ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
Análise de falhas em rolamentos de uma linha de
envase de cerveja
TIAGO FRANÇOSO CHIQUETTI
Lorena 2015
TIAGO FRANÇOSO CHIQUETTI
Análise de falhas em rolamentos de uma linha de envase
de cerveja
Trabalho de Graduação apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. José Benedito Marcomini
Lorena 2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado
da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo (a) autor (a)
Chiquetti, Tiago Françoso
Análise de falhas em rolamentos de uma linha de envase de cerveja / Tiago Françoso Chiquetti; orientador José Benedito Marcomini. - Lorena, 2015. 46 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de Materiais - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2015
Orientador: José Benedito Marcomini
1. Rolamentos. 2.Aço 52100. 3.Mecanismos de fratura. Marcomini, José Benedito ,orient.
Dedico este trabalho a minha família que me apoiou mesmo nas horas mais difíceis para a realização desse sonho.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a minha família que sempre me apoiou, em especial minha mãe, minha irmã e minha avó. Sem o apoio e compreensão delas nada disso teria sido possível.
A todos os professores que me ajudaram na minha formação profissional.
Agradeço em especial a minha namorada Viviane que me acompanhou desde o início da minha graduação, me ajudando, me apoiando e acima de tudo me orientado nas horas mais difíceis. Com certeza ela me ajudou a superar inúmeras barreiras.
A todos os amigos conquistados nesses anos de graduação na qual sempre que precisei lá estavam dispostos a ajudar.
Gostaria de agradecer também ao primeiro chefe que tive, Russo, pois foi o primeiro a dar uma oportunidade de estágio e como consequência pude dar continuidade a minha carreira fora da graduação.
“Sonhar grande e sonhar pequeno dá o mesmo trabalho”
RESUMO
Tiago, F. C. Análise de falhas em rolamentos de uma linha de envase de cerveja.2015. 50f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
O presente trabalho foi realizado aproveitando as muitas paradas de produção de uma linha de envase de cerveja devido a falhas frequentes em rolamentos. Os rolamentos que deveriam durar por volta de um ano estavam se rompendo entre três e quatro meses de uso, o que acabava gerando, além de gasto de reposição de uma nova peça, perda de produção de cerveja e por seguinte perda de lucro pela empresa. Alguns rolamentos danificados foram retirados para se determinar a causa da falha de forma tão precoce. Após o estudo foi possível elaborar um plano com ações preventivas para que os rolamentos atinjam o mais próximo possível do seu tempo de vida útil.
ABSTRACT
Tiago, F. C. Failure analysis on Bearings of a beer bottling line.2015. 50f. Monograph (Graduation work in Material Engineering) – Lorena Engineering School, São Paulo University, Lorena, 2015.
The present work was performed using the machines downtime of a beer factory production due to frequent faults in roller bearings. The roller bearings should resist at least one year were broken between three and four months of use, what ended up generating, besides spending a replacement new part, loss of beer production and finally loss of profit for the company. Some damaged roller bearings were taken to determine the cause of the premature failure. After the study was possible to elaborate a preventive plan to achieve the expected useful life.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – EQUIPAMENTO DESPALETIZADORA ... 16
FIGURA 2 - EQUIPAMENTO DESENCAIXOTADORA ... 17
FIGURA 3- FUNCIONAMENTO DA LAVADORA DE GARRAFAS ... 17
FIGURA 4 - EQUIPAMENTO INSPETOR ELETRÔNICO ... 18
FIGURA 5 - EQUIPAMENTO ENCHEDORA ... 19
FIGURA 6- EQUIPAMENTO PASTEURIZADOR ... 19
FIGURA 7 - EQUIPAMENTO ROTULADORA ... 20
FIGURA 8 - EQUIPAMENTO DATADOR ... 21
FIGURA 9 - EQUIPAMENTO ENCAIXOTADORA ... 21
FIGURA 10 - EQUIPAMENTO PALETIZADORA ... 22
FIGURA 11- ROLOS DE MADEIRA UTILIZADOS PARA TRANSPORTAR PEÇAS PESADAS ... 23
FIGURA 12 - MANCAL DE ROLAMENTO DE LEONARDO DA VINCI ... 24
FIGURA 13 - CONSTITUIÇÃO DE UM ROLAMENTO BÁSICO DE ESFERAS ... 25
