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CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO DO EQUIPAMENTO DE ENSAIO DE DESGASTE

ABRASIVO DE MESA DO TIPO PINO SOBRE LIXA

Lueders, L. (1); AL-RUBAIE, K.S. (2)

Rua Frederico Weege, 1630 Pomerode/SC 89107-000

(1) Catolicasc- Jaraguá do Sul; (2)UNISOCIESC-Joinville

Para realizar o ensaio de desgaste abrasivo, desenvolveu-se um abrasômetro

do tipo pino sobre lixa, com movimentos de deslocamento linear controlado por

CNC, permitindo variações nas distâncias dos ensaios e na velocidade de avanço,

através da programação, tornando o equipamento flexível e de fácil manuseio. Com

este controle de movimento, pode-se programar a trajetória do corpo de prova e

garantir desta forma que todos os movimentos de desgaste sejam realizados em

abrasivos novos. Os ensaios podem ser realizados com ou sem rotação no corpo de

prova e a carga é aplicada com pesos colocados no sistema de fixação do corpo de

prova, regulada com contrapeso e o valor da carga é verificado com célula de carga.

Para realizar a validação do equipamento foi feito um planejamento experimental de

forma aleatória, de dois níveis, cinco fatores de entrada (abrasivo, granulometria,

carga, material e dureza) e três réplicas. Os materiais testados foram os aços AISI

4140 e AISI D6. A taxa de desgaste abrasivo foi relacionada com os fatores de

entrada. Os resultados obtidos mostram que o tipo de abrasivo foi o fator de maior

influência na taxa de desgaste.

Palavras chave: Desgaste; Abrasão; Ensaios.

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

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1 INTRODUÇÃO

Componentes mecânicos estão presentes em todos os equipamentos das

indústrias e mesmo com todo o desenvolvimento tecnológico dos materiais de

construção mecânica, melhoria de projetos, sistemas de lubrificação e proteção,

eles continuam sujeitos ao desgaste. Nos Estados Unidos, estudos demonstram que

os custos gerados pela substituição de componentes mecânicos, em função do

desgaste, está entre 6% e 7% do Produto Nacional Bruto (1) e o desgaste abrasivo

nas nações industrializadas representa um custo entre 1% a 4% do Produto Interno

Bruto (2). Aplicando os conhecimentos atuais referentes aos sistemas tribológicos,

pode-se diminuir em 20% as perdas geradas pelo desgaste(3).

Considerando a competitividade nas indústrias e sua busca pela diminuição

de custos operacionais, o fato de diminuir em 20% as perdas geradas com o

desgaste, pode significar uma economia significativa e também uma grande

vantagem competitiva. A economia gerada pela diminuição de perdas pode

significar, maior investimento em novos produtos, ampliação de mercados e

vantagens em relação aos concorrentes. O desgaste abrasivo é comum em todos os

segmentos da indústria brasileira, mas pode-se citar segmentos importantes na

economia, tais como: a mineração, energias renováveis, o segmento produtivo do

álcool, a indústria siderúrgica e toda a cadeia produtiva do petróleo.

Para realizar os estudo em relação ao desgaste abrasivo utiliza-se uma

classificação bastante aceita e difundida dividindo-a em dois tipos: abrasão de dois

corpos e a três corpos. No desgaste abrasivo a três corpos as partículas duras estão

livres para rolar e deslizar entre duas superfícies em movimento relativo, já no

desgaste abrasivo de dois corpos o desgaste é causado por protuberâncias na

superfície oposta (4).

O desgaste abrasivo representa aproximada-mente 36% das perdas geradas

por desgaste, sendo superado apenas pelo desgaste por adesão(5). O estudo do

desgaste pode ser realizado com diferentes equipamentos, no entanto, o

equipamento desenvolvido para os ensaios desta dissertação, é do tipo pino sobre

lixa, que mantém movimentos lineares e será utilizado para um ensaio de desgaste

de dois corpos.


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2 EQUIPAMENTO

O abrasômetro do tipo pino sobre lixa para ensaio de desgaste abrasivo de

dois corpos éde mesa,do tipo pino sobre lixa que realiza movimentos lineares, no

eixo longitudinal e no eixo transversal. Este abrasômetro está representado de forma

esquemática na Fig.1(6).

