também fibras têxteis (telas) e partes metálicas envolvidas (cintas metálicas e arames dos talões).

A função do talão é dotar o pneu da rigidez necessária junto à zona de contacto com a jante para que as forças resultantes de acelerações e travagens sejam transmitidas convenientemente. O material mais usado no fabrico dos arames que compõe o talão é o aço.

Contudo, os aços mais comuns possuem uma massa volúmica de 7,5 − 8 g/cm³. A utilização de fibras de carbono, por exemplo, permite um corte expressivo no peso uma vez que a sua massa volúmica é cerca de 70% inferior à do aço.

Uma vez que o principal objetivo do trabalho é encontrar soluções que conduzam à redução de peso, são estudados novos materiais e configurações para o talão.

Foram cortadas secções de pneus de vários fabricantes para verificar o número, diâmetro e configuração dos arames.

Relativamente aos materiais, foram estudados diferentes aços e ligas de alumínio de forma a perceber quais seriam capazes de substituir o atualmente utilizado, sem comprometer as propriedades mecânicas. Posteriormente foi feita a mesma abordagem para fibras de aramida, vidro, basalto e carbono tendo sido realizados ensaios à tração e à adesão das fibras selecionadas à borracha.

Foram avaliadas configurações de talões híbridos com aço e fibras e, a partir destas, criaram-se modelos CAD que permitiram aferir qual o seu comportamento quando tracionados, num software de simulação numérica – SolidWorks Simulation.

As alterações necessárias de efetuar ao nível dos equipamentos onde são fabricados os talões são apresentadas no final do trabalho.

Em termos teóricos, com a utilização de fibras de carbono em conjunto com arames de aço é possível obter uma redução no peso do talão entre 18% e 30% sem comprometer as suas propriedades mecânicas e estabilidade estrutural. A inflação do custo face ao convencional varia entre 90% e 240%. Para um pneu de referência da marca (Cygnus 215/55 R16), a diminuição de peso varia entre 1,8% e 2,3%, com o custo a subir 0,6% a 0,9%.

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ABSTRACT

Tyres are composed by various parts such as the inner liner, body ply, tread, belts, shoulder, sidewall, beads, among others. It can be said that they are mainly made of rubber but there are also textile fibres (body plies) and metallic parts (steel belts and bead wires) involved.

Beads’ function is to provide the tyre the needed rigidity near to the rim zone so that the forces resulting from accelerating or braking are transmitted. The most common material used to manufacture the beads is steel wire.

However, the most commonly used steels have a volumic mass of 7,5 − 8 g/cm³. The use of carbon fibres, for instance, allows a massive cut on the weight as their volumic mass is inferior in about 70% comparing to steel.

Since the main goal of the project is to find solutions that can lead to a weight reduction, new materials and arrangements of the beads are studied.

Tyres from various manufacturers were cut in sections to verify the number, diameter and arrangement of the beads.

In terms of materials, different grades of steel and aluminium alloys were studied to understand if they could replace the steel which is used now without compromising the required mechanical properties. Then, the same approach was done to aramid, glass, basalt and carbon fibres. The selected type of fibre was subjected to tensile tests as well as adhesion to the rubber tests.

Different arrangements of hybrid beads composed by steel and fibres were evaluated and, from those, CAD models were created so their mechanical behaviour could be verified when under tensile efforts, using a numerical simulation software – SolidWorks Simulation.

The necessary changes to the equipment with which the beads are created are predicted in the last stage of the work.

In theory, by using carbon fibres along with steel wires it is possible to achieve a weight reduction on the bead zone between 18% and 30% without compromising their mechanical properties and structural stability. The cost is increased by 90%–240%, comparing with the common beads. Considering a reference tyre of the company (Cygnus 215/55 R16), its weight decrease varies between 1,8% and 2,3% while the cost goes up to 0,6%–0,9%.

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ÍNDICE

CAPÍTULO 1 Introdução ... 1

1.1 Enquadramento ... 2

1.2 Objetivos ... 2

1.3 Organização da dissertação ... 3

CAPÍTULO 2 Revisão da Literatura ... 5

2.1 O pneu ... 6 2.1.1 Constituintes ... 6 2.1.2 Etapas de fabrico ... 8 2.1.2.1 Misturação ... 8 2.1.2.2 Calandragem ... 9 2.1.2.3 Extrusão ... 9 2.1.2.4 Extrusão de talões ... 9

2.1.2.5 Fabrico de cintas metálicas... 10

2.1.2.6 Confeção ... 10

2.1.2.7 Vulcanização ... 10

2.1.3 Caracterização do talão Camac ... 11

2.1.3.1 Processo de fabrico ... 11

2.1.3.2 Materiais ... 14

2.1.3.3 Ensaios efetuados aos materiais do talão ... 17

2.2 Materiais ... 19 2.2.1 Metais ... 20 2.2.1.1 Aço ... 20 2.2.1.2 Alumínio ... 25 2.2.2 Fibras ... 26 2.2.2.1 Aramida ... 27

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2.2.2.2 Vidro ... 29

2.2.2.3 Basalto ... 31

2.2.2.4 Carbono ... 33

CAPÍTULO 3 Análise de pneus... 37

3.1 Corte de secções ... 38

3.2 Composição química ... 41

CAPÍTULO 4 Conceção de talões ... 43

4.1 Diferentes abordagens ... 44

4.2 Análise de características do talão híbrido ... 46

4.2.1 Talão híbrido com arames de aço ao carbono com revestimento... 47

4.2.1.1 Jante de 13” com 3 arames e 3 voltas... 49

4.2.1.6 Efeito da aplicação de talões híbridos no pneu ... 54

4.2.2 Talão híbrido com arames de aço inoxidável ... 55

CAPÍTULO 5 Seleção de fibras ... 57

5.1 Fibras de carbono ... 58

5.2 Ensaios à tração ... 59

5.2.1 Ensaios preliminares ... 59

5.2.2 Ensaios finais ... 66

5.3 Ensaios à adesão da fibra à borracha ... 73

CAPÍTULO 6 Simulação numérica ... 77

6.1 Descrição dos modelos... 78

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6.3 Modelo B – Aço e fibras de carbono ... 82

CAPÍTULO 7 Fabrico ... 89

7.1 Alterações no equipamento ... 90

7.1.1 Pré-fieira ... 90

7.1.2 Suporte e guiamento da fibra ... 92

CAPÍTULO 8 Conclusões e trabalho futuro ... 95

8.1 Conclusões ... 96

8.2 Trabalho Futuro ... 97

Referências Bibliográficas ... 99

ANEXO 1 Especificação de fibras ... 103

ANEXO 2 Cálculos para dimensionamento... 112

ANEXO 3 Especificação de resinas ... 117

ANEXO 4 Orientações de processamento de fibras Toho Tenax ... 123

ANEXO 5 Desenhos técnicos ... 125

(12)

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Designação Unidades

𝛿 Alongamento [mm]

𝛿_𝑓 Alongamento na fibra [mm]

𝛿_𝑎 Alongamento no aço [mm]

𝐴_𝑖 Área interna do pneu [mm2_]

𝐴 Área de secção [mm2_]

𝐴𝑚 Área de secção de uma mecha de fibras [mm2]

𝐴_𝑎 Área de secção de aço [mm2_]

𝐴_𝑓 Área de secção de fibra [mm2_]

𝐴_{𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒} Área de secção de um arame de aço [mm2_]

𝐿 Comprimento do elemento [mm] 𝑙₀ Comprimento inicial [mm] 𝑙𝑖 Comprimento instantâneo [mm] 𝜀 Deformação 𝜀₁ Deformação correspondente a 𝜎₁ 𝜀₂ Deformação correspondente a 𝜎₂ 𝐹 Força [N]

𝐹𝑐𝑒𝑑 Força de cedência do aço [N]

𝐹_𝑟𝑢𝑡 Força de rutura do aço [N]

𝐹_𝑓 Força exercida na fibra [N]

𝐹_𝑎 Força exercida no aço [N]

𝐸 Módulo de elasticidade [MPa]

𝐸𝑓 Módulo de elasticidade da fibra [MPa]

