1. ETEC MARTIN LUTHER KING
Diego Hideki Shibata Obregon
Redutor ECDR
São Paulo
2011
2. 2
Shibata Hideki
Diego Hideki Shibata Obregon
Redutor ECDR
Projeto de conclusão de semestre
apresentado à disciplina de TMM-
II (Tecnologia dos Materiais
Mecânicos II)
Orientador: Prof. Marcos
Vaskevicius
São Paulo
2011
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Shibata Hideki
SUMÁRIO
1. Plano Básico de Inspeções ........................................................................... 5
2. Materiais segundo ABNT .............................................................................. 6
3. Tratamentos.................................................................................................. 7
4. Sequência de processos para a fabricação................................................... 8
5. Justificativas técnicas.................................................................................... 9
5.1. Ensaios................................................................................................... 9
5.2. Materiais............................................................................................... 10
5.3. Tratamentos ......................................................................................... 12
5.4. Processos de fabricação ...................................................................... 13
6. Características dos principais ensaios ........................................................ 15
a) Análise química....................................................................................... 15
b) Ensaio de tração ..................................................................................... 16
c) Ensaio de fadiga...................................................................................... 17
d) Ensaio de dureza .................................................................................... 18
e) Ensaio por líquidos penetrantes .............................................................. 20
f) Ensaio de ultrassom................................................................................. 21
7. Características dos principais tratamentos térmicos.................................... 23
a) Têmpera.................................................................................................. 23
b) Revenimento ........................................................................................... 25
c) Recozimento ........................................................................................... 26
8. Bibliografia .................................................................................................. 28
9. Sitegrafia..................................................................................................... 28
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Shibata Hideki
ÍNDICE DE FIGURAS E GRÁFICOS
Figuras:
Figura 1: Espectrômetro de emissão ótica ...................................................... 15
Figura 2: Máquina universal de tração ............................................................ 17
Figura 3: Durômetro........................................................................................ 19
Figura 4: Representação das etapas de um ensaio por líquidos penetrantes . 20
Figura 5: Descontinuidade superficial revelada pelo uso de líquidos penetrantes
........................................................................................................................ 21
Figura 6: Realização do ensaio de ultrassom.................................................. 22
Figura 7: Esquema mostrando a melhoria da dureza nas peças temperadas . 24
Gráficos:
Gráfico 1: Diagrama Tensão x Deformação, resultante do ensaio de tração... 16
Gráfico 2: Curva S-N (tensão - número de ciclos) ........................................... 18
Gráfico 3: Diagrama t x T (tempo x Temperatura) da têmpera ........................ 23
Gráfico 4: Diagrama t x T (tempo x Temperatura) do beneficiamento ............. 25
Gráfico 5: Diagrama t x T (tempo x Temperatura) do recozimento .................. 26
5. 5
Shibata Hideki
1. Plano Básico de Inspeções:
a) Eixos:
Análise química;
Ensaio de tração;
Ensaio de fadiga;
Ensaio de dureza Rockwell.
b) Engrenagens:
Análise química;
Ensaio de tração;
Ensaio de dureza Rockwell.
c) Caixa do redutor:
Análise química;
Ensaio por líquidos penetrantes;
Ensaio de ultrassom.
d) Parafusos de fixação das tampas:
Análise química;
Ensaio de tração.
6. 6
Shibata Hideki
2. Materiais segundo ABNT:
a) Eixos:
ABNT 4340.
b) Engrenagens:
ABNT 4340.
c) Caixa do redutor:
FC-200.
d) Parafusos de fixação das tampas:
ABNT 1020.
7. 7
Shibata Hideki
3. Tratamentos:
a) Eixos:
Têmpera e revenimento (beneficiamento).
b) Engrenagens:
Têmpera e revenimento (beneficiamento).
c) Caixa do redutor:
Recozimento (alívio das tensões do processo de fundição).
d) Parafusos de fixação das tampas:
Nenhum (são parafusos com baixa dureza e resistência mecânica).
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Shibata Hideki
4. Sequência de processos para a fabricação:
a) Eixos:
Forjamento;
Usinagem por torneamento e fresamento.
b) Engrenagens:
Forjamento;
Usinagem por torneamento e fresamento.
c) Caixa do redutor:
Fundição;
Usinagem por mandrilhamento.
d) Parafusos de fixação das tampas:
Forjamento a frio.