Fig. 1 - Abrasômetro do tipo pino sobre lixa, de movimentos lineares

(6)

O equipamento desenvolvido manteve os movimentos em dois eixos

horizontais controlados por motores de passo, um eixo vertical livre, para receber a

carga e realizar um movimento de rotação do corpo de provae está representado na

Fig. 2.

Fig.2 - Conjunto do Abrasômetro de mesa para ensaios do tipo pino sobre lixa.

O sistema de controle eletrônico dos conjuntos é realizado com uma placa

Isoladora amplificadora para porta paralela. Esta placa recebe o sinal via porta

paralela do micro computador, utilizando o software específico e amplifica os sinais

para o drive de cada motor. A placa isola eletricamente o computador dos driver’s de

acionamento dos motores de passo, possui entrada para sensores de fim de curso e


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dois relês para ligar outros periféricos. Este controle eletrônico permite a

programação das distâncias e velocidades de deslocamento dos eixos longitudinais

(eixo X) e do eixo transversal (eixo Y).

3 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL

O planejamento foi realizado com o software estatístico MINITAB, com cinco

fatores e dois níveis, conforme Tab. 1. Com os cinco fatores e dois níveis, e três

réplicas, obteve-se um total de 96 ensaios. Os materiais AISI D6 e AISI 4140 quando

fornecidas em barras, sem tratamentos, apresentam durezas diferentes e para

realizar o planejamento experimental no software, optou-se por classificar o material

sem tratamento como “normal”. Esta denominação “normal” significa 210HVpara

SAE 4140 e 268HV para o AISI D6.

Tab. 1-Fatores e níveis do planejamento experimental

Fator Nome Nível (baixo -) Nível (alto +)

A Granulometria 80 Mesh 180 Mesh

B Lixa R477 ( SiC ) R984 (Al2O3Sinterizado)

C Carga 3,7 kg 5,9 kg

D Material AISI D6 SAE 4140

E Dureza Normal Temperado

O resultado do desgaste do corpo de prova foi controlado pela perda de

massa, que foi verificada com a utilização de uma balança com capacidade máxima

de 210 g, com divisão de escala de 0,1 mg, de gabinete fechado, prato de pesagem

de diâmetro 80mm e tempo de estabilização de 4 s.

4 MATERIAIS

Aço AISI 4140

A composição química do material foi verificada em um espectrômetro, e a

Tab.2 especifica a composição máxima e mínima de cada elemento e o valor

encontrado no material analisado.

Tab. 2- Composição química (em peso%) do aço AISI 4140.

AISI 4140

C% Mn% P máx.% S máx.% Si% Cr% Mo%

Valores de referência

0.38 –0.43

0.75 – 1 0.030 0.040 0.15 – 0.35

0.8 – 1.10 0.15 – 0.25

Valores encontrados

0.385 0.762 0.208 0.349 0.264 0.976 0.159


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Aço AISI D6

A composição química do material foi verificada em um espectômetro, e a

Tab.3 especifica a composição máxima e mínima de cada elemento e o valor

encontrado no material analisado.

Tab.3- Composição química (em peso%) do aço AISI D6.

AISI D6 C% Mn% P máx.% S máx%. Si% Cr% Mo%

Valores de referência. 2.00 – 2.25 0.20 –0.60 0.030 0.030 0.20 – 0.40 11,00 – 13.00 0.60 – 1.25

Valores encontrados. 2.045 0.377 0.252 0.005 0.392 11.15 0.975

As durezas dos materiais AISI D6 e AISI 4140 e seu tratamento térmico estão

representados na Tab. 4.

Tab. 4- Tratamentos térmicos, dureza e micro dureza dos corpos de prova

Material Tratamento térmico Dureza Vickers(HV

10)

Média da micro dureza da matriz (HV

0,10)

AISI D6

1° Pre- aquecimento 450°C /1hr; 2° Pré-aquecimento 850°C/30min.; Aquecimento 970°C/10min.; Resfriamento 280° à 320°/10min.; Resfriamento Ar 1° Revenimento 200°C à 270°C/2hr; Resfriamento Ar 2° Revenimento 550°C/2hr; Resfriamento Ar

513 684

AISI D6 Fornecimento laminado a quente, descascado com alívio de tensões

268 292

AISI 4140

1° Pré-aquecimento 450 °C /1hr.; Aquecimento 870°C/18 min.; Resfriamento 180°C à 200°C/10 min.; Resfriamento Ar

513 650

1° Revenimento 180°C à 200°C /2hr; Resfriamento Ar 2° Revenimento 260°C/2hr; Resfriamento Ar

AISI 4140 Fornecido laminado 210 271


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5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados dos ensaios demonstram que o tipo de abrasivo foi o fator de

maior relevância no desgaste, seguido pela carga aplicada no corpo de prova, pela

dureza do material, pela granulometria e pelo material utilizado.