𝐸_𝑎 Módulo de elasticidade do aço [MPa]

𝑛_𝑎 Número de arames do talão 𝑛 Número de filamentos da mecha

𝑟_𝑓 Raio do filamento [mm]

𝜎 Tensão [MPa]

𝜎_𝑐𝑒𝑑 Tensão de cedência do aço [MPa]

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𝜎₂ Tensão mais próxima de 500MPa [MPa]

𝑝𝑚á𝑥 Pressão máxima de serviço [Pa]

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Constituintes do pneu. Adaptado de. ... 7

Figura 2.2 – Informação contida na parede do pneu. ... 8

Figura 2.3 – Pré-fieira. ... 11

Figura 2.4 – Fieira. ... 12

Figura 2.5 – Talão. ... 12

Figura 2.6 – Fabrico de talões. ... 13

Figura 2.7 – Talão com cunha. ... 13

Figura 2.8 – Gráfico tensão-deformação do aço que compõe os arames dos talões Camac. ... 16

Figura 2.9 – Reómetro. ... 18

Figura 2.10 – Equipamento para realização de ensaios à tração... 18

Figura 2.11 – Conjunto de arames no molde. ... 19

Figura 2.12 – Tipos de fibras. ... 26

Figura 2.13 – Mecha de fibras de aramida. ... 27

Figura 2.14 – Mecha de fibras de vidro. ... 29

Figura 2.15 – Efeito da temperatura na resistência à tração. ... 31

Figura 2.16 – Mecha de fibras de basalto. ... 31

Figura 2.17 – Mecha de fibras de carbono. ... 33

Figura 2.18 – Resistência à compressão de fibras de carbono. ... 34

Figura 2.19 – Resistência à tração de fibras de carbono. ... 35

Figura 2.20 – Condutividade térmica de fibras de carbono. ... 36

Figura 3.1 – Pneu Camac. ... 39

Figura 3.2 – União das pontas dos arames num pneu Michelin. ... 40

Figura 4.1 – Arames envolvidos por fibras. ... 44

Figura 4.2 – Bloco único de borracha com fibra. ... 44

Figura 4.3 – Enrolamento híbrido. ... 45

Figura 4.4 – Aumento de espessura... 45

Figura 4.5 – Aumento da descontinuidade nas pontas... 46

Figura 5.1 – Equipamento para realização de ensaios à tração. ... 60

Figura 5.2 – Alvos para alinhamento da mecha. ... 61

(15)

Figura 5.5 – Deslizamento entre a mecha e a resina. ... 62

Figura 5.6 – Deslizamento entre a resina e o tubo... 62

Figura 5.7 – Desalinhamento entre a mecha e o tubo. ... 63

Figura 5.8 – Gráfico tensão-deformação das amostras dos ensaios preliminares... 63

Figura 5.9 – Gráfico tensão-deformação das amostras com epóxi. ... 64

Figura 5.10 – Gráfico tensão-deformação das amostras com poliéster. ... 65

Figura 5.11 – Gráfico tensão-deformação das amostras com epóxi e poliéster. ... 65

Figura 5.12 – Gráfico tensão-deformação de uma mecha. ... 68

Figura 5.13 – Gráfico tensão-deformação de duas mechas. ... 70

Figura 5.14 – Gráfico tensão-deformação de três mechas. ... 71

Figura 5.15 – Comparação entre valores especificados e obtidos. ... 72

Figura 5.16 – Mecha preparada com resina. ... 73

Figura 5.17 – Preparação do molde para envolver a mecha com borracha. ... 73

Figura 5.18 – Conjunto utilizado no ensaio à adesão das fibras à borracha... 73

Figura 5.19 – Ensaio à adesão das fibras à borracha. ... 74

Figura 5.20 – Gráfico força-deslocamento das amostras ensaiadas à adesão... 75

Figura 6.1 – Condições iniciais do modelo. ... 80

Figura 6.2 – Tensão no modelo A. ... 81

Figura 6.3 – Alongamento do modelo A. ... 81

Figura 6.4 – Tensão no modelo B. ... 83

Figura 6.5 – Alongamento do modelo B. ... 83

Figura 6.6 – Volume sujeito a 1714MPa. ... 84

Figura 6.9 – Zona superior do conjunto. ... 85

Figura 6.10 – Tensão no conjunto. ... 87

Figura 6.11 – Alongamento do conjunto. ... 87

Figura 7.1 – Pré-fieira adaptada. ... 90

Figura 7.2 – Roldanas. ... 92

(16)

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Propriedades mecânicas do arame. ... 15

Tabela 2.2 – Composição química da alma do arame. ... 15

Tabela 2.3 – Propriedades do revestimento. ... 16

Tabela 2.4 – Características dos aços ao carbono. ... 21

Tabela 2.5 – Propriedades de aços ao carbono. ... 21

Tabela 2.6 – Características dos elementos presentes na alma do arame dos talões. ... 22

Tabela 2.7 – Percentagens limite de elementos de liga. ... 23

Tabela 2.8 – Efeito da adição de elementos de liga. ... 23

Tabela 2.9 – Classificação dos aços inoxidáveis. ... 24

Tabela 2.10 – Propriedades de aços inoxidáveis. ... 24

Tabela 2.11 – Propriedades de ligas de alumínio para trabalho mecânico. ... 25

Tabela 2.12 – Propriedades do Kevlar®. ... 28

Tabela 2.13 – Tipos de fibra de vidro. ... 29

Tabela 2.14 – Propriedades de fibras de vidro. ... 30

Tabela 2.15 – Durabilidade das fibras de vidro Agy. ... 30

Tabela 2.16 – Propriedades de fibras de basalto. ... 32

Tabela 2.17 – Propriedades genéricas de fibras de carbono PAN. ... 33

Tabela 2.18 – Propriedades genéricas de fibras de carbono Pitch. ... 34

Tabela 3.1 – Dados dos talões dos pneus analisados. ... 38

Tabela 3.2 – Talões dos pneus analisados. ... 39

Tabela 3.3 – Análise de pneus com medida 205/55 R16. ... 40

Tabela 3.4 – Análise de pneus de 17”. ... 40

Tabela 4.1 – Propriedades das fibras consideradas na análise do talão híbrido. ... 46

Tabela 4.2 – Informação inicial do talão para jante de 13” 3x3. ... 49

Tabela 4.3 – Resultados para o talão híbrido 13” 3x3. ... 49

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Tabela 4.10 – Resultados para o talão híbrido 16” 6x6 – Hipótese 2. ... 52

Tabela 4.14 – Informações iniciais do pneu convencional Cygnus 215/55 R16. ... 54

Tabela 4.15 – Cygnus 215/55 R16 com talões híbridos. ... 55

Tabela 4.16 – Comparação das propriedades mecânicas dos aços. ... 55

Tabela 5.1 – Fibras de carbono consideradas. ... 58

Tabela 5.2 – Talão com fibras de carbono e aço. ... 59

Tabela 5.3 – Condições de preparação dos ensaios preliminares à tração. ... 62

Tabela 5.4 – Comparação entre utilização de resinas de epóxi e poliéster. ... 66

Tabela 5.5 – Condições de preparação dos ensaios finais à tração. ... 67

Tabela 5.6 – Resultados dos ensaios à tração de uma mecha. ... 67

Tabela 5.7 – Resultados dos ensaios à tração de duas mechas. ... 69

Tabela 5.8 – Resultados dos ensaios à tração de três mechas. ... 70

Tabela 5.9 – Comparação entre valores especificados e obtidos. ... 72

Tabela 5.10 – Condições de preparação dos ensaios à adesão das fibras à borracha. ... 74

Tabela 5.11 – Resultados dos ensaios à adesão das fibras á borracha. ... 75

Tabela 6.1 – Configuração dos modelos CAD. ... 78

Tabela 6.2 – Propriedades mecânicas dos materiais utilizados nos modelos CAD. ... 79

Tabela 6.3 – Análise à sensibilidade da malha. ... 81

Tabela 6.5 – Resultados obtidos analiticamente para dimensionamento do talão. ... 83

Tabela 6.6 – Resultados obtidos analiticamente – Módulo de elasticidade experimental. ... 85

Tabela 6.7 – Resultados obtidos analiticamente – 4 mechas de fibra de carbono. ... 86

Tabela 6.8 – Variação do peso e custo do conjunto. ... 86

(18)

(19)

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Neste capítulo é feito o enquadramento do tema, expondo o principal foco de estudo. Posteriormente, procede-se a uma breve descrição dos objetivos e, na última secção, é apresentada a forma como está organizada a dissertação.