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Shibata Hideki
5. Justificativas técnicas:
5.1. Ensaios:
a) Eixos:
Análise química: para a obtenção de informações mais precisas acerca
da composição química do material;
Ensaio de tração: para obtenção de maiores informações acerca da
resistência do material (limite de resistência e de escoamento, além do
alongamento) e do seu comportamento quando submetido à tração;
Ensaio de fadiga: para obtenção de maiores informações acerca da
resistência que o material apresenta à fratura por fadiga, causada por
esforços cíclicos repetidos;
Ensaio de dureza Rockwell: para verificar o acréscimo de dureza
adquirido por meio do beneficiamento, e para certificar se a dureza
obtida está compatível com os esforços ao qual o material será
submetido.
b) Engrenagens:
Análise química: para a obtenção de informações mais precisas acerca
da composição química do material;
Ensaio de tração: para obtenção de maiores informações acerca da
resistência do material e do seu comportamento quando submetido à
tração;
Ensaio de dureza Rockwell: para verificar o acréscimo de dureza
adquirido por meio do beneficiamento, e para certificar se a dureza
obtida está compatível com os esforços ao qual o material será
submetido.
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c) Caixa do redutor:
Análise química: para a obtenção de informações mais precisas acerca
da composição química do material;
Ensaio de líquido penetrante: para detecção de descontinuidades
superficiais, tais como trincas, que podem ter sido originadas no
processo de resfriamento pós-fundição;
Ensaio de ultrassom: para detecção de defeitos internos no material, tal
como espaços vazios causados pelo preenchimento de um molde por
fundição, ou para a medição de espessura de paredes e detecção de
corrosão.
d) Parafusos de fixação das tampas:
Análise química: para a obtenção de informações mais precisas acerca
da composição química do material;
Ensaio de tração: para obtenção de maiores informações acerca da
resistência do material e do seu comportamento quando submetido à
tração.
5.2. Materiais:
a) Eixos:
ABNT 4140:
Esse material foi selecionado devido às seguintes propriedades
favoráveis que ele apresenta:
Boas propriedades mecânicas (transmissão de força e movimento);
Alta temperabilidade;
Resistência à corrosão;
Longa vida útil;
Resistência a esforços compatível com o nível exigido para o material.
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b) Engrenagem:
ABNT 4340:
Esse material foi selecionado devido às seguintes propriedades
favoráveis que ele apresenta:
Boas propriedades mecânicas (transmissão de força e movimento);
Alta temperabilidade;
Resistência à corrosão;
Longa vida útil;
Resistência a esforços compatível com o nível exigido para o material;
c) Caixa do redutor:
FC-200:
O ferro fundido cinzento foi selecionado para a caixa do redutor, devido
à sua facilidade de moldagem por fundição e por apresentar peso e resistência
elevados. Além disso, o referido material pode absorver vibrações provocadas
pelas peças móveis (eixo e engrenagem).
d) Parafusos de fixação das tampas:
ABNT 1020:
Esse material foi selecionado devido a facilidade que apresenta à
conformação mecânica, e também pelo seu baixo custo, já que a função do
material é simplesmente fixar as tampas do redutor.
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Shibata Hideki
5.3. Tratamentos:
a) Eixos:
Têmpera: para aumento substancial da dureza na periferia da peça e
conservação da tenacidade no interior. Assim, a periferia adquire a
capacidade de resistir a maiores esforços e o interior permanece apto a
absorver impactos;
Revenimento: para corrigir os excessos (tensões internas) decorrentes
do rápido resfriamento proporcionado pela têmpera.
b) Engrenagens:
Têmpera: para aumento substancial da dureza na periferia da peça
(onde estão os dentes) e conservação da tenacidade no interior. Assim,
a periferia adquire a capacidade de resistir a maiores esforços e o
interior permanece apto a absorver impactos;
Revenimento: para corrigir os excessos (tensões internas) decorrentes
do rápido resfriamento proporcionado pela têmpera.
c) Caixa do redutor:
Recozimento: para remover as tensões oriundas do processo de
fundição e assegurar uma boa ductilidade para posterior usinagem.
d) Parafusos de fixação das tampas:
Nenhum: não existe a necessidade de encarecer o projeto com
investimentos em tratamentos nos parafusos de fixação, já que estes
não desempenham funções que requeiram muita resistência mecânica.