FIGURA 14 - ROLAMENTO RADIAIS ... 25
FIGURA 15 - ROLAMENTOS AXIAIS... 26
FIGURA 16 - ROLAMENTOS AUTO COMPENSADORES ... 26
FIGURA 17 - ESTÁGIOS DA FRATURA DO TIPO TAÇA E CONE ... 28
FIGURA 18 - EXEMPLO DE FRATURA DO TIPO TAÇA E CONE ... 28
FIGURA 19 - INTERAÇÃO DO FEIXE DE ELÉTRONS COM A AMOSTRA ... 30
FIGURA 20- RELAÇÃO DA GOTA DE INTERAÇÃO DO RANGE DE KANAYA- OAKAYAMA PELA SIMULAÇÃO DE MONTE CARLOS ... 31
FIGURA 21 - FOTO DO ROLAMENTO 1 QUE APRESENTAVA UMA TRINCA ... 32
FIGURA 22 - FOTO DO ROLAMENTO 2 QUE APRESENTAVA UMA TRINCA ... 32
FIGURA 23 - ILUSTRAÇÃO DO LOCAL ONDE FOI CORTADO O ROLAMENTO ... 33
FIGURA 24 - ROLAMENTO 1 SEPARADO NA TRINCA ... 34
FIGURA 25 - ROLAMENTO 2 SEPARADO NA TRINCA ... 34
FIGURA 26 - MICROSCÓPIO ÓPTICO, MODELO DM-IRM ... 35
FIGURA 27 - MICRODUROMETRO MOCROMET 6020 ... 36
FIGURA 28 - MEV MODELO TM3000 UTILIZADO NO TRABALHO ... 37
FIGURA 29 - MICROGRAFIA EM MICROSCÓPIO ÓPTICO A 50X DA AMOSTRA 1 DO ROLAMENTO FABRICADO COM AÇO 52100, REVELADA COM ATAQUE NITAL 4%, REVELANDO A ESTRUTURA DE MARTENSITA REVENIDA ... 38
FIGURA 30 - MICROGRAFIA EM MICROSCÓPIO ÓPTICO A 50X DA AMOSTRA 2 DO ROLAMENTO FABRICADO COM AÇO 52100, REVELADA COM ATAQUE NITAL 4%, REVELANDO A ESTRUTURA DE MARTENSITA REVENIDA ... 39
FIGURA 31 - TABELA DE CONVERSÃO DE DUREZAS ... 41
FIGURA 32 - IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DA AMOSTRA 01 REFERENTE AO ROLAMENTO PRODUZIDO A PARTIR DE UM AÇO 52100, REVELANDO UM MICROMECANISMO DO TIPO ALVEOLAR (DIMPLES), REPRESENTADO PELAS SETAS EM BRANCO ... 42
FIGURA 33 - IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DA AMOSTRA 02 REFERENTE AO ROLAMENTO PRODUZIDO A PARTIR DE UM AÇO 52100, REVELANDO UM MICROMECANISMO DO TIPO ALVEOLAR (DIMPLES), REPRESENTADO PELAS SETAS EM BRANCO E A QUEIMA DO CONTORNO DE GRÃO REPRESENTADO PELA SETA ... 42
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE UM AÇO 52100 ... 27 TABELA 2 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE UM AÇO 52100 ... 33 TABELA 3 - COMPOSIÇÃO DO REAGENTE NITAL ... 35 TABELA 4 - VALORES DE DUREZA OBTIDOS REALIZANDO ENSAIO DE DUREZA COM CARGA DE 500G E
TEMPO DE 20S ... 40 TABELA 5 - PERCENTUAIS DOS ELEMENTOS PRESENTES POR ANÁLISE QUÍMICA DE DISPERSÃO DE
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
1.2 OBJETIVO ... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
2.1 LINHA DE PRODUÇÃO ... 16
2.2 HISTÓRIA DOS ROLAMENTOS ... 23
2.3 TIPOS DE ROLAMENTOS ... 24
2.3.1 Rolamentos radiais ... 25
2.3.2 Rolamentos axiais ... 26
2.3.3 Rolamentos auto compensadores ... 26
2.4 AÇO 52100 ... 26
2.5 MICROMECANISMOS DE FRATURA. ... 27
2.5.1 Fratura alveolar (dimples) ... 27
2.5.2 Fratura transgranular ... 29
2.5.3 Fratura intergranular ... 29
2.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ... 29
2.6.1 Gota de interação ... 30
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 32
3.1 MATERIAIS ... 32
3.2 MICROSCOPIA ÓPTICA (MO) ... 33
3.3 MICRODUROMETRO ... 35
3.4 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ... 36
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 38
4.1 ANÁLISE DE MICROSCOPIA ÓPTICA (MO) ... 38
4.2 ANÁLISE DE DUREZA ... 39
4.3 ANÁLISE DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ... 41
4.4 ANÁLISE POR DISPERSÃO DE ENERGIA (EDS) ... 43
5 CONCLUSÃO ... 45
1 Introdução
Um dos carros chefes da empresa para o qual o trabalho foi desenvolvido é a produção de cerveja. Ao longo de um dia de produção, são envasados entre 20 e 30 mil hectolitros de cerveja,
Em uma empresa de bebidas, muitos são os equipamentos responsáveis pela produção da bebida em questão e esses equipamentos estão interligados por meios de esteiras transportadoras, podendo ser de esteiras simples, roletes livres, dentre outras.
Dessa forma, com qualquer quebra, seja de um equipamento ou até mesmo de um transporte, acaba interferindo na eficiência da linha e por seguinte reduz o volume que a linha deveria entregar.
Foi verificado que uma linha de produção ficava muito tempo sem produzir devido o alto número de rolamentos de transportadores que se danificavam com certa facilidade. O que deveria durar cerca de um ano acabava se rompendo entre 3 e 4 meses de usos.