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1.1 E

NQUADRAMENTO

A indústria dos pneus conta com número considerável de fabricantes que assumem posições distintas perante o mercado mas, apesar de serem feitas apostas em mercados com características diferentes, a concorrência está sempre presente e é importante acompanhar os desenvolvimentos feitos na área de forma a produzir pneus mais leves, com custo mais contido, que permitam obter maior performance, segurança e durabilidade.

Os pneus para automóveis são constituídos por diversos elementos, sendo a borracha o material mais presente. A composição do composto de borracha é adaptada à função do elemento do pneu, podendo ser concebido para proporcionar melhor resistência ao desgaste, melhor transferência de calor para o exterior, maior maleabilidade ou melhor ligação com os materiais com os quais contacta.

Para além da borracha, um pneu integra também fibras (telas) e metais (talões e cintas). Se, por um lado, substituir os metais atualmente utilizados por outros com melhores propriedades mecânicas e/ou uma massa volúmica ligeiramente mais reduzida permite baixar a massa metálica do pneu, por outro, as fibras possuem uma massa volúmica expressivamente mais baixa do que os metais (1,77g/cm3_{, no caso de uma fibra de carbono, face a 8g/cm}3_{do aço), sendo capazes} de atingir níveis de resistência mecânica mais elevadas (superiores a 4000MPa à tração).

A realização desta dissertação é motivada pela procura de soluções para a implementação de materiais que conduzam a uma performance melhorada dos pneus.

1.2 O

BJETIVOS

Este trabalho constitui um estudo de possíveis alterações aos talões, a integrar em pneus de automóveis, com vista à redução de peso do conjunto. Pretende-se analisar materiais metálicos e fibrosos no que concerne à sua resistência mecânica, propriedades térmicas e aplicabilidade ao processo de fabrico utilizado na empresa para substituição do material atualmente utilizado – arames de aço ao carbono com revestimento de bronze.

O custo é também um fator de extrema importância a considerar, não apenas relativamente à utilização de novos materiais mas também à integração dos mesmos no processo de fabrico. O projeto de implementação de alterações deve conduzir ao mínimo investimento

(21)

possível, contando com ligeiras adaptações dos equipamentos, e não pode aumentar o tempo de produção do talão.

Assim, pode dizer-se que o objetivo do estudo é proceder à otimização do componente em questão.

1.3 O

RGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

De forma a facilitar a organização e compreensão dos conteúdos abordados na dissertação, esta está dividida em oito capítulos, incluindo o Capítulo 1, destinado a fazer um enquadramento do tema e apresentar os objetivos do trabalho.

O Capítulo 2 engloba toda a pesquisa bibliográfica realizada referente ao pneu – os seus constituintes e etapas de fabrico – e aos materiais estudados – aço, alumínio e fibras de aramida, vidro, basalto e carbono.

No Capítulo 3 é mostrada uma análise comparativa entre pneus de vários fabricantes, com foco nas propriedades dos talões – número, diâmetro e distribuição dos arames.

O Capítulo 4 apresenta as várias abordagens consideradas para a aplicação de novos materiais nos talões, analisando-se que medidas de pneus fabricados na empresa conduzem a uma maior redução de peso.

O Capítulo 5 contém configurações possíveis para talões com aço e fibras de carbono e descreve o procedimento para a realização de ensaios à tração e adesão das fibras à borracha.

No Capítulo 6 são expostos dois modelos CAD de talões híbridos, gerados para simular o comportamento mecânico aquando da aplicação de forças.

As alterações a efetuar no processo de fabrico estão descritas no Capítulo 7, bem como os testes a que se devem submeter os pneus com os novos talões.

O Capítulo 8 reúne as conclusões obtidas com a realização do trabalho e sugestões para trabalhos futuros.

(22)

(23)

CAPÍTULO 2

REVISÃO DA LITERATURA

O presente capítulo apresenta a pesquisa bibliográfica levada a cabo para conhecer os fatores determinantes relacionados com pneus, como os seus constituintes, materiais utilizados, diferentes configurações e tipos de construção. Uma vez que a dissertação é direcionada para o estudo de materiais, são também apresentadas propriedades de metais e fibras possivelmente integráveis no talão.

(24)

2.1 O

PNEU

Os pneus constituem o único elemento de contacto entre o veículo e o solo, pelo que desempenham um papel de extrema importância. Eles são responsáveis por suportar a carga do veículo, garantir acelerações e travagens precisas, bom comportamento em curva e absorver as irregularidades da estrada proporcionando uma condução agradável e segura.

2.1.1 Constituintes

Existem três principais tipos de construção de pneus: diagonal, diagonal com cintas metálicas e radial.

Os pneus diagonais são ainda hoje usados em alguns veículos de transporte e agrícolas mas, apesar de apresentarem uma construção simples e serem fáceis de fabricar, ocorre desgaste entre as telas (dispostas segundo um ângulo inferior a 90° em relação ao centro do piso). A geração de calor provoca deslocações do piso, o que conduz a um desgaste elevado e irregular do mesmo.

Adicionando as cintas metálicas, restringe-se a expansão da carcaça, reforçando e estabilizando a zona do piso. Devido ao incremento de rigidez, o desgaste do piso é mais regular e a condução é melhorada. Contudo, o custo em termos de material e fabrico é superior.

Nos pneus radiais as telas estão dispostas de forma a fazer 90° com o centro do piso. Duas ou mais cintas são colocadas diagonalmente na zona do piso pelo mesmo motivo descrito acima. Devido ao ângulo das telas, o pneu é capaz de se deformar com mais facilidade, o que conduz a uma geração de calor inferior, menos resistência ao rolamento e melhor desempenho a velocidades elevadas. Porém, maiores necessidades de material e a complexidade da construção fazem os custos subir [1].

(25)

Figura 2.1 - Constituintes do pneu. Adaptado de [2].

Camada interna (Capa) – Esta camada de borracha é responsável por garantir a estanquicidade do pneu, não permitindo que o ar pressurizado no seu interior escape.

Telas – São formadas por tecido calandrado, ou seja, envolvido por duas camadas de borracha, e podem ser cortadas segundo um ângulo igual ou inferior a 90° (radiais ou diagonais, respetivamente). As suas principais funções são suportar o peso e os impactos.

Talões – São compostos por um conjunto de arames revestidos por borracha que se encaixam numa zona específica da jante quando o pneu está cheio. Têm como função transmitir as forças geradas pelas acelerações e travagens do veículo, assim como garantir que pneu e jante se mantêm ligados mesmo em situações extremas, em curva.

Cunhas – São fabricadas num composto de borracha duro e as suas dimensões determinam o ponto de flexão do pneu em curva, influenciando a libertação de calor para o exterior.

Cintas metálicas – São formadas por cordas metálicas envolvidas por borracha e são cortadas segundo um ângulo inferior a 90°. São dispostas de forma cruzada de forma a limitarem a expansão da carcaça em serviço. Dotam a zona do piso de maior rigidez e estabilidade.

Paredes – São tiras de borracha que podem ser constituídas por dois compostos diferentes tendo um deles maior dureza, designado protetor de jante, e outro que confere flexibilidade ao pneu. A função deste elemento é absorver as flexões do pneu.

Piso – Pode ser composto por dois ou mais compostos de borracha. Um deles forma a capa, a zona de contacto com o solo, que é dura para resistir à abrasão e às elevadas

(26)

temperaturas. O outro forma a base, a zona que tem como objetivo promover a ligação entre o piso e as cintas metálicas.

O desenho do piso tem que ser capaz de conferir aderência, estabilidade, conforto e produzir um baixo nível de ruído. O piso tem ainda que permitir a refrigeração do pneu, o escoamento de água e evitar o deslizamento lateral.