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Shibata Hideki
5.4. Processos de fabricação:
a) Eixos:
Forjamento: a preferência por esse processo de fabricação deveu-se
pela melhoria (de 30 a 40%) das propriedades mecânicas do material
proporcionada por esse método de conformação. Além disso, o
forjamento facilita a fabricação em larga escala por produzir peças já
semiacabadas;
Usinagem por torneamento: a escolha desse processo de fabricação
deveu-se pela facilidade de se usinar a peça em um torno, partindo de
um material com simetria de revolução (cilíndrica), proveniente do
processo de forjamento;
Usinagem por fresamento: esse método de fabricação foi selecionado
como adequado para a fabricação do eixo porque o referido processo
permite a usinagem de detalhes que, por torneamento, não seriam
possíveis.
b) Engrenagens:
Forjamento: a preferência por esse processo de fabricação deveu-se
pela melhoria das propriedades mecânicas do material (30 a 40% mais
resistente a esforços que uma peça laminada) proporcionada por esse
método de conformação. Além disso, o forjamento facilita a fabricação
em larga escala por produzir peças já semiacabadas;
Usinagem por torneamento: a escolha desse processo de fabricação
deveu-se pela facilidade de se usinar a peça em um torno, partindo de
um material com simetria de revolução (cilíndrica), proveniente do
processo de forjamento;
Usinagem por fresamento: esse método de fabricação foi selecionado
como adequado para a fabricação da engrenagem porque o referido
processo permite a usinagem de detalhes que, por torneamento, não
seriam possíveis.
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Shibata Hideki
c) Caixa do redutor:
Fundição: por tratar-se de uma peça muito complexa, a preferência por
esse processo de fabricação deveu-se por facilitar a moldagem de
peças complexas, reduzindo o custo associado à produção;
Usinagem por mandrilhamento: a seleção desse processo de usinagem
deveu-se pelo seu alto grau de acabamento e pela capacidade de
realizar furações que, através do processo de furação convencional, não
seriam possíveis.
d) Parafusos de fixação das tampas:
Forjamento a frio: a preferência por esse processo de fabricação deveu-
se pela precisão dimensional, qualidade superficial e melhoria das
propriedades mecânicas do material proporcionadas pela conformação
a frio. Além disso, o forjamento facilita a fabricação em larga escala por
produzir peças já semiacabados.
15. 15
Shibata Hideki
6. Características dos principais ensaios:
a) Análise química:
A análise química tem por objetivo determinar qualitativa e/ou
quantitativamente os elementos químicos que compõem um material em
análise.
Para a realização da análise química, podem ser usadas diversas
técnicas de análise,
cuja escolha dependerá, essencialmente, de três fatores: a precisão exigida, o
tempo e o custo.
Existem dezenas de técnicas diferentes para a determinação da
composição química de materiais metálicos, sendo os principais métodos os
seguintes:
Via úmida;
Espectrometria;
Microanálise.
A espectrometria é o método mais utilizado para a análise química de
metais ferrosos. O referido método utiliza o espectrômetro para a realização do
ensaio de análise química.
Figura 1: Espectrômetro de emissão ótica
16. 16
Shibata Hideki
A espectrometria baseia-se no estudo dos feixes de onda
eletromagnética (luz) incidentes sobre uma amostra do material em análise,
que então, absorve energia em determinados comprimentos de onda. Os
valores da energia e dos comprimentos de onda absorvidos são detectados no
espectrômetro e transformados em um gráfico no computador. E através da
análise desse gráfico se determina a composição química do material.
b) Ensaio de tração:
O ensaio de tração consiste, basicamente, em se tracionar um corpo de
prova com força crescente até a sua ruptura, por meio de uma máquina
universal de tração.