Visando diminuir esse impacto negativo gerado por quebra de rolamentos de esteiras transportadoras, foi realizado um estudo sobre os tipos de falhas que esses rolamentos apresentavam antes de chegarem ao colapso e após isso foi elaborado um plano com ações corretivas e preventivas a fim de se amenizar essas quebras.
1.2 Objetivo
Este trabalho teve por objetivos:
Análise de falhas de aço-liga 52100 através de ensaios de dureza, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura;
A criação de um plano de ações corretivas e/ou preventivas para a diminuição de perda de produtividade devido a rolamentos danificados.
2 Revisão bibliográfica
2.1 Linha de produção
A linha de envase de cerveja é formada pelos seguintes equipamentos: Despaletizadora, desencaixotadora, lavadora de garrafas, inspetor eletrônico, enchedora, pasteurizador, rotuladora, encaixotadora e paletizadora. [Revista da Cerveja, 2012]
As garrafeiras de cervejas são entregues pela logística à linha de produção e chegam disponibilizadas em pallets que são colocados em um transporte de roletes que os levam até a despaletizadora.
A despaletizadora possui um quadro centrador que retira as camadas de garrafeiras e as jogam individualmente em um transporte de esteiras, sendo este transporte responsável por levar as garrafeiras até desencaixotadora. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 1 – Equipamento Despaletizadora
Fonte: [Pedro Paulo Moretzsohn de Mello, 2012]
A desencaixotadora tem por objetivo retirar as garrafas das garrafeiras através de um sistema com um braço articulado que possui 8 cabeçotes, sendo que cada cabeçote possui 24 tulipas. Com um sistema de ar comprimido cada tulipa retira uma garrafa da garrafeira e as jogam na linha. O sistema atua em conjunto, não sendo possível um cabeçote funcionar e outro não. As garrafas retiradas das garrafeiras são então colocadas em um transporte de esteiras e levadas até a lavadora de garrafas. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 2 - Equipamento Desencaixotadora
Fonte: [Pedro Paulo Moretzsohn de Mello, 2012]
A lavadora de garrafas tem por objetivo retirar toda a sujeira contida nas garrafas, como rótulos, bitucas de cigarro, canudos, pedaços de plástico, dentre outros. A lavadora de garrafas é um equipamento de aproximadamente 15 metros de comprimento por 8 metros de altura e as garrafas são colocadas em pentes, sendo 45 copos por pente e elas ficam em imersão em uma solução de soda caustica por aproximadamente 45 minutos até saírem da máquina. As garrafas saem da máquina e caem em um transporte de esteiras que vai se estreitando até ficar uma garrafa em um transporte de esteira simples. Esse transporte leva as garrafas até o inspetor eletrônico. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 3- Funcionamento da lavadora de garrafas
Fonte: [Pedro Paulo Moretzsohn de Mello, 2012]
O inspetor eletrônico é responsável por inspecionar as garrafas e direcioná-las para o devido local. Quando uma garrafa está quebrada ou possui algum formato ou cor diferente da ideal, o inspetor expulsa a garrafa para um mesão e de lá os operadores colocam manualmente essas garrafas em garrafeiras e as devolvem para a logística. Quando ficou algum resquício de sujeira ou
algum liquido dentro da garrafa o inspetor rejeita a garrafa para um transporte de esteira que está interligado com a lavadora e essa garrafa repete o ciclo passando por dentro da lavadora de garrafas novamente. As garrafas que estão boas para produção não são expulsas e seguem para as enchedoras. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 4 - Equipamento Inspetor Eletrônico
Fonte: [Heuft]
As enchedoras são responsáveis por envasarem a cerveja dentro das garrafas. Elas possuem uma cúpula que fica armazenada a cerveja produzida pela fábrica. A enchedora consiste em um sistema rotativo com capacidade de segurar aproximadamente 100 garrafas. A cada volta a garrafa sai com o nível de enchimento de cerveja adequado. Na linha em questão a enchedora tem capacidade de produzir 60 mil garrafas por hora e portanto a cada minuto perdido por qualquer tipo de parada, mil garrafas são deixadas de produzir. Interligado a enchedora possui o arrolhador que é responsável por colocar as tampas nas garrafas. Depois de arrolhadas, as garrafas seguem por um transporte de esteiras até o pasteurizador. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 5 - Equipamento Enchedora
Fonte: [Pró-máquinas]
O pasteurizador é responsável pela pasteurização da cerveja, o que garante que a cerveja tenha um tempo de vida maior. No pasteurizador as garrafas passam por banhos de diversas temperaturas, sendo na entrada temperaturas menores, no meio temperaturas um pouco mais elevadas e no final o banho volta a ser em temperaturas menores. Em todos os casos as temperaturas estão acima de 30 graus. As garrafas demoram aproximadamente 50 minutos para percorrer todo o pasteurizador. Após saírem do pasteurizador as garrafas percorrem um transporte de esteiras até a rotuladora. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 6- Equipamento pasteurizador