A Figura 2.2 mostra a informação disponível na parede de cada pneu.

Figura 2.2 – Informação contida na parede do pneu. Adaptado de [3].

2.1.2 Etapas de fabrico

O processo de fabrico de um pneu compreende um grande número de operações podendo estas ser divididas em quatro fases: preparação, confeção, vulcanização e inspeção.

2.1.2.1 Misturação

Constitui a etapa inicial do processo e consiste na misturação das várias matérias-primas que dão origem aos compostos de borracha especificados pelo departamento químico. Entre as matérias-primas utilizadas estão: borracha (natural, polibutadieno, butil, clorobutil); resina; ativador; antioxidante; óxido de zinco; óleo; pigmentos; enxofre; negro de fumo.

As diferentes matérias-primas são introduzidas pela porta de alimentação, exceto no caso do óleo e negro de fumo que são descarregados diretamente no misturador. A misturação é dada como concluída assim que se atinja a temperatura na câmara ou o tempo de misturação, sendo

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a carga libertada diretamente sobre um moinho onde esta é laminada. Posteriormente passa por uma zona (Batch-off) onde é arrefecida e banhada com uma solução antiaderente que possibilita o seu armazenamento.

2.1.2.2 Calandragem

A operação de calandragem consiste em impregnar tecido com borracha enquanto este passa por dois cilindros rotativos. Contudo, antes, o tecido passa por um conjunto de cilindros responsável por abri-lo até às dimensões requeridas, uma barra que aumenta a sua flexibilidade, prevenindo o aparecimento de ondulações em etapas posteriores, e uma zona onde é esticado, imediatamente antes de entrar na calandra propriamente dita. Esta é constituída por quatro cilindros dispostos em L invertido: um côncavo, dois convexos e um normal. A calandra é então alimentada por borracha vinda de um moinho que a pré-aqueceu e impregna o tecido sendo depois aplicada uma tensão pós-calandragem seguida de arrefecimento. O tecido passa por um rolo que faz pequenos furos para escape de ar e é adicionado um conjunto de fios coloridos de algodão também para escape de ar e identificação do composto.

2.1.2.3 Extrusão

No processo de extrusão, a borracha é misturada e empurrada por um fuso até à cabeça da extrusora, adquirindo esta a forma da fieira, ou seja, o perfil pretendido. Este perfil pode corresponder a um piso, parede, cunha ou tira para talões. Para produzir elementos do pneu contendo dois compostos é necessário recorrer a uma extrusora com duas bocas de alimentação, dois fusos, duas pré-fieiras e uma fieira final onde se dá a união de ambos os compostos. 2.1.2.4 Extrusão de talões

A extrusora utilizada para a produção de talões apresenta um funcionamento e constituição comuns à da referida acima, diferindo no facto de, na cabeça, existir uma pré-fieira por onde passam arames provenientes de um conjunto de bobinas e uma fieira que confere aos arames envolvidos por borracha a forma de uma tira. A tira é depois enrolada formando o talão.

(28)

2.1.2.5 Fabrico de cintas metálicas

O funcionamento do equipamento no qual se fabricam as cintas metálicas (Steelastic) é semelhante ao descrito na extrusão de talões variando o metal que é envolvido por borracha, neste caso cordas metálicas. Depois de obtida a cinta metálica, esta é arrefecida, cortada e emendada segundo um ângulo e largura estabelecidos.

2.1.2.6 Confeção

Nesta fase são feitos os pneus em verde (pneu não vulcanizado) a partir de elementos produzidos nas fases anteriores.

O operador começa por colocar a camada interna sobre um tambor rotativo sendo seguidamente colocada(s) a(s) tela(s), o conjunto talão/cunha e as paredes laterais. Completando estes quatros passos obtém-se a carcaça, à qual apenas faltam as cintas metálicas e o piso para se tornar um pneu em verde.

O pneu é depois transportado para a secção de pintura onde é pintado por dentro e por fora com uma solução que facilita o deslocamento de borracha e a expulsão de ar durante a vulcanização e a extração do molde.

2.1.2.7 Vulcanização

A borracha não vulcanizada é um polímero constituído por longas cadeias de moléculas independentes, o que faz com que sejam facilmente partidas. Porém, adicionando à borracha substâncias como aceleradores, ativadores, enxofre, etc. e sujeitando-a a determinadas condições de temperatura, pressão e tempo são formadas ligações entre as moléculas que lhe conferem características únicas de elasticidade.

O pneu em verde é colocado em torno de um diafragma no interior do molde e a prensa inicia o movimento de fecho. Em simultâneo, o diafragma dilata ligeiramente em duas ou três etapas (de acordo com a especificação) para acomodar convenientemente o pneu e expulsar o máximo de ar possível. Assim que a prensa se fecha totalmente, o diafragma é insuflado à pressão máxima e força o pneu contra as paredes do molde cuja temperatura ronda os 160℃, por ação de um circuito de vapor que abastece também o diafragma.

(29)

2.1.3 Caracterização do talão Camac

Uma vez que o talão é o elemento do pneu em estudo, o seu processo de fabrico é exposto de forma mais detalhada neste subcapítulo. É também explicada uma operação de fabrico em que está presente, nomeadamente, a adição da cunha.

Apresentam-se os materiais que compõem o talão, juntamente com as principais propriedades dos mesmos e descreve-se sucintamente quais são os ensaios realizados na empresa para a sua aprovação.

2.1.3.1 Processo de fabrico

O fabrico dos talões começa com o fornecimento de arame a partir de bobinas. À saída de cada bobina, existe um conjunto de roldanas que guiam os arames até uma outra roldana principal, onde já se encontra definido o seu número para formar a tira do talão. Segue-se uma roldana de alinhamento com a pré-fieira (Figura 2.3) – elemento pelo qual passam os arames imediatamente antes de serem envolvidos por borracha – e fieira (Figura 2.4) – elemento que define as dimensões da tira.

a) Metade da pré-fieira. b) Pré-fieira completa. Figura 2.3 – Pré-fieira.

(30)

Figura 2.4 – Fieira.

Depois da extrusora, as tiras de talão passam num acumulador, seguido de um conjunto de roldanas que as orientam até uma peça com o diâmetro da jante especificada, onde são enroladas. Ao fim do número de voltas definido pelo operador, é atuado um punção que corta a tira e obtém-se o talão final (Figura 2.5).

a) Talão enrolado. b) Sobreposição das pontas. Figura 2.5 – Talão.

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Figura 2.6 – Fabrico de talões. Adaptado de [4]. Em que:

1 – Fornecimento de arames; 2 – Formação da tira na extrusora; 3 – Passagem no acumulador; 4 – Enrolamento na jante; 5 – Obtenção do talão.

Depois de fabricado o talão, é-lhe aplicada uma cunha. Todavia, antes, o talão é pincelado com uma solução que promove a adesão entre ambas as partes.

Para aplicação da cunha, o talão é colocado num equipamento com uma parte circular, que expande até ao diâmetro da jante especificada sem exercer uma força significativa. Nesta fase, o operador coloca uma ponta da cunha em contacto com o talão e faz com que este rode até à zona de emenda. O conjunto talão/cunha é mostrado na Figura 2.7.

a) Talão com cunha. b) União das pontas da cunha. Figura 2.7 – Talão com cunha.

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2.1.3.2 Materiais

O talão é formado por arames de aço numa matriz de borracha. Enquanto que o aço utilizado é comum a todos os modelos da empresa, as propriedades da borracha variam de acordo com o elemento do pneu, sendo, por exemplo, mais dura para o piso do que para o talão. Tais propriedades são conseguidas através da combinação de matérias-primas em percentagens diferentes.

2.1.3.2.1 Borracha

Tal como todos os compostos de borracha elaborados para fabricar os diferentes elementos do pneu, o composto utilizado nos talões contém diversas matérias-primas, em determinadas percentagens, que promovem a obtenção das propriedades pretendidas, destacando-se a boa adesão ao arame. Algumas das matérias-primas são: borracha natural, negro de fumo, óleo RAE, acelerador DPG., acelerador TBBS, enxofre insolúvel, hexametilenotetramina, sílica hidratada, resina adesiva fenólica, resina termoendurecedora, ácido estearático e óxido de zinco.