Por meio da análise da relação da tensão existente no corpo de prova
com a deformação sofrida pelo mesmo, é possível elaborar o diagrama Tensão
x Deformação:
Gráfico 1: Diagrama Tensão x Deformação, resultante do ensaio de tração
17. 17
Shibata Hideki
O referido diagrama fornece algumas das mais importantes informações
acerca de um material, tais como a tensão de escoamento (limite entre as
fases elástica e plástica) e a tensão de ruptura (limite de resistência), o que
permite uma melhor adequação do material aos esforços que atuarão sobre o
mesmo.
Devido a sua grande utilidade e seu custo relativamente baixo, o ensaio
de tração é o mais utilizado na área de mecatrônica.
Figura 2: Máquina universal de tração
c) Ensaio de fadiga:
O método consiste em submeter um corpo de prova a esforços cíclicos
decrescentes de flexão e torção por meio da máquina de ensaio à fadiga por
rotação ou flexão rotativa até que se conclua a execução da curva S-N:
18. 18
Shibata Hideki
Gráfico 2: Curva S-N (tensão - número de ciclos)
Por meio da análise da curva S-N é possível identificar o limite da
fadiga, ou seja, a tensão máxima que o material suporta, sem se romper,
quando submetido a esforços cíclicos de flexo-torção.
Esse ensaio é utilizado para inspecionar eixos de responsabilidade, que
transmitem força e movimento (trabalho), já que permanecem em
funcionamento por longos períodos, sujeitos a grandes esforços cíclicos, e não
podem se romper por fadiga.
d) Ensaio de dureza:
Esse ensaio consiste em se aplicar cargas (primeiramente uma pré-
carga e posteriormente uma carga maior), por meio de um durômetro, sobre o
corpo de prova e, após retiradas as cargas, se verificar o valor de dureza no
mostrador da máquina.
19. 19
Shibata Hideki
O objetivo do ensaio é avaliar a resistência do material em análise à
penetração por um material muito duro (mais duro que o corpo de prova), tal
como esferas de aço endurecido e cone de diamante.
Figura 3: Durômetro
O valor de dureza pode ser representado em diferentes escalas (A, B,
C, ...) e realizado por meio de diferentes métodos, tais como os métodos
Rockwell (valores de dureza em HR), Brinell (valores de dureza em HB) e
Vickers (valores de dureza em HV), não sendo possível comparar valores de
dureza fora de uma mesma escala (compara-se dureza de escala HRA com
outra de escala HRA, nunca com uma de escala HRB).
O ensaio de dureza Rockwell é de baixo custo e fácil execução, sendo
muito utilizado para conferir a dureza de peças de produção seriada.
Em função da carga aplicada ao corpo de prova, a dureza Rockwell
pode ser divida em normal (cargas maiores) e superficial (cargas menores). A
primeira é utilizada em peças de maior espessura e a última, em peças mais
finas.
O ensaio de dureza é muito utilizado como uma alternativa ao ensaio de
tração, bem como para caracterizar uma peça antes e após um tratamento
térmico.
20. 20
Shibata Hideki
O ensaio de dureza, bem como os ensaios de análise química, de
tração e de fadiga, é classificado como ensaio destrutivo, pois danifica ou
inutiliza uma peça durante a realização dos testes.
e) Ensaio por líquidos penetrantes:
As principais etapas que compõem o ensaio por líquidos penetrantes
são:
1) aplicar um líquido de coloração geralmente vermelha sobre a superfície da
peça a ser inspecionada;
2) esperar que o líquido penetre nas regiões de descontinuidade da peça;
3) efetuar a remoção do líquido penetrante por meio de lavagem com água ou
remoção com solventes (a porção do líquido que penetrou nos defeitos
superficiais da peça não serão retirados).
4) aplicar um revelador de coloração comumente branca (talco) para que este
se concentre nas regiões em que o líquido penetrou na peça;
5) visualizar a localização das descontinuidades superficiais, após o
afloramento da coloração avermelhada do líquido sobre a coloração branca do
talco.
Figura 4: Representação das etapas de um ensaio por líquidos penetrantes
21. 21
Shibata Hideki
O objetivo desse ensaio é detectar possíveis descontinuidades
superficiais em materiais isentos de porosidade, tais como: metais ferrosos e
não ferrosos, alumínio, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, certos tipos de
plásticos ou materiais organo-sintéticos. Além disso também é utilizado para a
detecção de vazamentos em tubos, tanques, soldas e componentes.