A rotuladora é responsável por colocar os rótulos nas garrafas. A rotuladora também consiste em sistema rotativo, na qual cada garrafa é suspensa por um pistão e ao passar pela frente da máquina ela sofre a rotulagem. Dependendo da cerveja em questão ela pode sofrer rotulagem em até 3 pontos diferentes. O rótulo “neck” fica no gargalo da garrafa, o rótulo “front” fica no corpo da garrafa bem abaixo do rótulo “neck” e o rótulo “back” fica na parte de trás a 180 graus do “front”. Interligado á rotuladora há um datador e um inspetor de nível. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 7 - Equipamento Rotuladora
Fonte: [Krones]
O datador é responsável por inserir a data de validade no rótulo e o inspetor de nível é responsável por expulsar as garrafas que estão sem rolhas, com um nível baixo de enchimento e sem rótulos que por ventura falharam na rotuladora. Após o processo de rotulagem as garrafas seguem por um transporte de esteiras até a encaixotadora. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 8 - Equipamento Datador
Fonte: [videojet]
A encaixotadora possui um sistema muito parecido com a desencaixotadora. Ela possui um sistema de braço articulador com 8 cabeçote, sendo que cada cabeçote possui 8 tulipas. Dessa forma, com um sistema de ar comprimido, os pistões da encaixotadora pegam as garrafas do transporte e com o movimento do braço articulado colocam as garrafas dentro das garrafeiras. Dessa forma não é possível que um cabeçote atue e o outro não. Em alguns casos pode ocorrer de alguma tulipa estar furada e não pegar a garrafa porém a encaixotadora está interligada com o inspetor de caixa incompleta que é responsável por expulsar as caixas que saem com alguma garrafas faltando. Após serem encaixotadas as caixas seguem por um transporte de esteiras e rolos até a paletizadora. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 9 - Equipamento Encaixotadora
A paletizadora possui um sistema muito semelhante a despaletizadora. Ela possui um quadro centrador que pega as garrafeiras da linha e as colocam nos pallets. Dessa forma a paletizadora forma 6 camadas de caixas em cada pallet, sendo que cada camada possui 7 caixas, totalizando 42 caixas por pallet. Após paletizadas, a logística fica responsável por retirar os pallets da linha e estocar no armazém. [Revista da Cerveja, 2012]
Figura 10 - Equipamento Paletizadora
Fonte: [Pedro Paulo Moretzsohn de Mello, 2012]
Vale ressaltar, que durante todo esse processo, vários ítens de qualidade são seguidos para garantir total satisfação dos consumidores. Em vários casos, se alguns desses itens de qualidade saem foram do padrão, a produção fica retida, podendo ser retrabalhado ou despejado, dependendo do caso. [Revista da Cerveja, 2015]
Conforme apresentado anteriormente, todos os equipamentos de uma linha de produção estão interligados por transportes, que para funcionarem, dependem muito das boas condições dos rolamentos.
Em média demora 10 minutos até acionar o técnico mecânico que irá realizar a troca do rolamento e mais 30 minutos para a troca em do mesmo, totalizando 40 minutos. Esse tempo pode ser ainda maior se o local do rolamento for de difícil acesso.
Levando em conta uma linha de produção com capacidade de produção de 60 mil garrafas por hora, com uma parada de 40 minutos é deixado de produzir 40 mil garrafas. Um garrafa envasada
custa em média 50 centavos e ao deixar de produzir 40 mil garrafas por um rolamento danificado, há um prejuízo de 20 mil reais.
Ao longo de uma linha de produção, vários tamanhos de rolamentos são utilizados, portanto é importante saber qual o rolamento ideal para determinado tipo de transporte, para que não haja quebras durante a produção, evitando assim, perdas não somente em produção mas também financeiras.
2.2 História dos rolamentos
A primeira utilidade de um rolamento é servir como elemento auxiliar de transporte. Por isso a ideia de rolamento mais antiga se dá por volta do ano 4.000AC, ajudando os Escandinavos a deslizar com seus trenós ou com os Egípcios que apresentam diversas provas do seu uso para a construção de seus inúmeros monumentos que foi muito facilitada quando passaram a usar rolos de madeira para transportar pedras de grande peso. [Carvalho, 2010]
Figura 11- Rolos de madeira utilizados para transportar peças pesadas
Fonte: [Carvalho; 2010]
Ao longo do período da Idade Média existe pouca evidência do uso ou desenvolvimento continuado de rolamentos. Apenas por volta do ano 1.500 é que Leonardo Da Vinci em suas pesquisas teóricas e práticas abrangeu as diferenças de magnitude do atrito conforme espécie dos materiais em contato e também conforme a utilização de meios lubrificantes entre as superfícies.
Rudimentares projetos de rolamentos provam que Leonardo da Vinci já tinha descoberto a maneira de reduzir a resistência de giro, mediante o auxílio de cilindros que servem como “corpos rolantes”. Porém a transformação da ideia em prática esbarrava na impossibilidade de produzir esferas com a precisão necessária. [Carvalho, 2010]
No século XVI Leonardo Da Vinci já havia trabalhado com mancais em madeira e bronze como mostra a figura 12.
Figura 12 - Mancal de rolamento de Leonardo Da Vinci
Fonte: [Carvalho, 2010]
Umas das primeiras aplicações dos mancais foram nas carroças seguidas das rodas de bicicletas. Em 1865, Ernest Michaux, um construtor de bicicletas, inventou o pedal conectado à roda dianteira, modelo conhecido como “velocípede”.