Muitos componentes de borracha são capazes de provocar corrosão em superfícies metálicas que se encontrem adjacentes. Os mecanismos deste fenómeno de corrosão não são exatamente conhecidos, mas são atribuídos à presença de determinados ingredientes na composição da borracha, tais como negros de carbono (ou de fumo), antioxidantes, plastificantes e sistemas de vulcanização.

Uma das causas que está na origem destes processos corrosivos tem a ver com a presença de enxofre no estado livre nos produtos vulcanizados. Este facto resulta de um incompleto estado de vulcanização ou de um excesso deste agente de vulcanização no composto. O processo de corrosão está associado à formação de gás sulfuroso e é acelerado na presença de humidade e de calor, que conduz à formação de ácido, que ataca fortemente o aço, cobre, latão, prata e chumbo. O contacto prolongado do ácido com o metal dá origem à formação de sulfuretos metálicos, o que promove uma certa adesão entre a borracha e o metal.

Um outro tipo de processo corrosivo é originado por compostos de borracha com base em borrachas halogenadas (policloropreno (CR), cloro ou bromo butil(CIIR e BIIR), polietileno cloro sulfonado (CSM), acrilonitrilo/cloreto de polivinilo (NBR/PVC) e homopolímeros, copolímeros e

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terpolímeros de epiclorohidrina (CO, ECO e GECO), por exemplo. A libertação de ácido clorídrico ou bromídrico durante o processo de vulcanização e durante a vida em serviço do componente produz um ataque químico dos metais em contacto. Os próprios moldes de vulcanização podem sofrer danos por este ataque químico [5].

2.1.3.2.2 Arame

Na empresa é utilizado um aço ao carbono tratado termicamente com uma tensão de rutura de 2100MPa (Normal Tensile – NT) [6]. A Tabela 2.1 expõe as principais propriedades do arame e a Tabela 2.2 a composição química do mesmo.

Tabela 2.1 – Propriedades mecânicas do arame.

Massa volúmica (𝐠/𝐜𝐦𝟑₎ _7,67 Tensão de rutura (𝐌𝐏𝐚) 2100

Tensão de cedência (𝐌𝐏𝐚) 1875

Deformação máxima (%) >5

Tabela 2.2 – Composição química da alma do arame [7].

C (%) 0,725

Mn (%) 0,550 Si (%) 0,250

S (%) 0,015

P (%) 0,015

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Figura 2.8 – Gráfico tensão-deformação do aço que compõe os arames dos talões Camac. NT – Normal Tensile; HT – High Tensile. Adaptado de [6].

Na empresa, o equipamento utilizado na produção de talões admite apenas um diâmetro para o arame, 0,89mm, apresentando assim uma área de secção de 0,622mm2_.

A superfície do arame é revestida com bronze (Tabela 2.3) de forma a potenciar a sua adesão ao composto de borracha e protegê-la contra a corrosão.

Tabela 2.3 – Propriedades do revestimento [7].

Quantidade de revestimento (𝐠/𝐤𝐠) 0,30-0,65 Quantidade máxima de estanho (%) 3

O fabricante apresenta três opções para o revestimento: a descrita acima e, acima de um diâmetro de 1,295mm, duas outras com o recurso a latão em que variam as quantidades de material depositado.

O cobre e as suas ligas são vastamente usados em vários ambientes e aplicações devido à sua excelente resistência à corrosão, à qual se adicionam outras propriedades bastante desejáveis como sendo as elevadas condutividades elétrica e térmica e facilidade de fabrico.

O cobre corroí a uma taxa desprezável quando em contacto com o ar ou água e as suas ligas suportam muitas soluções salinas, básicas e químicos orgânicos. Contudo, é suscetível a ataques mais rápidos em ácidos oxidantes, enxofre e amoníaco.

(35)

A aplicação de revestimentos com ligas de cobre é frequentemente feita através de eletrodeposição em praticamente qualquer material como substrato. As principais ligas eletrodepositadas são o latão (cobre e zinco) e o bronze (cobre e estanho) [8].

Os revestimentos de latão em chapa e fio de aço funcionam como lubrificante nos processos de estampagem e trefilagem e promovem a adesão entre borracha e aço. Este material pode revestir um número significativo de superfícies metálicas, como zinco, níquel, alumínio ou aço.

As aplicações de revestimentos de bronze são variadas sendo que, para fins decorativos, contêm tipicamente entre 10% e 15% de estanho (Sn), elemento que anula o efeito corrosivo do enxofre. Estas ligas têm uma cor semelhante a ouro puro, ligeiramente mais acastanhada.

Os revestimentos de bronze são usados, por exemplo, em dobradiças ou aloquetes para melhorar o aspeto visual e proteger contra a corrosão, sendo também usados quando se pretende melhorar as propriedades tribológicas e a resistência ao desgaste contra aço. A boa resistência à corrosão que oferecem faz com que sejam usados como revestimento inicial em aço, seguidos de camadas de níquel e crómio [8].

2.1.3.3 Ensaios efetuados aos materiais do talão

Os ensaios realizados para garantir a qualidade do talão são três: o ensaio do tempo de vulcanização da borracha através do reómetro, o ensaio de resistência à tração do arame e o ensaio de adesão do arame à borracha.

No ensaio relativo à borracha, é cortada uma pequena amostra e é inserida no reómetro (Figura 2.9), presente no laboratório de ensaio de materiais em processo, sendo esta submetida a condições de pressão e temperatura semelhantes às esperadas durante o fabrico do pneu.

Conhecer o tempo requerido para ocorrer a vulcanização é um aspeto fundamental uma vez que um pneu contém vários compostos de borracha diferentes e o tempo de vulcanização de todos deve ser o mais próximo possível.

(36)

Figura 2.9 – Reómetro [9].

Para a realização dos ensaios à tração (Figura 2.10), são testadas dez amostras de arame, obtendo-se a tensão de rutura e deformação máxima.

Figura 2.10 – Equipamento para realização de ensaios à tração.

O ensaio à adesão do arame à borracha é feito em duas fases. Inicialmente é necessário aquecer uma amostra de borracha de talão para eliminar gordura e humidade que possa existir e também para a dotar de maior maleabilidade para que seja possível dar-lhe a forma do molde (pré-aquecido antes de ser introduzido na prensa) em que vai ser inserida juntamente com dez

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é colocada no fundo do molde, seguida das amostras de arame sendo depois colocada a segunda camada de borracha e fechado o molde (Figura 2.11).

A utilização de uma prensa não se deve apenas ao facto de as duas camadas de borracha necessitarem de ser comprimidas para promover melhor adesão ao material a envolver mas também, e principalmente, devido à necessidade de vulcanizar a borracha. Por este motivo, procede-se a um ciclo de vulcanização de cerca de 45 minutos a 160°C.

Figura 2.11 – Conjunto de arames no molde.

2.2 M

ATERIAIS

O número de arames que o talão deve conter é influenciado por vários parâmetros, sendo calculado a partir da equação 2.1.

𝑛𝑎 =

𝐴_𝑖𝑝_𝑚á𝑥

4 𝑓

𝐹𝑟𝑢𝑡

(Equação 2.1)

Onde n_a é o número de arames do talão, A_𝑖 é a área interna do pneu (mm2_{), p}

máx é a pressão máxima de serviço do pneu (Pa), F_rut é a força de rutura do arame (N) e f é o fator de segurança.

A área de secção do talão tem que ser mantida por motivos relacionados com os equipamentos e o processo, o que significa que não é permitida a redução direta do número de arames e de quantidade de borracha.

Visto que a redução de peso tem que ser conseguida através da alteração do componente metálico e não do composto de borracha, foi realizado um estudo para verificar que materiais poderiam substituir o arame comum sendo que os dois parâmetros principais de seleção foram a

(38)

sua massa volúmica, tensão de rutura, adesão à borracha, resistência à corrosão e condutividade térmica.

Para obter ganhos em relação ao peso do conjunto, a solução mais direta passa por utilizar um material com uma massa volúmica mais baixa.