Figura 5: Descontinuidade superficial revelada pelo uso de líquidos penetrantes
A utilização dos líquidos penetrantes permite uma simples e precisa
detecção de imperfeições superficiais.
O ensaio por líquidos penetrantes é classificado como ensaio não
destrutivo, pois não danifica a peça inspecionada.
f) Ensaio de ultrassom:
Consiste em um ensaio não destrutivo cuja principal finalidade é a
detecção de descontinuidades internas em materiais metálicos e não metálicos,
através da introdução de um feixe sônico com características compatíveis com
a estrutura do material a ser ensaiado.
O instrumento utilizado para a realização desse ensaio é o aparelho de
ultrassom.
Os feixes sônicos incididos sobre o material atravessam toda a peça e
ecoam de volta para o cabeçote (transdutor) do aparelho de ultrassom.
O aparelho de ultrassom traduz as informações obtidas pela captação do
eco dos feixes sônicos em um gráfico mostrado no monitor da máquina.
O referido gráfico mantém-se como uma reta horizontal (paralela ao eixo
das abscissas) enquanto não detecta nenhuma descontinuidade interna.
22. 22
Shibata Hideki
Caso haja alguma descontinuidade, os feixes sônicos, ao atingirem o
defeito interno, ecoam de volta e são captados pelo transdutor. Com isso, o
aparelho detecta a falta de material maciço no local e revela o problema
através de um pico no gráfico.
Figura 6: Realização do ensaio de ultrassom
Para a realização do ensaio, o operador responsável pelo ensaio, passa
cuidadosamente o cabeçote da máquina sobre a superfície da peça a ser
ensaiada. Quando é detectado um defeito interno, o operador passa
novamente o transdutor sobre o local denunciado pelo aparelho, e, em caso de
confirmação da descontinuidade, ele marca o local correspondente, na
superfície da peça, por meio de um giz.
O ensaio de ultrassom é geralmente realizado em peças condenadas
pelo ensaio por líquidos penetrantes para verificar a existência de
descontinuidades internas tal como já constatadas na superfície. Contudo, isso
não é uma regra. O ensaio de ultrassom pode ser realizado sem a necessidade
de uma antecedente inspeção pelo ensaio por líquidos penetrantes.
23. 23
Shibata Hideki
7. Características dos principais tratamentos térmicos:
Tratamentos térmicos são operações que submetem um material a um
ciclo de variações térmicas, visando alterar a estrutura interna do mesmo,
proporcionando, assim, mudanças nas propriedades da peça tratada.
Todo tratamento térmico é composto pelas seguintes etapas:
1) por meio de um forno, aquecer a peça, geralmente de aço carbono ou aço-
liga, até aproximadamente 100º C acima da zona crítica ou faixa de
temperatura para a transformação estrutural do material;
2) manter essa temperatura no forno para que ocorra a homogeneização
térmica na peça em tratamento;
3) resfriar a peça.
Para a maioria dos aços com médio teor de carbono, a zona crítica do
material encontra-se entre 800ºC e 1000ºC.
A característica que diferencia os tipos de tratamentos térmicos é a
maneira como é realizada o resfriamento da peça. A exceção para essa
definição é o revenimento, que realiza um aquecimento diferenciado em
relação aos outros tipos de tratamentos.
a) Têmpera:
O tratamento térmico supra caracteriza-se pelo resfriamento rápido da
peça já anteriormente aquecida e homogeneizada termicamente acima da sua
zona crítica, conforme o diagrama abaixo:
Gráfico 3: Diagrama t x T (tempo x Temperatura) da têmpera
24. 24
Shibata Hideki
O objetivo da têmpera é aumentar a dureza do material e a sua
resistência à ruptura e ao desgaste.
Nesse tratamento térmico, a peça é retirada do forno após o período de
homogeneização térmica e posteriormente submetida ao resfriamento por
salmoura, água ou óleo, ou ainda por simples permanência do material fora do
forno (resfriamento ao ar). Cabe destacar, no entanto, que a têmpera ao ar
somente ocorre para alguns materiais.