Foi no começo da era industrial que as máquinas, devido aos processos de produção, giravam cada vez mais rápidas gerando superaquecimento dos mancais por mais graxa e óleo que elas fossem banhadas. De acordo com essa necessidade os rolamentos começaram a se aperfeiçoar com rolamentos específicos em diferentes categorias para atender diferentes demandas. [Carvalho, 2010]
2.3 Tipos de rolamentos
Os rolamentos hoje utilizados são em geral constituídos por anéis, corpos rolantes (esferas ou rolos) e gaiolas.
Figura 13 - Constituição de um rolamento básico de esferas
Fonte: [Carvalho, 2010]
Em função da carga que irá apoiar podem ser divididos em categorias: radiais, axiais e combinado/auto Compensadores. [Carvalho, 2010]
2.3.1 Rolamentos radiais
Os rolamentos radiais são formados por 2 anéis concêntricos sendo o anel externo montado na caixa do mancal e o anel interno montado no eixo.
As gaiolas servem para manter a uniformidade do espaçamento entre os elementos girantes e, principalmente, diminuir o atrito entre eles. [Carvalho, 2010]
Figura 14 - Rolamento radiais
2.3.2 Rolamentos axiais
A diferença fundamental entre rolamentos radiais e axiais é que nestes os anéis são montados lado a lado.
Figura 15 - Rolamentos axiais
Fonte: [Carvalho, 2010]
2.3.3 Rolamentos auto compensadores
Estes rolamentos são insensíveis a desalinhamentos angulares do eixo. São particularmente adequados a aplicações em que possa haver deflexões do eixo ou desalinhamentos consideráveis.
Figura 16 - Rolamentos Auto Compensadores
Fonte: [Carvalho, 2010]
2.4 Aço 52100
Comumente utilizado em ferramentas para trabalho a frio e conhecido como aço especial para aplicações mecânicas o aço 52100 é bastante utilizado na fabricação de rolamentos por ser um aço de elevado teor de carbono, ligado ao Cromo e utilizado quando se pretende atingir elevada resistência ao desgaste e dureza após têmpera, entre 62-66 HRC. [Latrobe specialty steel company]
É um aço com baixo teor de inclusões e temperável em óleo. A Tabela 1 mostra a composição química típica de um aço 52100
Tabela 1 - Composição química de um aço 52100
Carbono Silício Manganês Cromo
1,5 0,30 0,35 1,50
Fonte: [Latrobe specialty steel company]
A sua aplicação é restrita até 150°C, acima dessa temperatura, diminui a dureza. Apresenta má soldabilidade.
Exemplos de Aplicações: rolamentos, esferas, roletes e grande aplicação em ferramentas para trabalho a frio como brocas, alargadores, machos, ferramentas para repuchamento em torno, estampos, punções e ferramentas para extrusão a frio. [Latrobe specialty steel company]
2.5 Micromecanismos de fratura.
Devido a diferença entre os materiais como composição química, presença de impurezas, quantidade e efeito da deformação plástica, vários são os mecanismos de fratura que o material pode sofrer. [Callister, 2008]
Os micromecanismos mais frequentes são:
Alveolar (Dimples)
Transgranular
Intergranular
2.5.1 Fratura alveolar (dimples)
Esse tipo de micromecanismo consiste em uma alta energia que é absorvida pela coalescência das microcavidades durante a fratura.
Após o empescoçamento ter início, há a formação de pequenas cavidades ou “microvazios”. Na medida em que a deformação prossegue, as microcavidades aumentam de tamanho, se unem, coalescem e forma uma trinca do tipo elíptica que continua a crescer pelo processo de coalescência das microcavidades em na direção paralela a seu eixo principal. [Callister, 2008]
A propagação da trinca leva o material a fratura, que passa a ser por cisalhamento simples em um angulo de aproximadamente 45º em relação a direção de tração. [Callister, 2008].
A fratura do tipo taça e cone é um caso especial desse tipo de fratura fibrosa. [Chiaverini, 1982].
A figura 17 mostra os estágios na fratura do tipo taça e cone. Nela podemos observar: (a) empescoçamento; (b) formação das cavidades; (c) coalescência das cavidades; (d) propagação da trinca; (e) fratura final.
Figura 17 - Estágios da fratura do tipo taça e cone
Fonte: [Callister, 2008]
O Exemplo mais clássico desse micromecanismo é observado em uma região central fibrosa de uma fratura do tipo taça cone.
A figura 18 mostra um exemplo de uma fratura do tipo taça e cone.
Figura 18 - Exemplo de fratura do tipo taça e cone
Na figura acima é possível ver que a região central interior da superfície possui uma aparência irregular e fibrosa, indicando uma deformação plástica.
2.5.2 Fratura transgranular
A fratura transgranular, na maioria das vezes, está associada a uma fratura do tipo frágil, que ocorre sem qualquer deformação apreciável. [Callister, 2008]
Nesse tipo de fratura a trinca se propaga rapidamente através dos grãos e por isso o nome de transgranular.