A tensão de rutura é a propriedade mecânica mais importante uma vez que é o dado de entrada referente ao material no dimensionamento. Contudo, durante o processo de fabrico do pneu, este é sujeito a operações em que ou é tracionado ou submetido a temperaturas elevadas pelo que há necessidade de alguma flexibilidade para que não se deforme permanentemente ainda antes de chegar à estrada. O alongamento deve ser reduzido para garantir que as dimensões do talão são mantidas, quer durante o fabrico quer em serviço.

A interface entre arame e borracha é de extrema importância uma vez que, caso não se verifique boa adesão, pode ocorrer o deslizamento de camadas de borracha, resultando na deformação do pneu e saída dos talões das sedes.

A resistência à corrosão é necessária para impedir o material de se deteriorar rapidamente quando em contacto com a borracha. O enfraquecimento e rutura dos arames é uma questão crítica na medida em que, deixando de exercer força suficiente, o pneu pode separar-se da jante e originar uma situação de perigo.

2.2.1 Metais

A constante evolução na área dos materiais poliméricos, compósitos e cerâmicos levou à sua implementação, em certas aplicações, em substituição dos metais. Contudo, os metais (e ligas metálicas) continuam a ser de extrema importância, havendo casos em que não existe outro material com propriedades (mecânicas, térmicas, químicas, elétricas) mais satisfatórias.

São geralmente divididos em ferrosos e não ferrosos, sendo que os primeiros contêm ferro na sua composição química enquanto que os segundos não. São de seguida discutidas as características de dois metais de referência para a engenharia, aço e alumínio.

2.2.1.1 Aço

O aço, liga metálica essencialmente constituída por ferro e carbono, é o metal mais utilizado, representando 95% da produção mundial de metal. A sua vasta gama de propriedades

(39)

mecânicas faz com que seja selecionado para aplicações variadas, em larga escala, e pode ser categorizado de acordo com a percentagem de elementos de liga na sua composição.

2.2.1.1.1 Aço ao carbono

Como referido no capítulo anterior, o arame atualmente utilizado é fabricado num aço ao carbono, o que significa que não contém elementos de liga.

Os aços ao carbono são definidos pela quantidade de carbono presente na sua composição, afetando as suas características, como é exposto na Tabela 2.4.

Tabela 2.4 – Características dos aços ao carbono [10].

Baixo carbono (< 𝟎, 𝟑𝟎%𝐂)

Fáceis de conformar e soldar; Baixa dureza e alta ductilidade.

Médio carbono (𝟎, 𝟑𝟎 − 𝟎, 𝟔𝟎%𝐂)

Apresentam a melhor relação entre tenacidade, ductilidade, resistência

mecânica e dureza.

Alto carbono (𝟎, 𝟔𝟎 − 𝟏, 𝟎𝟎%𝐂)

Baixa ductilidade e tenacidade; Elevada dureza e resistência ao desgaste.

Pela análise da tabela e tendo em conta a quantidade de carbono que o arame utilizado contém (0,725%C), conclui-se que se trata de um aço com baixa ductilidade mas elevada dureza e resistência ao desgaste.

As propriedades típicas de alguns aços ao carbono são expostas na Tabela 2.5.

Tabela 2.5 – Propriedades de aços ao carbono [10] [11] [12] [13].

Designação Estado Tensão de rutura (𝐌𝐏𝐚) Tensão de cedência (𝐌𝐏𝐚) Deformação máxima (%) Condutividade térmica (𝐖/𝐦𝐊) 1060 Laminado 814 483 17 49,8 1080 Têmpera e revenido a 315°C 1304 980 12 47,7 1095 1263 814 10 49,8

De seguida, na Tabela 2.6, apresentam-se algumas características dos elementos presentes na composição química do arame dos talões.

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Tabela 2.6 – Características dos elementos presentes na alma do arame dos talões [14].

Carbono (C) Aumenta a dureza e a resistência dos aços;

O aumento do teor em carbono diminui o alongamento.

Silício (Si)

Aumenta o limite de elasticidade; Aumenta a resistência à tração e ao desgaste;

Reduz a condutividade elétrica.

Manganês (Mn)

Confere um aumento de resistência à tração; Baixa os pontos de transformação A₃ e A₁; Aumenta o coeficiente de dilatação térmica, diminuindo a

condutibilidade térmica e a resistividade elétrica.

Enxofre (S)

Origina segregações fortes. Reduz a tenacidade;

Aumenta a tendência à fissuração durante a soldadura.

Fósforo (F)

Tem tendência para formar segregações, durante a solidificação e no estado sólido;

Mesmo em pequenas quantidades, aumenta a sensibilidade à fragilidade por revenido. Esta fragilização

aumenta com o teor de carbono. 2.2.1.1.2 Aço ligado

Na composição química dos aços surge um grande número de elementos ligados ao ferro e ao carbono. Alguns deles são indesejáveis e procede-se à sua remoção durante a fusão e subsequente produção do aço até restar a menor quantidade possível. Entre eles está o fósforo, que torna o aço quebradiço no estado frio, e o enxofre, que o torna quebradiço no estado quente. Também o cobre tem influência nefasta na qualidade dos aços.

Os valores limite (aproximados) das percentagens dos elementos de liga admissíveis nos aços para que possam ser considerados ainda aços sem liga são apresentados na Tabela 2.7 [14].

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Tabela 2.7 – Percentagens limite de elementos de liga [14]. Silício 0,50 Manganês 1,65 Crómio 0,30 Níquel 0,30 Molibdénio 0,08 Vanádio 0,10 Tungsténio 0,10 Cobalto 0,10 Titânio 0,05 Cobre 0,40 Alumínio 0,10 Fósforo + enxofre 0,12

Um aço é considerado ligado se possuir pelo menos um destes elementos com teor igual ou superior ao valor indicado. Se o teor total em elementos de liga não for superior a 5% trata-se de um aço de baixa liga, sendo de alta liga para valores superiores. A Tabela 2.8 apresenta a finalidade da adição de vários elementos de liga.

Tabela 2.8 – Efeito da adição de elementos de liga [14].

C, Mn, Cr, Ni Aumento de resistência à tração

S, Se Melhoria da maquinabilidade

Cr, W, Mo, Mn Aumento da resistência ao desgaste

C, Mn, Ni, Mo, Cr Aumento da penetração da têmpera

Mo, V Diminuição da fragilidade no revenido

W, Mo, V, Co Aumento de resistência ao revenido

W, Mo, V, Co, Cr Aumento de resistência a temperaturas elevadas W, Mo, V, Cr Aumento de resistência ao desgaste a quente

W, Mo, V, Cr Aumento da dureza a temperaturas elevadas

Ni, Cr, Al, N Aumento da resistência à corrosão

Note-se que os elementos de liga quando usados em conjunto com outros podem dotar os aços de propriedades ligeiramente diferentes das que lhes dariam se fossem usados isoladamente.

A necessidade de proteger os arames do talão da ação corrosiva da borracha que os envolve implica a aplicação de um revestimento. Todavia, existe a possibilidade de utilizar um aço

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cuja composição química contenha elementos de liga para o efeito. É neste contexto que surgem, neste estudo, os aços inoxidáveis, que se dividem em três categorias, descritas na Tabela 2.9.

Tabela 2.9 – Classificação dos aços inoxidáveis [10].

Ferríticos (𝟏𝟐 − 𝟑𝟎% 𝐂𝐫)

São utilizados como materiais gerais de construção, em aplicações que requerem boa

resistência à corrosão e a temperaturas relativamente altas.

Martensíticos (𝟏𝟐 − 𝟏𝟕% 𝐂𝐫)

Nestes aços, pretende-se otimizar a resistência mecânica, mantendo boa resistência à corrosão.

Elevada dureza e baixa maquinabilidade.

Austeníticos

(𝟏𝟔 − 𝟐𝟓% 𝐂𝐫, 𝟕 − 𝟐𝟎% 𝐍𝐢)

São mais resistentes à corrosão que os aços martensíticos e ferríticos e, devido ao facto de

conterem níquel, são também os mais caros. As propriedades típicas de alguns aços inoxidáveis são expostas na Tabela 2.10.