A escolha do meio de resfriamento depende da composição química do
material e o formato da peça a ser temperada.
Geralmente, somente consegue-se temperar (mudar os constituintes
estruturais, bem como a dureza) uma peça na sua periferia. Desse modo, esse
tratamento térmico proporciona uma melhoria da dureza de forma decrescente
ao longo da seção transversal da peça (da periferia para o centro),
possibilitando uma elevada dureza e resistência a esforços na periferia e ainda
uma certa tenacidade (capacidade de absorver esforços) no núcleo da peça, tal
como no esquema abaixo:
Figura 7: Esquema mostrando a melhoria da dureza nas peças temperadas
Contudo, devido ao resfriamento rápido proporcionado pela têmpera, o
material submetido a esse tipo de tratamento térmico apresenta tensões muito
intensas na sua camada periférica, fragilizando tal região.
Assim, para corrigir os excessos decorrentes da têmpera, existe a
necessidade de se realizar um revenimento na peça temperada.
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Shibata Hideki
As estruturas originadas pelo processo de têmpera são tetragonal de
corpo centrado e cúbico de corpo centrado (TCC + CCC), apresentando como
principal constituinte estrutural a martensita (representa mais de 50% da
composição de um material temperado).
A têmpera é utilizada principalemente junto aos aço ao carbono (com
teor de carbono menor que 0,30%), aços-liga (com cromo ou molibdênio) e
ferros fundidos.
b) Revenimento:
Consiste em se aquecer o material em tratamento cerca de 50º C abaixo
da zona crítica do mesmo, deixá-lo homogeneizar termicamente e resfriá-lo em
água, óleo ou ao ar.
Por não aquecer a peça acima da sua zona crítica, o revenimento não
realiza mudanças na estrutura interna do material. No entanto, proporciona a
correção das distorções provocadas numa peça temperada pelo resfriamento
rápido da mesma.
Assim, o revenimento corrige a dureza e fragilidade excessivas, além de
remover o acúmulo de esforços estruturais internos (tensões internas),
oriundos da realização da têmpera. Desse modo, a estrutura originada pela
têmpera não é alterada pelo revenimento.
O processo de têmpera seguido pelo revenimento é denominado
beneficiamento, o qual pode ser representado pelo diagrama abaixo:
Gráfico 4: Diagrama t x T (tempo x Temperatura) do beneficiamento
26. 26
Shibata Hideki
Acerca do diagrama anterior, cabe destacar que:
o intervalo entre t0 e t3 representa o tempo para a execução da têmpera;
o intervalo entre t4 e t7 representa o tempo para a execução do
revenimento;
o intervalo entre t0 e t7 representa o tempo para a execução do
beneficiamento.
Os possíveis constituintes estruturais presentes em um material
beneficiado são:
ferrita e perlita, martensita e bainita (F + P e M+B);
perlita, martensita e bainita (P e M + B);
perlita e cementita, martensita e bainita (P + C e M + B);
c) Recozimento:
Caracteriza-se pelo resfriamento muito lento da peça em tratamento, por
meio da manutenção do material aquecido dentro do forno desligado (ainda
quente).
Gráfico 5: Diagrama t x T (tempo x Temperatura) do recozimento
27. 27
Shibata Hideki
Devido ao resfriamento muito lento da peça, o revenimento proporciona
um alívio das tensões internas do material tratado, diminuindo a dureza e
elevando a ductilidade do mesmo.
Assim, os principais objetivos do recozimento são os seguintes:
Remoção de tensões internas oriundas de processos de fabricação
(fundição, conformação em geral, etc.);
Diminuir a dureza para favorecer a usinabilidade;
Alterar propriedades mecânicas, como resistência (diminui) e ductilidade
(aumenta);
Um recozimento pode ser classificado da seguinte maneira:
Recozimento pleno ou total: visa reduzir a dureza e melhorar a
ductilidade.
Recozimento para alívio de tensão: visa reorganizar a estrutura do
material para reduzir os esforços estruturais internos.
A estrutura originada pelo recozimento é o CCC (cúbico de corpo
centrado), apresentando como possíveis constituintes estruturais principais:
ferrita e perlita (F + P);
perlita e cementita (P + C).