Para a maioria dos materiais cristalinos frágeis, a propagação da trinca corresponde a quebra sucessiva e repetida de ligações atômicas ao longo dos planos cristalográficos específicos; tal processo é conhecido por clivagem. [Callister, 2008]
A fratura transgranular é mais frequentemente observada em metais puros cristalinos. [Chiaverini, 1982]
2.5.3 Fratura intergranular
Na fratura intergranular, a trinca se propaga rapidamente ao longo dos contornos de grão. Para que isso ocorra, o contornos de grão precisam estar mais fragilizados, ou seja, possuir uma menor energia. [Callister, 2008]
A maioria das fraturas frágeis ocorre de maneira transgranular. Entretanto, se o contorno de grão contém um filme de um elemento frágil, como nos aços inoxidáveis sensitivados ou ligas de molibdênio contendo oxigênio, nitrogênio ou carbono, a fratura ocorre de maneira intergranular. [Dieter, 1981]
A fratura intergranular pode também ocorrer sem a presença a presença de precipitados microscopicamente visíveis nos contornos de grão. A segregação nos contornos pode abaixar a energia superficial o suficiente para acarretar falha intergranular. [Dieter, 1981]
2.6.1 Gota de interação
Ao inserir o feixe de elétrons na amostra, há um espalhamento, que pode ser classificado como elástico e não elástico.
No espalhamento não elástico o que varia é a energia dos elétrons. A energia dos elétrons do feixe incidente é transferida para os átomos levando à emissão de elétrons secundários, raios-X, dentre outros. [Maliska, 2005]
O espalhamento elástico é responsável pelo fenômeno de retroespalhamento.Justamente devido ao espalhamento elástico (conservação de energia), são muito influenciados pelo número atômico dos elementos e, portanto são responsáveis pelo contraste com relação à composição química. [Maliska, 2005]
A figura 19 mostra a interação do feixe de elétrons com a amostra
Figura 19 - interação do feixe de elétrons com a amostra
Fonte: [Maliska, 2005]
Range de Kanaya- Okayama é a região da gota de interação que apresenta o maior raio, de onde são emitidos os elétrons retroespalhados e os raios –X.
Pela simulação de Monte Carlos é possível determinar o espalhamento elástico e não elástico, o percurso do elétron em cada passo. [Maliska, 2005]
Equação 1- Equação de Kanaya OkayamaRk Rk-o = 0,0276 A.E01,67/ Z0,89.ρ (1)
Onde, A é o número de massa, E0 é a energia do feixe incidente (20 keV), Z é o número atômico e ρ é a densidade. [Maliska, 2005]
Utilizando como exemplo o ferro, obtemos o valor do range de Kanaya- Okayama 1,6μm. A figura 20 apresenta o Rk-o com relação à gota de interação, pela simulação de Monte-Carlo, cujo resultado foi de 1,8μm.
Figura 20- Relação da gota de interação do range de Kanaya- Oakayama pela simulação de Monte Carlos
3 Materiais e métodos
3.1 Materiais
Foram utilizados dois rolamentos retirados da linha de produção da empresa para o qual o trabalho foi desenvolvido.
Ao retirar os rolamentos foi observado que eles possuíam trincas, conforme ilustrado nas figuras 21 e 22.
Figura 21 - foto do rolamento 1 que apresentava uma trinca
Fonte: [Autor, 2015]
Figura 22 - foto do rolamento 2 que apresentava uma trinca
Fonte: [Autor, 2015]
As setas vermelhas nas figuras 21 e 22 indicam o local onde os rolamentos sofreram fratura. O material utilizado na produção dos rolamentos para o qual o trabalho foi desenvolvido foi o aço 52100. Não foi possível obter um certificado da composição química do aço em questão porém pela norma ASTM o aço tem a composição da tabela 1 representada abaixo.
A tabela 2 mostra a composição química típica de um aço 52100 .
Tabela 2 - Composição química de um aço 52100
Carbono Silício Manganês Cromo
1,5 0,30 0,35 1,50
Fonte: [Latrobe specialty steel company]
3.2 Preparação Metalográfica
As amostras foram retiradas da região da trinca com dimensões de aproximadamente 10 centímetros, sendo 5 centímetros ao lado direto da trinca e 5 centímetros ao lado esquerdo da trinca, conforme indicado pelas retas pontilhadas na figura23.
Figura 23 - ilustração do local onde foi cortado o rolamento
Fonte [Autor, 2015]
Nas figuras 24 e 25 podemos observar como ficaram as amostras após os rolamentos serem cortados
Figura 24 - rolamento 1 separado na trinca
Fonte: [Autor, 2015]
Figura 25 - rolamento 2 separado na trinca
Fonte: [Autor, 2015]
Ao terminar a parte de corte dos rolamentos, as amostras obtidas foram então embutidas a quente em baquelite, lixadas e polidas.
O embutimento foi realizado em um equipamento PANPRESS da marca Pantec.
As amostras embutidas foram lixadas utilizando lixas de granulometria #320, #400, #500, #600, #800, #1000 e #1200. Para um nivelamento perfeito da superfície, ao passar por cada lixa, a amostra deve ser girada em 90º . O equipamento utilizado foi Politriz DP 10 da marca Struers.