Tabela 2.10 – Propriedades de aços inoxidáveis [10] [15] [16] [17].

Designação Estado Tensão de rutura (𝐌𝐏𝐚) Tensão de cedência (𝐌𝐏𝐚) Deformação máxima (%) Condutividade térmica (𝐖/𝐦𝐊) 1340 (Ferrítico) Recozido 552 345 20 51,9 5160 (Martensítico) Têmpera e revenido 1966 1897 2 46,6 8650 (Austenítico) Recozido 759 276 60 46,6

Os aços inoxidáveis resistem à oxidação e corrosão motivadas pela ação dos agentes atmosféricos e de agentes químicos. Estes constituem uma categoria de aços ligados caracterizados por terem na sua composição química um elevado teor em crómio sendo este, salvo raras exceções, superior a 12%. O teor em carbono é frequentemente inferior a 0,2% [10]. O princípio dos aços inoxidáveis baseia-se, segundo a teoria geralmente aceite, no facto do crómio ter a capacidade de formar, na presença de oxigénio, uma fina película superficial de óxido de crómio com elevada resistência a ataques de agentes químicos. Diz-se que o aço adquire um estado passivo.

(43)

Refira-se que também o silício, o alumínio, e o molibdénio melhoram a resistência à corrosão. Por sua vez, o cobre melhora a resistência à corrosão por certos agentes [14].

2.2.1.2 Alumínio

Dentre as características mais apelativas deste metal, destaca-se a sua versatilidade. A gama de propriedades físicas e mecânicas que é possível obter é notável, desde alumínio com elevada pureza a ligas bastante complexas.

O alumínio apresenta uma massa volúmica de 2,7g/cm3_{, pouco mais de um terço da do} aço (7,8g/cm3_{). A sua resistência à corrosão é excelente em vários ambientes, incluindo} atmosfera, água doce e salgada, petroquímicos e muitos sistemas químicos.

Possui excelentes condutividades elétrica e térmica mas algumas ligas específicas foram desenvolvidas com elevada resistividade elétrica.

Algumas ligas de alumínio superam alguns aços em termos de resistência mecânica. Contudo, o alumínio puro e as ligas mais comuns exibem baixa resistência e dureza.

As ligas de alumínio são tipicamente separadas em duas grandes categorias, trabalho mecânico e fundição. A classificação destas ligas é feita segundo o sistema da Associação do Alumínio (The Aluminum Association), reconhecido e largamente utilizado nos Estados Unidos da América [18].

Devido ao facto de apenas serem importantes para este estudo as informações relativas a alumínio para trabalho mecânico, nomeadamente, trefilagem de arames para aplicação no talão, são de seguida apresentadas propriedades de algumas ligas (termicamente tratáveis) para este fim, na Tabela 2.11.

Tabela 2.11 – Propriedades de ligas de alumínio para trabalho mecânico [10] [19] [20] [21].

Designação Estado Tensão de rutura (𝐌𝐏𝐚) Tensão de cedência (𝐌𝐏𝐚) Deformação máxima (%) Condutividade térmica (𝐖/𝐦𝐊) 2024 T4 ≥425 ≥275 ≥10 151 6061 T6 310 276 17 167 7075 572 503 11 130

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Os valores apresentados acima demonstram a grande diferença entre o alumínio e o aço no que concerne às propriedades mecânicas. Também no módulo de elasticidade as ligas de alumínio se distanciam do aço, com cerca de 70MPa face a 200MPa.

A aplicação de alumínio é inviabilizada pelas referidas propriedades mecânicas, sendo necessária uma área de alumínio superior à disponível no talão.

2.2.2 Fibras

As fibras são elementos filiformes, que apresentam um elevado comprimento, em relação à dimensão transversal [22].

A classificação das fibras pode ser feita de acordo com o seu comprimento ou origem. Em relação ao comprimento, podem ser classificadas como descontínuas, quando apresentam um comprimento limitado a alguns centímetros, ou contínuas, quando apresentam um comprimento bastante elevado, sendo este apenas limitado por razões técnicas. No que concerne à sua origem, estas podem integrar-se em dois grandes grupos, fibras naturais ou não naturais [22].

A Figura 2.12 mostra um esquema onde se pode ver os diferentes subgrupos que constituem as fibras naturais e não naturais, juntamente com alguns exemplos.

Figura 2.12 – Tipos de fibras. Adaptado de [23].

Naturais

Animais

Lã, seda

Vegetais

Linho, cânhamo, algodão

Minerais

Amianto

Não naturais

Artificiais

Viscose, modal, acetato

Sintéticas

Poliéster, poliamida, aramida

Inorgânicas

Vidro, metálicas, carbono, basalto

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As fibras são constituídas por macromoléculas, os polímeros. O comprimento do polímero é um fator bastante importante, uma vez que todas as fibras possuem uma cadeia polimérica bastante longa. Em relação ao arranjo molecular, as fibras podem ser muito ou pouco orientadas. Quando apresentam uma elevada orientação, os polímeros encontram-se alinhados longitudinalmente e mais ou menos paralelos entre si, formando zonas cristalinas. Por outro lado, quando possuem baixa orientação, formam zonas amorfas.

Uma elevada orientação dos polímeros confere elevada resistência à tração, baixo alongamento, resistência ao calor e resistência a químicos. A zona amorfa das fibras confere características como flexibilidade e suavidade [22].

Nos capítulos seguintes são descritos quatro tipos de fibras não naturais que foram alvo de estudo para aplicação nos talões – aramida, vidro, basalto e carbono. A sua seleção deve-se às propriedades mecânicas superiores que apresentam face às fibras naturais.

2.2.2.1 Aramida

Aramida (Figura 2.13) é o nome genérico atribuído a uma classe de fibras sintéticas chamadas poliamidas aromáticas. Nomes comerciais de fibras de aramida incluem Kevlar® e Nomex® (Du Pont), Technora® e Twaron® (Teijin).

Figura 2.13 – Mecha de fibras de aramida.

As fibras de aramida possuem características pobres no que toca à compressão, sendo a sua resistência à compressão cerca de um oitavo da verificada à tração. O Kevlar®, por exemplo, possui fracas propriedades compressivas, quer axialmente, quer transversalmente. A resistência à compressão axial do Kevlar® 49 é cerca de 20% da sua resistência à tração, ou seja, 0,7GPa face a 3,6GPa [24].

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Tabela 2.12 – Propriedades do Kevlar® [25] [26].

Propriedade Kevlar® 29 Kevlar® 49 Kevlar ® 149

Massa volúmica (g/cm3₎ 1,44 1,44 1,47 Diâmetro da fibra (μm) 12 12 12 Tensão de rutura (MPa) 3600 3600 – 4100 3400 Módulo de elasticidade (GPa) 83 131 179 Deformação máxima (%) 4,0 2,8 2,0 Condutividade térmica (W/mK) 0,04 0,04 -

As fibras de aramida são sensíveis à luz ultravioleta (UV) sendo que, quando são expostas por um período considerável de tempo, a sua cor passa de amarelo para castanho e perde propriedades mecânicas. A radiação de um determinado comprimento de onda pode causar degradação e rutura de ligações químicas [27].

Apesar de suportarem temperaturas entre os −200°C e os 200°C, não são comummente utilizadas durante longos períodos de tempo a temperaturas acima dos 150°C devido a oxidação. O seu coeficiente de expansão térmico longitudinal é negativo, −2x10−6_/K, enquanto que o coeficiente transversal é de 60x10−6_{/K [25].}

O comportamento hidrófilo da amida leva à absorção de humidade em todas as aramidas. Para além da composição química, também a estrutura da fibra influencia a absorção. Contudo, a absorção de humidade das aramidas é significativamente inferior à de fibras celulósicas como o algodão ou o linho.

Apresentam muito boa resistência a solventes orgânicos e soluções aquosas de cloreto de sódio. Contudo, ácidos fortes e bases afetam a fibra a temperaturas elevadas, levando à perda de resistência. Estas fibras são mais resistentes a ácidos do que as de nylon 6,6 mas não tanto quanto as de poliéster. A resistência a bases fortes é comparável à verificada do nylon 6,6 [28].