A influência dos fatores nos desgastes pode ser verificada na Fig.3.

18080

0,024

0,022

0,020

0,018

0,016

Al2O3SiC 5,93,7

AISI4140D6

0,024

0,022

0,020

0,018

0,016

TemperadoNormal

Granulometria

Pe

rda

de

ma

ssa

( g

)

Lixa carga

material Dureza

Gráfico de influência dos fatores na média de perda de massaMédia

Fig. 3 - Significância dos fatores na perda de massa do corpo de prova

No desgaste dos corpos de prova, pode-se observar que além dos fatores

individuais apresentarem grande significância no desgaste dos materiais, como

demonstrado no Fig.3, as interações destes fatores também podem ser importantes

na análise de desgaste. A importância destes fatores e suas interações estão

representadas na Fig.4 e Fig.5.


6434

BCEBCD

ABCECDEABDACDACE

BCDECD

ABEABDE

BDEABC

ABCDBD

ACDEADE

AEACABADDEBCCEBE

DAECB

80706050403020100

Fato

res

Efeito padronizado

2,00

A Granulometria

B Lixa

C carga

D material

E Dureza

Fator Nome

Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados(Resposta é perda de massa, Desvio padrão = 0,05)

Fig.4 - Significância dos fatores e suas interações no desgaste dos corpos de prova

7550250-25-50

99

95

90

80

70

60

50

40

30

20

10

5

1

Efeitos Padronizados

Pe

rce

ntu

al

A Granulometria

B Lixa

C carga

D material

E Dureza

Fator Nome

Não significativo

Significativo

Tipo de efeito

ACDEADE

DECE

BE

BC

AEAD

ACAB

E

D

C

B

A

Gráfico normal dos efeitos padronizados(Resposta perda de massa, Desvião padrão = 0,05)

Fig. 5 - Significância dos fatores e suas inter-relações na perda de massa do corpo de prova


6435

O objetivo na construção do abrasômetropara ensaios de desgaste por

abrasão de dois corpos, foi atender as especificações de movimentos e de controle

de carga conforme Fig.1(6). O equipamento gerou todos os ensaios, conforme

planejamento experimental, atendendo desta forma este objetivo proposto.

Na Fig. 6 (a)observa-se que os resultados estão dentro da normalidade e que

os valores se aproximam da reta da normalidade. O histograma naFig.6 (c)

comprova esta afirmação. Na Fig. 6(b) pode-se perceber o quanto os valores se

afastam dos valores padronizados e na Fig. 6 (d) pode-se verificar a aleatoriedade

dos valores amostrais, resultantes do planejamento experimental no software

MINITAB.

0,00100,00050,0000-0,0005-0,0010

99,9

99

90

50

10

1

0,1

Residual

Pe

rce

ntu

al

0,0300,0250,0200,0150,010

0,0010

0,0005

0,0000

-0,0005

-0,0010

Valores marcados

Re

sid

ua

l

0,00120,00080,00040,0000-0,0004-0,0008

20

15

10

5

0

Residual

Fre

qu

en

cia

9080706050403020101

0,0010

0,0005

0,0000

-0,0005

-0,0010

Ordem de observação

Re

sid

ua

lGráfico da probabilidade normal (a) Residuos x valores (b)

Histograma (c) Ordem dos ensaios

Figura 6 - Teste de normalidade e aleatoriedade dos ensaios

A variação da granulometria nos ensaios, apresentou a mesma tendência de

desgaste com aço SAE 1045, em ensaios de desgaste abrasivo de dois corpos(7).