O polimento deve ser realizado para se obter um acabamento espelhado, livre de arranhões e irregularidades dos processos anteriores.O polimento também foi realizado no equipamento Politriz DP 10 da marca Struers. Foi utilizado um pano para polimento OPCHEN e a solução de polimento utilizado foi a OPV (sílica coloidal).
Após embutidas, lixadas e polidas, as amostras passaram por um ataque químico Nital de 4% com um tempo de imersão de 15 segundos.
A tabela 3 mostra a relação dos constituintes da solução de Nital 4%
Tabela 3 - Composição do reagente Nital
Reagente Composição
Nital 4% 4 ml de HNO3 em 96 ml de álcool etílico Fonte: [Autor, 2015]
3.3 Microscopia óptica
As amostras, após embutidas, lixadas, polidas e atacadas quimicamente, foram observadas em microscópio óptico.
A microscopia óptica, cujos elementos básicos são o sistema óptico e a iluminação, podem ser utilizados para observar alguns defeitos cristalinos, tais como contorno de grão e contorno de macla e fases maiores que 0,5 µm. Além disso, esta técnica possibilita a observação e análise de grandes áreas e propicia uma visão geral da microestrutura. [Padilha; Ambrozio Filho, 2004]
Para tal análise foi utilizado um microscópio óptico com analisador de imagem da marca Leica, modelo DM-IRM.
A figura 26 mostra o microscópio óptico utilizado no trabalho
Figura 26 - Microscópio óptico, modelo DM-IRM
3.4 Microdurometro
A fim de se obter a dureza do aço que compõem o rolamento, as amostras sofreram um ensaio de dureza em um microdurometro
Dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica realizada. [Callister, 2008]
Neste ensaio um penetrador piramidal exerce alguma carga em certo tempo e penetra na superfície das amostras. A cada penetração, é necessário mover o penetrador em alguns passos para que a nova penetração ocorra em uma região que ainda não foi penetrada.
No ensaio de dureza foi adotado 500 gramas como carga do penetrador e o tempo que cada carga ficou em contado com a amostra foi de 20 segundos.
O microdurometro utilizado foi Microdurômetro Buehler, modelo Micromet 6020. A figura 27 mostra o equipamento que foi utilizado para o teste de dureza.
Figura 27 - Microdurometro Mocromet 6020
3.5 Microscopia eletrônica de Varredura (MEV)
O MEV é composto basicamente pelos seguintes componentes: coluna óptico eletrônica, câmara para amostras, sistema de vácuo e sistema de imagem.
Após preparação metalográfica, as amostras também foram observadas no microscópio eletrônico de varredura. A amostras foram em uma câmara que após sofrer vácuo, é atingida pelo feixe eletrônico, gerando a imagem a partir dos elétrons retroespalhados para análise microestrutural e elétrons secundários para análise de superfície da fratura.
Utilizou-se um MEV da marca Hitachi, modelo TM3000.
Figura 28 - MEV modelo TM3000 utilizado no trabalho
4 Resultados e discussão
Devido ao sigilo industrial a ser mantido, as especificações de produto não serão aqui demonstradas.
4.1 Análise de microscopia óptica (mo)
As amostras, após embutidas, lixadas, polidas e atacadas quimicamente, foram observadas em microscópio óptico, com um aumento de 50 vezes, gerando as micrografias obervadas abaixo, nas figuras 29 e 30.
Figura 29 - Micrografia em microscópio óptico a 50x da amostra 1 do rolamento fabricado com aço 52100, revelada com ataque nital 4%, revelando a estrutura de martensita
Figura 30 - Micrografia em microscópio óptico a 50x da amostra 2 do rolamento fabricado com aço 52100, revelada com ataque nital 4%, revelando a estrutura de martensita revenida
Fonte: [Autor, 2105]
Apesar de não estarem tão nítidas é possível dizer, através das micrografias, que o material utilizado é martensita revenida.
A microestrutura da martensita revenida consiste em partículas de cementita extremamente pequenas e uniformemente dispersas, embutidas no interior de uma matriz contínua de ferrita. [Callister, 2008]
4.2 Análise de dureza
Devido a geometria das amostras, foi realizado o ensaio de dureza na parte externa do rolamento, próximo do local onde ocorreu a fratura.
O ensaio foi realizado aplicando uma carga de 500 gramas em um tempo de 20 segundos, realizando um passo em cada aplicação de carga.
Tabela 4 - valores de dureza obtidos realizando ensaio de dureza com carga de 500g e tempo de 20s
Dureza amostra 01 (HV) Dureza amostra 02 (HV)
Passo 01 741,4 728,3 Passo 02 741,6 731,8 Passo 03 744,1 730,5 Passo 04 727,9 739,1 Passo 05 747,0 757,4 Passo 06 737,0 743,8 Passo 07 737,6 745,0 Passo 08 720,6 761,1 Passo 09 713,3 758,6 Passo 10 737,6 770,3 Passo 11 771,4 748,2 Passo 12 760,8 746,2 Passo 13 774,7 761,7 Passo 14 764,1 764,9 Passo 15 750,9 758,3 Média 744,6 749,7 Fonte:[Autor, 2015]
Pela tabela acima podemos observar que as 2 amostras possuem dureza muito próximas, sendo 744,6 HV para a amostra 01 e 749,7 HV para a amostra 02.