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2.2.2.2 Vidro

As fibras de vidro (Figura 2.14) são tipicamente categorizadas segundo a característica que melhor as define (Tabela 2.13).

Figura 2.14 – Mecha de fibras de vidro.

Tabela 2.13 – Tipos de fibra de vidro [25].

E

(Electrical) Baixa condutividade elétrica S

(Strength) Elevada resistência mecânica C

(Chemical) Elevada resistência a químicos M

(Modulus) Elevada dureza A

(Alkali) Elevado teor em álcali D

(Dielectric) Baixa constante dielétrica

Uma característica importante das fibras de vidro é a sua extrema flexibilidade, o que está relacionado com os seus reduzidos diâmetro e módulo de elasticidade. São suscetíveis à fadiga estática, ou seja, não conseguem suportar cargas durante um longo período de tempo. A fibra de vidro E é comummente usada como isolamento, assim como para reforço de polímeros.

A Tabela 2.14 mostra as principais propriedades de dois tipos de fibras de vidro amplamente utilizados.

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Tabela 2.14 – Propriedades de fibras de vidro [25] [29].

Propriedade Vidro E

(com boro) Vidro S

Massa volúmica (g/cm3₎ 2,62 2,48 Diâmetro da fibra (μm) 3 – 20 Tensão de rutura (MPa) 3100 – 3800 4380 – 4590 Módulo de elasticidade (GPa) 80 – 81 88 – 91 Deformação máxima (%) 4,6 5,4 – 5,8 Condutividade térmica (W/mK) 1,1 – 1,4

A corrosão em ambientes ácidos é um processo complexo que se inicia a uma taxa bastante acelerada. Contudo, com o passar do tempo, forma-se uma barreira na superfície da fibra e a taxa de corrosão diminui nas zonas que ainda não estão protegidas. A concentração do ácido, a temperatura, o diâmetro da fibra e a relação entre o volume de solução e a massa de fibra são alguns dos fatores que podem influenciar a taxa de corrosão [27].

A resistência à corrosão, ações de ácidos, bases e água é expressa através da perda de massa percentual. Quanto menor for este valor, mais resistente é a fibra. A Tabela 2.15 expõe o efeito que certos agentes químicos têm em dois tipos de fibra de vidro Agy.

Tabela 2.15 – Durabilidade das fibras de vidro Agy [29].

Ambiente Perda de massa (%) Vidro E Vidro S-2 H₂0 (24h) 0,7 0,5 H₂0 (168h) 0,9 0,7 10% HCl (24h) 42 3,8 10% HCl (168h) 43 5,1 10% H₂SO₄ (24h) 39 4,1 10% H₂SO₄ (168h) 42 5,7 10% Na₂CO₃ (24h) 2,1 2,0 10% Na₂CO₃ (168h) 2,1 2,1

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Pela observação da Figura 2.15 verifica-se uma perda significativa de propriedades por parte das fibras de vidro, retendo aproximadamente 50% da sua resistência inicial à tração (à temperatura ambiente) quando submetidas a uma temperatura de 538°C. As fibras E e S-2 podem ser utilizadas, respetivamente, entre −190°C e 650°C e −190°C a 815°C.

Figura 2.15 – Efeito da temperatura na resistência à tração. Adaptado de [29]. 2.2.2.3 Basalto

O basalto é uma rocha vulcânica muito abundante formada pela solidificação de lava. A fibra obtida a partir desta rocha (Figura 2.16) é especialmente atrativa pelas suas elevadas resistências mecânica, à corrosão e a elevadas temperaturas.

Tem uma massa volúmica significativamente inferior à do aço e próxima da das fibras de vidro, com uma resistência mecânica superior a esta. O seu custo é expressivamente inferior ao das fibras de carbono.

Figura 2.16 – Mecha de fibras de basalto.

As propriedades mecânicas das fibras de basalto podem ser conferidas através da análise da Tabela 2.16.

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Tabela 2.16 – Propriedades de fibras de basalto [30]. Propriedade Basalto Massa volúmica (g/cm3₎ 2,8 – 2,9 Diâmetro da fibra (μm) 6 – 21 Tensão de rutura (MPa) 3000 – 4840 Módulo de elasticidade (GPa) 79,3 – 93,1 Deformação máxima (%) 3,1 Condutividade térmica (W/mK) 0,031 – 0,038

Este tipo de fibras apresenta elevada resistência a ambientes alcalinos, podendo suportar um pH até 13-14. Contudo, é menos estável em ácidos fortes.

As fibras de basalto podem reter até 92% das suas propriedades em 2(N) NaOH (hidróxido de sódio) e até 75% em ácido 2(N) HCl (ácido clorídrico), resultando numa perda de peso na ordem dos 5% e 2,2%, respetivamente. Estas condições levam a danos consideráveis em fibras de vidro. Devido à baixa higroscopicidade, as fibras de basalto apresentam um teor em humidade inferior a 1%, em oposição aos 20% verificados no vidro [31].

As fibras de basalto têm excelentes propriedades térmicas comparativamente com as de vidro (tipo E) e podem suportar temperaturas de 1200°C durante horas, continuamente, sem qualquer dano físico. Fibras não sujeitas a esforços são capazes de manter a sua integridade até uma temperatura de 1250°C, fator que as coloca num patamar superior face às fibras de carbono e vidro.

Pelas suas propriedades de isolamento térmico, as fibras de basalto são utilizadas na indústria da construção e noutras aplicações, ainda mais pela ausência do risco de libertação de finas fibras que podem provocar problemas de saúde como no caso do amianto [30].

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2.2.2.4 Carbono

As fibras de carbono (Figura 2.17) são conhecidas pela excelente resistência à tração, baixa massa volúmica, elevadas estabilidades térmica e química em ambientes sem agentes oxidantes e boas condutividades elétrica e térmica.

Figura 2.17 – Mecha de fibras de carbono.

O mercado atual das fibras de carbono é dominado pelas fibras fabricadas a partir de poliacrilonitrilo (PAN). Existem ainda fibras com base em resinas (Pitch) – como asfalto, alcatrão de carvão e policloreto de vinil (PVC). As propriedades da fibra de carbono dependem de fatores como o percursor, a distribuição cristalina, a orientação das moléculas, o teor em carbono e a quantidade de defeitos [32]. São de seguida apresentadas, segundo a sua categorização típica, as principais propriedades das fibras PAN (Tabela 2.17) e Pitch (Tabela 2.18).

Tabela 2.17 – Propriedades genéricas de fibras de carbono PAN [25].

Propriedade Comercial Aeroespacial Módulo normal Módulo normal Módulo intermédio Módulo elevado Massa volúmica (g/cm3₎ 1,8 1,8 1,8 1,9 Diâmetro da fibra (μm) 6 – 8 6 – 8 5 – 6 5 – 8 Tensão de rutura (MPa) 380 3450 – 4830 3450 –6200 3450 – 5520 Módulo de elasticidade (GPa) 228 220 – 241 290 – 297 345 – 448 Deformação máxima (%) 1,6 1,5 – 2,2 1,3 – 2,0 0,7 – 1,0 Condutividade térmica (W/mK) 20 20 20 50 – 80

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Tabela 2.18 – Propriedades genéricas de fibras de carbono Pitch [25]. Propriedade Módulo baixo Módulo elevado Módulo ultraelevado Massa volúmica (g/cm3₎ 1,9 2,0 2,2 Diâmetro da fibra (μm) 11 11 10 Tensão de rutura (MPa) 1380 – 3100 1900 – 2750 2410 Módulo de elasticidade (GPa) 170 – 241 380 – 620 690 – 965 Deformação máxima (%) 0,9 0,5 0,27 – 0,4 Condutividade térmica (W/mK) - - 400 – 1100

A relação entre a resistência à compressão e a resistência à tração das fibras de carbono pode variar entre 0,2 e 1 [27]. A Figura 2.18 expõe a variação da resistência à compressão em função do módulo de elasticidade e a Figura 2.19 expõe a variação da resistência à tração em função do mesmo parâmetro, para ambos os tipos de fibra de carbono.