Ensaiosde abrasão em aço AISI 1090 com cinco abrasivos de alumina (# 320, # 240,

# 150, # 80 e # 36) também apresentaram uma tendência de desgaste maior para

uma lixa de grãos maiores (8).

Os materiais temperados e revenidos, com dureza superior aos materiais sem

tratamento, apresentam maior resistência ao desgaste e uma carga maior, aumenta

o desgaste do corpo de prova(9,10,11). O Carbeto de silício, mesmo apresentando uma


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dureza maior do que o óxido de alumínio, resultou em um desgaste menor nos

materiais analisados. Este resultadoé influenciado pela elevada fragilidade do grão

de carbeto de silício.

Todos os ensaios foram realizados em regime severo de desgaste, pois em

todos os casos a dureza do abrasivo é 20% maior que o do material dos corpos de

prova.

6 CONCLUSÕES

O equipamento de ensaio de desgaste por abrasão de dois corpos, de mesa,

com movimentos lineares, para ensaios do tipo pino sobre lixa, foi concluída com

exito, pois os resultados obtidos nos ensaios estão de acordo com os resultados

apresentados por outros equipamentos.

O planejamento fatorial e o estudo estatístico dos dados, demonstram que os

resultados de desgaste do material AISI 4140 e AISI D6 estão alinhados com os

resultados de outras pesquisas relativas ao desgaste abrasivo.

Verificou-se que todos os fatores estudados apresentaram significativa

influência no desgaste dos corpos de prova, sendo que o fator de maior influência foi

o tipo de abrasivo. Os ensaios demonstraram que mesmo que as interações dos

fatores demonstram ser significativas, os fatores individualmente são os mais

relevantes nos desgastes ocorridos nos ensaios.

7 BIBLIOGRAFIA

(1) SEIRIG, A. A. Friction and lubrication in mechanical design. New York:

Marcel Dekker Inc, 1998.

(2)TYLCZAC, J. H.Abrasive wear. In P. J. Blau et al. (Eds.). ASM Handbook, Vol. 18.

Friction, lubrification and wear technology. ASM Internacional, USA, (1992) 184-

190.

(3)JOST, H. P.Tribology – origin and future. Wear, 136, 1990, p.1–17.

(4) HUTCHINGS, I. M. Tribology:Friction and wear of engineeringmaterials.

Edward Arnold, Londres, 1992.

(5)RABINOWICZ, E. Friction and wear of materials. 2. ed. New York: John Wiley &

Sons, 1995. 315 p.

(6) AL-RUBAIE, K.S. Verschleissverhalten von eisenbasis-legierungen bei

abrasiver und erosiver beanspruchung. Aachen,ShakerVerlag, 1996, 251p.


6437

(7)MARIN, J.J.C. Efeito do tamanho do abrasivo no desgaste de metais. Tese

(Doutorado), Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010, 150f.

(8)DATE, S.W.; MALKIN, S. Effects of grit size on abrasion with coated abrasives,

Wear 40, 1976, p.223–235.

(9)ZUM GAHR, K.-H. Microstructure and wear of materials. Amsterdam: Elsevier,

1987. 560p.

(10)VILLABÓN, R.L.Construção e instrumentação de abrasômetro do tipo roda-

de-borracha para o estudo do comportamento tribológico de aços. Dissertação

(Mestrado), Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005, 82f.

(11)MISRA, A.; FINNIE, I. A classification of three-body abrasive wear and

design of a new tester, Wear 60, 1980, p.111-121.

ABSTRACT

Abrasion testing equipment with a configuration of pin on abrasive paper was

developed. It consists of a system controlled by CNC for linear movements, allowing

variations in the distance and speed of the tests, thereby making the equipment

flexible and easy to handle. With this motion control, all tests were performed on new

abrasive particles, avoiding the influence of grain breakage or large variations in the

abrasion results on passing on the same abrasive particles during the course of

abrasion. Abrasion testscan be performed with or without specimen rotation. A load

cell was used for controlling the applied load. To validate the abrasion equipment, an

experimental design, two-level, five input factors (abrasive type,abrasive particle size,

load, material type, and material hardness), three replicas,was randomly carried out.

The materials tested were AISI 4140 and AISI D6 steels. The abrasion

ratewasrelated to input factors. The results showed that the type of abrasive was the

most influential factor on the wear rate.

Keywords: Wear; abrasion; Tests.


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