O aço 52100 é um aço ligado ao Cromo e utilizado quando se pretende atingir elevada resistência ao desgaste e dureza após têmpera, entre 62-66 HRC.
Pela figura 29 podemos observar que as medidas de dureza obtidas pelo ensaio de dureza estão na faixa entre 61 a 63 HRC.
Figura 31 - tabela de conversão de durezas
Fonte: [Metalúrgica vera, http://metalurgicavera.com.br/produtos/TABELA-DE-CONVERSAO-DE-DUREZAS.php]
4.3 Análise de microscopia eletrônica de varredura
As amostras foram analisadas também via microscópio eletrônico de varredura, onde as microestruturas do rolamento foram analisadas via elétrons retroespalhados.
As figura 32 e 33 mostram as micrografias da amostras 01 e 02 respectivamente após serem analisadas via microscópio eletrônico de varredura, revelando o micromecanismo do tipo Alveolar (Dimples), representado pelas setas em branco.
Na figura 33 ainda podemos observar a queima do contorno de grão, representado pela seta em vermelho.
Figura 32 - Imagem de microscopia eletrônica da amostra 01 referente ao rolamento produzido a partir de um aço 52100, revelando um micromecanismo do tipo Alveolar (Dimples), representado pelas setas em branco
Fonte: [Autor, 2015]
Figura 33 - Imagem de microscopia eletrônica da amostra 02 referente ao rolamento produzido a partir de um aço 52100, revelando um micromecanismo do tipo Alveolar (Dimples), representado pelas setas em branco e a queima do contorno de grão representado pela seta em vermelho.
4.4 Análise por dispersão de energia (eds)
A figura 34 mostra o espectro de raios-X da análise química por dispersão de energia do rolamento produzido a partir de um aço 52100.
Figura 34 - Raios-X da análise química por dispersão de energia da amostra 01
Fonte: [Autor, 2015]
A tabela 5 mostra os percentuais dos elementos obervados por análise química de dispersão de energia.
Tabela 5 - percentuais dos elementos presentes por análise química de dispersão de energia
Element Weight % Weight % σ Atomic %
Carbon 24.535 0.348 55.310 Oxygen 5.862 0.365 9.920 Aluminum 0.962 0.051 0.965 Silicon 0.728 0.046 0.702 Chromium 4.768 0.097 2.483 Manganese 0.549 0.093 0.270 Iron 62.598 0.394 30.350 Fonte : [Autor, 2015]
O elevado teor de oxigênio se deve a oxidação do rolamento após ter sofrido fratura.
Podemos observar que devido ao aquecimento excessivo do rolamento ocorre um precipitado de carbonetos de cromo e ferro, ocasionando uma aglomeração desses carbonetos, além da queima dos contornos de grão e a oxidação em alta temperatura.
Essa aglomeração de carbonetos é responsável pela formação dos dimples, que foi abordado no tópico 2.1 desse trabalho. A formação desses dimples levou os rolamento a fratura.
5 Conclusão
Com o presente trabalho, concluiu-se que o rolamento chegou à falha devido ao superaquecimento. Esse superaquecimento se deve à falta de lubrificação em que o rolamento se encontrava.
A partir disso, foi elaborado um plano de ação com as seguintes ações:
Intensificação nas inspeções de rota executada pelos GPA’s (grupos de pronto atendimento).
Treinamento de manutenção autônomo para os operadores com foco em lubrificação.
Aquisição de um sistema automático de lubrificação
Dentre as ações mencionadas, a única não realizada foi a aquisição de um sistema automático de lubrificação, pois era algo que demandava muito dinheiro.
Apenas intensificando as inspeções de rota e treinando os operadores com foco em lubrificação foi possível aumentar a eficiência da linha estudada, que antes girava em torno de 75% e agora já está no patamar de 80%
6 Referências
ASM Handbook, Volume 9. Metallography and Microstructures. ASM International, 2004. ASM Handbook, Volume 11.Failure Analysis and Prevention. ASM International, 2002. ASM Handbook, Volume 12.Fractography. ASM International, 1987.
AZEVEDO, C. R. F.,CESCON, T. Metalografia e Análise de falhas, casos selecionados. Instituto de pesquisas tecnológicas, São Paulo, 2004
CALLISTER, W. D. JR.Ciência e Engenharia de Materiais:Uma Introdução.7. ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2008.
CARVALHO, R.V., Análise Dinâmica de Rolamento de Esferas. Campinas: s.n., 2010. Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 5. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1982.
DIETER E. G. Metalurgia mecânica. 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan SA, 1981.
Latrobe Specialty steel company,
<http://customer.cartech.com/assets/documents/datasheets/52100.pdf>
MALISKA, A. M., Microscopia Eletrônica de Varredura. <http://www.usp.br/nanobiodev/wp-content/uploads/MEV_Apostila.pdf>
PADILHAS, A. F., AMBROZIO FILHO. Técnicas de análise microestrutural. São Paulo, Hemus Livraria, Distribuidora e Editora, Reimpressão, 2004.
